500 MS / s 12 位流水线 ADC 的设计研究

在超高速高精度模数转换器(ADC)设计中,低压运算放大器及其数字辅助校准算法至关重要。基于40 nm CMOS工艺、工作电压1.1 V,设计了一款500 MS/s、12位流水线ADC。系统采用前端无采保结构及低压级间运算放大器以降低系统功耗。本文提出了一种基于数字检测的算法校准级间增益和电容失配误差,使用较小的面积和功耗有效提高了ADC的整体性能。本数字校准方案将ADC的差分非线性(DNL)和积分非线性(INL)从2.4 LSB和5.9 LSB降低为1.7 LSB和0.8 LSB。对于74.83 MHz的正弦信号,校准技术分别实现了63.14 dB的信号-失真噪声比(SNDR)和75.14 dB的无杂散动态范围(SFDR),功耗为123 mW,满足设计指标,证明了带有数字校正的低压流水线ADC设计的有效性。     

基于DPT的非线性调频信号参数估计

将非线性调频（NLFM）信号建模为高阶多项式相位信号（PPS）模型,采用由低阶离散多项式变换（DPT）到高阶DPT的逆向定阶方法确定模型阶数,并在此基础上,给出一种正弦调频信号（SFM）的DPT参数估计算法,可以实现对载波频率、调制频率及调频系数的估计。该算法不受调频系数范围的限制,核心环节为延时相关和FFT。仿真表明当SNR≥6dB时,调频参数的均方根误差小于-10dB。采用ADI公司TS201S芯片作为处理器,算法运行时间为3.30603ms,能够满足一般实时处理的要求。     

谐波和间谐波三参数识别的SSI-LS方法

为精确检测谐波和间谐波的三参数,提出了基于随机子空间辨识（Stochastic Subspace Identification, SSI）与最小二乘（Least Square）法的谐波和间谐波三参数检测方法。运用奇异值差值法确定SSI-LS算法的阶数;利用SSI算法直接对原始含噪信号精确检测出各谐波和间谐波分量的频率;当信噪比大于20 dB时,应用最小二乘法对各谐波和间谐波分量进行幅值和相位的估计,从而实现了谐波和间谐波的三参数识别。分别针对含有噪声和直流分量的谐波和间谐波数值仿真信号和频率相近且幅值相差百倍的谐波和间谐波信号作谐波和间谐波的三参数识别。仿真分析表明该方法抗噪声能力强、检测精度高、计算速度快,尤其是对信号中各谐波和间谐波分量的相位检测精度高、对频率相近且幅值相差百倍的谐波和间谐波信号具有较高的分辨率,为电力系统谐波和间谐波的精确检测提供了新的思路与方法。     

电力参数交流同步采样截断误差的估计

对电力参数的理想情况（标准正弦量）采样数字化测量的典型算法（梯形法）的截断误差进行了分析，给出了误差与采样点数的关系；根据国家关于电能质量和公用电网谐波的标准规定，对非正弦状态下的误差也做出了符合实际的估计，在电网正常（允许畸变）情况下截断误差与采样点数的关系与理想波形时相同，这些结论可在采用交流采样技术的电力参数测量装置设计时进行误差分析提供参考。     

基于改进粒子群优化算法的CVT杂散电容参数估计方法

杂散电容是影响电容式电压互感器(CVT)谐波测量取值的不确定因素,通过分析CVT内部结构和杂散电容计算公式,发现杂散电容是具有随机性特点的区间型参数。为提高CVT谐波传递特性曲线的拟合精度,提出一种基于改进粒子群优化算法的CVT杂散电容参数估计方法。该方法以输入参数的置信区间为条件,以计算结果的误差最小为目标,在满足幅值、相移最小误差要求以及尽量多置信区间的条件下确定杂散电容的参数组合。通过建立电能质量综合试验平台,以某35 kV阻容分压式电压互感器二次侧输出的谐波电压值为基准,分析TYD35 3(1/2)-0.02HF型CVT实际谐波电压值和利用幅频曲线校正后的谐波电压值分别相对基准值的误差,验证了所提方法的有效性和可行性。     

铝电解整流装置谐波的抑制

１关于谐波谐波是相对基波而言,频率为基波正整数倍的正弦波分量称为谐波。电网的谐波由两部分组成,一是背景谐波,二是注入谐波。由于同步发电机气隙磁密的分布曲线本身的非正弦,造成输出电压波形的非正弦,非正弦波分解开来就有谐波存在,我们把这部分“原始”的谐波...     

