Η παρούσα Διπλωματική Εργασία εστίασε το ενδιαφέρον της στην ανίχνευση του QRS συμπλέγματος στα ηλεκτροκαρδιογραφήματα με σκοπό τον εντοπισμό χρόνιων ή μη παθήσεων της ανθρώπινης καρδιάς. Το σύστημα αυτό αποτελείται από ένα ζωνοπερατό φίλτρο 2ης-τάξης, ένα διαφοριστή, έναν τετραγωνιστή και ένα βαθυπερατό φίλτρο 1ης-τάξης. Η υλοποίηση του συστήματος γίνεται με χρήση MOS transistor τα οποία λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου. Η χρήση μικρών ρευμάτων πόλωσης επιτρέπει τη σχεδίαση συστημάτων με χαμηλή κατανάλωση ισχύος και ταυτόχρονα την υλοποίηση μεγάλων τιμών αντιστάσεων, οι οποίες είναι απαραίτητες για την πραγματοποίηση μεγάλων σταθερών χρόνου, που απαιτούνται για τη διαχείριση των χαμηλής συχνότητας βιοϊατρικών σημάτων. Στόχος της Διπλωματικής Εργασίας είναι η ανάπτυξη τοπολογίας για το αναλογικό τμήμα του συστήματος. Για το σκοπό αυτό προτείνεται η συστηματική σχεδίαση φίλτρων υψηλής τάξης στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου, με χρήση ήδη υπαρχόντων μη-γραμμικών διαγωγών υπερβολικού ημιτόνου, συνημίτονου. Η συμπίεση-αποσυμπίεση του προς επεξεργασία σήματος επιτυγχάνεται με την κατάλληλη τοποθέτηση συμπληρωματικών τελεστών ενώ ταυτόχρονα διατηρείται γραμμική η συνολική συμπεριφορά των διατάξεων. Η εφαρμογή της μεθόδου του κατωφλίου, ωστόσο, αλλά και η επαλήθευση της λειτουργίας του αναλογικού μέρους, πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του λογισμικού Matlab. Η σχεδίαση των κυκλωμάτων σε όλα τα επίπεδα ιεραρχίας πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του λογισμικού Cadence και με το Design Kit που παρέχεται από την τεχνολογία AMS CMOS C35 0.35μm. / This M.Sc. Thesis focused on proper detection of QRS complex on electrocardiograms to identify chronic or non-chronic diseases of human heart. This system consists of a 2nd-order bandpass filter, a differentiator, a squarer and a 1st-order low-pass filter. The system implementation is using MOS transistors operating in the subthreshold region. The use of low-level bias currents allows the design of systems with low power consumption and simultaneously implementing large resistance values , which are necessary for the realization of large time constants required for the management of low frequency biomedical signals. The aim of this thesis is to develop topology for the analog subsystem. For this purpose a systematic design of high order filters in the field of Sinh-Domain , using existing trims nonlinear hyperbolic sine and cosine. The compression - expansion of the signal to be processed is achieved by proper placement of additional constants while maintaining the total linear behavior of the devices. The application of the threshold, however, but also to verify the operation of the analog part , performed using the software Matlab. The design of circuits at all levels of hierarchy was performed using the software Cadence and the Design Kit provided by technology AMS CMOS C35 0.35μm.

Οι μονάδες επεξεργασίας δεδομένων αποτελούν τις βασικές δομικές μονάδες όλων των μικροεπεξεργαστών. Κάποια από τα κυκλώματα αυτής της κατηγορίας υλοποιούν τις βασικές αριθμητικές πράξεις πάνω σε δεδομένα τόσο σταθερής όσο και κινητής υποδιαστολής, ενώ κάποια άλλα αναλαμβάνουν την αναδιοργάνωση των δεδομένων αυτών για την επιτάχυνση του υπολογισμού. Σε επεξεργαστές ειδικού σκοπού, όπως οι επεξεργαστές πολυμέσων και γραφικών, οι μονάδες επεξεργασίας δεδομένων καταλαμβάνουν περισσότερο από το 30% του ολοκληρωμένου και η αποτελεσματική σχεδίαση τους έχει άμεσο αντίκτυπο στην απόδοση ολόκληρου του συστήματος. Στο μέλλον, αναμένεται πως ακόμα και οι επεξεργαστές γενικού σκοπού, θα είναι εξοπλισμένοι από εξειδικευμένους επιταχυντές, οι οποίοι θα εκτελούν απ’ ευθείας σε υλικό σύνθετους αλγορίθμους με μεγάλες υπολογιστικές απαιτήσεις. Η βάση όλων των προτεινόμενων λύσεων σ’ αυτή τη διατριβή είναι η αναλυτική εύρεση ενός εγγενώς απλούστερου αλγορίθμου, ο οποίος θα επιτρέπει την αποτελεσματική υλοποίηση των αντίστοιχων κυκλωμάτων ανεξάρτητα από την τεχνολογία που θα χρησιμοποιηθεί και από τους επιπλέον περιορισμούς που τυχόν θα επιβληθούν στο μέλλον κατά την κατασκευή των κυκλωμάτων αυτών. Η ανάλυση και τα πειραματικά αποτελέσματα που συλλέξαμε βασίζονται τόσο σε υλοποιήσεις σε επίπεδο τρανζίστορ, που είναι η κύρια μέχρι τώρα πρακτική σχεδίασης των μικροεπεξεργαστών υψηλών επιδόσεων, όσο και σε πλήρως αυτοματοποιημένες υλοποιήσεις. Φυσικά, στη δεύτερη περίπτωση η απόδοση των κυκλωμάτων επιβαρύνεται, τόσο σε καθυστέρηση όσο και σε ενέργεια, εξαιτίας των περιορισμών των αυτοματοποιημένων εργαλείων και την αναγκαστική χρήση των προσχεδιασμένων βιβλιοθηκών βασικών πυλών. Η μελέτη που πραγματοποιήσαμε στοχεύει στην πλήρη εξερεύνηση του χώρου λύσεων των κυκλωμάτων αυτών. Η ανάλυση της συμπεριφοράς τους πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τις βέλτιστες καμπύλες της ενέργειας ως προς την καθυστέρηση, οι οποίες αποτελούν τον πιο έγκυρο τρόπο περιγραφής της απόδοσης ενός κυκλώματος. Τα κυκλώματα που παρουσιάζονται ανήκουν σε τρεις βασικές κατηγορίες. Στην πρώτη ανήκουν οι αθροιστές παράλληλου προθέματος, που χρησιμοποιούν τα κρατούμενα του Ling για την υλοποίηση της δυαδικής πρόσθεσης. Τα κρατούμενα που προτάθηκαν από τον Ling αποτελούν απλοποιημένες μορφές των κλασικών σχέσεων πρόβλεψης κρατουμένου και χρησιμοποιούνται αυτή τη στιγμή στην πλειοψηφία των εμπορικών επεξεργαστών. Το νέο κύκλωμα, που προτείναμε, αποτελεί ουσιαστικά τη γενίκευση των σχέσεων αυτών, επιτρέποντας την υλοποίηση τους με απλοποιημένες δομές παράλληλου προθέματος, με αποτέλεσμα τη μείωση τόσο της καθυστέρησης όσο και της απαιτούμενης ενέργειας. Η νέα τεχνική οδηγεί σε γρηγορότερα κυκλώματα ανεξάρτητα από τη λογική οικογένεια που θα χρησιμοποιηθεί (στατική ή δυναμική CMOS λογική) και το δένδρο παράλληλου προθέματος που θα επιλεγεί. Η δεύτερη κατηγορία αναφέρεται σε κυκλώματα αναδιάταξης των δεδομένων που είναι αποθηκευμένα μέσα στους καταχωρητές του επεξεργαστή. Η αποδοτική αναδιάταξη των δεδομένων καταλήγει να είναι σε πολλούς αλγορίθμους (κρυπτογραφία, ψηφιακή επεξεργασία σήματος, πολυμέσα) τόσο αναγκαία όσο και η γρήγορη υλοποίηση των βασικών αριθμητικών πράξεων, αλλά και η ταχεία επικοινωνία με τη μνήμη. H προσπάθεια μας εστιάστηκε στην αποδοτική υλοποίηση μιας γενικής εντολής αναδιάταξης δεδομένων, στοχεύοντας σε όσο το δυνατόν ταχύτερες υλοποιήσεις. Όλες οι εκδοχές που προτείναμε στηρίζονται σε μια νέα μορφή δικτύων ταξινόμησης, η οποία μας επιτρέπει να παρέχουμε λύσεις που είναι σημαντικά πιο αποδοτικές σε σχέση με τις ήδη υπάρχουσες. Τα κυκλώματα που προτείνουμε κατασκευάζονται με τη χρήση ενός μόνο κελιού υπολογισμού (διαφορετικό για κάθε δίκτυο ταξινόμησης) και διατηρούν μια πλήρως κανονική δομή. Το