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关键词： 101Sn能级寿命测量   塑闪探测器   电荷与时间测量   FPGA  

摘要： 当代原子核物理领域主要课题之一是检验极端条件下的粒子模型。Sn是目前为止已知的最重自共轭（N=Z）“双幻核”,是研究在极端稳定条件下质子和中子的理想实验粒子。但该核素较难生成,且核芯难以激发。因此在该核区核素的壳模型框架下,仅与双幻核芯相差一个核子的核素Sn是研究质子与中子单粒子激发影响的理想研究对象。中国科学院近代物理研究所拟在兰州重离子加速器的充气反冲核谱仪装置（Spectrometer for Heavy Atoms and Nuclear Structure,SHANS）上开展Sn能级寿命测量实验。SHANS靶室由塑闪探测器、Veto探测器、Clover探测器和La Br3探测器组成,其中塑闪探测器（Plastic Scintillator Detector,PSD）位于靶室中心。实验利用塑闪探测器和硅光电倍增管（Silicon photomultiplier,Si PM）快时间响应的特性对双α事件进行探测,要求读出电子学系统需兼具高精度的时间分辨和能量分辨性能,从而实现对Sn目标产物的鉴别。本文针对SHANS终端PSD读出需求,开展了塑闪探测器读出电子学的研究,设计了一款高计数率、高分辨的多通道读出电路。电路中能量测量采用了课题组自主研发滤波成形芯片和高速ADC进行波形数字化,在可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）内设计基线恢复、数字积分等算法实现电荷提取,并研究算法对能量分辨的影响从而提出优化设计,最终设计了一套适用于本系统的最优算法;时间测量采用了快速放大器和高速比较器组成前沿甄别电路,结合时间变换技术（Time to Digital Converter,TDC）实现。同时,在FPGA内设计了总体调度架构,一方面解决了实时对所有物理事件的时间-位置关联难题,另一方面通过提出最小调度规划方法实现了对硬件资源消耗的优化。基于上述研究,成功研制了多通道处理单元并开展了充分的测试验证。经测试,电子学能量分辨精度优于7.16‰半高全宽（FWHM）,时间分辨精度优于106 ps FWHM,系统死时间为400 ns,多通道一致性好于6.8‰,电子学性能均优于设计指标要求。在算法设计方面,基于梯形微元的面积积分算法测试的能量分辨较原来优化了10.13%;滑动基线恢复算法有效避免了特征谱线的漂移;总体调度架构快速实现了多事件在时间与空间维度上的关联;最小调度优化方法使FPGA硬件资源占用量较优化前减少了77.03%。最终,利用宇宙射线对塑闪探测器和电子学进行了联合测试,得到的能谱经过标定后符合朗道分布。测试结果表明多通道处理单元性能和功能均满足应用需求。

关键词： 无电解电容   大功率LED驱动电路   纹波消除   建模分析   控制优化  

摘要： 为了节能减排的战略要求和照明产业的市场需求,各个国家都在制定相应的计划来大力发展和推进LED光源照明的工程应用。在LED众多产业链中所生产的产品中,LED驱动是影响LED光源发展的重要因素之一。所以,本文根据传统LED驱动电路使用寿命无法与LED光源相匹配为切入点,找出造成LED驱动电路使用寿命短的主要原因是使用电解电容。为了替换驱动电路中的电解电容同时保证LED光源大功率输出,还会产生输入能量与供载功率不平衡,输出电压有纹波,造成频闪等问题。本文为实现大功率LED驱动电路和LED光源寿命相匹配为目标,针对现有LED驱动还存在的问题,提出一种新型的LED驱动电路,并以此电路为本文的核心,对其控制策略进行优化,通过实验对电路拓扑和控制策略进行验证。本文主要工作及结论如下:(1)提出了一种改进的基于反激-Zeta无电解电容的驱动电路。该驱动电路包含主供电电路和辅助级供电电路两部分,组成了一个三端口LED驱动电路。其中,主供电电路进行LED负载供电和功率因数自校正,辅助级电路对主电路产生的纹波进行消除,减少了LED输出电压和电流的纹波,同时也解决了输出电流和电压的突变问题,实现了能量平衡。并根据开关管的通断时间,分析此驱动电路不同时段的工作模态并使用数学建模的方式验证了此驱动电路的可行性。(2)搭建了一个120W的驱动电路。通过对LED驱动电路系统进行模块化分解,让不同模块完成不同的工作目的,并对每一模块所使用的元器件参数进行计算并选择合适的型号,最后将模块化电路进行级联组建完整的LED驱动电路,并对搭建好的120W驱动电路进行仿真实验验证了本电路的有效性和实用性,使得本电路在替代电解电容的基础上,平衡了输入功率和供载功率的能量差,使得功率因数达到98.5%,输出电流纹波降低到0.7%。(3)提出了一种成IWOA-BP-PID控制优化策略。为了改进传统的PI和PID控制无法很好地适应在宽输入电压条件下快速达到预期供载电压的问题,分析BP神经网络与PID控制结合的方式,并采用改进的鲸鱼算法优化传统BP神经网络,组成IWOABP-PID的控制优化策略,实验验证本控制优化方式的可行性,一定程度解决了在宽输入电压下响应时间慢和抗干扰能力不强的问题。

