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关键词： 学习进阶   物理教学   教学衔接   电路   电能  

摘要： 随着《义务教育物理课程标准（2022年版）》颁布，提出加强初高中学段衔接问题。针对学生进入高中物理学习困难的问题，基于学习进阶理论，以“电路和电能”教学为例，从把握教学起点、设计认知冲突、指导思维方法三方面提出初高中物理教学的衔接策略，帮助教师把握课标、教材和学生水平，让物理教学实现有效衔接。

关键词： 压电能量采集   冷启动   有源整流   最大功率点追踪   开路电压法  

摘要： 在第五代移动通信技术以及人工智能技术的推动下,许多物联网技术壁垒被打破,给了其飞速发展的契机。物联网中应用无线传感器节点的领域与规模在迅速扩大,然而如何对大规模、分布广泛的智能节点供电成了待解决的难题。传统智能节点的单一电池供电模式存在寿命有限、维护困难以及潜在的环境污染问题,极大地限制了传感器的应用范围。而基于环境能量收集的能量采集系统可以为无线传感器节点提供更优的供能解决方案。 针对内阻未知的压电材料能量转换器,本论文设计了实时压电能量采集系统电路,用以对连续振动的压电材料输出能量进行高效率采集与稳压输出。考虑压电材料交流输出及开路电压变化范围宽的特性,文中的实时压电能量采集系统电路包含整流接口电路以及Buck-Boost电源管理电路两部分,分别对压电材料交流输出进行整流转换以及应对其宽输入特性进行稳压输出。本文首先应用了自偏置有源整流电路与无源整流配合的整流接口,以实现低工作电压、高整流效率;同时,还设计了低压下的限流冷启动供能,在无片外元件辅助的情况下针对低电压输出的压电材料实现系统快速、安全的启动;接着,本文提出了基于开路电压法、调控电感电流峰值的最大功率点追踪匹配方案以控制Buck-Boost变化器实现快速的阻抗匹配;针对小电容开路采样的情况,还提出了双峰值开路电压采样方法,并基于理论设计了采样电路,可实现对于压电材料开路电压快速、精准的采样;进而,本文采用迟滞稳压架构控制输出电压以兼顾最大功率点追踪和输出稳压,在输入功率高于额定输出功率时禁用MPPT功能及开关动作,降低电路静态功耗,同时在重载下进行模式切换实现负载控制以及短暂过载。 本文基于0.25μm BCD工艺搭建系统电路,对关键子模块及整体电路进行了功能仿真验证。仿真结果表明,系统电路上电冷启阈值为550 m V,最高输入电压5 V。输出电压范围为1.2 V～5 V。本文设计的电源管理电路可针对输出功率为400μW及以上的压电材料进行能量采集。基于双峰值开路电压采样的系统最大功率接近程度峰值为99.89%,Buck-Boost变化器转换效率峰值93%,系统电路整体效率最大为89.2%。