στοιχείο αυτό, συμβάλλει, πέρα από τη βελτίωση της απόδοσης, στην αποτελεσματικότερη χωροθέτηση του κυκλώματος και στη μείωση των αρνητικών επιδράσεων των γραμμών διασύνδεσης. Η τελευταία κατηγορία κυκλωμάτων αναφέρεται σε κυκλώματα που χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση της πρόσθεσης αριθμών κινητής υποδιαστολής. Τα κυκλώματα που προτείνουμε χρησιμοποιούνται στα πιο κρίσιμα στάδια, από πλευράς καθυστέρησης, του υπολογισμού του αθροίσματος και αφορούν στην πρόσθεση των μεγεθών και στην κανονικοποίηση του αποτελέσματος. Αρχικά, περιγράφουμε μια εναλλακτική προσέγγιση για την υλοποίηση των αθροιστών μεγέθους των αριθμών κινητής υποδιαστολής. Οι νέες μονάδες εκμεταλλεύονται την αναπαράσταση συμπληρώματος ως προς ένα και τις γρήγορες μονάδες υπολογισμού του κρατουμένου, που βασίζονται στην τεχνική παράλληλου προθέματος. Προτείνουμε μια ενοποιημένη μεθοδολογία για το πως μπορούμε να παράγουμε δομές παράλληλου προθέματος ανεξάρτητα από το μέγεθος της λέξης εισόδου, ενώ καταφέρνουμε να ενώσουμε για πρώτη φορά τις απλοποιημένες σχέσεις κρατουμένου του Ling με την πρόσθεση αριθμών που ακολουθούν την αναπαράσταση συμπληρώματος ως προς ένα. Στη συνέχεια, περιγράφεται ένας νέος απλός τρόπος για την υλοποίηση της πρόβλεψης και της μέτρησης των προπορευόμενων μηδενικών που εμφανίζονται στα αποτελέσματα των πράξεων αριθμών κινητής υποδιαστολής. Με τη χρήση των νέων κυκλωμάτων η κανονικοποίηση του αποτελέσματος μπορεί να πραγματοποιηθεί σε λιγότερο χρόνο και με σημαντικά μικρότερη ενέργεια. / Data processing units (or simply datapath) constitute a major part of all microprocessors. They take over the execution of all arithmetic operations either of fixed point or floating-point data, while they are also responsible for the execution of the needed data rearrangements in order to speed up the computation. In application-specific processors used for media and graphics applications, datapath circuits occupy more than one third of the processor’s core area and their efficient design directly affects the energy-delay behavior of the whole circuit. In the near future, it is expected that even general-purpose processors will be equipped we specialized accelerators that will execute directly in hardware complex algorithms with large computational demands. The basis of all circuits presented in this thesis is the derivation of an inherently simpler algorithm that would allow their efficient implementation irrespective the technology used and the constraints that would be imposed in the future, concerning the reliable and more predictable circuit fabrication in very deep submicron technologies. Our analysis relies on full-custom transistor-level designs that is the most common technique employed in high-performance microprocessor design. The performance of some of the presented circuits has also been investigated using an automated design flow. It is expected that, in these cases, the performance of the presented circuits will be aggravated due to the limitations imposed by the design automation tools and the available standard cell library. In this study, we aim at fully exploring the design space of our circuits. For this reason, we derived an optimal energy-delay curve for each one of the examined circuits in order to analyze its behavior. An energy-delay curve is the most reliable metric for presenting the performance of a circuit and allows the designer to perform a fair comparison among various design alternatives and circuit topologies. The new circuits presented in this thesis belong to three categories. In the first class, we find the parallel prefix adders that adopt the carries proposed by Ling. These carries are a simplified form of the classic carry lookahead equations and they are used at the moment in the majority of commercial high-speed microprocessors. The newly proposed circuits are based on a transformation of the Ling carries that leads to more efficient parallel prefix structures, which are better suited for Ling-carry computation. This new technique offers faster implementations irrespective the logic family used (either static or dynamic CMOS) and the prefix structure selected for the implementation. The second class refers to circuits that rearrange the data stored inside one or more of the processor’s registers. Efficient data rearrangement ends up being, in many cases, such as cryptography, digital signal processing, and multimedia applications, as essential as the fast implementation of basic arithmetic operations and the high bandwidth processor-memory communication. Our effort has focused on the efficient implementation of one of the most versatile permutation instruction, aiming to the reduction of the delay of the corresponding circuit. The design of the proposed permutation units is put under a common framework and their functionality resembles that of sorting networks. All the presented variants are designed using a single processing element (different for each sorting network) and have a very regular structure. This fact significantly contributes to the delay reduction because of the regular placement of the circuits’ cells that also alleviates the interconnect delay overhead. The last class of circuits is used for the implementation of high-speed floating-point units. The proposed circuits participate in two of the most time critical parts of any floating-point adder that is the significand (or fraction) adder and the result normalization unit. At first, we describe an alternative implementation of the significant adder that employs the one’s complement representation in order to reduce the delay of the circuit. The proposed parallel-prefix structures are derived using a general design methodology that leads to efficient designs irrespective the wordlength of the input operands. Also, we managed for the first time to produce simplified parallel-prefix carry computation units for the case of one’s complement addition that rely on the definition of Ling carries. Secondly, we describe a simple and practical algorithm for counting the number of leading zeros that may appear in the result of floating-point addition. New circuits are also presented that simplify the design of the corresponding leading zero anticipation logic. Using the proposed structures, normalization can be performed with less delay and significantly reduced power dissipation compared to already known implementations.