教学课程资源库 更多>>

关键词： 电动病床   电动推杆   限位检测   解耦   多推杆系统  

摘要： 采用隔离电源和光耦可以简单有效地实现单个电动推杆限位检测，但在统一供电的多推杆系统例如电动病床应用中，不同推杆检测电路之间会产生耦合。多电动推杆限位检测耦合会导致检测系统出现误判断，同时还会产生较大的环流甚至烧毁检测光耦。本文在基本的电动推杆光耦隔离限位检测电路基础上，设计了一种多电动推杆限位检测电路。设计通过隔离电源以及单片机光耦位置检测电路实现了对多个推杆的同时限位检测，符合工业工程领域对于自动化控制系统的要求，是一种实用的低成本电动推杆应用方案，具有较强的现实意义。仿真和实测表明检测电路可以有效地实现解耦限位检测。

关键词： 区域调光   背光驱动   脉宽调制   混合调光   数字抖动  

摘要： 随着科技的进步,如今液晶显示屏作为人们日常浏览信息的载体,已经成为了生活中不可或缺的一部分。但是目前市面上广泛使用的传统全局调光液晶显示产品存在着功耗高,对比度差等问题。为了解决这些问题,区域调光液晶显示技术得到快速发展,对区域调光背光驱动产品的需求也大大增加。因此如何更好的控制背光,提供更优的调光方案,来达到更好的显示效果成了区域调光背光驱动产品的重要研究方向。 本设计就是在此方向下展开,设计了一款区域调光背光驱动芯片的数字部分,为该芯片提供数字接口以及亮度信息控制和多种调光功能。与市场上其他类似产品相比,本设计有着更多的调光通道数,并且可以将多颗芯片串联起来共同控制,以便提供更多的背光区域数来满足高区调光需求。在接口模块设计了许多功能性命令来方便传输数据从而更好地控制背光,其中包括配置信息读写命令,亮度信息读写命令,芯片标记命令,帧命令等。还提供了多种亮度控制模式来满足不同的背光更新需求,其中加入黑帧功能很好的解决了液晶显示中因液晶翻转造成的画面质量问题。并且在传统pwm（pulse width modulation）调光方案的基础上设计了pwm调光加模拟调光的混合调光模式,有效的避免了在pwm调光下低亮度时的亮度分辨率以及色移问题。还在传统pwm以及模拟调光的基础上加入了dither数字抖动功能,在不改变pwm频率的情况下大大的提高了亮度分辨率,很好的提高了调光比。 本文的工作内容包括该数字电路的接口模块、亮度模块、调光模块的功能分析,系统设计,仿真验证。并且对该数模混合芯片进行了顶层混合仿真以及芯片流片后的相关测试工作。 本文首先对目前区域调光背光驱动芯片的市场需求和发展方向进行了分析,确定了本设计的具体功能。对所设计的各个模块功能特性进行了具体分析并举例说明,解释了设计这些功能的原因和独特优势。在这之后对各个模块的具体设计内容进行了详细阐述,包括状态机跳转,关键信号说明,信息拆分方式,以及调光算法等。然后对设计的所有功能进行了数字仿真验证,搭建了随机激励加自动检测的验证平台,很好的提高了验证范围以及效率。并且对本颗数模混合芯片进行了重要的顶层混合仿真,利用verilogams混合编程语言对模块进行了仿真优化,可以更方便地施加激励并且加快混合仿真速度,很好的完成了芯片最终验证工作并流片。在流片后对芯片进行了片上测试模式的数据检测,通过与混合仿真结果对比确定芯片设计符合要求。 本设计芯片最终流片成功并量产,电源电压范围3.3V～5V,时钟频率为20MHz。有16条通道控制背光,每条通道有15bit的混合亮度调节,输出电流大小多级可调最高为30m A,并且有同步帧和黑帧功能。采用UMC180nm工艺,数字部分面积为830461μm2。

