Το 1987 στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών και συγκεκριμένα στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών, στα πλαίσια εκπαιδευτικών και ερευνητικών σκοπών, εγκαταστάθηκε ένα πλήρες αυτοματοποιημένο σύστημα παράγωγης και παροχής ηλεκτρικών τάσεων. Το σύστημα εξελίχθηκε, κατασκευάστηκε και τοποθετήθηκε από την εταιρεία Α.S.E.A-A.B.B.. Σκοπός του συστήματος ήταν η παροχή 10 διαφορετικών τύπων τάσεων σε 15 συγκεκριμένες θέσεις εργασίας στο χώρο του Εργαστηρίου. Το Σύστημα ήταν πλήρως αυτοματοποιημένο, καθώς χρησιμοποιήθηκε Προγραμματιζόμενος Λογικός Ελεγκτής (P.L.C.), που ήταν επιφορτισμένος με τον έλεγχο, την εποπτεία και τη διαχείριση του Συστήματος. Επίσης υπήρχε Προσωπικός Ηλεκτρονικός Υπολογιστής άμεσα συνδεδεμένος στο σύστημα, μέσω του οποίου ο διαχειριστής του μπορούσε να παρακολουθεί, να διαχειρίζεται και να διανέμει τον κάθε τύπο από τις προσφερόμενες παροχές . Δυστυχώς, το σύστημα με την πάροδο του χρόνου εμφάνισε βασικά λειτουργικά προβλήματα, με αποτέλεσμα να μειωθεί δραστικά ο αριθμός των παρεχόμενων τύπων τάσεων, αλλά και η ικανότητα διαχείρισης και διανομής αυτών που παρέχονταν. Πιο συγκεκριμένα, το τμήμα τoυ Προγραμματιζόμενoυ Λογικού Ελεγκτή (P.L.C.) και του συνδεδεμένου Η/Υ του συστήματος ουσιαστικά και πρακτικά είχε τεθεί πλέον πλήρως εκτός λειτουργίας. Η διαχείριση και διανομή των όσων παροχών διατίθενται ακόμη γίνεται με τη χρήση κλασσικών διακοπτών σε μια κονσόλα, που έχει κατασκευαστεί ξεχωριστά και έχει ενσωματωθεί στο αρχικό σύστημα. Αποτέλεσμα αυτού ήταν η μείωση των τύπων τάσεων που παρέχονται, όπως προαναφέραμε , αλλά και η παντελής έλλειψη ελέγχου και εποπτείας της λειτουργίας του συστήματος. Στόχος και σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η λύση των προβλημάτων του προαναφερθέντος συστήματος με τελικό αποτέλεσμα την κανονική και ομαλή λειτουργία του. Η λύση που προτείνεται είναι η υλοποίηση και η ενσωμάτωση ενός σύγχρονου δικτύου αυτοματισμού με τη χρήση σύγχρονων P.L.C. καθώς και η ενσωμάτωση ενός συστήματος εποπτικού και διαχειριστικού ελέγχου, λογισμικό τύπου SCADΑ. Στην παρούσα διπλωματική εργασία υπάρχει πλήρης περιγραφή και ανάλυση του συστήματος. Αναλύονται διεξοδικά, τόσο ο τρόπος παραγωγής των τάσεων με τα αντίστοιχα κυκλώματα ισχύος, όσο και ο τρόπος διανομής και διαχείρισης αυτών με τα αντίστοιχα κυκλώματα αυτοματισμού. Εμπεριέχονται εκτενείς αναφορές στα σύγχρονα P.L.C., στον τρόπο λειτουργίας και προγραμματισμού τους καθώς και στον τρόπο με τον οποίο είναι δυνατό να ενσωματωθούν και να λειτουργήσουν στο υπάρχον σύστημα. Επίσης μελετάται ο τρόπος με τον οποίο θα δημιουργηθεί και θα υλοποιηθεί το παραπάνω δίκτυο αυτοματισμού με τη χρήση των P.L.C. και με την παρουσία του εποπτικού συστήματος SCADA. Τέλος δίδονται συγκεκριμένες απαντήσεις τόσο για τον τύπο και το μοντέλο των P.L.C., που είναι απαραίτητα για την υλοποίηση, όσο και για το τον τύπο και τον τρόπο χρήσης του απαραίτητου πακέτου λογισμικού SCADA. / -

