教学课程资源库 更多>>

关键词： 三轴微加速度计   高阶机电   Sigma Delta调制   集成电路   抽取滤波器  

摘要： 随着集成电路工艺和微机械加工工艺的发展,新一代微加速度计和微系统技术得到进一步地发展和应用。微加速度计具有体积小、质量轻、成本低、功耗小、可靠性好、测量范围大等突出优点,具有广阔的军民两用前景。单轴微加速度计已不能满足组合导航系统的发展需求,多轴微加速度计逐渐成为一个重要的研究方向。通过结构设计并在同一硅片上单片集成电容式微加速度计(X/Y轴)和“跷跷板”式微加速度计(Z轴),同时接口电路进行集成化设计,可以大幅度提高系统的集成度和稳定性,减小样机尺寸,在应用市场具有巨大优势。 本文首先介绍了三轴微加速度计的工作原理及结构设计,并论证结构尺寸、锚点结构及温度因素对敏感模态的影响并通过ANSYS仿真工具进行优化设计,然后基于Simulink模型分析了三轴微加速度计的开环检测及闭环检测电路,进一步地结合Sigma Delta调制器设计高阶机电三轴加速度计机电闭环接口电路设计方案。 接着,通过分析Sigma Delta调制器基本原理及数字滤波的设计方案,针对三轴微加速度计的分时复用工作机理,确定了四阶CIFF型和五阶CRFB型机电调制结构,分析并建立了非理想因素下的机电调制器模型。通过行为级仿真,结果表明,四阶及五阶系统信噪比最高分别可以达到101.1dB和106.5dB,输入动态范围分别为1.5g和9.5g,最终选择五阶Sigma Delta调制器作为接口电路方案。 然后,本文基于五阶调制系统输出的比特流进行滤波,数字滤波系统采用六阶CIC滤波器、ISOP补偿滤波器、半带滤波器三级级联的方案,并在仿真软件中完成了滤波器设计,之后在电路设计工具FPGA中完成了电路设计和实验验证。 之后,本文基于SMIC18bcd工艺,设计了三轴加速度计的专用集成电路模块,通过Virtuoso工具对设计的模块进行仿真分析及验证,最终完成专用集成电路版图设计。 最后,本文进行了三轴微加速度计的性能测试和接口电路方案验证。对三轴微加速度计扫频测试,并通过PCB电路对设计的机电结合Sigma Delta测控电路进行联调实验,搭建实验平台进行三轴微加速度计性能测试,X、Y、Z轴的Allan方差分别为13.5μg、14.4μg、174μg。

关键词： 抗过载   电容式加速度传感器   电容测量电路   调制解调  

摘要： 抗高过载、低量程加速度计在炮弹飞行位姿信息测量等军事方面应用广泛。微硅惯性器件由于自身的结构尺寸很小,产生的信号十分微弱,极易受到外界干扰。电容式传感器具有温漂小、灵敏度高、可靠性和稳定性较好等优点,常采用电容式传感器作为敏感器件。同时根据其应用环境,在高g值加速度作用下,电子元件和集成芯片易发生机械结构破坏、焊点与电路板脱开和功能失效,导致测试系统无法正常工作,需要稳定的抗过载电容接口电路,将传感器信号精确无误检测出来。事实上,随着传感器性能的不断提高,接口电路将成为限制整个系统的主要因素。 检测电路以信号的调制解调为理论基础,采用开环检测方案,整个开环检测系统包括前置放大器,承担C-V转换的作用,乘法器信号解调,低通滤波承担衰减高频信号的作用。本论文在分析低量程抗高过载电容式传感器工作原理的基础上,设计针对电容式加速度计的开环调制解调测控电路。前端电路通过高频载波信号检测传感器电容的变化,通过积分放大、乘法解调以及低通滤波产生与电容信号正比的直流电压信号。本论文采用调制解调电路结构,使其电路噪声低,信号灵敏度高,在设计电容式加速度计传感接口电路时,首先进行开环电路系统SIMULINK建模与仿真,确定检测电路类型后将电路进行模块化分析与仿真,随后对电路后进行整体电路的PCB设计与调试,验证了模块化电路的具体功能性后,对电路进行抗冲击的设计与仿真,保证电路与其缓冲装置在30 000g的高冲击环境下不发生损坏,仍可以正常工作,对电容测量电路进行性能测试,电路测试结果表明:电路的静态功耗为0.169m W,平均噪声密度为3m V/Hz1/2,线性度为0.374%,将电路灌封至保护装置中,并对其进行马歇特锤抗高过载测试,测试结果显示其输入输出线性度为0.998%,具备进行整机测试的条件。采用电容测量电路针对标准电容传感器整机进行测试:测量电路测得标准传感器的量程为0-50g,灵敏度为0.119p F/g,线性度为1.09%,重复性为0.041%,零偏稳定性为0.933mg。通过与标准传感器进行对比,其相对误差不大于1%,验证了电容测量电路的可行性。

