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16位逐次逼近型模数转换器关键技术研究

16位逐次逼近型模数转换器关键技术研究

作者：龙睿湘潭大学

学位级别：硕士

集成电路工艺的迅速发展,使得芯片的运算速度不断提升,面积和功耗也在持续降低。数字电路作为能直接受益于工艺发展的电路类型,得到了广泛应用。但是自然界中普遍存在的信号是模拟信号,需要通过模数转换器(Analogto-Digital Converter,A... 详细信息

集成电路工艺的迅速发展,使得芯片的运算速度不断提升,面积和功耗也在持续降低。数字电路作为能直接受益于工艺发展的电路类型,得到了广泛应用。但是自然界中普遍存在的信号是模拟信号,需要通过模数转换器(Analogto-Digital Converter,ADC)才能转换为数字电路能处理的数字信号。与此同时,精密仪器、医疗保健、汽车电子等众多领域需要应用到高精度数字信号,导致高精度ADC的需求量迅速提升。ADC种类繁多,其中逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)ADC可以同时结合数字和模拟电路的优势,更能适应工艺的进步,因此成为了学者和企业的研究热点。但由于各种非理想因素的影响,SAR ADC的有效位被限制在12位左右,要想达到更高的精度,仍有许多关键技术需要突破。为此,本文以研究高精度SAR ADC的关键技术为核心内容,设计出了一款16位的高精度SAR ADC,主要研究内容包括:1.提出了一种多分段电容阵列的设计方案,可以解决电荷重分配结构SAR ADC单位电容数量指数级增长的问题。不仅得到了两分段和三分段的电容阵列结构以及计算方式,而且可以选择整数分段或分数分段形式,其中整数分段形式在减小面积的同时,还能降低版图匹配的难度。采用该方案,结合基于共模电压的开关切换方式,设计出了一种低功耗16位分段结构电容阵列,与传统结构相比,该结构的整体面积减小了99.4%,平均功耗可以降低87.5%。2.提出了一种适用于差分结构的自校准算法,能结合设计的电容阵列结构来降低电容失配造成的性能影响。该算法改进了校准DAC的结构,使其最大量化范围和最小步长可调;简化了在差分结构下误差电压的量化过程,采用正负两端相互对照的方法,提升了校准效率。通过行为级模型对算法进行验证,结果表明,ADC的有效位从校准前的12.14位提升到了校准后的15.02位。3.基于55 nm CMOS工艺,设计了一款16 bit 1 MS/s SAR ADC。其中采样保持电路采用了下极板采样和栅压自举开关;电容阵列采用提出的差分分段结构;比较器为三级预放大和锁存级的级联结构,同时采用了失调电压自校准技术;SAR控制逻辑为异步时序以提高采样率。电路的仿真结果表明,当采样频率达到1 MS/s时,SAR ADC的信噪失真比为82.44 d B,无杂散动态范围为83.75d B,总谐波失真为-83.18 d B,有效位为13.41位。

关键词：高分辨率SAR ADC 差分分段电容阵列电容失配自校准算法

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基于WSN的三维定位系统与算法研究

基于WSN的三维定位系统与算法研究

作者：李钊东北大学

学位级别：硕士

节点定位是无线传感器网络的关键技术和应用基础,并且定位技术已经从二维空间逐步过渡到三维空间。实际定位应用中,二维平面定位系统一般不能满足要求,必须扩展到三维空间中,其中的重点研究方向为室内三维空间的定位。在部署室内三维定... 详细信息

