教学课程资源库 更多>>

关键词： 振动传感器   调理电路   标定系统   逐次逼近算法   上位机软件  

摘要： 振动传感器用于检测物体的振动情况,包括振动的频率和振幅等,广泛应用于工业生产、地震勘探和航空航天等领域,但是受环境和时间的影响,性能会随之而改变,根据国家计量检定规程,对振动传感器要进行定期校准。目前振动传感器校准的试验台大多体积庞大,价格昂贵,功耗和噪声大,核心处理器多采用进口处理器。针对上述问题,本文设计了一种通用的接口信号调理电路来解决传感器输出的原始电信号不便于数据处理分析的问题,并开发了基于国产处理器的振动传感器标定系统。 本文设计了振动传感器信号调理电路,被测传感器类型支持电压输出型振动传感器与电荷输出型振动传感器。直流电压输出型接口电路由电荷放大、反相比例放大、带通滤波和电压偏置四级电路组成,实现了与后续数字处理器的模拟接口。4-20 m A电流输出型接口电路为振动传感器提供了电源和偏置电压,能够采集传感器输出的交流电压信号并计算出真有效值,再转换为两线制的4-20 m A的电流输出,电流根据输入信号的大小进行调节。实验测试表明:信号调理电路能实现带宽为:10 Hz-10 k Hz,信号放大倍数最大达到20倍,支持模拟直流电压输出和4-20 m A电流输出两种模式。 设计了振动传感器校准装置,该装置由交互旋钮编码器、数字显示屏、激振器(永磁体)、国产数字处理器(STC单片机)、DDS电路、数字电位器、带通滤波器、功率放大器和电源组成。在激励振动幅度控制上采用了逐次逼近的振动量级控制算法。测试表明:振动传感器校准装置在带宽为10 Hz-10 k Hz范围内,支持扫频和单点频率激励,频率误差小于2%,幅值控制精度在0.5%范围内,波形平均失真度小于5%,作业方式和校准精度均满足《JJG 298-2015标准振动台》的检定规程。 为了振动响应数据的进一步分析,标定系统的软件部分为基于QT开发的上位机软件,测试表明在数据采集卡的支撑下,上位机软件能完成实时波形的周期性细节显示和FFT变换,可接收信号4通道,为校准装置的数据可视化提供了支持。 接口调理电路和校准装置以及上位机软件经过测试,满足市面上相关企业对振动传感器的校准要求,校准装置体积小,成本低,核心处理器采用了国产单片机,极大提升了传感器校准效率。

关键词： 等离子消毒机   高压智能电源   SG2525   脉宽调制   单片机  

摘要： 随着新型冠状病毒(2019-n Co V)引发的疫情已成为全球性的公共卫生危机,越来越多的人意识到空气消毒对传染性疾病预防的重要性。目前等离子消毒机已成为家用消毒的重要选择,但是,市面上等离子消毒机存尚存在一些问题,例如臭氧超标,离子量不稳,环境适应性差等。 应企业的要求,我们研究了电晕式等离子发生器的基本特性,设计了一种基于STC89C52单片机和SG2525开关电源芯片组成的稳流型高压智能电源,来控制等离子发生器,较好的解决了电晕式等离子发生器现存的问题。整个系统由硬件电路和软件程序组成。电路包含:温湿度保护电路、过流保护电路、高压逆变电路、高电压电流采集电路、电流反馈电路、PWM波控制电路、OLED显示电路等。 主要研究内容包括:对等离子体发生器的结构和基本特性进行实验探究,得到电流与离子量的关系,并提出通过稳定电流的方式来稳定等离子发生器的离子量。为了适应等离子发生器的工作特性,研究并设计了高压逆变电路,利用脉宽调制器SG2525与MOS管、高压变压器组成的推挽逆变电路,为等离子发生器提供高压。该逆变电路输出频率为30 kHz、峰峰值为5900 Vpp的类正弦波。高压电流采样电路为单片机提供反馈数据,通过软件代码处理后,调整单片机输出的PWM波占空比来控制高压逆变电路达到动态稳流。设置多个保护电路来应对干扰和环境适应性等问题,利用MATLAB和Multisim软件对电路模块进行模拟仿真、Keil软件对单片机控制电路进行代码调试。 本设计完成了硬件与软件之间各个模块的调试,采用该电源的电晕式等离子发生器出口离子量高达1.5亿。在规定范围内的温湿度变化离子量不超过常温下±20%,臭氧符合国家标准(GB 3095—2012),对新冠状病毒、白色葡萄球菌等有大于95%的杀灭效果,达到企业要求标准。

