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关键词： 检测装置   体积分方程   矩量法   部分元等效电路法  

摘要： 无损检测在各行各业具有广泛的应用,如基于超声波、电磁涡流的无损检测技术。其中,基于涡流效应的检测装置通常用来检测金属材料中的裂纹、孔洞、夹杂物等缺陷,具备灵敏度高、适应性强、实时性强和可自动化等特点。设计这类装置时,需要通过结构的优化来提高检测灵敏度,但传统上基于反复加工、测试迭代的设计优化方法不仅成本高,且效率低。对应地,通过精确的软件仿真可在加工前预测系统的性能,从而减少加工次数,降低成本并缩短设计周期。然而,这类装置包含密绕的多匝细线圈和其他电路结构,结构复杂,导致仿真优化设计困难。因此,研究相应的高效建模算法具有重要意义。基于以上分析,本文在传统思想的基础上提出了一种改进的算法以应用于设计后的仿真测试阶段。该算法使用部分元等效电路法(Partial Element Equivalent Circuit,PEEC)对检测装置内导体、线圈等结构进行等效建模和参数提取,实现了从物理结构到等效电路模型的精准映射。 首先,本文基于麦克斯韦方程组推导了体积分方程(Volume Integral Equations,VIE)的相关公式。随后,详细介绍了通过矩量法(Method of Moments,Mo M)求解体积分方程的基本步骤。 然后,本文针对检测装置中具有线圈电路结构的特点,提出了三种用于几何离散的剖分方法,分别是四面体剖分、三棱柱剖分和四面体—三棱柱混合剖分,对应了三种用于电磁离散的体基函数,分别是SWG(Schaubert-Wilton-Glisson)、SPV(Simplified Prism Vector)和T-P(Tetrahedron-Prism)基函数。其中,相比于传统的SWG基函数,SPV和T-P基函数可在不简化三维模型的前提下,缓解目标的离散问题,并大幅降低未知量,在保证求解精度的同时,极大地提高了计算效率。 其次,本文针对在直流条件下工作的检测装置,研究了基于体积分方程矩量法的部分元等效电路法(VIE-Mo M-PEEC),并将SWG、SPV和T-P基函数引入到该算法中,实现了对研究对象的等效电阻参数提取,并相应地构建了基于基尔霍夫定律的改良节点分析(Modified Nodal Analysis,MNA)方程矩阵。此外,提出了端口虚拟网格的构造与合并方法,进一步提高了计算效率。 最后,本文针对在低频交流条件下工作的检测装置,运用VIE-Mo M-PEEC算法,重点研究解决了通过SWG、SPV和T-P基函数对目标进行电磁离散时存在的奇异性和近奇异性问题,实现了对研究对象的等效电阻和电感参数提取,并构建了MNA方程矩阵。相比于传统矩量法构建的方程矩阵,MNA方程矩阵可以更精准高效地求解对电路结构的建模问题。 本文通过检测装置内导体、复合结构和线圈等功能元件的数值算例验证了VIE-Mo M-PEEC算法在不同环境下的准确性、灵活性和高效性,证明了其在工业仿真软件领域的巨大应用潜力。