关键词： ARCS动机模型   初中物理   实验教学  

摘要： 在初中物理教学中，引发学生的学习动机和激发学生的学习兴趣是至关重要的。为此，教师可以运用ARCS动机模型作为教学设计的基础。ARCS动机模型是由约翰·库茨提出的一个理论框架，用于激发学生的学习动机，推动他们更好地理解和应用学习内容。在物理实验教学中，通过运用ARCS动机模型，可以吸引学生的注意力，激发他们对物理实验的兴趣，并帮助学生建立起学习的自信心。这样的教学方法不仅有助于提高学生的学习成绩，还能培养他们在科学领域的独立思考和实践能力。因此，研究初中物理实验教学设计与ARCS动机模型的结合具有重要的意义。

关键词： 荷电状态   锂离子电池   一阶和二阶Thevenin等效电路模型   固定范围遗忘因子-自适应扩展卡尔曼滤波算法   多头注意力长短期记忆网络   粒子群优化  

摘要： 锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和低自放电率,已成为广泛应用的主要储能解决方案。准确估算锂离子电池的荷电状态(State of Charge,SOC)是提高电池供电系统性能和寿命的关键。电池管理系统(BMS)负责电池的安全管理和控制,需要创新智能的方法来准确估算电池状态。然而,由于电池特征易受非线性和环境温度波动的影响,SOC的准确估算是一项复杂的任务。本研究采用电池建模技术与改进的算法结合,以准确估算锂离子电池的SOC。本文通过四个主要的创新研究思路对SOC估算进行了探索和实施。 结合一阶Thevenin等效电路模型(ECM),提出了一种改进的固定范围遗忘因子-自适应扩展卡尔曼滤波(FRFF-AEKF)算法,用于锂离子电池荷电状态的精确估计。FRFF-AEKF算法将两种不同的SOC估算方法集成在一起。FRFF提供固定范围的历史数据影响,用于适应不断变化的电池工作条件,而AEKF根据观测数据进行自适应调整,这种结合方法具有自适应和固定范围的双重优点。单独的AEKF算法对快速变化的条件敏感,可能导致SOC估算不稳定。FRFF组件通过保留0.997-1的固定范围,平滑了电池行为突变的影响。该方法利用FRFF进行自适应遗忘因子调整,相比传统的固定遗忘因子方法,提高了估算精度和鲁棒性。该方法可以实时适应和动态调整以应对变化的电池动态和环境条件。在混合脉冲功率表征(HPPC)和北京公交动态应力测试(BBDST)的电流和电压数据工况下,基于SIMULINK/MATLAB对电池进行模拟与仿真。结果表明,改进的FRFF-AEKF算法在HPPC工况下,最大估算误差为0.275%,而AEKF和AUKF均为2.0%。验证结果表明,所提算法在锂离子电池的SOC估算中具有较高精度。 第二项研究建立一个改进的二阶Thevenin等效电路模型,结合改进的FRFF-AEKF算法和Saga-Husa自适应滤波器(SHAF),以实现更准确的SOC估计。为了解决一阶Thevenin等效电路模型的局限性,本研究将改进的二阶Thevenin等效电路模型与改进的FRFF-AEKF/SHAF算法相结合。这种改进的模型在动态工作条件下提供了更准确的电池特征。AEKF算法调整其参数以适应变化的工作条件,提高了SOC估计的准确性和鲁棒性,而FRFF确保不相关的信息逐渐被丢弃。SHAF的引入通过动态调整滤波器参数以响应电池特性和工作条件的变化来提高准确性,确保在突然的电池工作变化下的稳定性,以实现可靠和准确的SOC估计。通过在-10、10、25和40℃下获取的HPPC和BBDST工况数据来模拟锂离子电池在低、正常和高环境温度的行为。结果显示,改进的FRFF-AEKF/SHAF相较于使用AEKF算法的结果具有更高的准确度,准确性提高了1.1%。因此,该方法可以用于电动汽车高功率三元电池的SOC准确估算。此外,为验证所提方法的鲁棒性,分别在-20、-5和25℃下的DST和HPPC工作条件下的数据进行了SOC估算验证。所提出的方法的准确性达到了99.83%,优于AEKF和AUKF算法。 第三项研究采用数据驱动的方法,通过改进的粒子群优化-长短期记忆神经网络(PSO-LSTM)模型对电池进行建模以实现准确的SOC估算。该模型提高了SOC估算的准确性,还引入温度补偿机制以考虑不同温度对电池行为的影响。提出的改进PSOLSTM框架有望彻底改变SOC估算现状,确保电池供电系统的可靠性和效率。传统的SOC估算方法通常依赖于模型和算法,而模型和算法可能无法完全捕捉电池行为的复杂性。为了解决这些挑战,本研究引入PSO来优化LSTM网络的架构和超参数,确保其能够有效学习和建模电池行为。PSO-LSTM模型优化了模型参数,与传统LSTM模型相比,提高了准确性,具有强大的泛化能力,确保了在各种工作条件和电池类型下的高鲁棒性SOC估算。此外,为了考虑不同环境温度对电池的影响,在BBDST、动态应力测试(DST)和HPPC工作条件下,在-10、25和50℃温度下获取数据,将温度补偿机制整合到改进的PSO-LSTM框架中。利用来自先进生命周期工程中心(CALCE)的公开数据集,基于联邦城市驾驶周期(FUDS)和US06高速公路驾驶周期,在0、25和45℃温度下对所提出的模型进行验证和确认。LSTM的最佳RMSE、MAE和MAPE值分别为0.308%、0.189%和0.242%,而改进的PSO-LSTM分别为0.063%、0.041%和0.048%,最佳估算时间为82.8秒。这证明了所提出的模型有效地减少了误差,提高了SOC估算的准确性。因此,该方法具有高鲁棒性,能够在不同温度和工作条件下高效地估算锂离子电池的SOC。 最后一项研究提出了一种改进的多注意力-长短期记忆-扩展卡尔曼滤波(MALSTM-E