关键词： 升压型   恒流输出   高转化效率   峰值电流模   脉宽调制/脉频调制  

摘要： LED发光因具有环保节能、高效长寿等优势,广泛应用于手机、笔记本等电子产品背光显示中。为保证背光显示屏的正常发光和基础功能,用于提供稳定电流的驱动电路必不可少。传统的DC-DC变换器为恒压输出,本文根据应用背景和设计指标,提出了具体的升压(Boost)型DC-DC变换器驱动LED恒流输出和实现不同调光模式的解决方案,并且在节省面积的同时实现了Boost型DCDC变换器高的转化效率。 本文设计的Boost型变换器恒流输出电路,采用峰值电流模反馈控制环路进行控制,提高了瞬态响应速度,以及消除了磁通不平衡使系统易于补偿,稳定性更好;采用异步整流,用肖特基二极管作为续流管,降低宽负载宽频率工作下的电路设计难度,提高全负载下的可靠性,并降低了续流管导通损耗;采用脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)、脉频调制(Pulse Frequency Modulation,PFM)结合的调制方式,在负载较低时为PFM调制方式,负载较高时为PWM调制方式,以提高全负载下的系统转化效率。采用新型的Boost恒流输出LED驱动架构,输出级引入线性稳压恒流源作为输出电流设定模块,代替传统的反馈电压和电阻设定输出电流,以提高在同样输出电流精度下的系统转化效率。 Boost变换器的峰值电流模反馈控制环路内部,采用多个并联正向输入端的折叠共源共栅放大器构成的检测电路对多路LED负载的反馈电压进行检测,选择最低的反馈电压作为误差放大器输入,提高了多路并联LED负载下输出电流稳定性,同时保证多路亮度一致。误差放大器采用随输入电压自适应调节跨导的结构,保证了宽输入电压范围下的环路稳定。误差放大器输出端的补偿网络采用倍增电容原理,实现小容量的电容在工作频率段等效为大容量的电容,极大节省了版图面积。振荡器采用具有抖频功能的恒流电容充放电的架构,提供高的时钟信号精度,并且降低了电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)。功率管驱动电路采用推挽输出架构优化死区时间,提高系统转化效率。 本文基于TSMC 0.18μm BCD工艺进行电路设计,芯片可实现在输入电压为2.7V～24V的直流供电场景下,工作温度范围为-40℃～+150℃下,在升压拓扑电路中使用该芯片,最多可以稳定地驱动6组并联、每组10个串联的白光LED。每组LED灯串满载输出电流为20m A。同时,芯片具备欠压保护、过压保护、过流保护等多种保护机制,具有高的可靠性。使用Cadence仿真工具对电路进行前后仿验证,并完成版图设计,芯片占用版图面积为1670μm×1815μm。对芯片样品的测试结果表明,Boost变换器的各项性能均达到设计指标要求,静态功耗电流为1.45mA,可以实现输出电流精度在2%之内,输出电压纹波小于3mV,并且最高可达94.6%的系统转化效率。

摘要： 航天集成电路技术是实现航天系统小型化、集成化和智能化的关键核心技术,在航天领域扮演着不可或缺的角色，其进步对世界各国提升航天能力和保障国家安全都具有十分重要的意义。相比于一般的集成电路技术，航天集成电路技术更加关注器件和电路的可靠性、寿命和航天环境适应性，因此在设计、工艺、封装、测试和应用等环节均具有特殊性，既要研究以抗辐射加固和高可靠封装为代表的特色共性技术，也要研究不同类型产品研制的关键技术。

