计算机系统所要求解决的问题日趋复杂，与此同时，计算机系统本身的结构也越来越复杂。而复杂性的提高就意味着可靠性的降低，实践经验表明，要想使如此复杂的实时系统实现零出错率几乎是不可能的，因此人们寄希望于系统的容错性能：即系统在出现错误的情况下的适应能力。对于如何同时实现系统的复杂性和可靠性，大自然给了我们近乎完美的蓝本。人体是迄今为止我们所知道的最复杂的生物系统，通过千万年基因进化，使得人体可以在某些细胞发生病变的情况下，不断地进行自我诊断，并最终自愈。因此借用这一机理，科学家们研究出可进化硬件（EHW,EvolvableHardWare），理想的可进化硬件不但同样具有自我诊断能力，能够通过自我重构消除错误，而且可以在设计要求或系统工作环境发生变化的情况下，通过自我重构来使电路适应这种变化而继续正常工作。严格地说，EHW具有两个方面的目的，一方面是把进化算法应用于电子电路的设计中；另一方面是硬件具有通过动态地、自主地重构自己实现在线适应变化的能力。前者强调的是进化算法在电子设计中可替代传统基于规范的设计方法；后者强调的是硬件的可适应机理。当然二者的区别也是很模糊的。本文主要讨论的是EHW在第一个方面的问题。
对EHW的研究主要采用了进化理论中的进化计算（EvolutionaryComputing）算法,特别是遗传算法（GA）为设计算法，在数字电路中以现场可编程门阵列（FPGA）为媒介，在模拟电路设计中以现场可编程模拟阵列（FPAA）为媒介来进行的。此外还有建立在晶体管级的现场可编程晶体管阵列（FPTA），它为同时设计数字电路和和模拟电路提供了一个可靠的平台。下面主要介绍一下遗传算法和现场可编程门阵列的相关知识，并以数字电路为例介绍可进化硬件设计方法。
1．1遗传算法
遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程的一种自适应全局优化算法，它借鉴了物种进化的思想，将欲求解问题编码，把可行解表示成字符串形式，称为染色体或个体。先通过初始化随机产生一群个体，称为种群，它们都是假设解。然后把这些假设解置于问题的“环境”中，根据适应值或某种竞争机制选择个体（适应值就是解的满意程度），使用各种遗传操作算子（包括选择，变异，交叉等等）产生下一代（下一代可以完全替代原种群，即非重叠种群；也可以部分替代原种群中一些较差的个体，即重叠种群），如此进化下去，直到满足期望的终止条件，得到问题的最优解为止。
1．2现场可编程逻辑阵列(FPGA)
现场可编程逻辑阵列是一种基于查找表(LUT,LookupTable)结构的可在线编程的逻辑电路。它由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态，工作时需要对片内的RAM进行编程。当用户通过原理图或硬件描述语言（HDL）描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会把设计方案通过编译形成数据流，并将数据流下载至RAM中。这些RAM中的数据流决定电路的逻辑关系。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用，灌入不同的数据流就会获得不同的硬件系统，这就是可编程特性。这一特性是实现EHW的重要特性。目前在可进化电子电路的设计中，用得最多得是Xilinx公司的Virtex系列FPGA芯片。
2进化电子电路设计架构
本节以设计高容错性的数字电路设计为例来阐述EHW的设计架构及主要设计步骤。对于通过进化理论的遗传算法来产生容错性，所设计的电路系统可以看作一个具有持续性地、实时地适应变化的硬件系统。对于电子电路来说，所谓的变化的来源很多，如硬件故障导致的错误，设计要求和规则的改变，环境的改变（各种干扰的出现）等。
从进化论的角度来看，当这些变化发生时，个体的适应度会作相应的改变。当进化进行时，个体会适应这些变化重新获得高的适应度。基于进化论的电子电路设计就是利用这种原理,通过对设计结果进行多次地进化来提高其适应变化的能力。
电子电路进化设计架构如图1所示。图中给出了电子电路的设计的两种进化，分别是内部进化和外部进化。其中内部进化是指硬件内部结构的进化，而外部进化是指软件模拟的电路的进化。这两种进化是相互独立的，当然通过外部进化得到的最终设计结果还是要由硬件结构的变化来实际体现。从图中可以看出，进化过程是一个循环往复的过程，其中是根据进化算法（遗传算法）的计算结果来进行的。整个进化设计包括以下步骤：
（1）根据设计的目的，产生初步的方案，并把初步方案用一组染色体（一组“0”和“1”表示的数据串）来表示，其中每个个体表示的是设计的一部分。染色体转化成控制数据流下载到FPGA上，用来定义FPGA的开关状态，从而确定可重构硬件内部各单元的联结，形成了初步的硬件系统。用来设计进化硬件的FPGA器件可以接受任意组合的数据流下载，而不会导致器件的损害。
（2）将设计结果与目标要求进行比较，并用某种误差表示作为描述系统适应度的衡量准则。这需要一定的检测手段和评估软件的支持。对不同的个体，根据适应度进行排序，下一代的个体将由最优的个体来产生。