Η περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων (RF) για σχεδίαση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων για τηλεπικοινωνιακά συστήματα αποτελεί ένα χώρο έντονης ερευνητικής δραστηριότητας. Το πρότυπο υπερευρείας ζώνης με την ονομασία Ultra Wideband (UWB), που καταλαμβάνει συχνότητες από 3.1-10.6 GHz, αποτέλεσε αντικείμενο της παρούσης έρευνας με σκοπό την σχεδίαση, κατασκευή και μέτρηση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με έμφαση στα κυκλώματα του μπροστινού τμήματος του UWB δέκτη. Η κατανόηση της λειτουργίας του πομποδέκτη και των παραμέτρων λειτουργίας σε επίπεδο συστήματος αποτέλεσε την αρχική προσέγγιση, με σκοπό τον καθορισμό των προδιαγραφών λειτουργίας των πιο κρίσιμων στοιχείων. Η ανάλυση έλαβε χώρα τόσο σε θεωρητικό επίπεδο όσο και σε επίπεδο εξομοίωσης και τα ηλεκτρονικά στοιχεία των υψηλών συχνοτήτων όπως είναι ο ενισχυτής χαμηλού θορύβου (Low Noise Amplifier - LNA) καθώς και ο μίκτης είναι τα πιο απαιτητικά στη σχεδίαση. Η έρευνα επικεντρώθηκε αρχικά στο κύκλωμα του ενισχυτή χαμηλού θορύβου , το οποίο ευρισκόμενο αμέσως μετά την κεραία λήψης, καλείται να ικανοποιήσει πολλές και αντικρουόμενες μεταξύ τους απαιτήσεις όσον αφορά το εύρος ζώνης, το κέρδος, την κατανάλωση ενέργειας και επιφανείας πυριτίου και το θόρυβο. Στα πλαίσια της μελέτης εξερευνήθηκαν και αξιολογήθηκαν οι υφιστάμενες τοπολογίες που έχουν εμφανιστεί στη βιβλιογραφία και επιλέχθηκαν δύο από αυτές για περεταίρω διερεύνηση. Το πρώτο ολοκληρωμένο που κατασκευάστηκε περιλαμβάνει τρεις ενισχυτές, οι δύο από αυτούς χρησιμοποιούν την τοπολογία κοινής πηγής με φίλτρο εισόδου και πηνίο στην πηγή (inductive source degeneration) και διαφέρουν στον τρόπο μέτρησης, όπου ο ένας ενισχυτής μετράται πάνω στο ολοκληρωμένο (on-wafer probing) και ο έτερος τοποθετείται σε πλακέτα (chip on board). Με τον τρόπο αυτό αποκτάται διαίσθηση όσον αφορά την επίδραση των παρασιτικών που υπεισέρχονται εξαιτίας των διασυνδέσεων των αγωγών (bondwires) μεταξύ ολοκληρωμένου και πλακέτας. Ταυτόχρονα για τον συγκεκριμένο ενισχυτή εφαρμόζεται και στρατηγική προστασίας από ηλεκτροστατικά φορτία (ESD). Ο τρίτος ενισχυτής βασίζεται στην τοπολογία ανάδρασης και αποτέλεσε προϊόν πρωτότυπης έρευνας και χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές διεύρυνσης του εύρους ζώνης λειτουργίας με χρήση επαγωγικών στοιχείων. Οι μετρήσεις που επακολούθησαν την κατασκευή αποδείχθηκαν επιτυχείς και κατά κανόνα υπήρξε σύγκλιση με την εξομοίωση. Ο τρίτος ενισχυτής παρουσιάζει την πιο ανταγωνιστική απόδοση και είναι ικανός να λειτουργήσει μέχρι τα 7GHz. Επακόλουθο της κυκλωματικής μελέτης των ενισχυτών χαμηλού θορύβου υπήρξε η εστίαση σε επίπεδο συστήματος για την κατασκευή του συνολικού RF τμήματος του δέκτη σε ολοκληρωμένο και για λειτουργία μέχρι τα 10.6GHz. Το σύστημα περιλαμβάνει τον LNA της τοπολογίας με ανάδραση και στη συνέχεια δύο πανομοιότυπα μονοπάτια αποτελούμενα το καθένα από μίκτη, υψιπερατό φίλτρο και απομονωτή εξόδου στα 50 Ω για τις ανάγκες της μέτρησης. Ως κύριες προκλήσεις ανέκυψαν ο σχεδιασμός του μίκτη και κυρίως της διεπαφής με τον LNA, ο οποίος παρέχει σήμα μονής εξόδου ενώ ο μίκτης λειτουργεί διαφορικά. Στα πλαίσια της διατριβής προτάθηκε μια τεχνική για κύκλωμα μετατροπής μονού σε διαφορικό σήμα (balun), η οποία συνδυαζόμενη με την τοπολογία του μίκτη που