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται το πρόβλημα της αποτελεσματικής αξιολόγησης ευχρηστίας φορητών εφαρμογών. Με τον όρο “φορητές εφαρμογές” περιγράφονται οι ηλεκτρονικές υπηρεσίες που είναι σχεδιασμένες να παρέχονται μέσω φορητών συσκευών και έχουν ως στόχο να βοηθήσουν τον άνθρωπο στις καθημερινές του προσωπικές ή επαγγελματικές δραστηριότητες. Η αλληλεπίδραση ενός χρήστη με μία τέτοια ηλεκτρονική υπηρεσία είναι μια διαδικασία πολύπλοκη που δεν υποστηρίζεται από μία μεμονωμένη εφαρμογή και δεν περιορίζεται πλέον στα στενά όρια ενός γραφείου. Αντίθετα, επιτυγχάνεται με διαμεσολάβηση σύγχρονων και συχνά πολυχρηστικών υπολογιστικών μονάδων (φορητές συσκευές, υπολογιστές) και επιμέρους συσκευών και λαμβάνει χώρα σε διάφορα φυσικά περιβάλλοντα. Σε πολλές περιπτώσεις εμπλέκει περισσότερους από έναν χρήστες οι οποίοι μπορεί να συνεργάζονται είτε εκ του σύνεγγυς είτε εξ αποστάσεως προκειμένου να εκτελέσουν μια εργασία. Η μελέτη αυτής της αλληλεπίδρασης μπορεί να δώσει πολύτιμα συμπεράσματα τόσο για την ευκολία χρήσης των σύγχρονων υπολογιστικών συστημάτων όσο και για τη χρησιμότητά τους και αποτελεί μια σημαντική ερευνητική πρόκληση του επιστημονικού πεδίου Αλληλεπίδρασης Ανθρώπου Υπολογιστή και ιδιαίτερα της Τεχνολογίας Ευχρηστίας. Οι κλασσικές μέθοδοι ευχρηστίας καλούνται να αντιμετωπίσουν την πρόκληση της επιτυχούς αξιολόγησης των φορητών εφαρμογών, δηλαδή της αποτίμησης των χαρακτηριστικών ποιότητάς τους που επηρεάζουν την εμπειρία χρήσης τους. Τόσο τα χαρακτηριστικά των χρησιμοποιούμενων συσκευών όσο και το περιβάλλον χρήσης των εφαρμογών αυτών, τις διαφοροποιούν κατά πολύ από τις εφαρμογές επιτραπέζιου υπολογιστή. Καθώς η διείσδυσή τους στις καθημερινές δραστηριότητες του ανθρώπου είναι ολοένα και αυξανόμενη, η ανάγκη για μεθοδολογίες και εργαλεία που μπορούν να βοηθήσουν την αξιολόγηση της χρήσης τους κρίνεται επιτακτική. Στην παρούσα εργασία καταρχήν περιγράφονται οι κλασσικές μέθοδοι αξιολόγησης υπολογιστικών συστημάτων και στη συνέχεια αξιολογούνται ως προς την επάρκεια των δεδομένων που μπορούν να συλλέξουν και την πληρότητα των αποτελεσμάτων που μπορούν να δώσουν στην περίπτωση χρήσης τους για αξιολόγηση ευχρηστίας φορητών εφαρμογών. Παράλληλα γίνεται επισκόπηση της βιβλιογραφίας που Περίληψη 12 Διδακτορική διατριβή αφορά την αξιολόγηση ευχρηστίας των φορητών εφαρμογών και εξετάζονται τα κυριότερα ζητήματα της μεθόδου αξιολόγησης, περιλαμβάνοντας μεταξύ άλλων την επιλογή του χώρου αξιολόγησης και τα δεδομένα που πρέπει να συλλεγούν και αναλυθούν. Στη συνέχεια προτείνεται η μεθοδολογία αξιολόγησης ευχρηστίας φορητών εφαρμογών MOBELIC (MOBile Evaluation Life Cycle methodology). Η MOBELIC υποστηρίζει την αξιολόγηση ευχρηστίας μιας φορητής εφαρμογής σε όλο τον κύκλο ανάπτυξής της. Αποτελεί συνδυασμό από υπάρχουσες μεθόδους αξιολόγησης λαμβάνοντας όμως υπόψη τη φάση ανάπτυξης στην οποία βρίσκεται η υπό αξιολόγηση φορητή εφαρμογή, την ποιότητα των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από κάθε μέθοδο, το χρόνο και τους πόρους που απαιτούνται για τη διεξαγωγή καθεμιάς από αυτές, καθώς και το χρόνο για την ανάλυση των δεδομένων τους και την εξαγωγή πολύτιμων συμπερασμάτων. Η συνεισφορά της μεθοδολογίας MOBELIC έγκειται στο γεγονός ότι βελτιστοποιεί τη διαδικασία αξιολόγησης μιας φορητής εφαρμογής υποστηρίζοντάς την από τις αρχικές φάσεις ανάπτυξης μέχρι τα τελευταία στάδια ολοκλήρωσής της. Προκειμένου να υποστηριχθεί η μεθοδολογία ΜOBELIC, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε το εργαλείο ActivityLens. Αποτελεί ένα εργαλείο παρατήρησης και ανάλυσης των δεδομένων που συλλέγονται κατά τη διάρκεια μελετών της αλληλεπίδρασης χρηστών με φορητές εφαρμογές. Το εργαλείο παρέχει τη δυνατότητα παρακολούθησης των διακριτών φάσεων ανάπτυξης μιας φορητής εφαρμογής και επιτρέπει τη σύγκριση των προβλημάτων ευχρηστίας που παρατηρούνται σε αυτές, χρησιμοποιώντας κοινό σχήμα κωδικοποίησης των προβλημάτων. Παράλληλα, ενσωματώνοντας κατάλληλα σχεδιασμένες λειτουργίες, βοηθάει τον αναλυτή να απομονώσει συγκεκριμένους τύπους δράσεων που υποδεικνύουν πρόβλημα στη χρήση των εξεταζόμενων εφαρμογών. Τέλος στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, εξετάζεται η εφαρμοσιμότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας καθώς και η αποτελεσματικότητα του εργαλείου ανάλυσης, μέσα από μία μελέτη περίπτωσης που περιλαμβάνει τη διενέργεια 3 διακριτών πειραμάτων. Η αξιολόγηση αφορά μία συνεργατική εκπαιδευτική φορητή εφαρμογή προορισμένη να πληροφορεί μαθητές για τα εκθέματα ενός Μουσείου. / This thesis deals with the problem of effective usability evaluation of mobile applications. The term “mobile applications” describes the electronic services that are designed to operate under mobile devices in order to meet the everyday needs of people. There are special characteristics of mobile applications, compared to established desktop applications. Thus, the dynamic context of use and the small size of mediating mobile devices differentiate their use and increase the complexity of their usability evaluation. There are various established methods that have been extensively used in traditional human-computer interaction research in order to evaluate the use of desktop applications. This thesis, firstly examines the suitability of such methods in usability evaluation of mobile applications. The survey indicated that all these methods can be effective. However their application produces different types of data and requires different amount and kind of resources. In the frame of this thesis, MOBELIC, a new methodology for the usability evaluation of mobile applications, is proposed. The goal of MOBELIC is the optimization of evaluation process due to the short life-cycle of mobile applications. It is an effective combination of selected established methods supporting the redesign of a mobile application during its development life-cycle. The main characteristic of this methodology is that it proposes the iterative application of each evaluation method, depending on certain factors, such as the mobile application implementation phase, the quality of the expected method results and the required resources. Subsequently, the design and the implementation of a usability evaluation tool, the ActivityLens, that support the proposed methodology, are described in this thesis. ActivityLens integrates and synchronizes multiple heterogeneous data that describe the interaction of real users with mobile applications. Furthermore, the tool incorporates especially designed mechanisms for annotation and analysis of collected data in order to facilitate usability experts to extract meaningful information. The applicability of the proposed methodology and the effectiveness of the ActivityLens are examined through an extended case study in which the usability of an educational mobile application is evaluated. The case study consists of three discrete experiments including the use of different evaluation methods according to the proposed methodology.