（3）根据适应度再对新的个体组进行统计，并根据统计结果挑选一些个体。一
部分被选个体保持原样，另一部分个体根据遗传算法进行修改，如进行交叉和变异，而这种交叉和变异的目的是为了产生更具适应性的下一代。把新一代染色体转化成控制数据流下载到FPGA中对硬件进行进化。
（4）重复上述步骤，产生新的数代个体，直到新的个体表示的设计方案表现出接近要求的适应能力为止。
一般来说通过遗传算法最后会得到一个或数个设计结果，最后设计方案具有对设计要求和系统工作环境的最佳适应性。这一过程又叫内部进化或硬件进化。
图中的右边展示了另一种设计可进化电路的方法，即用模拟软件来代替可重构器件，染色体每一位确定的是软件模拟电路的连接方式，而不是可重构器件各单元的连接方式。这一方法叫外部进化或软件进化。这种方法中进化过程完全模拟进行，只有最后的结果才在器件上实施。
进化电子电路设计中，最关键的是遗传算法的应用。在遗传算法的应用过程中，变异因子的确定是需要慎重考虑的，它的大小既关系到个体变异的程度，也关系到个体对环境变化做出反应的能力，而这两个因素相互抵触。变异因子越大，个体更容易适应环境变化，对系统出现的错误做出快速反应，但个体更容易发生突变。而变异因子较小时，系统的反应力变差，但系统一旦获得高适应度的设计方案时可以保持稳定。
对于可进化数字电路的设计，可以在两个层面上进行。一个是在基本的“与”、“或”、“非”门的基础上进行进化设计，一个是在功能块如触发器、加法器和多路选择器的基础上进行。前一种方法更为灵活，而后一种更适于工业应用。有人提出了一种基于进化细胞机（CellularAutomaton）的神经网络模块设计架构。采用这一结构设计时，只需要定义整个模块的适应度，而对于每一模块如何实现它复杂的功能可以不予理睬，对于超大规模线路的设计可以采用这一方法来将电路进行整体优化设计。
3可进化电路设计环境
上面描述的软硬件进化电子电路设计可在图2所示的设计系统环境下进行。这一设计系统环境对于测试可重构硬件的构架及展示在FPGA可重构硬件上的进化设计很有用处。该设计系统环境包括遗传算法软件包、FPGA开发系统板、数据采集软硬件、适应度评估软件、用户接口程序及电路模拟仿真软件。
遗传算法由计算机上运行的一个程序包实现。由它来实现进化计算并产生染色体组。表示硬件描述的染色体通过通信电缆由计算机下载到有FPGA器件的实验板上。然后通过接口将布线结果传回计算机。适应度评估建立在仪器数据采集硬件及软件上，一个接口码将GA与硬件连接起来，可能的设计方案在此得到评估。同时还有一个图形用户接口以便于设计结果的可视化和将问题形式化。通过执行遗传算法在每一代染色体组都会产生新的染色体群组，并被转化为数据流传入实验板上。至于通过软件进化的电子电路设计，可采用Spice软件作为线路模拟仿真软件，把染色体变成模拟电路并通过仿真软件来仿真电路的运行情况，通过相应软件来评估设计结果。
4结论与展望
进化过程广义上可以看作是一个复杂的动态系统的状态变化。在这个意义上，可以将“可进化”这一特性运用到无数的人工系统中，只要这些系统的性能会受到环境的影响。不仅是遗传算法，神经网络、人工智能工程以及胚胎学都可以应用到可进化系统中。虽然目前设计出的可进化硬件还存在着许多需要解决的问题，如系统的鲁棒性等。但在未来的发展中，电子电路可进化的设计方法将不可避免的取代传统的自顶向下设计方法，系统的复杂性将不再成为系统设计的障碍。另一方面，硬件本身的自我重构能力对于那些在复杂多变的环境，特别是人不能直接参与的环境工作的系统来说将带来极大的影响。因此可进化硬件的研究将会进一步深入并会得到广泛的应用而造福人类。
1．1设计思路
恒温电路设计的研究主要用于电力采集产品上，对电力采集产品来讲，安装在PT侧，需要耐受100℃的温度变化，却要求万分之五的精度。除需要从理论上进行最终的计算和分析外，还要考虑各种因素。如其中重要的一个因素高精度器件的温漂，器件稳定性、可靠性受温度变化的影响，是电子器件不可回避的问题。对于电力采集产品中高精度的AD采集模块，温漂的问题更为严重，要保证AD采集模块精度在允许的范围内，恒温电路的设计是很重要的。基于对电力采集产品应用环境的考虑，将高精度的AD采集模块放置在恒温盒中，同时配合加热电阻来稳定恒温盒温度的方法，来保证环境在－20℃～+75℃变化时，恒温盒内的温度变化在±1℃，使电力产品在万分之五的精度范围以内稳定工作。器件主要由分压电阻、热敏电阻、加热电阻、运放、三极管等组成，从设计上看电路设计简单、稳定性好。选择的运放是低价、高性能、低噪声的双运算放大器ne5532，热敏电阻选择低价，对温度反应灵敏的电阻。根据电路，为了保证恒温盒内的器件工作最佳状态，首先确定恒温盒内要保持的恒定温度，通过测试和计算，恒温盒的温度恒定在75℃为最佳，AD采集模块可以稳定的工作，电力产品可以达到万分之五的精度。当温度降低时，通过分压电阻电路、负反馈电路、恒流源控制电路，加热电阻电路使温度稳定在75℃。
1．2电路具体设计
