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摘要： 近年来，新能源汽车产业的迅猛发展引领了汽车行业技术革新的浪潮。为适应这一新时代的变革，汽车行业的标准化进程亦在加速推进。特别是在新能源汽车的能源补给领域，行业正朝着更高功率和更高安全性的充电技术方向迈进。目前，新一代大功率充电标准《电动汽车传导充电系统——第五部分：用于GB/T 20234.3的直流充电系统》（GB/T 18487.5）和《非车载传导式充电机与电动汽车之间的数字通信协议第二部分：用于GB/T 20234.3的通信协议》（GB/T27930.2）标准已发布征求意见稿，二者以下简称2015+。与过去《电动汽车传导充电系统第一部分：通用要求》（GB/T18487.1—2015）的直流控制导引电路相比，

关键词： 蝶形半导体激光器   恒流源   温度控制   噪声抑制   PSO   PID  

摘要： 蝶形半导体激光器是小型、高效、集成度高的光学精密器件,常用于光通讯、医疗、军事等领域。它工作时需要稳定的电流和温度,来维持激光器光功率和输出波长的稳定。为保证其工作性能,根据蝶形半导体激光器的内部工作原理和出光特性,设计一款具备恒流源驱动和温度控制功能的激光器低噪声驱动电路,在小体积和低成本的同时,能够提供可调节的电流输出和稳定的工作温度。通过采取有效的噪声抑制措施,实现恒流输出的稳定性,从而提高在其应用领域的可靠性。 恒流驱动电路设计采用压控流型,通过单片机((Microcontroller Unit,MCU)芯片内部数模转换器(Digital to analog converter,DAC)输出电压控制N型金属-氧化物-半导体(N-Metal-Oxide-Semiconductor,NMOS)的导通程度,实现恒流输出和电流可调。同时引入闭环负反馈和噪声抑制措施提高输出电流的稳定性和可靠性。为防止激光器工作时受到损坏,采用延时启动和过流保护等防护措施。 温度控制电路根据激光器内部热电冷却器(Thermo-Electric Cooler,TEC)的工作原理和特性,通过数学建模的方法进行数据采集和曲线拟合求TEC模块传递函数。利用MATLAB中的Simulink仿真工具搭建温度控制系统仿真模型,通过改进粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)迭代寻优PID(ProportionalIntegral-Derivative,PID)控制器参数,最终应用到实际温控电路。通过MCU内部的模数转换器(Analog-to-digital converter,ADC)采集激光器内部热敏电阻上的电压值,转换得到实时温度值,通过PID算法和预设温度值进行对比,比对结果通过MCU输出相应的控制信号到RZ7899芯片引脚,改变电流流入TEC模块的大小及方向,实现温度控制。 为增强人机交互性,驱动OLED屏幕显示激光器实时温度值和电流值,通过独立按键调节电流值大小。最终对驱动电路进行测试分析,测试结果表明,此驱动电路可以给激光器提供稳定的电流和温度。恒流源输出电流值线性关系良好;电流从10m A递增到120m A,输出最大误差0.08m A;恒流源持续输出60m A电流1h,稳定性为0.10%。温度控制电路2h内温度稳定性为0.52%;在电流50m A,温度25℃条件下,激光器连续运行2h,波长最大漂移为0.011nm。