摘要： 近年来，以SiC、GaN、金刚石、Ga2O3为代表的宽禁带半导体在功率、射频器件方面展示出重要的研究价值，并在5G通信、汽车电子、快速充电等方面展现出了广阔的应用前景。抓住研发宽禁带功率半导体的战略机遇期，解决宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成中的关键技术瓶颈，具有极为重要的科学意义与实际价值。为进一步促进宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成等领域的新理论、新技术、新方法的创新研究，促进全国宽禁带半导体行业的相互交流、学习借鉴，《太赫兹科学与电子信息学报》计划推出“宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成“专题栏目，现特向广大专家学者征集符合该专题方向的原创性研究论文及综述，旨在集中反映该领域最新的研究成果及研究进展。

关键词： CMOS图像传感器   TDI   换向开关   自适应补偿电容  

摘要： 随着时代的发展,人们对生产生活的追求不断提高,从记录生活到认知宇宙,人类开始致力于不断探索未知的世界。由于宇宙深处人自身往往很难到达,只能通过携带图像传感器的飞行器对所看到的画面进行拍摄,将宝贵的照片带回地球供人们研究。而普通的图像传感器很难在这种特殊的环境中拍摄到清晰可视的画面,延缓了人类文明的进步。TDI-CMOS图像传感器作为一种新型的CMOS图像传感器,采用高速成像的先进技术,有着高信噪比、高动态范围、高速成像、芯片级别集成和适应多种应用场景的优点,使其在各种图像采集和处理应用中具有广泛的应用前景。且随着CMOS工艺尺寸的不断缩小,TDI-CMOS图像传感器的设计已经成为当下的研究热点。 本文基于标准CMOS工艺,从电路与系统角度,围绕模拟域TDI-CMOS图像传感器的噪声问题展开研究,通过对TDI-CMOS图像传感器读出电路的噪声来源分析噪声对模拟累加器累加输出的影响,引出本文所要解决的实际问题。发现传统模拟域TDI累加结构由于寄生电容的存在很难实现高精度的累加输出,SNR也很难降低。针对该问题本文对模拟域高级数TDI累加的寄生效应进行分析,研究寄生对整个电路的影响机理,提出在传统累加结构的基础上添加换向开关电路和自适应补偿电容电路来抑制对寄生电容的存在,并对整体电路的时序进行优化,极大的减小了累加过程一些非必要的开关动作,降低了时钟馈通和开关电荷注入等非理想因素对整体电路的影响。 本文基于55nm CMOS工艺,完成了一款128行X 1024列的模拟域TDI-CMOS图像传感器的读出电路设计,通过前后仿真验证,可实现行频500kHz情况下,128级有效累加级数125.02级,128级累加SNR提升22.98dB,整体版图面积11.3mm×34.7mm。