具体分析如:当温度低于75℃时，由于热敏电阻(MF1是负温度系数的热敏电阻)的阻值变大，V0≠V1，V1＞V0，根据深度负反馈电路虚短、虚断的特点，R18上有电流，在经过负反馈电路放大，后级运算放大U2B同向输入端和反向输入端形成压差，输出电压放大，三级管基极电压大于发射极电压，三级管导通，有电流流过加热电阻，加热电阻加热，再通过三极管、运算放大U2B、电阻等组成的恒流控制源电路控制流过加热电阻电流，使恒温盒温度保持在75℃左右。在设计过程中，要理论计算配合仿真软件。下面是SaberSketch软件仿真结果，根据热敏电阻负温度系数特性，在仿真过程中给热敏电阻设定不同的参数值，从而达到模拟温度升高和温度降低环境的目的。
2应用
电力采集产品安装在PT侧，需要耐受100℃的温度变化，还要求精度在±0．05%以内。AD转换模块是电力采集产品的重要模块，对温度的变化更加敏感，AD转换模块采用ADS8329IRSARG4芯片，其采样精度16位，零位漂移0．4×10－6/℃，增益漂移0．75×10－6/℃，这款芯片具有高精度和高采样率的优点，但对温度变化敏感。AD转换模块在电路设计和器件选择上，尽量保证采样电压的精度并最大程度减小温漂。但还是要考虑温度在－25℃～+75℃变化时，AD模块精度漂移。温漂造成的输出变化必须通过恒温或者温度补偿来去除。由于温度补偿电路需要在芯片设计之初加入，而且无法做到完全补偿，因此，要得到稳定的输出，则必须稳定系统的工作温度，所以AD转换模块放在恒温盒里，在通过恒温控制电路保证温度的恒定。
3测试
恒温设计电路主要保证D采样模块所处的环境温度变化在±1℃，电力采集产品是三相电压，通过三路选通信号对模拟开关74LVC1G3157的控制使得三项交流(A、B、C)模拟信号能够经过滤波后进入到AD转换芯片中，实现模拟到数字的转换，在通过电力还原产品还原成模拟信号。如果环境温度在－25℃～+75℃变化时，电力采集产品和还原产品通过压降仪测试读出的三相电压的差值的幅值在0%～0．06%，相位在0('''')～3('''')之间变化，说明恒温硬件电路设计合理。
4结束语
输电线路设计软件有以下特点：（1）需要考虑复杂的气象条件因素，进行很多电线力学的有关计算，涉及到大量的求解状态方程等数值计算，手工计算工作量非常大，因此适合采用计算机进行计算。（2）功能计算多，且相互之间有大量的数据关联，只有少部分计算完全独立，适宜采用数据库和面向对象技术进行处理。（3）输电线路设计需要查询大量数据，包括气象区数据、导线参数、地线参数、计算系数等。人工查询数据将很费时，计算机的数据库管理功能将是很好的解决方案。（4）输电线路设计中还有许多是进行设计或施工校验，校验用人工进行费时且不准确。（5）输电线路设计和施工计算后将输出大量的设计数据，并绘制成相应的各种曲线以便工程应用。数据的显示和图形绘制用人工完成是很困难的，用计算机进行处理则非常方便和直观。
二、基于.Net的输电线路设计软件的特点
Microsoft公司的.NET框架是一种新的计算平台，它简化了在高度分布式Internet环境中的应用程序开发，考虑输电线路设计的网络计算及相关的信息管理，基于.NET框架的输电线路设计软件具有以下特点：（1）.Net框架的程序设计语言具有语言无关性，可以实现跨语言编程和调用。对于输电线路设计软件设计图形接口、表格显示、文字处理等是非常重要的。同时也方便同其他的程序接口，如可以用VBA进行AutoCAD接口，同Excel和Word等进行交换，以及在Web上进行计算信息的及查询等。（2）输电线路设计软件参数众多，应当使用数据库技术管理系统数据。基于的数据库访问技术，更方便实现各种数据库的在线和脱机访问操作。（3）工程应用中要求对输电线路设计计算结果进行大量的图形化处理，传统的程序一般是基于AutoCAD进行图形开发，但程序算法需用其他语言如C++等，开发难度大。利用GDI+可方便实现图形的各种显示、预览和打印等。即便VBA用AutoCAD进行图形的二次开发，.Net下进行VBA的二次开发也很简单。对于各种计算功能则可以选择在.Net平台进行，而复杂的杆塔等图则通过VBA在AutoCAD实现，通过数据库关联。这种模式能兼顾两者的优点，并具有很好的灵活性和可扩展性。（4）输电线路的设计与施工计算功能多，数据关联大，图形显示较复杂，用C++编写开发难度较大，VB进行开发功能难于实现，选用C#.Net是一个很好的方案。（5）基于分布式的输电线路设计软件具有智能客户端的优点，方便离线应用和多用户的角色管理并可应用于网络应用中的工作流进行管理。
三、软件架构及算法