电力系统的三相不平衡讲座：第三讲 三相不平衡的危害（下）

6 变流器的非特征谐波 如图3-3所示的六脉动变流器产生的谐波已有很多的分析和讨论,然而大多数文献都是从理想的电源条件(三相正弦对称)出发来分析其特征谐波。理论分析和实测均表明.当电源电压的畸变、触发角的不对称、三相换向阻抗的不相同和电网电压的不平衡均将引起非特征谐波。这里从特征谐波的一般公式出发。分析三相不平衡正弦电压作用下产生的非特征谐波,并给出和不平衡度的相关曲线。     

时频结合的失真度测量方法研究

失真度测量常采用基于快速傅里叶变换（FFT）的频域方法和基于曲线拟合的时域方法。FFT法需对被测信号进行整周期同步采样以避免栅栏效应和频谱泄漏,曲线拟合法计算量较大且拟合效果不易保证。为克服FFT法与曲线拟合法的上述不足,利用离散时间傅里叶变换（DTFT）提取被测信号基波分量并将其从时域波形中剔除,从而实现全谐波失真（THD）的计算。该方法无需进行曲线拟合或FFT,简化了计算流程。在12 bit采样精度下对该方法进行了数值模拟与实验测试,对低失真正弦信号进行数值模拟得到的失真度绝对误差低于0.05%,而对20 Hz~20 kHz方波和三角波实测所得失真度绝对误差小于1%,表明此方法能够便捷、可靠地实现失真度的测量。     

基于FPGA的特定谐波消除法数字实现

提出了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的特定谐波消除算法（SHEPWM）全数字实现方案。首先,利用计算机辅助设计软件,离线计算稳态时消除特定次谐波的开关角,并得到0.055~1.155范围内的调制度与开关角的关系曲线。采用3次多项式对调制度-开关角曲线进行分段线性拟合,计算出拟合系数,并将其存入FPGA的逻辑单元中。在矢量控制中,通过控制环得到参考电压矢量的幅值与相位,由幅值与直流母线电压计算调制度,并通过拟合系数实时计算出开关角,判断参考电压矢量相位所处的开关角区间,并输出相应的开关状态。实验结果证明了方案的有效性。     

基于PSO算法的三电平优化PWM方法

受大功率开关器件开关频率的限制,牵引逆变器输出波形中含有大量的谐波,所以有必要采用优化的脉宽调制（ PWM ）方法来减少牵引逆变器输出波形的谐波。首先,建立了最小电流总谐波畸变率（ THD ）谐波优化模型,并采用粒子群优化（ PSO ）算法对模型进行求解。其次,在分段同步调制的不同分频段上对PSO-PWM和传统正弦脉宽调制（ SPWM）进行了比较,得到PSO-PWM具有良好谐波优化效果的结论。最后,用仿真和半实物实验结果验证了理论分析的正确性。     

A 9‐bit successive approximation ADC in SOI CMOS operating up to 300 °C

Industrial electronics are in great demand for oil and gas exploration, well drilling, and automotive applications where the operating temperature goes beyond 200 °C. Circuit designs using conventional complementary metal–oxide semiconductor (CMOS) technology are mostly rated at maximum of 125 °C, which is not suitable for harsh environment. In this paper, a high‐temperature (HT) 9‐bit successive approximation register analog‐to‐digital converter (SAR ADC) designed in silicon‐on‐insolation CMOS technology with a sampling rate of 50 kS/s is presented. The design considerations of the HT SAR ADC are discussed from process selection, temperature‐aware circuit design, and measurement perspectives. The ADC achieves an effective number of bit (ENOB) of 8.35 bits and a figure of merit of 93 pJ/step at room temperature. Under HT test, ENOBs of 7.3 bits at 225 °C and 6.9 bits at 300 °C are obtained. The power consumption is 1.52 mW from a 5‐V supply at room temperature and only 2.17 mW at 300 °C. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于正弦波点击率的非线性误差测试方法