关键词： 光互连接收机   电路设计   单片集成   微环热调  

摘要： 人工智能(AI)算法和计算技术的发展使得对于光互连数据传输的需求提升。在光互连领域中，硅基光电子单芯片集成技术，已经成为提高数据传输速率和实现多个通道并行阵列传输的关键技术。此外，通过采用波分复用(WDM)技术配合大规模微环收发机阵列，能够显著提升数据传输的总量。在光互连接收机芯片设计中，跨阻放大器(TIA)电路的性能直接影响接收机系统的灵敏度和能效;而为了实现大规模微环收发机阵列，必须集成有效的微环热光调制电路。本论文主要基于 SOI CMOS 工艺，探索高速跨阻放大器电路设计方法，并研究光电探测器与 TIA 电路的单片集成技术，以及面向微环收发机系统设计了微环热光波长调节电路。本论文的核心内容包括：　　第一，为面向高并行大阵列光互连系统，故基于硅光电子单片集成技术实现电芯片和光芯片的片上互连来提升集成度。在 45nm SOI CMOS 工艺中研究片上紧耦合的光路与电路协同设计技术，实现光电探测器和跨阻放大器的同步设计。为了高速信号的稳定传输设计时采用电感峰化技术来降低电路的寄生影响，扩展跨阻放大器电路带宽。设计可变增益放大器来提升电路增益，以及LDO和DCOL电路保证高速信号通路的稳定DC工作点。光电联合仿真和测试结果显示可以得到4×64 Gb/s NRZ信号清晰眼图。　　第二，面向于大阵列微环收发机系统，基于 28nm CMOS 工艺设计了具有微环热光波长调节功能的接收机芯片。芯片采用低速TIA电路和模数转换器(ADC)电路对微环光功率进行准确采样量化，同时数模转换器(DAC)电路对微环Heater的端电压进行高精度调节实现热光调制的技术路线。芯片测试和仿真结果表明微环热调系统可以调节微环的谐振波长，并且经过热光波长调节后的高速 TIA 通路可以得到清晰的 32 Gb/s 的 NRZ眼图。　　第三，面对数据传输增长的趋势，探索了 45nm SOI 单片集成工艺下采用相干光互连技术的接收机设计，芯片实现了光模块和TIA电路的协同设计。在传输16-QAM 和 64-QAM 的调制信号时，接收端可以得到 400 Gb/s 的 64-QAM 信号解调后的清晰眼图。

关键词： 热电能量采集   冷启动   极性检测与转换   数字零电流检测   数字控制  

摘要： 随着通信技术和人工智能的发展,从互联传感器和设备获取实时信息和数据变得不可或缺。物联网技术应用于军事、医疗、交通、工业等各个领域,正逐步成为下一代工业革命的重点。然而,其中传感节点的供电方案存在诸多问题,如电池更换困难、寿命有限、能源不清洁等。能量采集可以将周围的环境能量转换成电能,实现自供能,为物联网设备提供更为绿色清洁、可持续的能量来源。 本论文聚焦于热电能量采集系统的研究与设计,包括超低压下的冷启动,极性转换检测与控制,数字零电流检测方案和输出稳压方案。基于微弱热电能量源的特性,本文设计的冷启动电路采用了分阶段的工作模式,使得冷启过程中Boost变换器先工作在异步整流模式,后工作在同步整流模式,完成超低电压下的冷启动。考虑环境中温差的变化,根据塞贝克效应,本文基于开关阵列架构提出了极性检测与转换策略,能够在热电采集器输出正负极性电压时都能进行能量采集,提高了能量利用率,此外由于能量源较微弱,输出功率较小,为了提升系统效率,极性检测与转换部分采取了数字控制的方式,减小静态功耗。基于能量采集系统低功耗高效率的普遍要求,本文设计的零电流检测方案使用数字方案,通过调制高侧开关的脉冲宽度,寻找到合适的零电流点。此外,本文设计的热电能量采集系统使用LDO级联的方式进行输出稳压,为系统提供干净稳定、具有带载能力的输出电压。 关键模块子电路的设计围绕低功耗展开。本文主要设计了超低电压冷启动电路的振荡器与电荷泵模块,用于极性检测与转换的控制电路模块,零电流检测电路模块和输出稳压的LDO电路模块。根据电路工作的不同阶段,利用系统控制信号控制子模块,在特定阶段工作,提升系统效率。 本文基于0.18μm BCD工艺搭建子电路和整体架构,并对子模块及整体电路进行了仿真验证。验证结果表明,本文设计的各子模块都能完成相应的指标与功能。系统可以在最低至40m V的供电下完成冷启动,稳定输出1.8V的电压。此外,系统能够在不同温差、不同极性转换速率、不同负载条件下完成极性转换功能,使得功率变换器输入始终为正,系统效率最高为75.1%。