επελέγη, ουσιαστικά ενσωματώνεται στο μίκτη και παρέχει διαφορικά σήματα με πολύ καλή ακρίβεια στο πλάτος και τη φάση. Το balun βασίζεται στην τοπολογία του διαφορικού ζεύγους και επεκτείνει πάνω σε αυτήν με χρήση πηνίου που στο κέντρο του παρέχει έναν τρίτο ακροδέκτη διασύνδεσης στην τροφοδοσία. Καταυτόν τον τρόπο λαμβάνει χώρα σύζευξη μεταξύ των φορτίων του balun που εγγυάται την ακρίβεια των μεγεθών που προαναφέρθηκαν. Η τεχνική υποστηρίζεται από ενδελεχή μαθηματική ανάλυση και παρουσιάζονται συγκρίσεις μεταξύ θεωρίας και εξομοίωσης με σύγκλιση μεταξύ των. Ο μίκτης που κατέληξε η έρευνα ανήκει στην κατηγορία της συνδεσμολογίας folded cascode. Δεδομένων επίσης των περιορισμών που υπήρχαν στον εξοπλισμό μέτρησης εφαρμόστηκαν τεχνικές με πιο σημαντική την τροφοδότηση των σημάτων ταλαντωτή τα οποία εσωτερικά του ολοκληρωμένου μετατρέπονται σε διαφορικά και καθοδηγούνται για αποφυγή ασυμμετριών σε ισομήκης μεταλλικές γραμμές μεταφοράς. Σε όλα τα κρίσιμα σημεία έχει προβλεφτεί στρατηγική θωράκισης των υψίσυχνων σημάτων ενώ η τοποθέτηση ενός πολύ μεγάλου αριθμού στοιχείων στο πυρίτιο υπήρξε προϊόν συγκερασμού διαφορετικών απαιτήσεων στη χωροταξία τους με πολυάριθμες τεχνικές και εμπειρικούς κανόνες να έχουν εφαρμοστεί. Η τελική προτεινόμενη αρχιτεκτονική τύπου άμεσης μετατροπής παρόλα τα σχεδιαστικά ρίσκα που είχαν ληφθεί, λειτούργησε επιτυχώς μέχρι και τα 8.5GHz επισφραγίζοντας την συνολική προσπάθεια. / The domain of RF engineering for electronic circuits, targeting the application of telecommunication systems, constitutes a field of intense research activities. The UWB protocol that occupies a frequency spectrum between 3.1 and 10.6 GHz is the subject of the current work which aims to the design, fabrication and measurement of electronic circuits with emphasis put on the receiver’s RF front end. The initial focus of the research work targets the Low Noise Amplifier (LNA) circuit, a demanding and challenging circuit that being at the very front of the receiver’s chain, has to compromise among different and contradictory requirements, namely the extended bandwidth, the gain, the power and chip area consumption and the noise performance. Existing topologies in the literature were explored and classified and two among them were selected for further research. The first fabricated chip includes three LNAs, two of which apply the common source topology with input bandpass filter and inductive source degeneration and their difference lies in the measurement method. One amplifier is measured on wafer while the other is mounted on board. That way, intuition is acquired regarding the effect of the bondwires that act as the interface between the chip and the board. At the same time, ESD protection strategy is applied as the chip is more vulnerable to static currents. The third LNA is based on the feedback topology and constitutes a work of novelty, where bandwidth extension techniques were applied, comprising of inductive elements. The following measurement procedure was successful indicating an upper frequency of operation for the feedback LNA up to 7GHz. The focus of the work after the LNAs was