分布式桥梁沉降高精度监测系统设计
这是一篇关于桥梁监测,GNSS,高精度,差分技术,北斗卫星导航系统的论文, 主要内容为桥梁在现代交通运输中扮演着非常重要的角色。在我国的交通系统中,各种公路桥和铁路桥不可胜数。但大量桥梁的建成时间久远且缺乏维护管理而存在安全隐患,近年来发生的多起桥梁安全事故极大危害了我国人民的生命财产安全。2020年7月,北斗卫星导航系统(BDS)全球组网完成,北斗系统可为世界范围内各地区用户提供全天24小时的导航定位服务。伴随着差分技术、通信技术和导航定位技术的发展,使用GNSS技术对桥梁进行实时高精度定位监测已成为可能。针对桥梁安全状况难以监测的问题,本文以GNSS差分技术作为主要监测手段,解决以往桥梁监测存在的耗费人力物力严重、实时性差、精准度低并无法全天候监测等问题,设计了桥梁沉降高精度监测系统。桥梁沉降监测终端各个信息采集模块采集桥梁监测点ENU坐标、经纬高度和倾角等信息,并将各个监测点信息按特定通信协议通过TCP/IP通信方式发送至桥梁沉降监测平台上,使得桥梁管理人员可以实时监控桥梁沉降状态。桥梁沉降监测平台是基于Windows系统的由Intelli J IDEA 2020.1 x64开发平台作为开发环境开发,JSP作为前端显示、后端基于JAVA的SSM框架和My SQL数据库组成。通过最终调试测验,在开阔楼顶设置基准站与监测站,桥梁沉降监测终端通过监测桥梁监测点的ENU坐标及倾角信息反映桥梁状态,可监测出厘米级的沉降位移量与1°的倾角变化量。桥梁沉降监测平台可实现地图显示监测点、查询监测点实时状态和历史数据等功能。
13位低功耗SAR-SS ADC的研究与设计
这是一篇关于低功耗,SAR ADC,SS ADC,模拟后台校准方法,混合结构,高精度的论文, 主要内容为随着生物医疗芯片和通信应用需求增加,模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)作为传感器电路中模拟信号和数字系统沟通桥梁的关键枢纽,正逐步朝着高性能低功耗的趋势发展。逐次逼近寄存器(Successive Approximation Register,SAR)ADC是高分辨率和高能源效率模数转换器中候选之一。SAR ADC由于其不具有高带宽放大器且能在速度、功耗、动态范围和芯片占用面积等方面得到优良的折中。此外,单斜(Single-Slope,SS)ADC因其高精度特性而备受设计者青睐。本文基于SAR ADC架构设计一款低功耗高精度SAR-SS混合型ADC,首先阐明了低功耗SAR ADC的关键技术难点,其次提出了用于克服低电源电压下限制ADC高精度的解决方案。本文的创新点如下:一、本文设计了一种高精度采样电路,基于传统栅压自举开关电路原理,同时结合差分结构下极板采样技术和虚拟器件结构,极大程度上抑制电荷注入和时钟馈通造成的效应。所设计的线性开关运用衬底偏置技术使得采样开关在1V电源电压100k S/s采样速率下达到了98.39d B的信噪失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio,SNDR),这使得在低压下实现高线性度采样成为可能。二、本文结合Vcm-based开关时序的特点提出了用于克服DAC失配和比较器失调误差的模拟后台校准技术,可在较小的采样电容值下实现较高精度。相比于传统通过扩大单位电容以减小电容失配的方式,该校准技术的单位电容为1.6f F,电容DAC总功耗降低了约97%,比较器失调达到0.5LSB以内。本文采用SMIC 40nm CMOS工艺设计了SAR-SS混合架构ADC,粗量化和细量化相结合更高效地利用能耗,异步动态控制逻辑相较于同步控制逻辑,避免了额外高速时钟模块且更合理分配量化时长,有利于低功耗设计。仿真结果表明:提出的ADC在1V电源电压和100k S/s采样速率下对奈奎斯特频率输入的整体功耗为5.1μW,并获得70.71d B的SNDR,其优值(Figure of Merit,Fo M)可达18.2f J/conversion-step。