节点定位是无线传感器网络的关键技术和应用基础,并且定位技术已经从二维空间逐步过渡到三维空间。实际定位应用中,二维平面定位系统一般不能满足要求,必须扩展到三维空间中,其中的重点研究方向为室内三维空间的定位。在部署室内三维定位系统的过程中,往往也会遇到一些问题,如信标节点的自定位问题,解决问题的算法具有很强的实用性。三维空间有其独有的特点,算法将会比二维平面定位更加复杂,更适于三维空间的算法仍然有巨大的发展空间,值得去进行研究探索。因此,本文主要研究三维定位系统节点间相对位置关系的特点,并基于其特点提出了一些改进的算法。本文首先阐述了无线传感器网络的基本概念、结构、特点,对无线传感器网络定位技术进行了分析。然后介绍了适合三维环境的定位算法。并对Cricket 3D定位系统的原理和软硬件结构进行了简单的介绍。根据Cricket节点的特点,对信标节点的布置方式进行了研究,最后布置了三维定位系统。然后分析信标节点位置估计的线性自定位算法的应用环境与特点,并提出一种基于加权最小二乘改进的线性自定位算法,继承了线性自定位不依靠被测节点的位置坐标,只需要增加一定测量次数,就可以获得信标节点间的相对位置坐标的特点。并依据不同的几何分布对误差传递影响的不同提出了加权最小二乘估计,进一步提升了估计精度,并进行了仿真实验对提出算法性能进行了分析。其次研究了基于无线传感器网络的三维定位系统中信标节点的位置坐标优化的问题。首先对移动机器人和定位系统进行建模,提出了提高机器人定位精度的系统状态预测方程,实现了信标节点的位置校准优化。然后对比分析了EKF, HF, STF几种滤波算法性能,HF对于系统模型的不确定性有更好的适应能力,STF在系统存在较大误差扰动的情况下,对真实状态有着更好的跟踪特性,并通过仿真数据进行了验证。最后分析了基于Cricket定位系统的三维定位算法的特点,提出了三个信标节点进行三维定位的问题,并研究了它的两种解决算法：高斯牛顿迭代法和基于Cayley-Menger行列式的定位算法。高斯牛顿迭代法精度高,效率低;基于Cayley-Menger行列式的定位算法精度低,效率高。然后在三维定位系统中引入了GDOP概念,并进一步提出了更适合本系统的easy-GDOP概念,并分析了二者在信标节点选择上的应用。之后研究了GDOP和easy-GDOP值做加权数据融合各自的精度和特点,easy-GDOP加权数据融合有着更高的计算效率。

关键词：无线传感器网络三维定位自定位算法自校准算法 Cayley-Menger行列式

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带自校准的14位逐次逼近模数转换器设计

带自校准的14位逐次逼近模数转换器设计

作者：任艳慧哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在工业控制系统的设计目标向更加高速、更低功耗、更高可靠性、精准、尺寸缩减的趋势下，系统的主要部件模数转换器逐渐得到重视。日前，市面主要的模数转换器（ADC）包括Flash ADC、SAR（Successive-ApproximationRegister）ADC、时间... 详细信息

在工业控制系统的设计目标向更加高速、更低功耗、更高可靠性、精准、尺寸缩减的趋势下，系统的主要部件模数转换器逐渐得到重视。日前，市面主要的模数转换器（ADC）包括Flash ADC、SAR（Successive-ApproximationRegister）ADC、时间交织ADC及流水线型ADC等，其中SAR ADC以其具有中速（一般为小于5Msps）、中精度（一般为8～18位）、低功耗和小尺寸的相对全面的优点被应用于广泛的领域。由于系统工艺条件中电容不匹配、噪声等的影响，传统SAR ADC的精度限制在12位以下。本文的设计是14位的带有自校准的电容阵列的SAR ADC，明显改善了高位的SAR ADC精度低的问题。其电源电压为1.8V，时钟频率为125kHz，功耗为530W。本文首先介绍了课题的背景及研究目的与意义及近年来ADC的发展趋势，并阐述了当前国内外的研究状况，且基于其进行了对比分析。采用SMIC0.18m工艺对ADC进行了设计，即14bitSAR ADC的结构，包括数字部分和模拟电路部分。其中模拟电路部分由采样缓冲放大器、比较器、数模转换器电容阵列（RDAC+CDAC+Cali-DAC）、偏置电路等几部分组成。并分别介绍了各部分的功能、关键技术以及仿真结果。分析了精度限制的电容失配原因，介绍了混合DAC中基于二进制加权电容阵列的自校准算法，并特别说明了基于自校准算法的Cali-CDAC阵列结构的实现过程。校准的基本思想即为将得到的校准电压通过缓冲电压直接接回到CDAC中达到校准的过程。为了验证校准设计的准确性，本文采用了统一的方法对未加校准和失配的14bitSAR ADC、加入失配的14bitSAR ADC和加入失配和校准的14bitSARADC的仿真输出进行比较。论文最后采用SMIC0.18m COMS工艺设计了电路的关键模块版图，包括数字版图的综合、布局布线及模拟版图的绘制，并进行了DRC和LVS验证。最后对整体版图进行后仿真，验证设计结果的正确性。