为满足中小设计单位对输电线路设计计算程序的要求，根据对输电线路设计与施工计算的算法特点，程序总体上由输电线路程序类构成，下面又分为输电线路计算类和输电线路界面类（接口）。输电线路计算类完成各个功能模块和中间计算结果的数据定义及计算，同时还包括数据库的相关处理。输电线路界面类则负责程序主界面、数据库界面、绘图的实现。基于.Net框架的输电线路设计计算软件构成如图1所示。各个类的作用如下：（1）输电线路计算类。输电线路计算类和界面类独立，包括输入数据类、输出数据类、特殊数据类等3个类完成气象区定义、导线数据定义、特殊计算数据定义、计算结果输出类（如比载、临界档距、控制条件、应力、弧垂等）。采用该方法将输电线路的数据根据具体工程需要进行组织，便于面向对象的方法进行编程，同时方便通过数据库接口。综合程序计算类SdjsClass。这是整个程序的核心模块，主要包括比载计算、临界档距计算、临界档距判断、控制参数计算和应力计算、方程求根程序；由于这些任务是输电线路计算的基础部分，所以将其单独划分为一个计算类，方便其他的模块（组件）调用，这个模块中以临界档距判断和控制参数计算最为关键。特殊程序计算类。这是程序的另一个主要的模块，完成25个子程序功能的实现，数据定义包含在TSdDataClass中，各个计算模块具有相对独立性。数据库类。包括输入参数数据库类，该类完成输入参数的数据库定义、数据库操作，如记录填充、查询、添加、删除等。输出结果数据库类，该类完成输出结果的有关数据库操作，如输出结果更新操作。数据库采用SQLServer数据库，用进行访问。曲线绘图类。由于输电线路设计计算程序需要绘制大量曲线和图形，如应力曲线、安装曲线、弧垂曲线等。该类完成通用的曲线绘制方法，简化软件结构。图2是软件采用GDI+绘制的耐张绝缘子串倒挂临界曲线图及判断结果。如果考虑用AutoCAD进行绘制相关图形，这样更符合现场工程应用，则可以利用VBA或其他二次开发工具进行绘图或采用绘图转换插件技术。（2）输电线路界面类。该类完成输电线路界面的显示和绘图的实现，界面类相对独立，调用计算类的相关数据和计算方法。进行曲线绘制和其他图形绘制时采用.Net框架下的GDI+技术。（3）分布式网络应用类。该类以接口的形式存在于程序中，以充分利用.Net的网络应用功能，可实现输电设计与施工的信息管理。同时其信息管理采用智能客户端的工作方式。
四、功能及算法特点
.Net平台上开发输电线路设计软件的功能主要集中在相关的设计计算上。功能上应涵盖输电线路设计和相关的设计与施工校核。输电线路设计与施工计算和校验功能包括：输电线路应力及弧垂综合计算；导线最大弧垂判断；代表档距计算子程序；地线最大使用应力计算；有高差档的应力和弧垂计算子程序；悬挂点不等高连续档的应力和弧垂计算；线路进出线档（含施工与竣工）计算；线路中孤立档计算；防振锤安装距离计算；直线杆塔风偏角临界曲线；导（地）线上拔临界曲线；导线悬挂点应力临界曲线；耐张绝缘子串倒挂临界曲线；悬垂绝缘子串机械强度验算；导线悬垂角校验；最大允许档距计算；K值曲线及模板曲线计算；连续倾斜档施工紧线时应力和弧垂计算；垂直档距、极限档距与允许高差计算；档距中有集中荷载时的应力和弧垂计算；衰减系数结求断线张力一解析法。数据库功能。典型气象参数和导线参数查询，自定义参数输入，中间计算结果查询等数据库参数管理功能。在输电线路设计算法上，为了使计算的理论依据更加严密，计算步骤更加明确易懂，计算结果更加准确实用且便于计算机编程实现，对传统的[17]和通常见诸文献的某些内容进行了大幅度改进，比如：避雷线最大使用应力的确定采用了更严密的算法[18-19]；对导线悬挂点应力的校核方法进行了更准确合理的计算[20]；对连续倾斜档施工紧线时应力计算方法进行了特殊处理，使之更方便计算机处理；对线路进出线档计算中临界档距的分析计算与判断采用了新方法；对等高和不等高时的孤立档和连续档的临界档距分析计算与判断统一为一种模式进行处理等等。这些算法经过工程实际应用其正确性得到了证实。图3是弧垂应力与安装曲线综合计算的界面及计算文本结果。
五、结论
以往的拥挤度估计方法分为两类：边界框方法和总体布线方法。由于布线模型没有确定，边界框方法是一种粗略的估计方法。总体布线是一种基于拓扑结构的方法，通常是L型布线或Z型布线。本文采用总体布线的方法来进行拥挤度的估计，模块的边的移动通过总体布线来控制。
2拥挤度驱动的模块边的移动
2.1确定布局区域的大小
改变布局区域的大小的目的是使其能够满足布线需求。首先，将整块电路板划分成m×n个布局区域，用Bij代表每个布局区域，i代表行（i=1…m），j代表列（j=1…n）。如图3所示，xij和xij+1分别代表布局区域Bij的左边和右边，yij和yij+1分别代表布局区域Bij的上边和下边。uijl、uijr、uijt和uijb分别代表通过总体布线得到的布局区域左边、右边、上边和下边布线的数量。H、W、hTile和wTile分别代表电路板的高度、宽度、布局区域原始高度和原始宽度。（1）布通率约束。布线的容量与布局区域边的长度相关联，理想情况下，如果布局区域的边足够大，布线时就不会产生重叠。在布通率约束公式中，用xi,j+1-xij代表布局区域Bij的宽度，用f1（u）表示容纳下u条线所需要的长度，u是通过总体布线得出的。（2）面积约束。此约束是用来确保布局区域可以容纳下其中的所有单元，如果没有此约束，假设布局区域的高是固定的，当布局区域的边不拥挤时，在X方向布局区域内的单元就会产生大量的重叠。（3）移动约束。算法输入的结果是一个已经合法化的布局，所以优化过程有必要不过多的影响原有布局结果，因此需要设置移动约束来限制边的移动。在公式中，C代表边移动的限度，设定C的大小为布局区域宽度的一半。（4）电路板大小约束。最后设定电路板约束来限制边在移动时不要超出电路板之外，保证结果的合理性。