针对ADC在通讯和多媒体技术上的应用需求,研究了基于正弦波点击率的ADC非线性误差测试方法,实现了正弦波点击率技术在ADC非线性误差测试中的应用。向ADC输入正弦波信号,对输出数字码进行标准化处理,补偿正弦波形电压分布的不均匀性,通过点击率算法推算 ADC 的微分非线性误差,并在大规模数模混合测试设备Catalyst-200上验证了算法的可靠性和精确性。实验结果表明,该算法能够精确地估算 ADC非线性误差,完整地表征了ADC线性度和丢码率,为ADC在通讯和多媒体技术上的应用提供了重要的参数依据,具有较强的工程实用性和市场前景性。     

基于光谱法的法珀压力传感器腔长解调方法研究

针对白光干涉复合式光纤法珀压力传感器反射光谱复杂,其准确解调易受光源光谱不稳定与电路噪声等因素影响的问题,通过理论分析,确认了反射光谱包络信号来源于传感器对压力敏感的空气腔,其频率上的周期直接正比于腔长,提取了复合式光纤法珀压力传感器反射光谱的包络信号,通过正弦频率估计的方法,优化四参数正弦拟合为三参数正弦拟合,降低正弦拟合的计算量,并准确寻找包络信号两个峰的峰值位置,通过腔长与信号周期的关系可最终得到准确的腔长值。对该解调算法进行了详细地理论分析与数值仿真,通过实验验证了光谱法中峰值检测方法对复合式光纤法珀压力传感器80 μm空气腔静态腔长的精确解调,相对误差为0.13%。     

几种利用ADC采样测量时钟抖动方法的比较

研究了使用ADC采样测量时钟抖动的基本原理,在阐述了已经公开发表的利用ADC采样测量时钟抖动的“相干测量法”和“信噪比测量法”的基本思想之后,本文还给出了一种基于正弦信号四参数估计测量时钟抖动的“参数估计法”,同时通过MATLAB仿真比较了这几种方法的优劣。仿真结果表明,“参数估计法”在这几种方法中具有独特的优势。总的来说,利用ADC测量时钟抖动的大小和分布具有测量设备简单,测量方法简便、快捷,测量结果精度高等特点。     

一种新的阻尼正弦原子分解算法辨识SSO模态参数

针对大多数线性化方法难以实现对次同步振荡（subsynchronous oscillation,SSO）模态参数的有效辨识,提出了基于改进入侵杂草优化（invasive weed optimization,IWO）算法优化的阻尼正弦原子分解算法。该方法根据次同步振荡信号特点构造过完备阻尼正弦原子库,引入混沌序列、选择机制、小生境分类策略以及矢量跟踪思想对IWO算法进行改进,利用改进后的IWO算法对传统的匹配追踪算法（matching pursuit,MP）进行优化,通过原子分解得到最佳阻尼正弦原子,将最佳阻尼正弦原子转换为次同步振荡信号的模态参数,即可实现对次同步振荡模态参数的有效辨识。算例结果表明,该算法具有良好的时频特性,辨识精度高,适用于扰动源定位、故障诊断等领域。     

时间交替ADC系统通道时钟延迟的多频正弦拟合算法

时间交替ADC系统(TIADC)各个通道之间存在的时钟延迟失配会导致系统输出信号失真。减小系统输出失真的许多校准方法都是以准确估计各个通道时钟延迟为前提的。利用多频正弦拟合算法对输出数据进行拟合,并结合TIADC系统输出频谱表达式,获得各个通道时钟延迟。该方法不需要专门的测试信号和额外电路,对TIADC系统通道数量及采样率亦无限制。仿真及实验表明,该算法可有效获得TIADC系统的时钟延迟。     