关键词： PCBA   轮廓提取   SIFT-FLANN   模板匹配   运动路径规划   改进APF-RRT算法  

摘要： 随着我国经济高质量发展的稳步推进及智能制造产业的不断壮大,提高产业链效率成为人们关注的重点。而印制电路板装配(Printed Circuit Board Assembly,PCBA)智能化产线已成为实体经济中必不可少的一环,在先进制造领域中的重要性日益凸显。因此,提高PCBA智能化产线中的工业机械臂工作效率尤为重要。传统工业机械臂一般为3～6自由度,可以实现简单机械的夹取和移动,但并不具备复杂环境下路径规划的能力。随着PCBA逐步向智能化、精密化发展,产线空间环境愈发复杂,传统的工业机械臂已无法满足当下及未来PCBA智能化产线的生产需要。本文研究了一种改进RRT算法的PCBA产线机械臂控制技术,应用于复杂空间环境下精密PCBA的识别抓取及平滑移动。具体内容如下: (1)本文充分调研了相关机械臂控制系统的市场需求以及国内外研究现状,并在此基础上,针对PCBA轮廓提取、匹配和复杂环境中运动路径规划等问题,结合机器人学和电子信息的相关专业知识完成了总体设计。首先对本文所采用Franka Emika Panda机械臂进行机器校准,包括正逆运动学求解、运动学标定和重力补偿,减少重力对机械臂预期位姿的影响,提高机械臂的精度和稳定性。 (2)为解决PCBA定位问题,利用PCBA设计文档建立模板信息,并研究改进了轮廓检测的尺度不变特征变换与快速近似最近邻库(Scale-Invariant Feature Transform and Fast Library for Approximate Nearest Neighbors,SIFT-FLANN)模板匹配算法。将PCBA的轮廓特征信息与模板信息相匹配,使机械臂可以通过单目相机准确识别产线上的PCBA获取实际环境下的抓取点,提高了工作效率,节省了人力成本。 (3)为解决传统的人工势场法(Artificial Potential Field,APF)和快速扩展随机树算法(Rapidly Exploring Random Tree,RRT)路径规划在复杂环境下运动路径规划中面临的效率和精准性不够且容易陷入局部最优解的困境,本文依据设计指标和要求,将APF和RRT进行融合并引入梅特罗波利斯准则。计算路径规划中每一步的能量,确保路径始终向能量减少的方向规划,及时跳出局部最优解探索。在先验信息的约束下,机械臂利用引力势场的引导,能够快速且精准地完成路径规划,有效规避复杂空间中的障碍物。同时,改进的APF-RRT路径规划算法具有较强的抗干扰能力,表现出良好的鲁棒性。为了使机械臂能够平滑稳定地移动,本文利用三次B样条曲线,根据最小转弯半径约束对运动轨迹进行修整,实现了机械臂末端轨迹规划的平滑处理。 本文在完成系统整体设计后,通过PCBA识别抓取实验及运动路径规划实验进行功能验证。实验结果表明,该机械臂控制系统在PCBA轮廓匹配抓取方面的准确度高达97%。抓取后可以完成复杂空间环境下的避障路径规划,路径规划时间相较于传统APF和RRT算法有大幅降低,目标指向性更强。有效解决了以往机械臂路径规划为避障而容易陷入局部最优解的问题,保障了智能化产线上精密PCBA的顺利抓取和移动,提高了PCBA智能化产线的生产效率。

关键词： CMOS图像传感器   电源管理电路   读出电路   可调重构式电荷泵   斜坡发生电路  

摘要： 近年来,由于图像视觉相关领域的快速发展,对CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor,CIS）在高帧率下的成像效果提出了较高的要求,而限制成像质量的一个主要因素是CIS中外围模拟电路的性能。 在CIS设计中,外围模拟电路主要可以分为电源管理电路和读出电路。电源管理电路负责为像素提供驱动电路、为其余电路提供高精度偏置电流;读出电路负责将电信号转换为数字信号,这两个主要模块的性能都将直接影响成像效果。虽然目前对图像传感器的电源管理电路和各种类型的读出电路都取得了不少研究进展,但是在整体性能优化和全局电路校准方面依然存在诸多问题。针对上述问题,本文旨在从整体上优化设计适用于CIS的电源管理电路和高精度读出电路。论文的主要研究内容归纳如下。 （1）针对光生电荷在高帧率下不能及时转移会导致图像拖尾和由长走线带来的寄生会影响偏置电流精度的问题,设计了一种适用于CIS的电源管理电路。该电源管理电路包括像素驱动电路、全片偏置电路。像素驱动电路由可调重构式电荷泵和用于片内稳压的低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator,LDO）组成。在两相不交叠时钟的驱动下,可调重构式电荷泵负责对输入电压进行泵送升压,并在重构电路和2-bit数模转化器（Digital to Analog Converter,DAC）的控制下对输出电压进行动态调节;在进行卷帘曝光时,稳压LDO用于实现像素器件切换电压的快速恢复,其采用内嵌Buffer的翻转电压跟随器（Flipped Voltage Follower,FVF）输出级结构,能降低LDO的输出阻抗,提高其瞬态响应能力。全片偏置电路由带隙电压基准源、全片分发电路和校准电路组成,带隙电压基准源负责提供与绝对温度系数成正比的电流;全片分发电路在2+4-bit可配置电阻的校准电路的作用下可为整个模拟电路提供高精度偏置电流。 （2）针对读出电路中的固定模式噪声（Fixed Pattern Noise,FPN）和传统时间连续型斜坡电压在模数转换器（Analog to Digital Converter,ADC）中极易受到非线性的影响而降低ADC读出精度的问题,设计了一种模拟域相关双采样（Correlated Double Sampling,CDS）和单斜/逐次逼近（Single-Slope/Successive Approximation Register,SAR/SS）的ADC结合的读出电路。模拟域CDS电路在消除固定模式噪声的同时,加入了去除自身失调的设计,可进一步降低非线性影响因素。SAR/SS ADC包括采样电路、比较器、高精度斜坡发生电路和数字逻辑电路。采样电路中采用栅压自举开关以保证采样后电压的线性度;比较器通过前置放大器和锁存器结合设计,提高了比较精度和速度。在高精度斜坡发生电路中提出了一种斜率校准方案,采用快速补偿校准和高精度斜率校准的方式提高了斜坡精度,降低了非理想因素对ADC的性能影响。 （3）基于55 nm CMOS工艺对各个电路模块进行了版图设计和仿真验证。仿真验证的结果表明,在不同PVT（Process,Voltage,Temperature）下,可重构电荷泵可支持3.5-5 V的可配置输出,最大电压纹波范围是±21.38 m V;稳压LDO最差恢复延时为110ns,能加速光生电荷的转移。去除失调的CDS电路相比传统设计在Monte-Carlo仿真下,标准差降低了70.7%;在1 MS/s采样频率下,10-bit SAR/SS的有效位数（Effective Number of Bits,ENOB）为8.9位,微分非线性（Differential Non-linearity,DNL）为-0.3/+0.6 LSB,积分非线性（Integral Non-linearity,INL）为-0.5/+0.8 LSB,功耗为95.7μW,内核面积为0.0039 mm2,符合电路预期设计结果。