2.2基于最长路径的解决方法
快速有效的解决拥挤问题的方法是基于最长路径技术。为了计算最长路径，需要建立一个有向无环图G（V，E），对于每一条布局区域边Xij用顶点Vij来代替，对于每一种不同的约束这里用有向边来代替，用边Er代替布通率约束，用边Ea代替面积约束，用边Em代替移动约束，就可以找到从左至右最长的一条路径，如图4所示。因为在两个顶点之间有三种约束，所以采用以下的方法计算出两点间的最长路径。其步骤如下：（1）按照布通率约束移动边的时候，边同时受到面积约束和移动约束，如果布通率约束得出的值同时满足面积约束和移动约束，此时就将两点间的距离设置为经布通率约束得出的值（||Er||）。（2）如果得到的值仅满足移动约束而不满足面积约束，此时将两点间的距离设置为有面积约束得到的值（||Ea||）。（3）如果经布通率计算得到的值满足面积约束而不满足移动约束，此时将两点间的距离设置为有移动约束得到的值（||Em||）。（4）如果由布通率计算得到的值对于其他两种约束都不满足，此时先将两点间的距离设置为由移动约束计算得到的值（||Em||），如果同时也满足面积约束，则此值被确定下来，如果不满足面积约束，两点间的距离设置为由面积约束计算得到的值（||Ea||）。基于以上的理论，可以计算出任意两点间的距离，最终确定出一行的长度：（L=Σ||E||）。选出所有行中最长的一行为最长路径（LP）。如果该长度大于电路板的宽度（LP>W），需要压缩此长度使其在电路板之内。因为两点间的距离有三种可能的值，定义经布通率约束和移动约束得到的值（||Er||）、（||Em||）为可压缩值，经面积约束计算得到的值（||Ea||）为不可压缩值。通过定义，将所有（||Er||）、（||Em||）乘以压缩比例s（s=W/(LP-||Ea||）），就得到了满足所有条件的结果。经过上述操作，所有单元会整体向左偏移，并挤压在原本不拥挤的区域，如图5所示。为了避免这种情况，设布局区域边未移动时的坐标为Xi，j，经过从左至右的最长路径操作后得到的坐标为Xli，j，然后将原本输入的需要移动。根据布局区域改变前单元到区域左边和区域右边的比例确定新单元的位置，如图6所示，L1/R1=L2/R2。
3实验验证
实验验证是在一台CPU为2.4GHzIntelXeon，内存4G的机器上完成，采用的ISPD2011比赛实例。选取的7个比赛实例以及由清华大学、国立交通大学、密歇根大学处理的结果，用总体布线工具NCTURouter2.0[11]确定估计的拥挤信息和评估实验结果，对各院校比赛得出的布局结果进行处理优化。实验结果统计在表1中，前缀如SC代表清华大学，VDA代表国立交通大学，simpl代表密歇根大学，后接的如superblue4为比赛中的实例名称，组合在一起表示各大学对不同实例处理的结果。通过数据得出经过优化处理之后的结果在布线线长、布线重叠度、布线时间上都有很好的优化，特别是经清华大学处理的实例superblue4，提高极为明显，由国立交通大学大学处理的结果也有很大的提高。
4结论
1.1放大器非线性模型当放大器工作在非线性区时，采用Taylor级数模型，放大器的输出信号与输入信号可表述。若k1和k3符号相反，输出信号的增益会随着输入信号功率的增大而减小，即增益压缩（AM－AM效应）。同时，输出信号的相位会随着输入功率变化而变化，即相位失真（AM－PM效应）［6］。对于固态放大器，k3＜0，其非线性特性是增益压缩，相位扩张。预失真的基本原理即通过二极管或其它电路结构产生与功放相反的非线性特性，从而抵消因功放非线性引起的幅度与相位失真，达到改善功率放大器线性度的目的，其原理如图2所示。由于2ω1－ω2、2ω2－ω1两个频率分量（三阶交调分量）通常落在带内难以消除，会对系统产生严重的干扰，因此是衡量放大器非线性的一项重要指标。
1.2电路设计在图1中，输入信号通过2个3dBLange桥后，分别送入两个放大器；一般情况下，两路信号功率相差15dB以上，可保证A1工作在线性状态。设放大器的线性增益为G0，放大器1和2的输出分别为。为了准确地拟合主放大器的非线性特性，放大后的误差信号应与主功放的非线性分量相等，即非线性工作的放大器应与主放大器工作在相同的功率回退状态。功分器和耦合器1均采用相同的3dBLange桥实现（δ1＝δ2＝0．707），整个预失真电路的增益应为0，可以满足上述要求。结合（7）、（9）、（10）三式，可以确定耦合器的耦合度和各个衰减器的大小。通过调节延时线的长度和微调衰减器的大小，得到对主放大器线性度较好的改善效果。采用ADS进行仿真，G0＝25．5dB，衰减器1的衰减量为22dB，衰减器2的衰减量为5．4dB，定向耦合器的耦合度为－16．7dB。耦合器2也选择Lange桥，不仅简化了电路的设计，同时也节约了版图面积。
2测试结果