关键词： 模拟电路故障诊断   可调Q因子小波变换   卷积神经网络   多核支持向量机   Inception模块  

摘要： 模拟电路作为电子设备的重要组成部分,在各个领域受到广泛应用,电子设备的稳定运行与模拟电路的安全、正常运行息息相关。但由于其工作环境复杂、易发生故障,因此为了保证模拟电路的正常运行,需要对其进行故障诊断。模拟电路的电路故障分为硬故障和软故障,硬故障是由软故障未及时处理造成的,因此模拟电路的故障诊断主要以软故障的诊断为主。模拟电路软故障即模拟电路元器件的参数偏离其规定范围,这期间虽然可以保持电路的运行但其输出与期望存在偏差,因此被视为发生故障。本课题针对电子系统中模拟电路的软故障诊断,特别是软故障诊断过程中的信号特征微弱、诊断准确率低的问题。本课题的主要研究内容如下: (1)针对模拟电路故障诊断过程中遇到的信号细节特征微弱、特征提取难的问题,提出了基于可调Q因子小波变换(TQWT)和改进CNN的模拟电路故障诊断方法。首先使用经灰狼算法(GWO)优化的TQWT对信号进行预处理,然后使用CNN-LSTM网络对处理后的信号进行时频特征提取,最后使用改进的CNN网络完成故障分类。 (2)针对CNN-LSTM网络和改进CNN网络组合使用造成网络层数较多的问题,提出基于改进TQWT和Inception模块的模拟电路故障诊断方法。将CNN-LSTM网络替换为Inception模块,由其进行多尺度特征提取,最后使用支持向量机(SVM)对得到的特征进行故障分类,提高了故障诊断的准确率的同时还降低了模型故障诊断的时间。 (3)针对(2)中使用的SVM单一核函数造成特征映射不充分导致的诊断精度低的问题,提出了基于Inception模块和多核学习支持向量机(MKL-SVM)的模拟电路故障诊断方法。使用GWO对SVM核函数的权值进行优化,通过充分映射提高了模拟电路故障诊断的准确率。 为验证所提方法,采用三个较为有代表性的电路对所提方法进行实验。实验结果表明,本课题提出的方法可以对模拟电路故障的故障元件进行准确定位,增强对细节特征的识别和分类能力,从而提高了模拟电路故障诊断的准确率。相对于对各个元件进行检测判定故障元件的方法,降低了模拟电路故障诊断成本;对模拟电路进行软故障诊断,减少模拟电路软故障不及时处理造成的电子系统故障崩溃问题的发生;使用智能化方法代替传统方法,降低了故障诊断时间、减少了人力消耗。综上,本课题的研究能够降低模拟电路软故障造成的损耗,降低电子系统的运营、维护成本,具有极大的应用价值和经济价值。