摘要： 近年来，随着产业学院的建设和发展，为工学一体化人才培养提供了有力的支持，在推动科教融汇和产教融合过程中发挥了重要作用。基于产业学院建设，开展工学一体化改革已成为实现技工院校人才培养模式变革、提升技能人才培养质量的重要突破口。海宁技师学院（以下简称“学院”）根据区域集成电路产业集聚的特点，与经济开发区、行业协会、骨干企业联合，成立汇聚政、行、企、校的集成电路产业学院，在“工学一体化”改革中取得了比较好的成效。一、产业学院与工学一体化人才培养的内在联系产业学院作为技工教育与产业的桥梁，

关键词： DC-DC电路   故障诊断   故障预测   变分模态分解   鹈鹕算法   河马算法  

摘要： 随着电力电子技术的飞速发展,电力电子设备已成为现代电力系统及众多工业不可或缺的关键组成部分。DC-DC电路作为电力电子电路中常见的电源电路,其在医疗器械、轨道交通及工业制造方面均被广泛应用。若不能对DC-DC电路故障做出诊断及预测,一旦电路出现故障将产生不可逆的损失,因此在近些年的研究中,DCDC电路的故障诊断及预测技术逐渐受到更多的重视。 目前DC-DC电路故障诊断及预测技术存在精度低、速度慢等诸多问题。其中在故障诊断过程中,故障特征提取方面直接影响到了诊断精度,不能满足当前DC-DC电路故障诊断和预测要求。针对以上的不足和缺陷,本文提出了DC-DC电路的故障特征提取方法、故障诊断及预测方法,主要研究如下: (1)DC-DC电路故障特征提取方法。针对目前DC-DC电路故障特征提取方法存在信号混叠状况,提出了一种改进变分模态分解故障特征提取方法。首先通过计算近似熵确定出变分模态分解的最优分解层数,然后在最优层数的基础上分解,分解所得分量与皮尔逊系数比较相关性,并剔除掉相关性弱的分量,剩余分量进行线性重构,再提取重构信号的时域参数作为故障特征向量。实验结果表明,在多种分类器上,改进变分模态分解故障诊断准确率比常用提取方法高,验证出改进变分模态分解在DCDC故障提取的优越性。 (2)DC-DC电路故障诊断模型。针对目前DC-DC电路故障诊断时分类器参数随机所导致准确率低的问题,提出了一种基于改进鹈鹕优化极限学习机(POANEWELM)的DC-DC电路故障诊断模型。首先分析了原始鹈鹕算法(POA)的结构特点,针对POA存在的问题,引入了PWLCM混沌映射解决种群多样性和探索性不足的问题,引入了自适应权重因子解决POA固定权重难以适应动态搜索需求的问题,引入了精英反向策略避免POA过早收敛和陷入局部最优解。然后根据DC-DC电路故障特点,构建出基于POANEW-ELM的DC-DC故障诊断模型。通过与多种分类器对比实验,验证出POANEW-ELM模型在DC-DC电路故障诊断中的可行性和优越性。 (3)DC-DC电路故障预测方法。针对目前DC-DC电路故障预测中出现的梯度消失等问题,提出了基于河马(HO)优化的卷积神经网络(CNN)与长短期记忆网络(LSTM)结合注意力(Attention)的故障预测模型(HO-CNN-LSTM-Attention)。首先选择峰-峰值和DTW距离作为故障特征参数,接着构建LSTM预测模型。针对LSTM存在特征提取方面的不足,引入CNN后提出了CNN-LSTM预测模型。在此基础上引入了Attention机制,提出CNN-LSTM-Attention预测模型,解决了CNNLSTM在处理复杂数据时存在信息冗余和噪声干扰问题。为进一步提升模型收敛速度和稳定性,引入河马算法(HO)并提出HO-CNN-LSTM-Attention预测模型。通过预测实验对比,验证了HO-CNN-LSTM-Attention在DC-DC电路故障预测中具有有效性。