本设计采用0．15μmGaAs工艺实现，芯片面积为1．9mm×3．0mm，芯片结构如图3所示。该预失真单片的中心频率为21GHz，采用5V电压供电，直流功耗0．8W。采用矢量网络分析仪测试该预失真电路的增益和相位特性，设置中心频率为21GHz，输入功率扫描范围为－20～14dBm。测试结果如图4所示。该预失真电路可以提供3dB的增益扩张，以及20°以上的相位压缩。验证了该芯片可以产生预失真信号后，将其与功率放大器级联，测试其对功率放大器线性度的改善情况。测试结果表明，加入预失真电路后，功率放大器的P－1从22．2dBm提升至22．8dBm，相位误差从P－1处20°以上减小至3°以内，如图5所示。虽然增益波动最大为－0．4dB，但是该预失真电路修正了绝大部分的相位误差，同时一定程度上提高1 dB压缩点。为了验证该预失真电路的线性化效果，进一步测试采用中心频率为21GHz、间隔为10MHz的双音信号作为输入信号，比较相同的输出功率下，加入预失真芯片前后三阶交调指标改善情况，如图6所示。测试结果表明，该预失真芯片对功率放大器三阶交调最高可有27dBc的改善，在功率回退3dB时，可有5dBc的改善。在对功率放大器三阶交调为－30dBc的抑制条件下，驱动放大器输出功率从13dBm提高至17．5dBm。但是，五阶分量在回退过程中会有一定程度的恶化，如图7所示。由于流片过程中采用的电容比设计电容小20％，预失真电路中功放的特性出现了一定的偏差，导致了幅度修正不平坦、三阶分量在回退至小功率时改善效果不明显，也是五阶分量恶化的主要原因。对五阶分量改善不好的另一原因是要对高阶分量有很好的抑制，需要精确地产生预失真信号，而产生该信号非常困难，通常的做法是预失真系统中包含某种反馈以实现自适应，而这会使电路的复杂程度增大。为了验证该预失真电路的通用性，将该芯片与一高功率放大器（HPA）级联，进行了双音信号测试，结果如图8所示。在功率回退的整个过程中，IM3均有不同程度的改善，在输出29dBm时可改善15dBc以上，同时五阶分量并不会恶化。在－30dBc的抑制条件下，HPA输出功率可从28dBm提高至33dBm。
3结论
为了使RS422接口能在上述复杂环境中正常工作不被损坏，本文设计的一种接口保护电路如图1所示。通过在数据线路上串接电阻限制冲击电流，通过对地双向TVS二极管箝位冲击电压，并将接口的参考地通过一个0.1μF电容与机壳地相连来释放冲击能量。限流电阻的选择原则是在限制冲击电流的同时不能影响接口的正常驱动能力。经过测试，限流电阻阻值为25Ω时具有良好的保护效果。RS422接口收发器的工作电压为5V，差模电压范围是-6～+6V，可承受共模电压范围为-7～+7V。因此，RS422接口的TVS保护二极管的最大箝位电压应在7V左右，最大反向待机电压不低于6V。ONSemiconductor公司的阵列TVS二极管CM1248-08DE，其最大箝位电压为6.8V，最大反向待机电压为6.1V，符合RS422接口电气特性要求。CM1248-04DE由4路背靠背的TVS二极管构成，可以单向保护8路数据线或双向保护4路数据线。本文设计采用一片CM1248-04DE实现4路数据线的双向保护。考虑到收发器的参考地与信号地、机壳地是隔离的，所以用一个0.1μF的电容连接收发器的参考地与机壳地。当TVS二极管导通时，冲击电流经电容疏导到机壳地上，从而保护收发器及电路；当TVS二极管截止时，参考地与机壳地分开，避免隔离地受到机壳地波动的干扰。
2电路板设计
错误的布局布线不仅不会发挥保护电路的保护作用，还有可能引入其他干扰。TVS二极管应该尽量靠近I/O端口，接近干扰源，在干扰进入电路之前就滤除掉，避免干扰耦合到邻近的电路上。另外，PCB布线时应尽量采用短而粗的线，减小干扰对地通路上的阻抗。图2为不好的布局布线情况，图3为良好的布局布线情况。
3接口保护效果
保护电路增加前后，全自动引线键合机上的RS422接口在持续电子打火环境下的通信情况如图4所示。由图可以看出，没有保护电路时，在电子打火瞬间，正常通信线路上会产生接近10V的冲击电压，完全超出了接口可接受的-7~+7V共模电压范围，影响正常通信，严重时足以烧坏接口。在相同条件下，增加保护电路后，通信情况如图5所示。由图5可以看出，电子打火瞬间电路上的电压完全在-7~+7V范围内，正常通信不受影响，达到了保护电路的设计目的。
4结论
同步扰码的实质是让输入比特与随机数产生器所产生的一位随机比特进行异或来产生扰码的输出比特，其原理如图1所示。JESD204B协议规定的扰码方式需采用自同步扰码方式，自同步的扰码与解扰电路结构如图2所示。可见，对于自同步串行扰码，每次扰码输出都是由移位寄存器第13位和第14位比特进行异或，得到的结果再与输入比特值进行异或而得到的。由于传输层数据成帧之后，往往是以8位或16位数据进行并行传输的，所以必须在串行扰码的基础上，设计8位并行或16位并行的扰码与解扰电路。下面将在串行扰码表达式的基础上推导并行扰码的逻辑表达式。串行扰码每次只处理一个比特。在每个时钟周期，移位寄存器只移一位［3］。对于串行扰码，假设此刻输入比特是bn，输出比特是an，则移位寄存器s0中存储的比特是an－1，依此类推移位寄存器s14中存储的比特是an－15，因此an=bn+an－14+an－15。则下一个时刻的输入比特是bn+1，输出比特是an+1，此时移位寄存器s14中存储的比特是an－14，因此an+1=bn+1+an－13+an－14。由上面两组公式可以看出，只要保证扰码器和解扰器中对应的各个移位寄存器中的值相同即可，即扰码器的移位寄存器状态与解扰器的移位寄存器状态必须达到同步。由于协议中并没有规定移位寄存器的初始值，所以要解决解扰器输出与移位寄存器初始状态值有关的问题。为了不让解扰电路的输出与初始状态值有关，便于收发两端的同步，下面给出一种改进的并行扰码与解扰电路结构。