Σκοπός της μελέτης ήταν η ανάπτυξη και αξιολόγηση ενός προγράμματος πολυμέσων για την εκμάθηση των φυσικών αρχών της μαγνητικής τομογραφίας από μεταπτυχιακούς φοιτητές της Ιατρικής Φυσικής του Πανεπιστημίου της Πάτρας. Η ανάπτυξη του εκπαιδευτικού προγράμματος έγινε με την χρήση κατάλληλου προγράμματος συγγραφής πολυμέσων. Δεκαοχτώ μεταπτυχιακοί φοιτητές της Ιατρικής Φυσικής κατατάχτηκαν τυχαία σε δύο ομάδες, την ομάδα των υπολογιστών και την ομάδα του βιβλίου. Όλοι οι συμμετέχοντες αξιολογήθηκαν με ένα τεστ με ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 2 εβδομάδες πριν την αρχή των παραδόσεων, στο τέλος των παραδόσεων και ένα μήνα μετά το τέλος των παραδόσεων. Επιπλέον συμπλήρωσαν ερωτηματολόγια για την αξιολόγηση των στάσεων και πεποιθήσεων τους σχετικά με την χρήση υπολογιστών στην εκπαίδευση. Οι βαθμολογίες των δύο ομάδων συγκρίθηκαν με την βοήθεια της στατιστικής δοκιμασίας ANOVA. Το εκπαιδευτικό πρόγραμμα που αναπτύχτηκε αποτελείται από 6 ενότητες για την διδασκαλία πολύπλοκων φυσικών αρχών MRI με την βοήθεια animation. Κάθε ενότητα περιλαμβάνει ένα τεστ και οι επιδόσεις των χρηστών μπορούν να καταγραφούν και να αναλυθούν με ένα ξεχωριστό πρόγραμμα. Στην ενότητα που χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση οι φοιτητές της ομάδας με τους υπολογιστές πέτυχαν στατιστικά υψηλότερους βαθμούς (Μ=80.5, SD=9.4) από τους σπουδαστές με το βιβλίο (M=61.3, SD=12.5, p=.003). Επιπλέον οι φοιτητές των υπολογιστών φαίνεται να εκτιμούν περισσότερο την εκμάθηση μέσω της χρήσης υπολογιστών συγκριτικά με τους σπουδαστές της ομάδας του βιβλίου (p=.230). Οι απόψεις των φοιτητών για την επέκταση της χρήσης των πολυμέσων στην ιατρική φυσική εστιάζονται σε θέματα σχετικά με τα κίνητρα, τις εκπαιδευτικές δυνατότητες και την αξία του περιεχομένου. Τα αναφερθέντα μειονεκτήματα ήταν ελάχιστα, και ήταν επικεντρωμένα κυρίως σε τεχνικά θέματα και σε μαθησιακές δυσκολίες. Η εκπαίδευση με χρήση πολυμέσων είναι χρήσιμη και επικουρική μέθοδος για την εκμάθηση των φυσικών αρχών MRI από μεταπτυχιακούς φοιτητές. Η παρούσα μελέτη έδειξε ότι η χρήση κατάλληλων προγραμμάτων πολυμέσων βελτιώνει την κατανόηση πολύ περισσότερο συγκριτικά με παραδοσιακές μεθόδους μάθησης. / The objectives of this study were to develop and evaluate an interactive multimedia computer based instructional package in MRI physics and to provide first year medical physics postgraduate students of University of Patras with an interactive means of self-study and self-evaluation. An authoring system was used to develop the courseware package. Eighteen postgraduate medical physics students were prospectively, randomly assigned to receive instruction on the same topic from a textbook and an interactive computer module. Participants were evaluated by a multiple choice test 2 weeks before the lectures, at the end of the lectures and by a retention test 1 month after the end. They also completed questionnaires to elicit their attitudes toward the two instructional methods. Mean test scores of the textbook and computer groups were compared by means of analysis of variance. The developed MRI program is a suite of 6 interactive modules designed to dynamically teach complex MRI concepts using media-rich animations. All modules include a quiz and since patterns of use by student can be recorded a Log Decryption utility and a Log Reader utility was also developed. The tested module demonstrated that students in the computer group (M=80.5, SD=9.4) scored significantly higher on their post-test when compared with the textbook group (M=61.3, SD=12.5, p=.003). Furthermore students in the computer group seem to appreciate multimedia modules more compared to textbook students (p=.003). There were no differences noted between method of instruction and learner satisfaction (p=.230). Students’ rationale for expanding the use of multimedia in physics education seemed to focus on issues concerning motivation, instructional capabilities and content value. The disadvantages reported were few, their prevalence considerably small, especially after the intervention and were mostly focused on technical issues and some difficulties in learning. Computer aided instruction is a useful and effective aid for teaching MRI principles to postgraduate students. The study demonstrated that the inclusion of properly designed multimedia modules enhance conceptual understanding far more than do traditional methods.

Η παρούσα διατριβή διερευνά την επίδραση των πετρογραφικών παραμέτρων στις φυσικομηχανικές ιδιότητες των οφιολιθικών πετρωμάτων Πίνδου και Βούρινου. Επιπρόσθετα, μελετώνται ορισμένα δείγματα από τα οφιολιθικά συμπλέγματα του Κόζιακα και της ανατολικής Όθρυος και ορισμένα Τριαδικά ηφαιστειακά πετρώματα από την περιοχή του Δομοκού. Tα συλλεχθέντα δείγματα αξιολογούνται για την καταλληλότητά τους ως αδρανή υλικά. Επιπλέον, διερευνάται η καταλληλότητα υγιών υπερβασικών δειγμάτων στη βιομηχανία πυρίμαχων. Στις υπό μελέτη εμφανίσεις πραγματοποιήθηκε λεπτομερής γεωλογική χαρτογράφηση. Ακολούθησε πετρογραφική εξέταση των επιμέρους λιθότυπων και ποσοτικοποίηση των ορυκτολογικών συστατικών τους. Εφαρμόστηκαν σύγχρονες τεχνικές με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης, μικροσκόπιο φθορισμού και λογισμικό ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας. Διερευνήθηκε επίσης ο τρόπος διάδοσης των μικρορωγμών κατά τη μοναξονική φόρτιση των πετρωμάτων και δόθηκε έμφαση στην πιθανή συμμετοχή αμιαντούχων ορυκτών σε αυτά. Προσδιορίστηκαν οι γεωμετρικές, φυσικομηχανικές, φυσικοχημικές και χημικές ιδιότητες των δειγμάτων και διαπιστώθηκε ότι οι βασικοί λιθότυποι παρουσιάζουν υψηλότερη μηχανική αντοχή από τους υπερβασικούς, ενώ οι τραχίτες έχουν συνήθως μεταβατικά χαρακτηριστικά μεταξύ των δύο παραπάνω κατηγοριών πετρωμάτων. Οι συσχετίσεις μεταξύ των προσδιορισθέντων ιδιοτήτων διερευνήθηκαν με ανάλυση παλινδρόμησης και παραγοντική ανάλυση. Οι ιδιότητες των βασικών και υπερβασικών λιθότυπων τείνουν να βελτιώνονται όσο μειώνεται ο βαθμός εξαλλοίωσης. Εξαίρεση αποτελεί ο δείκτης αντίστασης σε στίλβωση, ο οποίος τείνει να βελτιώνεται αυξανομένου του βαθμού υδροθερμικής μεταμόρφωσης. Για τους δολερίτες