关键词： 混沌系统   Jerk方程   电路设计   图像加密  

摘要： 在混沌系统中，Jerk系统作为一类自主混沌系统，因其结构简单而备受科研人员的广泛关注。学者们基于Jerk系统，通过构造不同的非线性函数，提出了一系列新的混沌系统。本文基于经典Jerk系统，构建了三种不同的混沌系统，并通过数值模拟研究了以上系统的动力学特性，设计了相应的简化电路对系统进行硬件实验，并将其应用于混沌同步与图像加密中。主要研究内容如下：　　(1)提出了一种基于余弦项的新四维混沌多涡卷系统。基于经典三维Jerk混沌系统，通过引入余弦项函数，构建了新的混沌系统。通过数值模拟分析了该系统的动力学特性，包括不动点、周期轨道、倍周期轨道、混沌振荡等奇异吸引子现象，讨论了吸引子的共存现象以及对称的Lyapunov(李雅普诺夫)指数和分岔图，验证了系统的无序性和复杂性，为混沌系统的研究提供了新的视角。通过算法测试，发现该系统结构相对简单，却能够展现出复杂的动力学行为，包括多个正的Lyapunov指数和丰富的动力学现象。最后，设计了电路并进行仿真分析，采用FPGA(FieldProgrammableGateArray)进行数字硬件电路实现，并将新系统应用于混沌同步，证明了其在混沌保密通信领域的可行性和高保密性。　　(2)提出了一种新的基于正弦项的四维混沌多涡卷系统，其吸引子呈现花环状拓扑结构。采用功率谱、0-1测试算法等方法展现了不同参数影响下该混沌系统的动力学行为演化过程。通过数值模拟，发现该系统在不同参数下展现出丰富的动力学现象。同时，在相平面图中观测到不同初始值下共存的无穷多形态各异的周期，切分岔、混沌-周期吸引子共存，偏置增强等奇特的现象，并且用复杂度谱熵算法SE(SpectralEntropy)和C0(基于快速傅里叶变化)算法计算选择出一个能使其非线性动力学现象更为明显的初始值，验证了系统复杂度的大小与初始值的选择是密切相关的。最后，实现了该系统的电路仿真并搭建了FPGA硬件电路，得到的实验结果和仿真结果相一致。由于其吸引子结构独特且计算复杂度谱熵数值较高，将其应用于图像加密领域，并验证了其在密钥空间、抗攻击等方面的优异性能。　　(3)提出了一个基于指数项的无平衡点新四维混沌系统，该系统具有多种有趣的非线性动力学行为，且具有比前两种所构建的系统更加丰富的动力学行为。通过计算，发现该系统存在共存和隐藏的吸引子，并且在参数动态变化时，出现了准周期、间歇混沌和瞬态混沌等现象。在适当的参数取值下，该系统展现了罕见的现象，例如隐藏多稳态、不需要外部激励的可控数量的尖峰放电，以及通过幅度控制引起的偏置增强、簇发振荡和可控数量的多涡卷现象。这些现象对于研究类神经元和电压控制工程等领域具有一定的应用价值。

关键词： 加权网络模型   半导体集成电路   元件失效率   差错概率  

摘要： 可靠性评价是半导体集成电路生产过程中必不可少的环节，是衡量电子设备性能优劣的关键指标之一，但现行方法评价精度、在实际应用中评价与实际交并比、置信度都较低，无法达到预期的评价效果，为此本文提出基于加权网络模型的半导体集成电路可靠性评价方法研究。本文选择元件失效率、逻辑门差错概率，以及导线故障概率为评价指标，以此建立评价指标体系，在对评价指标数据进行预处理后，采用加权网络模型确定指标权重系数，通过对半导体集成电路可靠性进行综合评价，得到可靠度与可靠性等级，从而实现基于加权网络模型的半导体集成电路可靠性评价。实验结果表明，该设计方法评价与实际交并比、置信度均在0.95以上，可以实现对半导体集成电路可靠性的精准评价。