高精度多通道同步采集与合成模块设计及实现
这是一篇关于高精度,多通道,同步采集,多功能测试模块,PXIe的论文, 主要内容为随着被测对象的复杂度越来越高,对于多功能测试设备的需求也越来越高,为了解决联合测试、便携式测试的问题,提升电子测量仪器的测试范围以及测试能力,对多功能测试模块的研究提出了新的挑战。本文针对传统测试系统功能单一、体积庞大等问题,定位当前测量仪器市场需求,设计并实现了基于PXIe总线的3U单槽高精度多通道同步采集与合成模块。本文的主要研究内容如下:1、结合模块体积小、测试资源多、集成度高的需求,通过对功能指标的合理划分、关键器件对比选型、数据通信协议的规划,采用子母板层叠的硬件构架,完成高精度多通道同步采集与合成模块的总体方案设计。2、根据系统指标要求,结合所选器件和PXIe接口需求开展了模块电路级的详细分析并予以实现,完成了16路采集通道、4路合成通道与48路数字IO通道中的信号调理与驱动电路设计,其中对信号的缓冲与保护、衰减与放大、差分转换等功能进行了具体分析与实现。3、结合模拟与数字混合信号测试需求,在FPGA内部完成基于XDMA架构的PXIe总线通信设计,根据数据类型的差别,采用AXI4-Stream总线传输数据流,AXI4-Lite总线配置状态寄存器,实现了上位机对模块的读写操作;考虑到多通道采集过程中,时钟同步和数据同步的需求,设计IDELAY+ISERDES的串行数据接收架构,满足高精度与多通道的采集需求;结合合成通道的需求,选择了DDWS技术实现波形合成,完成多通道合成逻辑设计。经过对以上内容的研究和设计,完成高精度多通道同步采集与合成模块设计,并经测试验证,模块实现16通道高精度同步采集功能;4通道高精度合成功能以及48通道可编程数字IO功能。
储能型SVG装置的高精度动态仿真技术研究
这是一篇关于储能型SVG,无功补偿,超级电容,S函数,高精度,动态仿真的论文, 主要内容为现代电力系统在不断发展,用电负荷呈现出了多样化的趋势。配电网中常出现功率因数下降、谐波污染、电压波动等一系列电能质量问题。针对这些问题,可以使用各种优化技术,如无功补偿、滤波器、稳压器等设备,并通过监测和管控保持电力系统的稳定运行。由于静止无功发生器(Static Var Generator,SVG)具有动态响应速度快、补偿电流品质高的特点,故本文将储能技术与SVG相结合,设计了一种基于超级电容的储能型SVG装置,以实现动态无功补偿和短时有功调节,有效地抑制新能源发电所带来的电压波动,以达到改善电能质量的目的。然而,储能型SVG装置开关频率高,超级电容的波动范围大,如果直接采用实物试验,投入成本极大。因此,基于储能型SVG装置的工作特性,本文对其进行高精度的动态仿真分析与研究,以支撑实物样机的开发设计,具体如下:首先,本文介绍了无功补偿装置、储能技术、仿真技术的发展,分析了开展高精度动态仿真技术研究的重要性,提出了将超级电容储能系统和SVG有机结合成一体化的储能型无功补偿装置方案,设计了装置的主电路拓扑结构。其次,针对储能型SVG装置的理论分析,研究了储能型SVG系统控制策略。