关键词： 废旧电路板   芯片拆解回收   自动化   机器视觉  

摘要： 随着电子信息技术的快速进展,电子产品更新换代的速度不断加快,使电子废弃物(e-waste)迅速成为增长最快的固体废物类型之一。电路板作为电子废弃物的关键组成部分,含有众多对环境和人类健康有害的重金属和化学物质,其不规范的回收处理将构成重大威胁。此外,电路板中包含的众多高价值芯片(如内存、处理器等)的使用寿命远超过了设备本身。目前,这些芯片的回收主要依赖于人工加热(烤板)和手动拆卸,这不仅效率低下,还严重污染环境。而当前为数不多的一些芯片自动化拆解设备由于受到电路板上芯片的外部环境和结构影响,导致在仅依赖视觉识别的方案下存在识别准确性低和识别速度慢的问题,这些问题严重制约了拆解速度的提升。因此,本文基于视觉电路板定位,结合三轴运动滑台控制以及机械坐标代换,研制了自动化拆解并回收这些芯片的技术。不仅对于实现资源的高效再利用和保护环境至关重要,同时也具有显著的经济和社会效益。具体研究内容和结论如下: (1)综合分析了电路板上芯片的封装形式,以手机电路板主流的球栅阵列封装(BGA)为研究对象。分析了芯片与基板之间的固定方式,并应用粘性流体力学原理建立了拆解的力学模型,并通过铜片台架实验,验证了不同角度下拆解力的变化情况。此外,通过ANSYS软件仿真了拆解过程中芯片连接部分应力的变化,发现水平拆解时的峰值应力远高于垂直拆解。该结果为研制能够实现电路板芯片无损拆解的设备方案设计提供了重要的理论依据。 (2)本研究详细分析和对比了目前国内外电路板芯片拆除及其回收再利用的技术,设计出一整套机械设备方案。该设备通过控制电路板的温度梯度来加热并熔化焊锡,然后利用传送带将其运输到终端,其中夹具用于固定电路板,通过移动滑台和真空气泵完成自动化拆解。实验结果表明,设置三个加热梯度:60℃～80℃、130℃～150℃以及230℃～270℃,能够有效减少电路板因受热不均而导致的变形和破坏。 (3)为解决传统纯视觉定位系统可靠性不高、应用场景受限的问题,本研究创新性地提出了一种结合电路板Mark点的视觉辅助定位技术。通过将电路板芯片的物理坐标系转换为相对坐标系的算法。该技术能够直接生成相对坐标指令,传递给控制系统驱动运动滑台,从而更精确地确定目标芯片的位置。这一方法不受芯片表面是否有污损的干扰,定位精度达到0.1mm。实现了拆解回收过程的全自动化和高效率。 (4)设备的拆解速度约为每分钟8片芯片。同时,对芯片回收利用进行了成本与收益分析。设备的单台成本约为50,000元,而每台设备每年的运营成本为79,775元,能实现的净利润为107,445元/台。这一分析为设备未来应用的经济性提供了重要依据。

关键词： 忆阻器模型   忆阻混沌系统   脉冲控制   混沌同步   电路设计   混沌保密通信  

摘要： 本文旨在通过结合不同的忆阻器模型与忆阻混沌系统构建方法,提出并构建新型忆阻混沌电路系统。通过对所构建系统进行理论分析与数值仿真,设计了相应的电路等效模块,并在电路仿真软件中验证了系统的动力学特性。基于忆阻混沌系统的数学模型建立了无量纲状态方程组,并运用Lyapunov稳定性方法对其展开控制研究,同时结合同步控制方法和混沌掩盖通信技术,探讨了混沌保密通信的应用。具体研究内容可以概括为如下三个部分: (1)首先,采用光滑二次非线性忆阻器和三次非线性磁控忆阻器模型,将其作为反馈项分别引入到Chen混沌系统、Rucklidge混沌系统中,得到忆阻混沌系统。接着,对新构建的忆阻混沌系统采用平衡点、耗散性、吸引子相位图、功率谱、分岔图、Lyapunov指数谱、Poincaré截面等常规动力学分析方法,对其基本混沌动力学特性进行研究和分析,发现该系统不仅保持原混沌系统的对称性及耗散性,同时还具备无限平衡点集、超混沌等新的动力学特性。研究中发现,两类忆阻超混沌系统在时间迭代过程中,对某些系统参数的变化极其敏感,参数取值的变化导致系统的运动状态发生了相应的改变。最后,根据非线性电路中模块化设计的思想,采用运算放大器、乘法器、电容器以及电阻器等基本电路元件,对所提出的忆阻型混沌系统进行了相应的电路设计与仿真验证,SPICE电路仿真结果与数值理论仿真具有良好的一致性。 (2)通过分析两类不同的忆阻混沌系统模型,得到无量纲状态的微分方程组,确保受控系统在时域下的稳定性或渐进稳定性,对其展开控制研究。首先,脉冲控制结构简单、方法有效,针对提出的两类忆阻型混沌系统,设计了一个新的脉冲控制器模型,结合Lyapunov稳定性原理构造Lyapunov函数对受控系统进行稳定性分析,分析得出受控系统仅在两个周期之内就能稳定在平衡点附近。其次,基于T-S模糊控制原理建立了两个模糊规则,对非线性忆阻混沌系统进行线性建模,结合三段式脉冲控制方法推导出了使T-S模糊模型下的受控系统稳定的定理,该方法稳定系统的时间极短,数值结果证实了该方法的有效性。随后,研究了忆阻混沌系统同步过程中执行器输入饱和的影响,考虑了饱和函数的不对称性,实现了具有不对称输入饱和的忆阻混沌系统之间的同步,为研究不对称输入饱和函数对忆阻混沌系统同步的影响提供了思路。最后,通过状态观测器同步控制方法,将混沌同步转化为误差系统稳定性问题,设计了有效的状态观测器,为混沌系统保密通信中的同步策略提供了数值理论支撑。 (3)基于忆阻器的超混沌系统产生的混沌信号与其他混沌信号相比,具有更高的复杂性以及更强的抗干扰性等特征,这也使得基于忆阻器的超混沌系统产生的混沌信号,成为了信息传递载体中较为理想的选择,可将其应用到图像加密、视频加密以及保密通信等领域。本文基于混沌同步控制,在其基础上采用驱动响应式控制方法作为同步控制策略,采取混沌掩盖技术来实现混沌保密通信。将驱动系统中的任一状态变量与发送信号耦合,生成一个难以辨识的混合信号,从而达到加密的目的。接着,在响应系统中生成一个同步序列,最终从混合信号中抽离出有效信号,以此满足混沌同步系统传递信息的需求。最后,分别设计了驱动电路、响应电路以及混沌掩盖保密通信电路,实验结果与数值仿真呈现良好的一致性。