摘要： 立足“智慧+生态”，金泰集成电路设计产业园帮助引进、培育了大批集成电路设计企业，让产业链“虹吸效应”愈发强烈。当前,攻克集成电路行业相关技术难题已是当务之急。为抢抓战略机遇,加快构筑集成电路产业高地,重庆两江新区正在强劲蓄能,勾勒全“芯”蓝图。作为承载着两江新区布局“芯”蓝图的重要载体,重庆金泰集成电路设计产业园将结合两江新区软件和信息服务业建圈强链行动计划,持续聚焦集成电路产业,瞄准物联网、互联网、大数据、汽车电子等产业的芯片设计及产品应用研发领域,构筑相关企业矩阵,形成产业集聚,打造从设计到终端应用的世界级集成电路全产业链园区。

关键词： 直流电路   学习进阶   认知诊断   GDINA模型  

摘要： 直流电路是物理学中重要的内容,在日用电器、电子设备、发电与输电等领域都有着至关重要的作用。“直流电路主题”是中学生深入学习电磁学理论的初步阶段,在中学阶段占有重要地位。研究中发现,学生对“直流电路主题”的认识还存在诸多认知困难。因此,本研究试图为中学生“直流电路主题”的认知发展建模,以期更真实地反映中学生“直流电路主题”的思维发展过程。近年来,心理测量学和认知心理学正在逐渐探索如何通过测试反映学生的认知结构,进而优化学习进阶的研究。鉴于此,本研究以8到11年级的初中生和高中生作为研究对象,以解决“直流电路主题”的问题作为研究主题,基于认知诊断理论构建中学生“直流电路主题”学习进阶模型,并以认知诊断测验为工具,对“直流电路主题”学习进阶模型进行修正,以促进课程、教学和评估的一体化。本研究在正式研究前,进行了基础的研究。首先,运用文献研究法,对有关“直流电路主题”的思维模型、认知困难、认知发展过程进行了综述,并对学习进阶研究的源起、构成要素、研究范式、测量模型等进行梳理;其次,对“直流电路”、“直流电路主题”、“学习进阶”三个核心概念进行概念界定,最后,对建构主义学习理论、皮亚杰认知发展理论、SOLO分类理论、概念转变理论进行理论分析。正式研究分为理论研究和实践研究两部分。在理论研究部分,运用文献分析法,对“直流电路主题”的内涵、特点、类型、层次进行理论探讨,探寻中学阶段“直流电路主题”的主要内容,并证明了“直流电路主题”存在进阶性,为确定“直流电路主题”的属性及其层级关系奠定基础。基于理论探讨和文献综述部分本文提取了“直流电路主题”的12个认知属性,包括:A1-电路的构成、A2-电路连接、A3-实物图与电路图相互转化、A4-电流、A5-电压与电动势、A6-电阻、A7-串、并联电路电学量的规律、A8-简单电路电学量的计算、A9-复杂电路中电学量的计算、A10-简单电路动态分析、A11-复杂电路电路动态分析、A12-电路微观机制,并建立了12个认知属性之间的层级关系。接着,基于理论探讨、皮亚杰认知发展理论、SOLO分类理论、中学阶段“直流电路主题”内容、课程标准要求等,结合属性及属性间层级关系,确定了“直流电路主题”学习进阶的进阶维度、进阶水平和预期学生学习表现,形成了“直流电路主题”学习进阶模型,共包含六个水平,分别是形象感知水平、电路识别水平、概念理解水平、初步量化水平、微观机制水平、系统认识水平,并确定了每个水平中所包含的认知属性。在实践研究部分,基于认知诊断理论,依据“直流电路主题”学习进阶模型,开发并优化了测评工具,运用GDINA模型对实测数据进行分析,得出学生实际掌握模式和各个属性掌握的概率,进而对“直流电路主题”学习进阶模型进行适当的调整,并分析了每一水平下学生可能掌握的属性掌握模式,另外,本研究还构建了中学生“直流电路主题”的16种学习路径,为发展个性化教学和学习提供可能。通过本研究可以得出如下结论:“直流电路主题”包含12个属性,“直流电路主题”学习进阶分为6个水平,并有16条从低水平到高水平的学习路径。从整体来看中学生“直流电路主题”整体处于较低水平,但是随着年级的升高,学生对“直流电路主题”的认知水平呈现上升的趋势,并且其属性掌握模式逐渐向高水平集中。另外,研究中还发现,电路微观机制水平是学生达到最高水平的一个转折点,学生只有形成了对电路微观机制的认识才能促进学生对“直流电路主题”的深层次理解。据此,对教师教学提出了如下的建议:以学生的“直流电路主题”认知水平为“生长点”,提升课堂教学的有效性;以学生的“直流电路主题”属性掌握模式为“锚点”,促进学生学习的积极性;以学生的“直流电路主题”学习路径为“进阶点”,提高教师教学的针对性。