通过高精度动态无功电流检测算法可以实现对电流的高精度快速跟踪,以此提出了基于PI和前馈解耦的双环顶层控制策略与三相H桥底层PWM控制策略来实现储能型SVG对有功功率和无功功率的高精度动态补偿,再根据超级电容充放电特性和双向DC/DC变换器的工作原理提出了超级电容储能系统充放电控制策略,以实现储能型SVG装置对传输能量的动态实时跟踪控制。然后,提出了一种基于S函数的高精度动态软件算法仿真技术,具体分析了S函数的应用与实现方法,编写了基于C语言的储能型SVG系统控制算法,搭建了基于S-Function自定义模块控制的储能型SVG高精度动态仿真模型。通过分析仿真实验结果,验证了所提出的方法可以高效地完成主电路电气参数与控制模块之间的信息交互、高精度PWM信号的输出以及瞬时无功功率的实时闭环动态控制。最后,设计并完成了实物样机的装配。通过搭建小功率实验平台和实验室样机,对之前的设计和理论进行了实验验证,实验结果表明了该装置动态补偿性能良好,能够有效改善电能质量。
面向大力值校准的高精度电液伺服力控制系统设计与研究
这是一篇关于电液伺服系统,力控制,高精度,大力值的论文, 主要内容为随着国防建设、桥梁施工等领域的技术发展,大力值传感器应用越来越普遍,大力值传感器精确校准已经是越来越迫切的重大需求。传统液压伺服系统采用阀控加载原理,由于存在阀口非线性、中位泄漏等固有缺陷,其加载精度不能满足大力值校准的需求。现有研究围绕高精度力控制算法开展研究,提出了自适应鲁棒、模型预测控制等先进算法,但仍难以满足高压力、高精度加载的实际需求。针对该问题,本文开展面向大力值校准的新型电液伺服力控制系统设计与研究,提出了结合单出杆缸大力值增压加载与非对称双出杆缸精密加载的新型高精度电液伺服力控制系统原理,开展了液压回路方案对比、系统参数设计、控制器设计等研究工作,并搭建了系统仿真模型与实际样机进行验证。本论文面向大力值校准的力加载需求,提出了三组高精度电液伺服力控制系统设计方案,并通过对比分析选出其中最优方案。另外,对所选方案的加载流程设计以及关键参数设计方法进行了阐述。对本论文确定的电液伺服力控制系统分成粗加载单元与精加载单元,分别进行数学建模,并得到各自的传递函数;基于各自的加载方式以及加载需求,对粗加载单元与精加载单元分别进行控制器设计,并进行稳定性分析,得到了参数稳定性条件。通过AMESim软件对电液伺服力控制系统进行建模与仿真分析,开展了不同目标力值、不同工作缸初始容腔体积以及不同工作缸泄漏系数等工况下力控制精度仿真研究工作。对本论文提出的电液伺服力控制系统进行样机的研制,对样机的液压系统进行元件选型以及系统搭建,对样机的电控系统进行架构设计、硬件平台的搭建以及软件程序的设计;基于搭建好的样机对1000/5000k N目标力值进行加载,验证本论文提出的电液伺服力控制系统能够实现大力值高精密加载的有效性。
高精度电感式位置传感器的研究与设计
这是一篇关于电感式,位置传感器,自动增益控制,高精度,模数转换的论文, 主要内容为电感式位置传感器是一种非接触式位置传感器,因其具有高可靠性、高分辨率、高线性度和优秀的抗杂散磁场能力等优点而广泛应用于汽车电子、机器人行业、自动仓储行业、太阳能行业、航空航天以及轨道交通运输等行业。随着位置传感器产品不断更迭,电感式位置传感器在未来向着高精度、低噪声、低输出延时、高灵敏度等方向发展,这些发展方向对电感式位置传感器设计提出了更高的要求。本文以提高精度为主要目标,采用0.18μm 30V 1P3M BCD工艺,设计实现了一款电感式位置传感器IC,主要研究成果和创新点如下:1.根据电感式位置传感系统的输入波形特性,本文提出了一种新的调幅波解调方式,通过开关调制调幅波实现频谱搬移,再通过低通滤波器得到解调信号,降低了电路复杂度;设计了一种新型的逐次逼近模数转换器电路,利用四路相位相差90°的输入信号,在保持ADC比较器数量较少的同时大大提高了速度,减小了ADC功耗,理论输出延时仅为比较器的传播延时。