διατυπώθηκαν δύο νέοι μικροπετρογραφικοί δείκτες, ο δείκτης αντοχής (Ips) και ο δείκτης αντικατάστασης (Irep), οι οποίοι αποτελούν ποσοτική έκφραση των πετρογραφικών μεταβολών που λαμβάνουν χώρα κατά την εξαλλοίωση. Για τους υπερβασικούς λιθότυπους εισήχθηκε ο λόγος OOS, ο οποίος εκφράζει το βαθμό διατήρησης των πρωτογενών ορυκτών κατά τη σερπεντινίωση. Για τον προσδιορισμό του βαθμού εξαλλοίωσης των υπερβασικών πετρωμάτων εισήχθηκε ο δείκτης ευκίνητων στοιχείων (Im). Οι υπό μελέτη λιθότυποι είναι κατάλληλοι για χρήση ως αδρανή σκυροδεμάτων, κονιαμάτων, οδοποιίας, σκύρων σιδηροτροχιών, φίλτρων και βράχων θωράκισης, με εξαίρεση τους έντονα σερπεντινιωμένους και τεκτονισμένους χαρτσβουργίτες και τους τραχίτες. Ακόμη, τα υγιή υπερβασικά δείγματα είναι κατάλληλα για χρήση ως πρώτες ύλες στη βιομηχανία πυρίμαχων. / The present thesis aims at investigating the influence of petrographic factors on the physicomechanical properties of the Pindos and Vourinos ophiolitic rocks. Samples were also collected from the Koziakas and eastern Othrys ophiolitic complexes, as well as from an exposure of Triassic volcanic rocks near the Domokos locality. The evaluation of the collected samples for their suitability as aggregates is attempted. In addition, selected ultrabasic samples are evaluated for their suitability in refractory industry. The studied areas were thoroughly mapped. The petrographic characteristics of each lithotype were examined and their mineralogical composition was quantified. Modern techniques were also applied, using scanning electron microscopy and fluorescent microscopy, in combination with digital image analysis. Additionally, the microcrack propagation during uniaxial compression was investigated, as well as the potential existence of asbestiform minerals in each sample. The geometrical, physicomechanical, physicochemical and chemical properties were determined for each rock sample. The basic lithotypes have higher strength than the ultrabasic. The trachytes usually have characteristics transitional between the basic and ultrabasic lithotypes. The interrelationships between the various properties were examined using regression and factor analysis. The properties of the basic and ultrabasic lithotypes tend to improve when the degree of alteration decreases. Exceptionally, the polishing resistance tends to increase with an increasing degree of hydrothermal metamorphism. Two new micropetrographic indices were proposed for the dolerites, the micropetrographic strength index (Ips) and the replacement index (Irep). These indices reflect and quantify petrographic transformations which take place during alteration. The ratio OOS was introduced for the ultrabasic samples, which reflects the degree of preservation of the primary mineral phases during serpentinization. Additionally, the index of mobile elements (Im) was introduced in order to quantify the degree of alteration of ultrabasic rocks. The studied rock types are suitable for the production of aggregates for concretes, mortars, road construction, railway track ballast, filters and armourstone. The only unsuitable samples are the intense serpentinized and tectonized harzburgites and the trachytes. In addition, the fresh ultrabasic samples can be used as raw materials in the refractory industry.

Στην παρούσα βιβλιογραφική μελέτη καταγράφονται οι αλλαγές στο περιβάλλον οικονομικό, κοινωνικό και τεχνολογικό, ακολουθούμενες από τις πρόσφατες αλλαγές στις βασικές παραμέτρους της παρουσίας και του ρόλου των πληροφοριακών συστημάτων σε οργανισμούς και επιχειρήσεις. Η παρακολούθηση των αλλαγών στα δυο βασικά συστατικά του θέματος της μελέτης, (Πληροφοριακή τεχνολογία- εφαρμογές & Επιχειρησιακή στρατηγική), έγινε σε δύο επίπεδα. Χρησιμοποιώντας σαν βάση συγγράμματα, άρθρα και απόψεις αποδεκτές στον επιστημονικό και στον επιχειρηματικό χώρο, και εμπλουτίζοντας αυτή με μια επιλογή νέων στοιχείων που έρχονται στα χέρια μας μέσω των εφαρμογών της τεχνολογίας πληροφοριών και αφορούν τις δυνατότητες, την επίδραση και την επιρροή της τεχνολογίας αυτής, στη στρατηγική και τη λειτουργία ενός οργανισμού. Το ζήτημα της ευθυγράμμισης, ενσωμάτωσης ή ολοκλήρωσης των δύο στρατηγικών αναφέρεται στο βαθμό στον οποίο ο οργανισμός λαμβάνει υπόψη και χρησιμοποιεί τις δυνατότητες της πληροφοριακής τεχνολογίας και των εφαρμογών της, από τη φάση του σχεδιασμού της στρατηγικής του μέχρι την καθημερινή του λειτουργία. Τα βιβλιογραφικά ευρήματα αφορούν δημοσιεύσεις των τελευταίων κυρίως χρόνων και δεν είναι αριθμητικά σπουδαία. Κατά συνέπεια, έπρεπε να συμπληρωθούν με συμπεράσματα, σκέψεις και αναλύσεις βασισμένα σε συνεντεύξεις ειδικών, δημοσιεύματα εφημερίδων, στατιστικά στοιχεία κ.α. Η γενική φιλοσοφία στο κείμενο είναι οικονομικό-διοικητική χωρίς αυτό να βαίνει σε βάρος των συμπερασμάτων για την τεχνολογία της πληροφορικής. Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα αλλά και πρακτικές συμβουλές για ζητήματα συγγενή με την ενσωμάτωση ΙΤ/Business, τη διαχείριση αλλαγών, τη διάρκεια της ευθυγράμμισης και τα αποτελέσματα της προσφέρονται και προκύπτουν από το κείμενο. / The study “Alignment of technology and business strategy in companies and organizations”, describes the changes in the financial, social and technological environment, followed by the changing role of information systems in the area of business, effectiveness and productivity. The detection of the changing facts in the two critical parts of the subject, (information technology and applications & business strategy) takes place in two different levels; mainly using books and articles with the addition of a wide selection of data and information available through internet surveys, statistics and business executives interviews which refer to the effect and the utility of information and communication technology and its applications in the acts of planning and forming the business strategy and in business in general. This study is characterized as managerial but that does not degrade any of the consumptions about information technology and information systems. Suggestions for research as well as practical advice are offered throughout the text.