关键词： 忆阻器   滤波器   可编程   截止频率  

摘要： 忆阻器(Memristor),全称记忆电阻器,它是继电阻R,电容C,电感L之后的第四个基本电路元素,且有记忆功能。忆阻器的特点通常具有电流电压蝴蝶型回滞曲线,所以它的阻值随外界电压或电流的刺激而改变,具有可编程性。滤波器通常由电子元件如电阻、电容和电感等组成,它可以用于对信号进行处理,以去除或增强特定频率范围内成分,它的基本原理是通过输入信号进行数学运算,生成输出信号。滤波器的参数可以通过调整滤波器的频率相应来控制,从而实现对输入信号的频率成分控制。 传统滤波器的设计一般具有局限性,滤波器的频率选择性和传输带宽通常受到滤波器结构和参数的限制,难以实现高精度的频率选择和宽带宽传输。本文设计使用忆阻器替代滤波电路中的电阻,通过调整忆阻器频率实现滤波电路截止频率的改变,达到提高滤波的效果,并在一阶、二阶和四节巴特沃斯滤波电路中进行仿真分析,得到的滤波效果与理论计算较为吻合,滤波效果理想。由于忆阻器难以制备,所以忆阻滤波电路的实物化是比较大的问题。针对这个问题设计忆阻器等效电路,替代滤波电路中忆阻器的作用,并在一阶、二阶和四阶巴特沃斯滤波电路中进行验证分析,得到的滤过效果与使用忆阻器基本一致。并搭建实际滤波电路验证其等效忆阻在滤波电路中的作用效果,也使忆阻器滤波电路的实物化成为现实。与此同时通过设计忆阻器编程电路,将其应用于一阶巴特沃斯滤波电路中,在一定编程脉冲范围内实现了忆阻器阻值的实时调整,进而改变滤波电路的截止频率,提高电路对信号的灵敏度。

关键词： 射频识别   读写器射频前端   中频滤波   正交信号合成法   自动增益控制  

摘要： 射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)通过无线通信实现目标的非接触自动识别,已成为物联网领域的关键技术。随着我国超高频(Ultra-High Frequency,UHF)RFID市场的蓬勃发展,尤其是在疫情催生的“非接触经济”背景下,UHF RFID在物流和供应链管理等领域的需求日益增长。自2018年以来,中美贸易摩擦逐渐升级,对我国高科技企业造成了压力,也为我国UHF RFID产业的发展敲响了警钟。在此背景下,推动国产化UHF RFID读写器射频前端电路的关键技术研究,具有重要的科研价值和广阔的应用场景。本论文针对国产化射频前端电路的射频指标,分别从方案设计、电路设计以及性能测试三个方面展开了深入研究。 本论文的主要研究内容概述如下: 1.本文提出了一套完整的国产化射频前端电路方案。针对发射链路,在研究邻近信道抑制比(Adjacent Channel Power Ratio,ACPR)的关键影响因素基础上,提出了一种简单高效的中频滤波方案。针对接收链路,在研究射频自干扰信号产生机制基础上,提出了一种基于正交信号合成法的自干扰对消方案。此外,针对读写器-转发器-标签三点式UHF RFID系统架构,提出了一种自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)电路方案,以增强接收机的动态范围。 2.本文实现了完整的国产化射频前端电路设计。重点研究了中频滤波电路、自干扰抵消电路和AGC电路。其中,中频滤波电路通过变频和滤波处理,有效抑制了谐波干扰;自干扰抵消电路采用正交信号合成法,避免了对移相器的依赖,解决了国产UHF频段移相器成本和精度的问题;AGC电路通过多级LNA级联和功率反馈控制,实现了高增益和宽动态范围。 3.本文对研制的国产化射频前端电路进行了功能和性能测试。测试结果表明,发射信号的ACPR1为-47.05 d Bc,ACPR2为-70.79 d Bc,均达到了国家规定的性能指标。在发射电路输出功率为26d Bm时,自干扰对消电路实现了38.82 d B的抑制度,总的收发隔离度约60 d B。AGC电路的整体增益达到83 d B,动态范围覆盖为-97 d Bm至-10 d Bm。 本论文的研究成果为国产化UHF RFID读写器射频前端的设计与实现提供了切实可行的方案,对促进UHF RFID产业的技术进步和应用拓展具有重要意义。