2.提出了一种自动增益控制技术,利用采样与保持原理将输入电压信号转换为电流信号,同时利用MOS管电流特性计算出采样时刻正余弦波的模值,控制输入至ADC波形的幅度,在简化电路的基础上降低了电路功耗,同时降低了电路延时,提高了系统的可靠性。3.设计了输出电压幅度与共模电平可调的LC振荡器模块,内部使用电阻采样反馈环路调节输出电压共模电平,使用波形调制后滤波的方法调节输出电压幅度,可调共模电平范围为1.6V～2.1V,可调幅度范围为1V～3V。LC振荡器输出正弦波作为电感式位置传感系统载波,其性能直接影响到整个系统性能,因此在芯片内部集成EEPROM存储阵列,保证LC振荡器参数可调,提高系统可靠性。4.考虑到系统的高频特性较为重要,设计了多重反馈型低通滤波器,并消除高频馈通效应;设计了带隙电压基准模块,常温下基准电压值为1.217V,温漂为10.6ppm/℃,能够产生不同的基准电压值和PTAT电流;设计具有约300m V迟滞的上电复位与欠压锁存等保护电路。本文设计的高精度电感式位置传感器最高供电电压±15V,系统静态电流24m A,工作温度范围为-40℃～125℃。基于Cadence软件平台完成了电路模块设计、整体仿真验证和版图绘制,版图面积为2.3mm×2.1mm。仿真结果显示系统精度为12bit,角度输出延时为29.53μs,功能正常且指标满足设计要求。
高精度多通道同步采集与合成模块设计及实现
这是一篇关于高精度,多通道,同步采集,多功能测试模块,PXIe的论文, 主要内容为随着被测对象的复杂度越来越高,对于多功能测试设备的需求也越来越高,为了解决联合测试、便携式测试的问题,提升电子测量仪器的测试范围以及测试能力,对多功能测试模块的研究提出了新的挑战。本文针对传统测试系统功能单一、体积庞大等问题,定位当前测量仪器市场需求,设计并实现了基于PXIe总线的3U单槽高精度多通道同步采集与合成模块。本文的主要研究内容如下:1、结合模块体积小、测试资源多、集成度高的需求,通过对功能指标的合理划分、关键器件对比选型、数据通信协议的规划,采用子母板层叠的硬件构架,完成高精度多通道同步采集与合成模块的总体方案设计。2、根据系统指标要求,结合所选器件和PXIe接口需求开展了模块电路级的详细分析并予以实现,完成了16路采集通道、4路合成通道与48路数字IO通道中的信号调理与驱动电路设计,其中对信号的缓冲与保护、衰减与放大、差分转换等功能进行了具体分析与实现。3、结合模拟与数字混合信号测试需求,在FPGA内部完成基于XDMA架构的PXIe总线通信设计,根据数据类型的差别,采用AXI4-Stream总线传输数据流,AXI4-Lite总线配置状态寄存器,实现了上位机对模块的读写操作;考虑到多通道采集过程中,时钟同步和数据同步的需求,设计IDELAY+ISERDES的串行数据接收架构,满足高精度与多通道的采集需求;结合合成通道的需求,选择了DDWS技术实现波形合成,完成多通道合成逻辑设计。经过对以上内容的研究和设计,完成高精度多通道同步采集与合成模块设计,并经测试验证,模块实现16通道高精度同步采集功能;4通道高精度合成功能以及48通道可编程数字IO功能。
高精度多通道同步采集与合成模块设计及实现