用加Hanning窗插值高阶正弦拟合法测介损角

电力系统频率偏离50Hz时常规的傅立叶变换用于频谱分析时易产生频谱泄漏和栅栏效应,使介损角计算产生误差。高阶正弦拟合法以信号的基波频率、谐波幅值和相角作为变量对信号进行拟合,该法能有效减轻谐波存在和频率波动的影响,精确测量电气设备的介损角。高阶正弦拟合法的关键是最小二乘的计算,通常使用傅立叶变换结果作为最小二乘法的初始值,当频率偏离50Hz较多时,傅立叶变换结果与谐波分析的真实值相差较大,将其作为初值的最小二乘计算量大,影响了高阶正弦拟合法的实时性。加Hanning窗插值谐波分析法通过加窗和插值能有效减轻频率偏离50Hz时的频谱泄漏和栅栏效应,且有快速算法较之傅立叶变换增加的计算量很少。为提高高阶正弦拟合法计算介损角时的实时性,将加Hanning窗插值谐波分析法的结果作为高阶正弦拟合法的初始值,所得初始值与精确值的差值减少,最小二乘法的迭代次数从2次减到1次,容性设备仿真信号的计算时间从约0.82ms减到约0.45ms,结果表明所提出的方法能有效减少介损角的计算时间,提高介损角测量的实时性。     

输电线路行波测距数据的正弦拟合自动筛选方法

采用低门槛突变量启动的行波测距装置记录了故障数据和非故障干扰杂波。然而,行波测距需要的主要信息来自于故障初瞬数据,因此自动筛选出故障初瞬数据是实现行波测距的最基本条件。提出了利用正弦拟合的方法自动筛选故障初瞬数据。将行波测距装置记录的电流行波数据分为两段,分别对这两段数据进行正弦拟合的计算,再根据这两段数据的正弦拟合度和幅值计算数据的模态特征值,若计算得到的数据模态特征值大于设定阈值,则判断其为包含有效信息的故障初瞬数据;反之,则为非故障初瞬数据。大量实测数据计算表明,所提出的输电线路行波测距数据的正弦拟合自动筛选方法是可行的,且准确可靠。     

正弦波参数法测量介质损耗角

在线监测容性设备的介质损耗是判断其绝缘状况的有效手段。本文以傅里叶级数分离基波相位的方法为依据,通过曲线拟合求频谱幅值最大值处的频率,利用正弦波参数法求该频率处的相位角,从而计算出δ值和tanδ值。该方法不需要复杂的模拟信号处理电路,且能有效地抑制谐波干扰。理论分析和仿真结果表明,这种数字化测量方法检测方便,可以获得较高精度的相位角,因而具有较高的准确度,可实现介质损耗角的在线监测。     

基于小波变换与正弦曲线拟合的非稳态畸变噪声检测方法

噪声信号的检测精度直接决定了电网非稳态畸变信号计量的准确性,为了提高噪声信号的检测精度,提出了一种基于小波变换与正弦曲线拟合的非稳态畸变噪声检测方法。首先利用小波变换对电网非稳态畸变信号进行分解与重构,得到基波信号,再通过傅里叶级数将重构得到的基波信号进行正弦拟合,最后通过非稳态畸变信号与正弦信号相减,得到噪声信号。以电网冲击信号模型和电网连续脉冲信号模型为例对本文方法进行验证。实验结果为:在不同分解层数之间,本文方法得到的基波信号、噪声信号与原始信号之间的相关系数始终都在0.95以上,均高于单独小波方法所得信号的相关系数,且受分解层数不同的影响更小,说明文中方法降低了检测精度受分解层数不同的影响,且具有更高的噪声检测精度。