2改进的并行扰码与解扰电路
前面已经提到，协议规定的扰码与解扰模块位于数据传输层和数据链路层之间，在传输层数据成帧的过程中，发射器为了与接收器之间达到同步会在用户数据前发送编码数据同步序列和初始通道校准序列，协议要求在这两种序列发送的过程中是不能进行扰码的，在此过程中扰码器和解扰器处于非工作状态。另一方面，在用户数据到达后，扰码器和解扰器要开始工作，如果此时扰码器与解扰器中移位寄存器的初始状态值不同，会导致接收端不能正确恢复用户数据前两个字节值［4］。为了避免前两个字节值的丢失，在扰码器与解扰器的移位寄存器同步之前，用户数据前两个字节可以在无扰码操作的情况下传输，两个字节之后，扰码器与解扰器移位寄存器的状态就会由用户数据的前两个字节所确定，这时能够保证达到同步状态。基于以上考虑，提出一种带使能信号的改进扰码与解扰电路结构［4］，如图3所示。此时扰码器和解扰器都加入了一个使能控制信号。当en信号为低电平时，输入不经扰码直接输出;同理在接收端也不用解扰。两个字节之后，扰码器和解扰器移位寄存器中的状态都是由输入决定的确定值，此时可将en信号电平拉高，进行正常的扰码与解扰操作。
3仿真结果
用MODELSIM软件对设计的并行扰码和解扰电路进行了功能仿真。把扰码电路和解扰电路串联起来进行了仿真，仿真结果如图4和图5所示。由仿真结果看出，无论是8位并行扰码还是16位并行扰码，前两个字节都没有被扰码，当然也没有被解扰，此时扰码器的输出和解扰器的输出是相同的。从第3个字节开始，扰码器和解扰器就进行了正常的扰码与解扰。这样的输出结果正是协议的规范和要求。而解扰器的输出与扰码器的输入是完全相同的，从而证明了电路扰码和解扰功能的正确性。用DesignCompiler软件对设计进行综合，得到电路在面积、动态功耗、弛豫时间等方面的结果，如表1所示。由以上综合结果可以看出，该电路功耗很低，至少可以运行于较高频率，满足协议对加扰电路的速度要求。
4总结
超声波传感器内部结构是压电晶体，当压力传感器受力后产生极其微弱的电荷量，这给后接电路带来一定困难[4]，因此我们需要设计一个新型的电荷放大器。先要把压电传感器发出的信号先输入到极高输入阻抗、极低的偏置电流和带宽宽的电荷放大器中。只有在极高输入阻抗的条件下，电荷放大器的输入端几乎没有分流作用，因此运算电流都流入反馈回路，只有这样电荷量的泄漏才能减少到我们所要求的范围之内[5]。根据上面叙述集成运放的选择要求，设计时我选用了LMC662，AD823，LMC6041和AD8606芯片主要参数进行了对比（如表1所示），并进行了相关的仿真，经过综合对比验证选用了AD8606这款芯片作为电荷放大器的芯片。
2电荷放大器电路的设计
图3为本文设计实际电荷放大器仿真电路图。图中，电荷放大器内部只能做到非完全补偿，势必会产生自激振荡，在运算放大器中接入由电容C1组成的补偿电路，可以消除自激振荡。新型电荷放大器电路可以看作是一个电容负反馈增益积分放大器，所以电荷放大器反馈电容C9的选择必须与积分网络的反馈电容基本要相同[6]新型电荷放大器输出灵敏度是通过调节电荷放大器的反馈电容C9来实现的。要求反馈电容C9的值不能取太小，否则分布电容会产生很大的影响；但是反馈电容C9的值也不能取太大，否则漏电太大。电荷放大器是采用了电容负反馈，所以电荷放大器对直流工作点相当于开环，导致零点漂移较大；为了减少零漂，使电荷放大器工作稳定，一般在反馈电容两端并联一个积分漂移泄漏电阻R5（1012以上）做反馈，提供直流反馈，以保持电荷放大器电路正常工作[7]。
3仿真与分析
本文采用Multisim12仿真软件对电荷放大器电路进行仿真测试。仿真电路主要有两个目的：第一，要注意电荷放大器在不同信号强度下延时变化情况。第二，同时要求检测信号通过电荷放大器放大的效果。因为时间测量的精度决定了超声波气体流量计传播时间的测量精度，所以要求在不同的电流强度下，看信号相位差变化大小。相位差测量方法一般有阈值法、峰峰值测量法和过零检测法。阈值法是先假定一个值，当信号都经过这个值时作为测量的依据，但是在不同信号强度下的电流，电压值在不停的变化，我们根本无法用阈值法来测量小信号相位差。峰峰值测量法是测量两个波形的最大正值或是最大负值。然而对于小信号用峰峰值进行测量时，噪声会对峰峰值检测会产生很大的影响，这个测量方法虽然简单，但是准确度不是很高。过零检测法是一种经典的调制域分析方法,通过测量两个同频率信号过零的时间差，从而确定电荷放大器的时间延时，如图4所示。此方法简单可靠，实用性强，能够实现高精度测量。本文采取以第二波过零为基准来测量时间延时的大小。用Multisim12仿真电荷放大器在不同的信号强度下测得时间延时的大小，如表2所示。