关键词： 非线性微陀螺   非线性电路   外围接口电路   几何非线性   科氏力  

摘要： 随着陀螺仪的应用日趋广泛,不同的应用场景和消费市场给陀螺仪的发展和创新提出了更高的要求。梁式陀螺仪作为MEMS陀螺仪的典型代表,其设计、制造以及应用一直受到广泛关注。目前广泛应用的陀螺仪仍属于线性陀螺,对于复杂非线性微陀螺相关的等效模拟电子电路设计、外围接口电路设计等问题缺乏足够的研究,因此,进一步探究指数型变截面梁式陀螺仪系统的非线性性能,同时设计其外围接口电路,对于梁式陀螺仪的发展应用具有重要意义。 本文基于指数型变截面梁式陀螺仪的非线性动力学方程,设计并搭建了等效模拟电子电路模型,从电学的角度分别在时域和频域内验证了理论计算结果的正确性。在设计的整体等效电路模型中,实现了激励方向、时滞控制电路与非时滞控制电路的切换功能。 针对指数型变截面梁式陀螺仪驱动与检测方向的接口电路进行了设计、仿真与实验。驱动方向的接口电路包括开环驱动电路与闭环自激驱动电路。在闭环自激驱动电路中,采用C/V转换电路、高通滤波电路、峰值提取电路等实现了闭环自激驱动。在峰值提取电路中利用更少的元器件实现了对输入波形峰值更好的提取效果。采用滑模控制方法进一步增强了系统的鲁棒性。检测方向的接口电路主要由C/V转换电路、差分放大电路、调制解调电路以及低通滤波电路等部分组成。采用T型阻容反馈网络对C/V转换电路进行改进,利用差分放大电路扩大了可检测电容变化量的范围,利用AD835乘法器模块实现了待测信号的调制与解调。最后分别使用面包板及PCB搭建驱动与检测方向的接口电路系统,实现了预期的功能。 为进一步验证变截面梁的性能,针对锥形变截面梁和等截面直梁进行理论分析与实验研究。首先建立了无待测角速度输入时驱动方向的非线性动力学方程,将理论计算结果与实验结果进行对比,验证了锥形变截面梁所具有的非线性硬特性;然后建立了锥形变截面梁式陀螺仪系统的线性动力学方程,并考虑了驱动与检测方向刚度影响系数、转台角速度大小、方向对系统响应的影响。实验结果表明,当驱动方向与检测方向固有频率不完全匹配时,在外部角速度较大的情况下检测方向振动引起的驱动方向的科氏力是不容忽视的。在相同的实验条件下,与等截面直梁陀螺仪系统相比,锥形变截面梁式陀螺仪具有更高的灵敏度,等截面直梁式陀螺仪具有更好的带宽。