关键词： 高功率微波   微器件电路   数值仿真   效应实验   失效分析  

摘要： 高功率微波(high power microwave,HPM)是一类非核强电磁脉冲的统称,其可在在一定距离内干扰各类电子设备,甚至在物理上造成电子设备的永久性失效。随着以HPM为代表的定向能武器从实验研究走到战场应用,其造成的作用效果和导致的失效机理日益受到关注。对于电子系统的电磁失效,归根到底是微器件(电路)的损伤。微器件(电路)的HPM电磁失效问题涉及电磁场与电磁波、电路与系统以及半导体器件方向知识,研究难度较大,目前仍存在许多问题尚未得到有效解决,本文的工作旨在针对其中一些难点进行有益的探索性研究。 本文系统地研究了HPM作用于微器件(电路)的耦合效应与损伤机理。从现代电子系统HPM耦合作用的典型微器件(电路)入手,重点针对赝晶高电子迁移率晶体管(pHEMT)的低噪声放大器(LNA)、CMOS器件引脚电路、以及三结GaAs基太阳能电池,结合理论分析、数值仿真和效应实验,对典型微器件(电路)HPM耦合效应与HPM导致的损伤机理开展了多层级、多物理量的研究。主要成果如下: 1.根据“场-路转换”的方法,分析了电子系统主要的高功率微波耦合路径及典型的作用对象。分析结果表明,pHEMT器件(LNA)是HPM前门耦合途径上的典型作用对象,CMOS器件引脚电路是HPM后门耦合途径中的典型作用对象,太阳能电池作为无屏蔽器件是HPM直接耦合的典型作用对象。此外,将微带线作为微器件(电路)电磁敏感端口作用对象,运用CST软件建模仿真,探究了多种结构微带线的线间串扰耦合效应和平面波电磁敏感性,并归纳分析了微器件(电路)电磁敏感端口的电信号样式。上述研究结果为下文开展微器件(电路)的电磁损伤分析提供了研究前提,并为深入理解电子系统的HPM耦合效应提供了案例分析。 2.深入探究了pHEMT器件C波段LNA在HPM作用下的失效机理和损伤阈值。首先,结合半导体器件物理理论和非线性效应,开展了多物理量器件级建模仿真和Mixed-Model电路级建模仿真,多方面地分析了HPM导致LNA失效的过程和机理。结果表明,LNA电路的线性放大状态会随其输入端HPM作用功率的增大而变为非线性状态,电路的输出电压波形翻转并且电路中的pHEMT器件内部发生高温区域转移;当作用于LNA输入端的HPM功率增大到一定阈值时,会造成电路中pHEMT器件栅极到沟道之间的击穿,进而导致pHEMT器件栅极下方偏源极一侧产生高温区域,甚至出现烧毁损伤;通过整理不同HPM条件下仿真结果,获得了HPM作用于LNA的损伤阈值及变化规律。然后,从器件封装散热角度出发,探究了不同热边界条件对pHEMT器件HPM作用效应的影响,结果表明pHEMT栅极的低热阻边界条件有利于提高器件的损伤阈值。最后,开展了HPM注入实验和损伤实验样品的微观检测失效分析,发现LNA输入端受HPM作用后出现烧毁损伤,其损伤区域全部分布在pHEMT栅极附近,且偏源极一侧损伤最为严重;实验结果与仿真分析结果一致,验证了模型仿真的物理有效性。上述研究分析了LNA非线性效应的多物理量变化过程,为理解LNA的电磁损伤效应提供了案例分析;并对LNA电磁防护设计有一定指导意义。 3.从CMOS(IC)过电应力防护的角度,研究了CMOS引脚电路在HPM作用下的失效机理。首先,将CMOS反相器作为引脚电路的典型应用单元,构建了CMOS反相器物理等效数值模型(TCAD模型),并开展了多种信号样式HPM作用下的瞬态电热耦合仿真,仿真结果表明不同信号样式的HPM会导致反相器出现不同的热损伤位置。然后,根据静电放电(ESD)防护理论,研究了CMOS引脚电路的电源轨ESD防护网络并抽象为等效仿真电路,建立了二极管加CMOS反相器的ESD防护单元多物理量电路级模型,通过电热耦合瞬态仿真进一步分析了ESD防护单元的HPM失效过程和机理。CMOS反相器和ESD防护单元的仿真结果对比表明,ESD防护单元有较好的HPM鲁棒性。最后,进行了ESD防护单元传输线脉冲(TLP)作用仿真和注入实验研究,实验得到的损伤位置与仿真结果中的高温位置一致;同时总结不同HPM注入幅度下仿真结果,获得了HPM作用于ESD防护单元的损伤阈值变化规律。上述研究成果为CMOS器件和引脚电路的过电应力失效分析和防护设计提供了案例分析;并且上述研究中多物理量电路级仿真方法具有一定的扩展性,结合不同器件模型,可开展多种CMOS电路功能模块的过电应力分析。 4.结合HPM注入实验和多尺度建模仿真,分析了三结GaAs基太阳能电池的HPM作用效应和失效机理。首先,描述了三结GaAs基太阳能电池HPM损伤实验平台及注入实验过程,并对实验后光伏性能退化的太阳能电池样品开展了电学特性测试和微观检测分析。然后,开展多尺度仿真分析,建立了太阳能电池宏观等效电路数学模型和微观光伏单元物理等效数值