shifted to system level for the implementation of the total RF front end of the receiver up to 10.6GHz. The system comprises an improved version of the feedback LNA followed by two identical paths, each one consisting of a mixer, a high pass filter and an output buffer at 50 Ohm for measurement purpose. The challenges that are mostly highlighted are the mixer design in conjunction with the necessary balun interface from the single ended output of the LNA to the differential mixer. A novel technique is proposed for the balun that builds on the differential pair topology and provides coupling between the load elements that both are implemented with a center tapped inductor. That way the designed balun achieves balanced outputs in terms of amplitude and phase. The technique is supported by mathematical analysis and the comparison between computed and simulated results show convergence. The resulting mixer that includes the balun belongs to the folded cascode differential connection. Moreover, given the limitations of the available measurement equipment, several layout techniques were applied; particularly in the issue of the external LO signal feeding. The two quadrature LO signals are provided in single ended form and traverse the chip by two equal length transmission lines that are separated at the center of the chip and reach the on chip single to differential converters that are placed close to the mixers. In every critical point, care is taken to shield the high frequency signals from interferences. In any case, the placing of a high number of individual elements that have different requirements on the same chip requires for compromises, while layout techniques and rules of thumb have been applied to the maximum extend. The final proposed architecture belongs to the direct conversion category and worked successfully up to the frequency of 8.5GHz. It achieves gain of 25dB, double sideband noise figure of 7dB and power consumption of 62.7 mW.

Στη Διδακτορική Διατριβή αναλύονται ζητήματα που αφορούν την ασύρματη μετάδοση καθώς και την απευθείας εκπομπή ψηφιακών ηχητικών σημάτων με σκοπό την βελτιστοποίηση των τεχνικών αυτών. Ως προς τo σκέλος της ασύρματης μετάδοσης, η διατριβή εστιάστηκε σε δίκτυο WLAN με υποστήριξη QoS. Για την μελέτη του συστήματος διεξήχθησαν δοκιμές χρησιμοποιώντας πρωτότυπη πλατφόρμα που επιτρέπει την μετατροπή ηχητικών ροών για την εισαγωγή τους και εξαγωγή τους σε εφαρμογή εξομοίωσης δικτύου ώστε να αξιολογηθεί η πιστότητα ηχητικής αναπαραγωγής. Η ανάλυση του συστήματος οδήγησε στην ανάπτυξη πρωτότυπης τεχνικής για τον συγχρονισμό διακριτών καναλιών αναπαραγωγής, που μπορεί να εφαρμοστεί με χρήση τυπικού υλικού WLAN καθώς και πρωτότυπου αλγορίθμου για την συγκάλυψη ακουστών παραμορφώσεων που ενδεχομένως εισάγονται κατά τη μετάδοση. Επίσης, στη διατριβή εισάγονται αποτελέσματα με νέες μεθόδους που σχετίζονται με τη μελέτη Μοναδιαίων Συστοιχιών Ψηφιακής Εκπομπής που οδηγούνται από σήμα Σίγμα-Δέλτα ενός ψηφίου, όπως στο πρότυπο DSD. Η προσέγγιση βασίζεται σε πρωτότυπο αλγόριθμο αντιστοίχησης ροής ενός ψηφίου σε στοιχεία ακουστικής εκπομπής και παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα, ως προς την επιτυγχανόμενη πιστότητα και κατευθυντικότητα, όσο και στην δυνατότητα υλοποίησης. Ο σχεδιασμός και η λειτουργία πρωτοτύπου ψηφιακού ηχείου Σίγμα-Δέλτα τεκμηριώνουν τη θεωρητική ανάλυση ενώ οι μετρήσεις που ελήφθησαν από την κατασκευή βρίσκονται σε αντιστοιχία με τις αναμενόμενες από αντίστοιχες εξομοιώσεις, αλλά διάφοροι πρακτικοί περιορισμοί οδηγούν σε ηχητική πιστότητα κατώτερη της αναμενόμενης. / The dissertation analyzes issues concerning the wireless transmission and the direct emission of digital audio signals, in order to optimize these techniques. Regarding the wireless transmission, the dissertation focuses on the WLAN family of networks, supporting QoS. In order to study the system, trials were conducted using a novel platform that allows the conversion of audio streams for them to be imported an exported from a network simulation application, facilitating the final audio playback fidelity estimation. The above analysis led to the development of a prototype technique for the synchronization of discreet reproduction channels that can be implemented using typical WLAN hardware, as well as a prototype algorithm for concealing audible distortion that might be added during the transmission. Moreover, results using new methods relating to the study of Unary Digital Transmission Arrays driven by one-bit Delta-Sigma signals, as in the DSD standard, are introduced in the dissertation. The approach is based on a prototype algorithm for mapping a one-bit stream to the acoustic transmission elements and exhibits important advantages, namely increased fidelity and improved directivity, as well as ease of implementation. The design and operation of the prototype digital Delta-Sigma speaker substantiates the theoretical analysis, while the measurements obtained from the device are in accordance with what expected from respective simulations. However, various practical limitations lead to lower than expected acoustic fidelity.

Τα παραγόμενα πρωτογενή ηλεκτρόνια εντός του φωτοαγώγιμου υλικού ενός μαστογραφικού ανιχνευτή ενεργού μήτρας άμεσης μετατροπής κατά την ακτινοβόληση, αποτελούν το πρωτογενές σήμα το οποίο προχωρώντας σχηματίζει το τελικό σήμα (εικόνα). Έτσι, η ποιότητα της μαστογραφικής εικόνας εξαρτάται άμεσα από τα χαρακτηριστικά των πρωτογενών ηλεκτρονίων. Ερευνώνται οι διαδικασίες σχηματισμού του πρωτογενούς σήματος και τα χαρακτηριστικά των πρωτογενών ηλεκτρονίων σε κατάλληλα φωτοαγώγιμα υλικά, όπως τα a-Se, a-As2Se3, GaSe, GaAs, Ge, CdTe, CdZnTe, Cd0.8Zn0.2Te, ZnTe, PbO, TlBr, PbI2 και HgI2, με την ανάπτυξη μοντέλου προσομοίωσης με τεχνικές Monte Carlo της παραγωγής των πρωτογενών ηλεκτρονίων για διάφορα φάσματα ακτίνων Χ στο μαστογραφικό εύρος ενεργειών. Το μοντέλο προσομοιώνει την αλληλεπίδραση φωτονίων-ύλης και την ατομική αποδιέγερση. Επιπρόσθετα, ειδικότερα για το a-Se, πραγματοποιείται μία προκαταρτική μελέτη της συσχέτισης των χαρακτηριστικών αρχικού και τελικού σήματος, με επίλυση των εξισώσεων του Νεύτωνα για την ολίσθηση των πρωτογενών ηλεκτρονίων στο κενό υπό την επίδραση ενός απλού ηλεκτρικού πεδίου. Για το