关键词： 气体传感器   气敏元件   氧化锡   接口电路  

摘要： 快速信息化的21世纪需要大量准确的气体传感器信息支撑人们对日常生活、科研过程、工程生产过程安全的高要求，金属氧化物气体传感器以其简单的结构、迅速缩小的体积和广泛的气体测量种类赢得了人们的青睐。为实现精确的金属氧化物气敏元件信号测量，气敏元件特性将影响着对应接口电路的结构和指标。基于ADC结构的分压法传感信号测量方式中，ADC设计复杂、面积大且没有全面考虑金属氧化物气敏元件本身的半导体、电容特性，为更合理的搭配金属氧化物气敏元件，本文采用了电阻频率转换电路作为金属氧化物气敏元件的接口电路，共同组成可实用的可靠气体传感器。　　本文从理论模型和元件结构两方面详细阐述了目前以SnO2为主的金属氧化物气敏元件的敏感机理，利用商用气敏元件详细分析了元件固有的半导体特性和电容特性，指出目前气敏元件接口电路设计要求，明确了电阻频率转换电路完全符合金属氧化物气敏元件接口电路的要求。针对电阻频率转换电路进行了详细的研究，阐明了阻频率转换电路的基本原理，针对电路内各个模块进行了精度影响因素分析论述，形成了电路电阻电流转换模块、电流电压转换模块以及电压频率转换设计方案。　　基于韩国东部HiTek180nm CMOS工艺实现了整体电路设计，电路工作在1.8V低压电源电压下，版图设计结构通过drc和lvs验证，版图设计结果表明电路整体芯片面积为775.48μm×533.14μm，后仿结果表明电路可测量输入气敏元件电阻范围为2kΩ~1GΩ，在在3.2kΩ以上保持线性误差小于5%，动态范围约为134.3dB，最大功耗为2.142mW，满足设计要求。