关键词： SAR ADC 自校准算法数模转换器电容阵列结构

基于PIC16F1947的光伏汇流箱采集系统设计

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基于PIC16F1947的光伏汇流箱采集系统设计

作者：胡亮湖南大学

学位级别：硕士

太阳能是解决能源危机和环境污染最有效的能源类型之一,光伏产业得到了迅速发展。汇流箱是连接光伏阵列和逆变器之间关键设备,其状态参数直接影响光伏系统的正常运行。光伏发电技术的发展对汇流箱的采样通道数、检测精度等提出了更高要... 详细信息

太阳能是解决能源危机和环境污染最有效的能源类型之一,光伏产业得到了迅速发展。汇流箱是连接光伏阵列和逆变器之间关键设备,其状态参数直接影响光伏系统的正常运行。光伏发电技术的发展对汇流箱的采样通道数、检测精度等提出了更高要求。传统的汇流箱存在处理速度慢、测量误差大和远程监控困难等缺点,不能满足现有光伏系统测量需求,因此研究新型的光伏汇流箱采集系统在光伏发电领域具有重要意义。本文设计基于PIC16F1947的光伏汇流箱采集系统,主要内容包括:第一,综述了光伏发电国内外研究现状,从光伏组件发电的基本原理及特点和光伏汇流箱装置的原理两个方面进行了论述。在此基础上,对光伏汇流箱的采集原理进行了阐述,分析了传统汇流箱存在的问题,并对本文设计的光伏汇流箱功能及参数进行了说明。第二,完成了光伏汇流箱采集系统硬件设计。该系统以低功耗单片机PIC16F1947为核心控制芯片,以高精度霍尔电流传感器为主要采集器件,设计了采集模块、电源模块、光耦隔离模块、RS-485传输模块和温度监测模块等硬件模块。第三,完成了汇流箱软件设计,提出了电压电流检测双点逐次修正最小二乘插值自校准算法,实现了校准参数的准确拟合;根据RS-485通信标准Modbus-RTU协议,开发了光伏汇流箱数据通信协议,设计了 LabVIEW上位机校正和监控系统,实现了光伏汇流箱采集系统的实时监控。最后,完成了汇流箱参数校准过程的不确定度评定。首先分析了测量误差来源,搭建了校准实验平台,验证了校准算法的准确性;然后,分析了光伏汇流箱现场采集数据,现场采集数据表明所设计的系统工作稳定,达到设计要求;最后对校准实验结果进行了不确定度,实验结果表明校准后的光伏汇流箱采集系统在实际应用中的准确满足实际测量需求,符合标准CNCA/CTS0001-2011A《光伏汇流设备技术规范》。

关键词：光伏汇流箱自校准算法现场总线测量不确定度最小二乘法

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时间间隔及信号参数测量模块的设计

时间间隔及信号参数测量模块的设计

作者：骆建波电子科技大学

学位级别：硕士

时间间隔测量技术在高能物理实验、雷达识别、集成电路等领域有着广泛的应用,是事件计时器、时间间隔分析仪等时间间隔测量仪器发展的基础,高精度计时器在电子测量仪器领域中占有重要地位。因此本文提出设计一种时间间隔及信号参数测量... 详细信息