关键词： 电源系统   高能量转换效率   低功耗   亚阈值基准   LDO  

摘要： 无源超高频射频识别(UHFRFID)是一种非接触的自动识别技术,该技术通过射频信号的空间耦合特性直接读取标签芯片的内部数据,从而实现多个标签信息的高效识别。RFID系统具有低成本、小体积和远距离识别等优势,在物流跟踪和身份识别等领域被广泛应用。RFID技术的发展使得无源标签对读写距离的需求逐渐变高,电源系统作为整个无源标签芯片的能量源,不仅为芯片提供稳定的电源电压,还决定着RFID系统的识别距离与精度,因此标签芯片的电源模块成为当今RFID技术的研究热点之一。 为了实现标签芯片的远距离识别,基于ISO18000-6C协议标准,设计了一款高能量转换效率、低功耗的无源UHF RFID标签芯片的电源系统,该系统包括整流电路、基准电路、稳压电路和限压电路。在整流电路中为实现高能量转换效率,对目前常见的几种整流结构进行能量转换效率对比,并选择能量转换效率最高的桥式栅交叉耦合结构实现倍压整流。针对低功耗的设计需求,采用亚阈值技术实现基准电路设计,并在传统亚阈值电路上进行改进,通过虚二极管连接的偏置结构增加一条负反馈环路,这有效地提高了基准电路的环路增益,同时基准输出具有良好的电源抑制比,可以抑制整流输出端存在的噪声。稳压电路采用LDO结构,其中误差放大器在折叠式共源共栅结构的基础上,部分晶体管采用低阈值晶体管,将其与对应的高阈值晶体管栅极相连,该结构不需要额外的偏置,减小了电路功耗。在整体电源系统的设计中,整流电路通过差分开关管交替打开来降低输出纹波。为防止芯片在近场区工作时出现高压情况,采用了限压电路来防止芯片功能受损。考虑带调制的输入射频信号,通过LDO低压差设计来提高电源系统的掉电裕度。 基于UMC 0.11μm CMOS工艺完成了 UHF RFID标签芯片电源系统的电路设计与版图绘制,并进行后仿真验证。仿真结果表明:整流电路在输入射频幅度为0.58V时,实现了最大为67.7%的能量转换效率。基准电路的静态电流为559nA,稳压电路的静态电流为2.13μA。电源系统可以负载30μA电流,同时可以适应12.5μs无输入的调制信号,电源系统性能良好。