关键词： 磁隧道结   自动终止写入电路   非易失性逻辑门   LIM电路   内容可寻址存储器  

摘要： 芯片是电子产品的组成核心,然而当前互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺的电路结构存在高功耗、高延迟和数据掉电丢失等问题。相比之下,磁隧道结作为一种新型自旋电子器件,具有数据非易失性、静态功耗低、集成度高和与CMOS电路兼容性好的特点,有望解决当前集成电路存在的问题。然而,基于磁隧道结设计的应用电路仍然存在高功耗、低集成度和数据部分易失的问题。本文首先对磁隧道结进行研究并建立模型,之后针对磁隧道结应用电路存在的问题,对磁隧道结写入电路、内存逻辑结构单元和内容可寻址存储器等相关结构进行研究与设计。论文主要工作如下:(1)研究磁隧道结的工作机制及物理模型的构成。参照物理模型、传统模型结构和现有模型参数等多方资料,构建磁隧道结物理模型并进行仿真验证,为后续研究提供可用的物理模型。为方便对磁隧道结行为进行模拟,提出一种磁隧道结磁化状态与磁阻状态仿真系统,能够针对磁隧道结的磁化状态和磁阻状态进行多变量参数仿真。(2)针对磁隧道结写入操作存在因写入时间过长而产生能量浪费的问题,提出一种高速、低功耗的自动终止写入电路结构。该结构能够检测磁隧道结写入状态,并对已经完成状态转换的磁隧道结进行终止写入的操作。该结构相比于传统的4T写入电路和6T写入电路,功耗分别减少了47.92%和76.93%,与最新提出的写入电路结构相比,写入速度方面具有20.63%的提升。(3)针对基于磁隧道结的内存逻辑(Logic-In-Memory,LIM)结构单元集成度不高和存在数据部分易失的问题,首先,设计一种多位非易失性触发器,实现了非易失性触发器从一位到多位的扩展。之后,针对非易失性逻辑门结构,设计一种多运算非易失性逻辑门,该器件实现了一组电路进行多种逻辑运算的功能,对比现有相关结构在速度和集成度方面均具有一定优势。最后,提出一种多位非易失性逻辑运算器结构,该结构以传统非易失性逻辑门为基础实现了多位扩展和多运算功能扩展,同时实现了数据全非易失性。(4)针对传统内容可寻址存储器存在的高功耗和数据断电丢失的问题,提出一种非易失性内容可寻址存储器,对比现有的相关结构在速度、功耗和集成度方面均具有一定的优势。此外,提出一种基于磁隧道结的非易失性移位寄存器用于将字线选择信号输入至非易失性内容可寻址存储器中,该器件加入了自动终止写入电路,具有低功耗的特点,同时,还具有很高的通用性。

关键词： 切换系统   多平衡点   线性系统   区域稳定性   切换电路  

摘要： 本硕士论文研究多平衡点切换电路系统的区域稳定性问题,即分别研究了CCM(连续导通模式)和DCM(断续导通模式)两种不同模式下的DC-DC变换器切换电路系统的区域稳定性。本论文从理论分析角度,基于多平衡点切换线性系统框架,利用数学建模技术和系统模型求解等数学分析的方法和技巧,分别研究了CCM和DCM两种模式下的BUCK、BOOST以及BUCK-BOOST这三类多平衡点切换电路,并得到了系统区域稳定的若干判据。主要研究内容及结果如下:(1)数学模型的建立。利用基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律以及欧姆定律等基本电路原理,分别对CCM和DCM两种模式下的BUCK电路、BOOST电路以及BUCK-BOOST电路的拓扑结构进行分析,建立了用多平衡点切换线性时不变系统来描述的这三类DC-DC变换器切换电路的数学模型。(2)区域稳定性分析。首先,利用现有多平衡点切换线性系统区域稳定性定理,基于CCM模式下的BUCK电路中电阻、电感、电容均为常数的事实,证明了该类切换电路系统是区域渐近稳定的。然后,利用微分方程柯西问题的通解公式并结合逐次迭代法,分别求解出了CCM模式下的BOOST和BUCK-BOOST这两类切换电路系统的具体通解解析式。基于多平衡点切换线性系统区域稳定的定义,利用矩阵和向量范数等数学工具和方法,并结合矩阵级数收敛的判别条件对系统通解进行数学分析,分别得到了CCM模式下的BOOST和BUCK-BOOST这两类切换电路系统区域渐近稳定的若干充分条件。最后,对于DCM模式下的BUCK、BOOST和BUCK-BOOST电路系统,利用其通解公式及区域稳定性概念,分析并得到了这三类切换电路系统区域渐近稳定的若干充分条件。(3)数值仿真及实验验证。基于本硕士论文所得理论结果,首先利用MATLAB软件,通过数值算例,分别对CCM和DCM两种模式下的BUCK、BOOST和BUCK-BOOST三类切换电路系统进行了数值仿真。然后,基于MULTISIM软件,搭建了上述三种DC-DC变换器实际切换电路,进行了仿真实验,并得到了相关实验结果。最后,数值仿真及实验结果,均表明了本文所得有关DC-DC变换器切换电路系统的区域稳定性理论结果的可行性、有效性和可操作性。