关键词： 交流信号测量   高精度测量   模拟前端   带内平坦度提升   跟踪滤波   增益校正  

摘要： 本文以高精度交流信号测量为研究背景,重点是研究交流信号测量模拟前端电路的性能提升问题。模拟前端是交流信号测量系统的核心组成部分,其性能决定了所获取信号的质量、量化精度和干扰抑制能力等。模拟前端频率响应误差和电路噪声通常会随测量带宽增加而变大,且电路中不可避免的存在多种直流误差,这就为高性能模拟前端电路的设计带来了很大挑战。本文对交流信号测量模拟前端电路的结构组成、平坦度提升、噪声抑制和增益误差校正四个方面进行深入研究,主要工作和内容包括: (1)基于采样方法交流信号测量模拟前端的设计。针对交流信号高精度宽带测量需求,研究了一种基于顺序等效采样方法的交流信号测量的模拟前端电路。首先分析了由采样计算方法可能引入的交流信号有效值测量误差,并设计实现了一种低抖动触发和测频电路。然后通过级联两个低噪声宽带放大器构建了具有高平坦度的可变增益放大器(Variable Gain Amplifier,VGA)。最后重点讨论了影响模拟前端电路性能的主要因素,并在此基础上给出了本文模拟前端电路性能设计指标。 (2)交流衰减平坦度闭环反馈自调节技术研究。为了改善模拟前端电路带内平坦度,研究了提升交流衰减网络阻容分压器频率响应平坦度的方法。通过分析实际阻容分压器的幅频响应与阶跃响应之间的关系,推导得到分压器平坦度调节设计的理论依据。然后根据此调节依据提出了一种基于闭环反馈环路的可变补偿电容的自动调节方法,并通过仿真分析验证了该调节方法的有效性。最后对100:1阻容分压器进行平坦度调节测试,结果表明分压器在10Hz～1MHz频带内的平坦度提升到原来的8倍,去接地层分压器平坦度达到了0.57%。 (3)模拟前端宽带噪声滤波器设计研究。根据模拟前端电路宽带噪声特性,研究了一种基于经典低通滤波器(Low-pass Filter,LPF)和自调谐跟踪滤波器(Selftuning Tracking Filter,STTF)的分频带高效滤波方法。在保证低频带内的平坦度和线性度的基础上,研究实现了性能优异的二阶巴特沃斯LPF以减小高频噪声。为了进一步提高模拟前端分辨率,提出了一种基于数字鉴相技术的STTF。该滤波器实现输入信号的匹配筛选,最大化信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)。电路测试结果表明,STTF调谐时间小于1s,平均Q值达到18.1,且增益稳定,满足模拟前端跟踪滤波的应用需求。 (4)交流增益高精度自动校正方法研究。为了减小模拟前端电路增益误差,研究了一种结合直流自校准和高频增益校正的高精度宽带增益校正方法。基于模拟前端电路在低频带内的良好的增益平坦度和线性度,给出了低频信号测量自校准方法和相应的自校准电路。为了消除由阻容分压器和STTF引入的高频增益误差,提出了一种基于精密峰值检波的交流增益校正电路。测试结果表明,所设计的精密峰值检波电路能够有效保证交流增益校正精度。最后通过仿真分析验证了校正电路设计的有效性。 基于交流采样模拟前端结构,结合研究的平坦度提升方法、模拟跟踪滤波方法以及增益校正方法,设计实现了具有较高测量精度的交流信号测量板卡。前端电路测试结果显示带内平坦度、动态范围、分辨率和增益精度等性能均满足设计指标要求。此外,1V交流电压测量结果表明,实验板卡在测试频率范围内获得了最高0.045%的测量精度。

关键词： CIS读出电路   单次曝光高动态   PGA   双斜坡ADC   LVDS发送端  

摘要： 高动态CMOS图像传感器能够捕捉场景中从暗至亮区域的丰富细节,其应用广泛,尤其在消费电子、汽车行业、安防监控、工业检测、医疗影像等领域有不可或缺的应用前景。为了避免多重曝光合成高动态图像所引起的“伪影”等问题,单次曝光高动态CIS的概念被提出,其通过对像素结构及工艺改进拓展了动态范围,但其工作时序复杂,缺少能与之兼容的片上集成CMOS图像传感器读出电路。 本文基于两档转换增益高动态像素的工作原理,设计了一款用于1024×1024高动态像素阵列的列级CMOS图像传感器读出电路。在读出电路功能实现的同时考虑读出电路降噪处理,以提高图像传感器动态范围。整体读出电路包括可编程增益放大器电路、采样保持电路、双斜坡模数转换器(ADC)、LVDS发送端电路。读出电路实现三级流水线并行操作,在60FPS下对两档增益像素信号进行读出。具体工作内容为:(1)提出了一种扩展动态范围的PGA电路,对应DCG像素的工作原理,一个周期内可对像素输出信号做两次模拟相关双采样处理,消除像素内固定模式噪声和复位热噪声,并加入自调零技术以降低电路1/f噪声与PGA运放的失调电压的影响。(2)在PGA与后级ADC之间增加采样保持电路,可在低转换增益(LCG)和高转换增益(HCG)双通道并行AD量化条件下实现奇偶行并行读出操作。(3)模数转换电路采用双斜坡ADC将数字双采样与模拟双采样相结合,降低像素内FPN及列级读出电路FPN并降低了电路设计复杂度。斜坡发生器采用积分型大电容阵列。(4)基于60FPS的指标要求,设计传输速率为500Mbps的LVDS发送端电路。 本文基于110nm CIS专用工艺,完成了应用于高动态像素的CMOS图像传感器读出电路设计、版图设计及后仿,所设计的列级读出电路尺寸宽度小于9μm。CIS读出电路动态范围达到87d B。双斜坡ADC的DNL为-0.8LSB/+0.8LSB;ENOB达到9.46位,SINAD不低于58.75d B,SNR不低于60.9d B,SFDR不低于63.4d B。LVDS发送端电路数据传输速率达到500Mbps,性能符合接口标准ANSI/TIA/EIA-644A。LVDS眼图眼宽大于1.97ns,眼高为313m V,张开程度较大。整体电路基本满足电路指标要求。