这是一篇关于高精度,多通道,同步采集,多功能测试模块,PXIe的论文, 主要内容为随着被测对象的复杂度越来越高,对于多功能测试设备的需求也越来越高,为了解决联合测试、便携式测试的问题,提升电子测量仪器的测试范围以及测试能力,对多功能测试模块的研究提出了新的挑战。本文针对传统测试系统功能单一、体积庞大等问题,定位当前测量仪器市场需求,设计并实现了基于PXIe总线的3U单槽高精度多通道同步采集与合成模块。本文的主要研究内容如下:1、结合模块体积小、测试资源多、集成度高的需求,通过对功能指标的合理划分、关键器件对比选型、数据通信协议的规划,采用子母板层叠的硬件构架,完成高精度多通道同步采集与合成模块的总体方案设计。2、根据系统指标要求,结合所选器件和PXIe接口需求开展了模块电路级的详细分析并予以实现,完成了16路采集通道、4路合成通道与48路数字IO通道中的信号调理与驱动电路设计,其中对信号的缓冲与保护、衰减与放大、差分转换等功能进行了具体分析与实现。3、结合模拟与数字混合信号测试需求,在FPGA内部完成基于XDMA架构的PXIe总线通信设计,根据数据类型的差别,采用AXI4-Stream总线传输数据流,AXI4-Lite总线配置状态寄存器,实现了上位机对模块的读写操作;考虑到多通道采集过程中,时钟同步和数据同步的需求,设计IDELAY+ISERDES的串行数据接收架构,满足高精度与多通道的采集需求;结合合成通道的需求,选择了DDWS技术实现波形合成,完成多通道合成逻辑设计。经过对以上内容的研究和设计,完成高精度多通道同步采集与合成模块设计,并经测试验证,模块实现16通道高精度同步采集功能;4通道高精度合成功能以及48通道可编程数字IO功能。
八通道高精度数据同步采集模块设计
这是一篇关于高精度,数据同步,AXI4,双向握手,大容量存储的论文, 主要内容为在大规模测试任务中,需要对多个测试点的信号进行同步采样,这对数据采集模块的通道数量和同步性能提出了要求。并且随着用户对信号波形显示的细节和长度越来越关心,这就要求信号调理通道具有更高的精度,采集系统有更大的存储深度。本课题设计了基于PXIe总线的八通道高精度数据同步采集模块,对高精度信号调理通道、多通道数据同步采集、高速数据接收与传输、大容量数据存储进行了设计实现,研究内容如下:(1)硬件总体方案设计。在采集模块的模拟前端,先根据系统采样率,分辨率和噪声指标进行了ADC的选型,然后根据输入信号动态范围和ADC满量程确定信号调理通道的结构。在此基础上进行了系统噪声分配,并建立了多级放大电路的噪声模型。(2)高精度信号调理通道设计。根据带宽、平坦度、增益精度和噪声的指标要求,对信号调理通道上阻抗变换电路,可控增益放大电路和ADC驱动电路进行了分析与设计。围绕功耗和低噪声的需求,对信号调理通道进行了电源设计。(3)多通道数据同步采集设计。分析了多片ADC采样时钟不同步和启动采集不同步对多通道数据的影响,在硬件端为ADC搭建了同步采样时钟网络,利用数字同步控制对ADC进行启动采集。在FPGA端通过延迟逻辑控制对ADC采集数据和时钟进行对齐,然后利用串并转换单元对ADC的采集数据进行降速,最后通过跨时钟域设计对多通道数据实现了同步传输。(4)大容量数据存储设计。在进行存储前,对硬件抽点进行了逻辑设计;设计了普通触发和自动触发的存储控制逻辑;基于AXI4协议双向握手机制,设计了基于AXI4接口的DDR控制器数据传输逻辑电路,将大容量数据写入外部DDR颗粒;利用乒乓存储原理,完成了分段存储的功能设计。通过测试验证,本课题设计的八通道高精度数据同步采集模块实现了带宽250MHz@50?、通带幅度平坦度±0.5d B@<100MHz、最大采样率500MSa/s、同步精度优于200ps、最大存储深度2Gpts和分段存储等技术指标和功能指标。
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