Οι σημερινές εφαρμογές έχουν ολοένα και μεγαλύτερες ανάγκες επεξεργαστικής ισχύος προκειμένου να εκτελεστούν σε συντομότερο χρονικό διάστημα. Για να την ικανοποίηση αυτών των χρονικών περιορισμών απαιτείται η ανάπτυξη βελτιστοποιημένων τεχνικών σχεδιασμού. Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής σχετίζεται με την ανάπτυξη αρχιτεκτονικών και τεχνικών μεταφραστών με σκοπό την γρηγορότερη τροφοδότηση του επεξεργαστή με δεδομένα από την ιεραρχία μνήμης. α) Μεθοδολογία επιτάχυνσης εκτέλεσης εφαρμογής πολλαπλασιασμού πινάκων Παρουσιάζεται μία μεθοδολογία που βασίζεται στην τοπικότητα των δεδομένων με σκοπό την επιτάχυνση εκτέλεσης του πολλαπλασιασμού πινάκων. Μετά από διερεύνηση, παράγεται ο βέλτιστος τρόπος χρονοπρογραμματισμού των προσπελάσεων στη μνήμη λαμβάνοντας υπόψη την τοπικότητα των δεδομένων και τα μεγέθη των επιπέδων ιεραρχίας μνήμης. Ο χρόνος διερεύνησης είναι σύντομος καθώς απορρίπτονται όλες οι μη-βέλτιστες λύσεις. Η προτεινόμενη μεθοδολογία συγκρίνεται με άλλες υπάρχουσες και παρατηρείται αύξηση της απόδοσης μέχρι 55%. β)Mεθοδολογία αποδοτικής υλοποίησης του Fast Fourier Transform (FFT) Παρουσιάζεται μια νέα μεθοδολογία, που επιτυγχάνει βελτιωμένη απόδοση στην υλοποίηση του FFT, έχοντας ως γνώμονα την ελαχιστοποίηση των προσπελάσεων που πραγματοποιούνται στα δεδομένα. Η προτεινόμενη μεθοδολογία έχει σημαντικά πλεονεκτήματα. Πρώτον, την πλήρη αξιοποίηση της παραγωγής και της κατανάλωσης των αποτελεσμάτων των πεταλούδων του FFT αλγορίθμου, της επαναχρησιμοποίησης δεδομένων και της συμμετρίας των twiddle συντελεστών του FFT αλγορίθμου. Δεύτερον, η βέλτιστη λύση χρονοπρογραμματισμού βρίσκεται λαμβάνοντας υπόψη τόσο τον αριθμό των καταχωρητών, όσο και το μέγεθος της κρυφής μνήμης κάθε επιπέδου, αναζητώντας μόνο τον αριθμό του επιπέδου του tiling του FFT. Τρίτον, ο χρόνος μετάφρασης και το μέγεθος του πηγαίου κώδικα είναι πολύ μικροί συγκρινόμενοι με την SOA βιβλιοθήκη υλοποίησης του FFT αλγορίθμου, την FFTW. Η προτεινόμενη μεθοδολογία επιτυγχάνει αύξηση της απόδοσης μέχρι και 63% σε σχέση με την βιβλιοθήκη FFTW. γ)Ανάπτυξη Αρχιτεκτονικών για Διαχείριση Μνήμης Παρουσιάζεται μια αποσυζευγμένη αρχιτεκτονική επεξεργαστών με μια ιεραρχία μνήμης που αποτελείται μόνο από μνήμες scratch-pad, και μια κύρια μνήμη. Η αρχιτεκτονική αυτή εκμεταλλεύεται τα οφέλη των scratch-pad μνημών και τον παραλληλισμό μεταξύ της επεξεργασίας δεδομένων και υπολογισμού διευθύνσεων. Η αρχιτεκτονική συγκρίνεται στην απόδοση με την αρχιτεκτονική MIPS με cache και με scratch-pad ιεραρχίες μνήμης και παρουσιάζεται η υψηλότερη απόδοσή της. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η απόδοση αυξάνεται μέχρι 3,7 φορές. Στη συνέχεια γίνεται περαιτέρω έρευνα σε αρχιτεκτονικές με Scratch-pad μνήμες. Παρουσιάζεται μια αρχιτεκτονική που είναι σε θέση να παρέχει πληροφορίες για το ακριβές περιεχόμενο δεδομένων της scratch-pad, κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης και μπορεί επίσης να εκτελέσει όλες τις απαραίτητες ενέργειες για την τοποθέτηση των νέων δεδομένων στη scratch-pad. Με αυτόν τον τρόπο, αξιοποιείται η επαναχρησιμοποίηση δεδομένων που εμφανίζεται τυχαία και δεν μπορεί να προσδιοριστεί από το μεταγλωττιστή. Συγκρίνεται με αρχιτεκτονική MIPS που περιέχει cache και με scratch-pad μνήμες και αναδεικνύεται η μεγαλύτερη απόδοσή της. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η απόδοση αυξάνεται μέχρι 5 φορές έναντι των αρχιτεκτονικών με scratch-pad και 2.5 φορές έναντι των αρχιτεκτονικών με cache. / Modern applications have indence needs in processing power in order to be executed in short time. For satisfying the time limits, there have to be generated new techniques for optimizing the designs. The object of the present thesis is about developing new compiler techniques and hardware architectures which aim to transfer data faster, from the memory hierarchy to the CPU. a) Methdology for accelerating the execution of matrix multiplications A new methodology using the standard MMM algorithm is presented, achieving improved performance by focusing on data locality (both temporal and spatial). This methodology finds the scheduling which conforms with the optimum memory management. The scheduling used for the tile level is different from the element level’s one, having better data locality, suited to the sizes of memory hierarchy. Its exploration time is short, because it searches only for the number of the level of tiling used for finding the best tile size for each cache level. Compared with the best existing related work, which we implemented, better performance up to 55% β)Methodology for increasing performance on Fast Fourier Transform (FFT) A new methodology is presented based on minimizing the memory accesses for FFT. It exploits, the production and comsumption of the FFT batterfly results and the reuse of data. The optimum scheduling solution is found taking into account the number of registers and the cache memory size. The compile time and source code size are short comparing to SOA library. The methodology performance gains are up to 63% comparing to FFTW library. γ)Ανάπτυξη Αρχιτεκτονικών για Διαχείριση Μνήμης A decoupled processors architecture with a memory hierarchy is presented consisting only of scratch–pad memories, and a main memory. This architecture exploits both the benefits of scratch-pad memories and the parallelism between address computation and application data processing. The architecture is compared in performance with the MIPS architecture with cache and with scratch-pad memory hierarchies and with the existing decoupled architectures showing its higher normalized performance. Experimental results show that the performance is increased up to 3.7 times. Continuing, more research is done on Scratch-pad memories. We present an architecture that is able to provide information about the exact data contents of scratch-pad during execution and can also do all the necessary operations for placing the new data blocks in scratch-pad. Thereby, the temporal locality which occurs randomly and can not be identified by the compiler is exploited. It is compared with the MIPS architecture with cache and with scratch-pad memories showing its higher normalized performance. Experimental results show that the performance is increased up to 5 times compared to cache architectures and 2,5 times compared to existing scratch-pad architectures.

Η ραγδαία ανάπτυξη του Παγκόσμιου Ιστού και η ταχύτατη διείσδυσή του σε κάθε έκφανση της καθημερινότητας του σύγχρονου ανθρώπου είναι έκδηλη. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας των κινητών τηλεφώνων νέας γενιάς και των αντίστοιχων δικτύων, η πρόσβαση στον Παγκόσμιο Ιστό μέσω κινητών συσκευών δεν γίνεται μόνο περιστασιακά, αλλά πολλές φορές αποτελεί τον πρωτεύοντα τρόπο πρόσβασης. Επομένως, η ανάγκη αξιοποίησης των δυνατοτήτων των κινητών τηλεφώνων και αυτών που προσφέρει το Web2.0 είναι συνεχώς αυξανόμενη. Σε αυτό το πλαίσιο, η παροχή κάθε προσφερόμενης υπηρεσίας των Συστημάτων Υποστήριξης Επιχειρηματολογίας στο Web και στις κινητές συσκευές, φαίνεται αρκετά υποσχόμενη. Αυτό μπορεί να γίνει είτε δημιουργώντας τις αντίστοιχες Mobile εφαρμογές, είτε δημιουργώντας υπηρεσίες, οι οποίες είναι απόλυτα προσβάσιμες και από τις συσκευές κινητών τηλεφώνων. Στα πλαίσια της Διπλωματικής εργασίας προσπαθήσαμε να εκμεταλλευτούμε τα πλεονεκτήματα που δίνει ένα κινητό τηλέφωνο, όσον αφορά την ευχρηστία, την ευκολία πρόσβασης και τη χρήση του Web2.0, δημιουργώντας μία Mobile εφαρμογή που παρέχει σε χρήστες κινητού τηλεφώνου, με λειτουργικό σύστημα Windows Mobile, τη δυνατότητα να συμμετέχουν σε ένα συγκεκριμένο Σύστημα Υποστήριξης Επιχειρηματολογίας, το CoPe_it!. Με αυτόν τον τρόπο επιχειρούμε να συνεισφέρουμε στην προσπάθεια διεύρυνσης των πιθανών χρήσεων του συγκεκριμένου συστήματος. Σε πρώτη φάση μελετήθηκε η εξέλιξη του Παγκόσμιου Ιστού από το Web1.0 στο Web2.0 και οι προσφερόμενες σε αυτόν υπηρεσίες. Έπειτα παρουσιάστηκε η ανάπτυξη του Κινητού Παγκόσμιου Ιστού και το πώς μέσα από τις τεχνολογικές εξελίξεις αλλά και τις καθημερινές συνήθειες του μέσου ανθρώπου, οδηγούμαστε στην ανάγκη ύπαρξης δυνατότητας μεταφοράς κάθε είδους δραστηριότητας και προσφερόμενων υπηρεσιών από το Web στο Mobile Web. Στη συνέχεια μελετήθηκαν τα Συστήματα Υποστήριξης Επιχειρηματολογίας, ξεκινώντας από την ανάλυση κάποιων βασικών εννοιών, συνεχίζοντας με τα μοντέλα διαχείρισης επιχειρημάτων και καταλήγοντας σε εμπεριστατωμένη έρευνα των αντιστοίχων ηλεκτρονικών εργαλείων υποστήριξης που είναι διαθέσιμα είτε απλά ως ηλεκτρονικές εφαρμογές, είτε ως on-line Web-based εφαρμογές. Έπειτα αποκαλύπτεται το κενό που υπάρχει στο αντίστοιχο πεδίο του Mobile Web από την έλλειψη αντίστοιχης εφαρμογής, με μοναδικό «φωτεινό» σημείο την ύπαρξη εφαρμογών παραπλήσιου ενδιαφέροντος. Τέλος, παρουσιάστηκε η όλη διαδικασία ανάπτυξης της on-line κινητής εφαρμογής, Mobile CoPe_it!, αφού προηγήθηκε εκτενής παρουσίαση του ήδη υπάρχοντος μητρικού συστήματος. / --

Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αφορά στη σχεδίαση αναλογικών ολοκληρωμένων φίλτρων χαμηλής τάσης τροφοδοσίας με χρήση καθρεπτών ρεύματος. Οι εφαρμογές της σύγχρονης τεχνολογίας επιτάσσουν τη χρήση συσκευών με όσο το δυνατόν μικρότερες διαστάσεις, χαμηλή τάση τροφοδοσίας, χαμηλή κατανάλωση ισχύος και ταυτόχρονα υψηλές επιδόσεις. Η μείωση της τάσης τροφοδοσίας θέτει αρκετές προκλήσεις στη σχεδίαση αναλογικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, καθώς οδηγεί σε μειωμένη απόδοση όσον αφορά το εύρος συχνοτήτων λειτουργίας αλλά και το επιτρεπόμενο πλάτος σημάτων που μπορούν να διαχειριστούν. Προς αυτήν την κατεύθυνση, μελετώνται και σχεδιάζονται δομές αναλογικών φίλτρων χρησιμοποιώντας καθρέπτες ρεύματος χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, οι οποίοι μπορούν να διαχειριστούν σήματα με σχετικά μεγάλη διακύμανση. Όλες οι δομές έχουν τη δυνατότητα ηλεκτρονικής ρύθμισης της συχνοτικής τους απόκρισης, μεταβάλλοντας το ρεύμα πόλωσης των καθρεπτών ρεύματος. Με αυτό τον τρόπο αντισταθμίζονται οι επιπτώσεις από τις μεταβολές των παραμέτρων κατασκευής, της τάσης τροφοδοσίας και της θερμοκρασίας. Αρχικά, προτείνονται διάφορες τοπολογίες γενικευμένων φίλτρων 2ης τάξης (universal biquads) με δυνατότητα ανεξάρτητης μεταβολής της συχνότητας και του συντελεστή ποιότητας των πόλων τους. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης ερευνητικής εργασίας κατασκευάστηκε ένα ολοκληρωμένο με την τεχνολογία AMS CMOS 0.35μm, το οποίο περιέχει δύο από τις προτεινόμενες τοπολογίες γενικευμένων φίλτρων 2ης τάξης. Τα αποτελέσματα από την πειραματική μέτρηση του ολοκληρωμένου παρουσιάζουν πολύ μικρή απόκλιση από τις προσομοιώσεις. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μια συστηματική μέθοδος σχεδίασης ενεργών κυματικών φίλτρων με κυματικούς προσαρμογείς θύρας. Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόζεται για τη σχεδίαση ενός ελλειπτικού βαθυπερατού φίλτρου 3ης τάξης με συχνότητα αποκοπής 2MHz και κυμάτωση στη ζώνη διέλευσης 0.1dB. Ακόμη, προτείνονται δύο μιγαδικά φίλτρα Butterworth 12ης τάξης για εφαρμογή σε ασύρματους δέκτες χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, τα οποία σχεδιάστηκαν με την μέθοδο Leapfrog και την τοπολογική εξομοίωση LC κλιμακωτών φίλτρων. Στα πλαίσια της παρούσας ερευνητικής εργασίας πραγματοποιήθηκε η κατασκευή ενός ακόμη ολοκληρωμένου με την τεχνολογία AMS CMOS 0.35μm, το οποίο περιέχει τις δύο προτεινόμενες τοπολογίες μιγαδικών φίλτρων. Τα αποτελέσματα από την πειραματική μέτρηση του ολοκληρωμένου έχουν πολύ μικρή απόκλιση από τις προσομοιώσεις, επιβεβαιώνοντας την ορθή λειτουργία των μιγαδικών φίλτρων και καθιστώντας τις εν λόγω τοπολογίες αξιόπιστες για χρήση σε ασύρματους δέκτες που λειτουργούν με βάση τα πρότυπα Bluetooth/ZigBee. Μια άλλη κατηγορία φίλτρων που μελετάται, είναι αναλογικά φίλτρα τα οποία υλοποιούν συναρτήσεις κυματιδίου (wavelet filters), κατάλληλα για την επεξεργασία καρδιακών σημάτων. Οι καθρέπτες ρεύματος που χρησιμοποιούνται λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα χρήσης της πολύ χαμηλής τάσης τροφοδοσίας 0.5V. Ταυτόχρονα, λόγω των μικρών ρευμάτων πόλωσης, τα φίλτρα που προκύπτουν παρουσιάζουν εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Τα αποτελέσματα από τις προσομοιώσεις καταδεικνύουν τη χρησιμότητα τους σε σύγχρονες βιοϊατρικές εφαρμογές. Τέλος, προτείνεται μια νέα τοπολογία καθρέπτη ρεύματος χαμηλής τάσης τροφοδοσίας με μεταβλητό κέρδος το οποίο ελέγχεται ηλεκτρονικά, μεταβάλλοντας τα ρεύματα πόλωσης της βαθμίδας. Η συγκεκριμένη τοπολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σχεδίαση ηλεκτρονικά ρυθμιζόμενων φίλτρων. Η ορθή λειτουργία της προτεινόμενης βαθμίδας επαληθεύεται από την πειραματική μέτρηση του αντίστοιχου ολοκληρωμένου κυκλώματος που κατασκευάστηκε με την τεχνολογία AMS CMOS 0.35μm. / This Ph.D. dissertation deals with the design of low-voltage analog integrated circuits. The technological evolution and market requirements have led to an increasing demand of low-power portable devices, featuring the reduced size and high efficiency. The supply voltage scaling sets new challenges in analog circuit design as this leads to a degraded circuit performance in terms of available bandwidth and smaller available signal swings. In this direction, novel analog filters using low-voltage high swing current mirrors are introduced. The resonant frequency of the proposed filters can be electronically controlled by modifying appropriate dc currents. Thus, any effect from process, voltage and temperature variations can be eliminated. At first, novel universal biquad filters are introduced offering the feature of orthogonal adjustment between the resonant frequency and quality factor. As part of this research work, a chip prototype containing two of the proposed universal biquad filter topologies has been fabricated using AMS 0.35μm CMOS process. The experimental results from the fabricated chip are very close to those theoretically predicted. Continuing, a new systematic method for designing high-order wave active filters employing the wave port adaptors is proposed. Attractive characteristics of the derived filters are the repeated structures and the low sensitivity in passive and active mismatches. In order to demonstrate the validity of the proposed method, a 3rd order elliptic lowpass filter with cutoff frequency at 2MHz and pass band ripple 0.1dB is designed. Furthermore, the design of two 12th Butterworth complex filters using current mirrors for low-IF receivers is discussed. The proposed topologies derived according to the Leapfrog and topological emulation techniques. As part of this work, a second prototype chip containing the two complex filters has been fabricated using AMS 0.35μm CMOS process. The experimental results from the fabricated chip demonstrate the high efficiency of the proposed topologies; thus, they can be considered as very promising counterparts for realizing filters in modern wireless systems. Moreover, novel analog wavelet filters suitable for cardiac signal analysis are introduced. The employed current mirrors are operating in subthreshold region, thus combining the operation under the low supply voltage of 0.5V and the low biasing currents. The simulation results evince their usefulness in nowadays biomedical applications. Finally, a novel scheme of a low-voltage current mirror with electronically adjustable current gain is introduced. The proposed building block is suitable for electronically controllable filters or performing signal scaling. The behavior of the proposed topology is experimentally verified through a fabricated chip.