时间间隔测量技术在高能物理实验、雷达识别、集成电路等领域有着广泛的应用,是事件计时器、时间间隔分析仪等时间间隔测量仪器发展的基础,高精度计时器在电子测量仪器领域中占有重要地位。因此本文提出设计一种时间间隔及信号参数测量模块,其具有高精度时间测量功能,同时具备电压、脉冲参数等测量功能。以此模块为核心,配备上位机等软件功能即可形成一个完整的时间间隔及信号参数测量仪器。本文的主要工作如下:1、深入分析传统时间间隔测量方法的优缺点,提出基于时间幅度转换(Timeto-Amplitude Converter,TAC)的高精度时间间隔测量方案。分析信号参数测量的基本原理,依据项目的实际需求,提出在时间间隔测量硬件架构平台上,基于“DAC+高速比较器”的方案完成高精度信号参数测量,这样耗费的硬件资源更少,测量模块集成度更高。分析插值电路存在的误差,设计了自校正算法以降低插值电路由于温度、电压等环境因素对时间测量结果的影响。2、在总体硬件方案的基础上,完成核心器件的选型。硬件电路设计主要包括波形变换、插值、前端通道控制等电路设计。波形变换电路用于信号波形的转换和参数测量,插值电路用于实现时间幅度转换,前端通道控制电路用于辅助完成信号参数的测量和信号调理。针对各个电路单元,给出了详细的设计过程。3、数字逻辑电路设计与实现。基于项目实际需求,采用功能模块化设计思想完成总体逻辑架构设计,主要包括:时间间隔测量单元、电压测量单元、脉冲时域参数测量单元、数据整合及传输单元等单元。时间间隔逻辑单元设计中,设计延迟链以达到测量零延迟的时间间隔测量指标要求,基于逻辑门电路完成时间脉冲的提取。电压测量逻辑设计中,采用二分法搜索测量电压,提高了模块的电压测量响应速度。依据不同数据流的产生时序完成测量数据的整合及传输逻辑设计。分析时间测结果,设计了延时自校准逻辑和校正算法以降低延迟链延迟波动对测量结果的影响,以提高模块的时间测量精度及稳定度。对设计的测量模块进行时间参数及电压参数的不确定分析与计算,并搭建测试平台对模块进行功能指标验证。测试结果表明,本文设计的测量模块时间间隔分辨率符合100ps指标要求,时间间隔测量范围为0ns～10s,标准差优于150ps;电压分辨率符合3m V指标要求,标准差优于20m V;上升/下降时间测量标准差优于150ps,正/负脉冲宽度测量标准差优于150ps。

关键词：时间间隔测量信号参数测量时间幅度转换自校准算法

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分布式基坑水位测量系统的研制

分布式基坑水位测量系统的研制

作者：陈林武汉工程大学

学位级别：硕士

随着基坑工程不断向下发展,地下水位变化会破坏土质层结构,容易导致基坑事故的发生,所以水位监测能为现场施工安全提供保障。目前基坑水位测量手段多为单点式测量,面对多基坑水位测量工程,存在工序复杂、监测同步性差、数据评估片面、... 详细信息

随着基坑工程不断向下发展,地下水位变化会破坏土质层结构,容易导致基坑事故的发生,所以水位监测能为现场施工安全提供保障。目前基坑水位测量手段多为单点式测量,面对多基坑水位测量工程,存在工序复杂、监测同步性差、数据评估片面、无法远程管控等缺点,而且测量数据只能反应局部水位变化,有较大的安全隐患,本文根据项目需求研究了一种分布式基坑水位测量系统,实现了全自动化监测。首先设计了分布式测量节点系统,考虑到测量方法多样,经测量原理研究与性能指标对比,相位式激光水位测量方法适用于本项目,能克服现有其它水位测量精度不高、受环境因素影响大等缺点。同时,系统具备远程无线通信接口,这为系统组网和拓展测量节点提供了方便。并且系统结合无线通讯和总线技术实现了分布式数据采集和远程水位信息传输功能。由于现场工况环境恶劣,采用了TVS二极管抑制电压突涌,起到高效保护电路电路作用。其次,在分布式节点测量基础上搭建了上位机测控网络,完成了SCADA系统的设计。下位机采集各个节点水位信息,经过总线传输至系统,可实现数据动态显示、存储、报警、等功能,其数据库功能还为项目提供了历史曲线、条件报表打印等功能,为后期实验分析奠定理论基础。系统还包括TCP/IP网络部分,不仅可以现场监测还可以通过Web端和移动APP端远程管控HMI人机界面,通过上位机监测系统开发和下位机测量节点设计一起构成了分布式水位测量系统,实现了多个基坑水位同时监测和全自动化管理。最后是现场测量实验阶段,根据实验结果发现测量数据不稳定,会间隔性出现数据突变,监测画面也提供了多次高低误报警情况,这给工业现场造成了很多不必要的麻烦。经过分析误差产生的原因,提出了自校准算法,使得下位机测量过程中能自动校准测量姿态,使激光传感器始终与水位面保持垂直。最后通过仿真和实验证明了自校准算法的可靠性和实用性,能够得到精准水位数据,而且分布式水位测量系统再未出现误报警情况。目前该系统已经应用到实际的工业现场,能够真实反映地下水位变化,这不仅为基坑工程带来了极大的便利,也为工业现场安全提供了保障。

关键词：激光水位测量总线技术无线通讯 SCADA系统自校准算法