关键词： 高阶拓扑绝缘体   石墨炔   拓扑角态   体极化   外尔半金属  

摘要： 石墨炔及其家族成员是由sp、sp2键合的碳原子组成的二维碳同素异形体,其结构可以看作利用炔键(-C≡C-)替换石墨烯中一些碳单键衍生得到,类似于石墨烯,也具有C6旋转对称性。石墨烯存在无质量的狄拉克费米子,具有较弱的自旋轨道耦合,在强磁场和低温环境下,可以产生量子霍尔效应,即传统的拓扑绝缘体。与石墨烯类似,石墨炔材料同样是具有显著带隙的半导体,具有更弱的自旋轨道耦合,理论上无法形成传统拓扑绝缘体。不同的是,石墨炔由于存在交替变化的碳三键和碳单键,可以形成狄拉克锥或者外尔费米子,是潜在实现高阶拓扑绝缘体的材料。 传统拓扑绝缘体的典型特征是“体-边”对应关系,d维拓扑绝缘体具有(d-1)维的边界态,拓扑相变可由拓扑不变量刻画,典型的拓扑不变量包括贝里相位,Zak相位等。近年来,人们关注到一种不同于传统拓扑绝缘体的高阶拓扑绝缘体,它表现为在d维的拓扑绝缘体中存在至少低2个维度的拓扑边界态,如三维材料中的棱态或角态,二维材料中的角态等。到目前为止,在光学、声学、磁学等系统中都有关于高阶拓扑绝缘体的研究报道。然而,在真实的二维材料中实现高阶拓扑态仍然是一个巨大的挑战。石墨炔作为一种目前尚可在实验室中合成的材料,有望实现这一目标。 电路系统是一个构建晶格系统理想平台,它通过电容或电感连接格点,可以实现不同结构的晶格,模拟真实体系,并且可以实际测量相关的物理性质。本论文利用电容-电感(LC)电路对石墨炔结构进行物理建模,从理论和实验上研究了其拓扑相变和高阶拓扑态。根据石墨炔晶格结构,我们利用不同的电容连接电路节点,以实现碳原子之间不同的耦合,即对应不同的碳键。电路方程满足基尔霍夫电流定律,电路的拉普拉斯矩阵与真实材料中描述晶格结构的紧束缚近似哈密顿量具有相同的形式,可等价为真实材料的哈密顿量。理论上,本工作通过调节节点间的电容参数,研究系统能带结构的变化,对应不同的拓扑相,包括高阶拓扑绝缘相和外尔半金属相。当系统处于拓扑非平凡相时,系统波函数的分布集中在角上,即二阶拓扑绝缘态。石墨炔系统具有时间反演对称性、手征对称性和六重旋转对称性,我们采用体极化作为拓扑不变量,可以刻画该系统的拓扑相变。我们还研究了三维石墨炔结构中的高阶拓扑态,表现为局域于棱边的一维铰链态。实验上,我们制作了6×6原胞排列的二维菱形电路板,具有386个格点。对实验电路板进行谐响应分析,探测了对应拓扑态电路节点的频响曲线和特征频率;并测量了相应拓扑态对应的阻抗分布,观测到了受拓扑保护的二阶拓扑角态,集中分布在菱形钝角上,实验结果与理论计算相符。 本研究利用电路系统研究了二维石墨炔结构中的高阶拓扑态和特殊的半金属态,从理论分析和实验观测上,证实了该结构存在高阶拓扑绝缘态,为在真实石墨炔材料中实现拓扑性质提供了理论支持和实验参考。