Αντικείμενο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η σχεδίαση ενός ενισχυτή χαμηλής τάσης τροφοδοσίας για την ανίχνευση καρδιακών σημάτων σε βηματοδότες. Οι επιταγές της σύγχρονης τεχνολογίας για τα ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι η χαμηλή κατανάλωση ισχύος, η χρήση χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, η μείωση του κόστους παραγωγής, οι όλο και μικρότερες διαστάσεις των transistors και ταυτόχρονα υψηλές επιδόσεις. Η χρήση όμως της χαμηλής τάσης τροφοδοσίας αποτελεί πρόκληση από σχεδιαστικής άποψης, για την ταυτόχρονη μείωση της κατανάλωσης ισχύος χωρίς να υποβαθμίζεται η ποιότητα του σήματος. Αυτό το πρόβλημα λύνουν μέθοδοι όπως η σχεδίαση στο πεδίο του λογαρίθμου. Τα συστήματα στο πεδίο του λογαρίθμου (Log-Domain systems) αποτελούν υποκατηγορία των συστημάτων συμπίεσης – αποσυμπίεσης (companding systems) και ανήκουν στα ELIN (Externally Linear Internaly Non-linear) συστήματα. Τα πλεονεκτήματα των συστημάτων στο πεδίο του λογαρίθμου είναι η μεγάλη δυναμική περιοχή (Dynamic Range), η δυνατότητα επεξεργασίας μεγάλων σημάτων (large signal), καθώς και η λειτουργία σε περιβάλλον χαμηλής τροφοδοσίας. Υλοποιώντας φίλτρα στο πεδίο του λογαρίθμου προσφέρονται ελκυστικά χαρακτηριστικά όπως η ηλεκτρονική ρύθμιση της συχνότητας αποκοπής ή κεντρικής συχνότητας (electronic tuning) και η σχεδίαση χωρίς παθητικές αντιστάσεις (resistorless realization). Η καρδιά είναι ένα περίπλοκο σύστημα το οποίο φροντίζει για την κυκλοφορία του αίματος στο σώμα. Το έναυσμα για την εκκίνηση κάθε καρδιακού κύκλου προέρχεται από ένα ηλεκτρικό σήμα το οποίο ξεκινάει από το φλεβοκόμβο και διαδίδεται στο υπόλοιπο μυοκάρδιο, για να ξεκινήσει ένας νέος καρδιακός κύκλος. Σε ορισμένες περιπτώσεις η καρδιά δεν λειτουργεί σωστά και το ρόλο του φλεβοκόμβου έρχεται να καλύψει το ηλεκτρονικό σύστημα του βηματοδότη, το οποίο ανιχνεύει το καρδιακό σήμα και όταν κριθεί απαραίτητο εφαρμόζει την κατάλληλη θεραπεία με ηλεκτρικές ώσεις. Για την βελτίωση της ποιότητας ζωής ασθενών με καρδιακά προβλήματα ένας βηματοδότης πρέπει να έχει όσο δυνατόν μικρότερο μέγεθος και μεγαλύτερη αυτονομία. Η πρόοδος της τεχνολογίας αποζητά τη σχεδίαση ενός συστήματος ενισχυτή για την ανίχνευση καρδιακών σημάτων πλέον ικανό να ανταπεξέλθει στη χαμηλή τάση τροφοδοσίας και να έχει μεγάλη αυτονομία λειτουργίας για την εισαγωγή του π.χ. σε ένα βηματοδότη. Το σύστημα που προτείνεται σε αυτή τη Διπλωματική Εργασία έχει ως σκοπό να εκπληρώσει τις ανάγκες αυτές χρησιμοποιώντας κυκλώματα τα οποία μπορούν να λειτουργήσουν σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας και ταυτόχρονα να μειώνουν την κατανάλωση ισχύος. Η υλοποίηση των κυκλωμάτων μόνο με CMOS transistors στην περιοχή υποκατωφλίου, εκτός του γεγονότος ότι μειώνει το κόστος παραγωγής καθώς δεν χρησιμοποιούνται BJT transistors, προσφέρει λόγω της τεχνικής σχεδίασης στο πεδίο του λογαρίθμου και μεγάλη δυναμική περιοχή. Για την τεχνολογία 0.35μm της AMS επιτυγχάνεται λειτουργία σε περιβάλλον με 0.5V τάση τροφοδοσίας και κατανάλωση ισχύος της τάξης των 2.92nW. Ο ενισχυτής για την ανίχνευση καρδιακών σημάτων που προτείνεται, περιλαμβάνει ένα ζωνοπερατό φίλτρο σχεδιασμένο στο πεδίο του λογαρίθμου και τα κυκλώματα απόλυτης τιμής, μετατροπής της ενεργής τιμής σήματος σε σταθερό ρεύμα και συγκριτή ρεύματος. / This M.Sc Thesis deals with the design of a low voltage cardiac sense amplifier for pacemakers. The demands of modern technology for integrated circuits are low power consumption, ultra low power supply voltage, reduction of the production cost and high performance. Due to the fact that the use of low power supply voltage is a design challenge, the employment of the Log-Domain filter technique is an attractive solution for realizing high-performance analog processing systems. Log-Domain systems are a sub-category of compading (compressing/expanding) systems and belong to ELIN (Externally Linear Internaly Non-linear) systems. The advantages of Log-Domain systems are large dynamic range, handling of signals with relatively large amplitude, realization in a low-voltage environment, electronic tuning of their frequency characteristics and resistorless realizations. The heart is a complex system that takes care of blood circulation for the whole body. The trigger to commence the cardiac cycle is an electric signal which starts from the sinus node and expands to the rest of the myocardium in order for a new cardiac cycle to set off. In some cases, the heart does not function properly and the role of the sinus node is taken by a pacemaker, who senses the cardiac signal and when it is judged, it cures the problem with an electric pulse. In order to improve the patient’s quality of life a pacemaker has to be small in size and a prolonged battery life. Technological evolution and market demands have led to a demand for a design of a cardiac sense amplifier capable of coping with low power supply voltage and long battery life. The proposed system of this M.Sc thesis is meant to fulfill these needs by using circuits capable of functioning in a low power supply voltage environment as well as reducing power consumption. Implementing those circuits solely with CMOS transistors in the sub -threshold region, not only does it reduce the production cost since no BJT transistors are used but also it offers a large dynamic range due to the design of the circuits. For the AMS 0.35μ CMOS process of by the system functions for a power supply voltage of 0.5V while it dissipates 2.92nW. The proposed cardiac sense amplifier consists of a bandpass Log-Domain filter and circuits like an absolute value circuit, an rms-dc current converter circuit and a current comparator, which were carefully designed in order to follow the demands of modern technology and achieve the goal of low power dissipation.