关键词： 无刷直流电机   电机驱动电路   SVPWM控制  

摘要： 随着经济发展与社会进步,电机及其驱动系统在军工、医疗、汽车以及家用电器等行业发挥着越来越重要的作用。其中,直流无刷电机凭借稳定性高,噪音低,使用寿命长等优点,越来越受到人们关注。因此,如何在集成电路产业不断发展前进的基础上开发高性能,高稳定性的电机驱动电路变成了目前以及未来一个意义深远的研究方向。 本文通过对三相无刷直流电机的物理模型进行分析简化,对电机驱动电路的工作方式进行研究,最终确定了电机驱动电路的基本模块组成以及性能指标。本文使用0.25μm BCD工艺进行设计,采用LDMOS管作为驱动电路桥开关。内部子模块主要有偏置基准电路模块、输入检测模块、振荡器模块、电荷泵模块、低边驱动模块、高边驱动模块以及保护电路模块等。 首先通过带隙基准电路设计偏置基准电路模块,为芯片内部其余模块提供所需电压、电流信号。输入检测电路对信号进行检测并且产生一定的迟滞从而保证输出稳定性。振荡器模块生成一个稳定方波提供给后续电荷泵模块。电荷泵模块采用达林顿管结构设计,能够快速充放电,在电路工作频率较低的时候达到对高边驱动电路中的模块进行电荷补充的作用。高低边驱动模块负责控制开关功率管,其中高边驱动电路包括自举电路、电平位移电路、双稳态电路等部分,能够将输出抬至比栅极电压高约7V,从而实现高边管的导通。保护电路实现了对芯片的过温保护以及过流保护,能够在高于警报值的情况下使芯片停止工作。 对各模块以及芯片整体进行仿真后,发现均能够满足设计指标。接着为了提高电机驱动系统性能研究电机的SVPWM控制方法。对电机运转位置以及相应的运动矢量方向进行分析,研究SVPWM的工作方式并进行simulink建模仿真。最终发现对电机运动表现有明显提高。

关键词： 四象限探测器   PIN光电探测器   脉冲展宽  

摘要： 硅基四象限PIN探测器作为大多数激光导引头的核心元器件,减小探测器结电容、降低串扰、降低器件噪声与暗电流能够直接提高激光制导武器的制导距离和制导精度。硅基四象限PIN探测器能够感应入射激光信号,输出为一个较小的脉冲光电流信号。然而,由于该信号幅值小、脉宽短,需要高精度的模数转化电路对其进行采集与处理,大大增加了电路设计的难度与成本。 本文设计了一款低串扰低噪声四象限PIN光电探测器,并制备获得探测器实物;设计了一款适用于大部分光电探测器所输出的微弱脉冲光电流信号的信号预处理电路,该电路能够实现微弱脉冲光电流信号幅值的放大以及脉宽的拓宽。 首先,本文通过对四象限PIN光电探测器的二维结构进行仿真,研究各结构与掺杂参数对器件性能的影响,实现四象限PIN光电探测器的结构优化;通过对四象限PIN光电探测器的工艺流程与版图的设计,实现四象限PIN光电探测器的工艺优化。完成符合指标要求的低噪声低串扰四象限PIN光电探测器的制备。 然后,本文利用运放设计了一款适用于共N极四象限PIN光电探测器反向输出光电流的跨阻放大器;采用三极管的共射级放大电路的非线性特性设计了一款脉冲展宽放大器。将跨阻放大器与脉冲展宽放大器级联得到一套信号预处理电路,该电路能够实现微弱脉冲光电流信号幅值的放大与脉宽的拓宽,从而降低后续AD对信号的采集与处理的难度和成本。此外,本文还对电源模块进行了设计,电源模块采用12V直流电源供电,能够同时为探测器与电路供电。另外,本文还对信号预处理电路进行了PCB设计,制得信号预处理电路PCB实物。 最后,本文对所制备的四象限PIN光电探测器与信号预处理电路进行测试,在20V的偏置条件下,探测器暗电流为6n A,1064nm下响应度为0.36A/W;信号预处理电路能够对探测器产生的光电流进行跨阻放大与展宽,输出为一个很大的脉冲电压信号,其幅值达到伏特量级,脉宽大于200ns。