关键词： 缺陷仿真   缺陷压缩   强连通图   电路分割   Benchmark基准电路  

摘要： 大规模模拟/混合信号电路设计阶段全面的缺陷仿真来保证缺陷覆盖率是提高可测试性的基本保证,这也是目前车规级芯片设计的基本要求?对于电路中单个MOS管的基本缺陷模型就有6类,大规模模拟/混合信号电路的缺陷集合是极其庞大的,对巨量的缺陷逐次注入并进行大规模矩阵的运算求解十分耗时,实际上完整的缺陷仿真往往需要数月甚至数年,目前尚没有较好的解决方案。针对大规模模拟/混合电路缺陷仿真需要注入的缺陷数目过大、仿真器需要求解的矩阵规模过大而造成大量耗时问题,本文提出以下方法大幅缩减缺陷仿真流程的时间。 首先,针对缺陷全注入数量过大问题,提出了基于电路结构的缺陷压缩方法,本文对不同类别的缺陷模型进行分析,将缺陷分为等效缺陷、孤立缺陷、无效缺陷和冗余缺陷四种,并用无向图对电路进行建模以及缺陷的识别,通过将缺陷等效合并、剔除多余缺陷来实现缺陷数量的缩减,在缺陷仿真前就能够大幅缩减需要仿真的缺陷数量,以此压缩了仿真时间,同时也保证了缺陷的覆盖率与原电路一致。 其次,针对缺陷仿真时仿真器对大规模电路构造矩阵求解的耗时问题,本文提出基于信号流与图分析的电路分割加速仿真方法,介绍了电路规模与仿真器求解的耗时关系,该方法通过信号流分析,将电路的器件电流与电压节点之间的控制关系用有向依赖图进行建模后,通过识别、断开强连通块的反馈环,拆分出强连通图中的弱连通关系实现电路分割,将整体大电路分割为若干具有弱连通关系的小电路,并通过并行仿真实现缺陷仿真的加速。同时,为了考察前序强连通单元内部缺陷在后继强连通单元的可观测性,根据弱连通图中信号的单向传递关系将缺陷进行传递仿真,并提出了缺陷在传递过程中同信号的等效压缩方法,缩减缺陷的仿真次数。 最后,本文通过Benchmark基准电路的带隙基准电路、低压差线性稳压器电路以及逐次逼近寄存器作为仿真测试电路,通过HSPICE仿真验证了算法的正确有效。

关键词： 集成电路工艺基础   思政教育   教学创新  

摘要： 在新时代背景下，集成电路行业的迅猛发展给教育领域带来了新的机遇和挑战。围绕集成电路工艺基础课程中思政教育内容的创新与实施进行了深入探讨。通过分析课程的思政教育现状，提出了一系列创新策略，包括强化行业发展与国家需求的结合、推广实践性教学和案例分析、运用现代信息技术优化教学方式以及加强师资队伍建设。实施策略着重于课程计划的详细制定、互动式和参与式教学方法的应用、与行业联系的加强以及教学评估机制的建立。研究表明，这些策略有助于有效融合思政教育与专业知识，培养出具有社会责任感和创新能力的电子工程人才，从而为我国科技进步和社会发展做出贡献。