根据表1的数据，用MATLAB编写信号强度与时间延时曲线图如图5所示。如图5所示，电荷放大器的延时时间会随着信号强度呈指数规律衰减，因此电荷放大器引起延时变化很大，故对实验测量的结果造成严重的影响。为了克服这一缺陷，需要设计一种增益补偿电路来提高测量超声波气体流量计传播时间的精度。我们设计的时间增益补偿电路如图6所示。主要是利用通滑动变阻器和电荷放大器来实现增益补偿。压电传感器发射超声波信号具有连续性，根据每次接收到超声波信号的强弱来调整滑动变阻器的阻值，使电荷放大器的延时保持在一个固定值。这样可以保证每次检测信号通过电荷放大器的延时都是一样，提高测量的精度。所以只要选择合理的芯片和反馈电阻的大小，使前面的曲线下降和后面的曲线上升，就可以实现增益补偿的目的，这样就可以很好的补偿电荷放大器造成的时间延时[8]。在图6中，在不同信号强度下电流的大小，通过调节可变电容与可变电阻使得电荷放大器延时保证一致。如表3所示。根据表2的数据，通过MATLAB编写补偿后时间延时曲线图如图7所示。由图7可知，信号通过增益补偿后不论通过电荷放大器信号强弱，时间延时都是相等。这样使得测量时间更加精确。信号在200kHz，1μA条件下，通过电荷放大器和滤波器电路以后的波形如图8所示。由图8我们可以看到信号经过电荷放大器放大的波形的效果很好，原始信号的电压值大约在300多μV,而放大后的信号大概在20mV左右。
4实际应用效果
由于仿真为实际应用提供了可靠的理论基础，电荷放大器在实际应用效果很好，图9就是信号放大后通过示波器得到的实际波形，由图9可知杂波干扰基本是在200mV以内，信噪比很高。
5结束语
集成电路设计实践引入研究型实践教学模式，可以使相关领域的学生真正实现学有所用，不仅学习了集成电路设计的软件知识，同时可以将课堂的理论知识通过工艺模型、电路设计、仿真方法来复现，从而更深入的理解理论知识，而且可以通过一些电路实例来解释生活中的一些现象，激发学习的兴趣。集成电路设计是实践性很强的一个方向，要求将工艺、器件、电路、版图四个方面的理论课程融会贯通，而传统的实践教学旨在加强学生对软件的认识，忽略对理论内容的加深与贯通。通过研究型实践教学模式的开展，可以在保证教学大纲不变的前提下，通过选择适用性较强的实践内容，使学生一方面能够将各门理论课的知识加深及贯通，另一方面可以使学生接触到用人单位感兴趣的课题内容，有利于学生加强实践的动力和持续进步。通过研究型实践，对学校而言，可以培养更优秀学生；对学生而言，可以掌握前沿知识、促进就业。研究型实践成果的实现为学生的晋升、发展提供支持。学生的实践研究成果如能公开发表或获奖，能解决实际工作中的问题，这无形中为学生在工作岗位上的晋升、发展增加筹码。这在最大程度上激发学生的实践兴趣，是其他任何实践模式都不可比拟的。同时，研究型实践教学鼓励学生多看文献、多写总结报告，这也为学生撰写本科毕业论文打下良好的基础。
2研究型实践教学模式的具体实施
2.1课程结构优化
指导学生接触各类资料，能够提出问题，进而解决问题以掌握知识、应用知识，完成对知识的一个探求过程；对实验内容进行适当调整和完善，使课程体系更全面更科学，更能贴近行业发展，更能体现学生的主动性。
2.2采用课堂讨论进行专题研讨的教学方法
在研究型实践教学模式中，师生互动有助于学生对基本概念、基本理论、基本方法的理解和掌握。根据课程需要，结合国内外的研究现状和发展趋势，采用与行业内吻合的实验软件，挑选合适的电路原型做仿真设计，并共同探讨电路的优化方案。
2.3专业资料查询能力培养
为学生提供研究资料或指导学生进行资料查询、整理，鼓励学生从图书馆、书店、网络等各种途径查阅文献资料，以充实自己的研究基础。提醒学生要对已收集的资料进行批判性的研究，去伪存真，指导学生从这些资料中总结、分析、解释与实践研究课题相关的理论、知识经验以及前人的研究成果。
2.4指导学生撰写专题论文（报告）
在研究型实践教学过程中，指导学生通过论文、调查报告、工作研究、分析报告、可行性论证报告等形式记录实践研究成果。在撰写论文时，要求学生要了解实践课题研究报告的一般撰写格式；要先拟订论文的写作提纲，组织好论文的结构，做到纲举目张；会用简练、严谨、准确的语言表达自己的思想，不追求文章的长短。指导学生开展专题电路讨论，由学生根据自己感兴趣的课题来查找文献资料，进行研究，完成电路设计和仿真，最后完成专题论文的撰写。
2.5鼓励学生参与课题研究
为调动学生参与科研创新活动的积极性，激发学生的创新思维，提高学生实践创新能力，鼓励学生参加老师的课题，锻炼学生的动手能力，培养“研究型”的思维模式。
3研究型实践教学模式对教师和学生的要求
3.1研究型实践教学模式对教师的要求
研究型实践教学模式的实施对任课教师提出了新的要求：一是要熟练地掌握课程的基础知识和内在结构，还要掌握与课程相关的专业基础知识和实践的基本技能；二是要掌握学科最新信息，不断更新知识，了解课程所涉及学科的最新动态和取得的最新研究成果；三是要熟练运用科学研究的方法和手段。这些都对教师提出了更高的要求。
3.2研究型实践教学模式对学生的要求