ίδιο υλικό, αναπτύσσεται αφενός μεν αλγόριθμος υπολογισμού της κατανομής του ηλεκτρικού δυναμικού εντός του ανιχνευτή με χρήση υπάρχουσας αναλυτικής λύσης αφετέρου δε ένα πρωταρχικό μοντέλο Monte Carlo για τις ηλεκτρονιακές αλληλεπιδράσεις. Τα σημαντικότερα ευρήματα είναι: (i) το ποσοστό των πρωτογενών ηλεκτρονίων που εκπέμπονται εμπρόσθια είναι περίπου 60 % με την πιθανότερη πολική γωνία εκπομπής μεταξύ 50ο και 70ο, (ii) τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται σε δύο λοβούς γύρω από τις αζιμουθιακές γωνίες φ=0 και π, (iii) περίπου το 80 % των πρωτογενών ηλεκτρονίων παράγεται στο σημείο πρόσπτωσης των ακτίνων Χ ενώ η πλειονότητά τους παράγεται εντός των πρώτων 300 μm από την επιφάνεια του ανιχνευτή, (iv) οι χωρικές κατανομές των ηλεκτρονίων στα a-Se, a-As2Se3, GaSe, GaAs, Ge, PbO και TlBr είναι σχεδόν ανεξάρτητες του μαστογραφικού φάσματος ενώ στα υπόλοιπα υλικά παρουσιάζουν φασματική εξάρτηση, (v) για το πρακτικό μαστογραφικό εύρος (15-40 keV) και στο πρωταρχικό στάδιο της δημιουργίας του σήματος τα a-Se, a-As2Se3 και Ge έχουν την ελάχιστη αζιμουθιακή ομοιομορφία κατά την εκπομπή των ηλεκτρονίων ενώ τα CdZnTe, Cd0.8Zn0.2Te και CdTe τη μέγιστη, το a-Se παρουσιάζει την καλύτερη ενδογενή χωρική διακριτική ικανότητα αλλά το μικρότερο παραγόμενο αριθμό ηλεκτρονίων, το PbO παρουσιάζει το ελάχιστο χώρο παραγωγής πρωτογενών ηλεκτρονίων (ακτίνας R=200 μm, βάθους Dmax=320 μm), ενώ το CdTe το μέγιστο (R=500 μm, Dmax=660 μm), (vi) τέλος, υπάρχουν σημαντικές ενδείξεις ότι τα PbI2 και HgI2 αποτελούν τις καλύτερες επιλογές φωτοαγώγιμου υλικού. / The x-ray induced primary electrons inside the photoconductor of direct conversion digital flat panel mammographic detectors, comprise the primary signal which propagates in the material and forms the final signal (image). Consequently, the quality of the mammographic image strongly depends on the characteristics of primary electrons. An investigation is made concerning the primary signal formation and the characteristics of primary electrons inside a-Se, a-As2Se3, GaSe, GaAs, Ge, CdTe, CdZnTe, Cd0.8Zn0.2Te, ZnTe, PbO, TlBr, PbI2 and HgI2, which are suitable photoconductors for direct detectors. A Monte Carlo model has been developed that simulates the primary electron production inside the materials mentioned for various x-ray spectra in the mammographic energy range. The model simulates the photon interactions and the atomic deexcitations. Furthermore, particularly for a-Se, a preliminary study is made concerning the correlation between the characteristics of primary and final signal, solving Newton’s equations of electron drifting in vacuum under the influence of a simple electric field. For the same material, an algorithm that calculates the electric potential distribution inside the detector from an existing analytical solution has been developed as well as a primitive Monte Carlo model for electron interactions. The most important findings are: (i) the percentage of primary electrons being forwards ejected is approximately 60 % with the most probable polar angles ranging from 50o to 70o, (ii) the electrons prefer to be emitted at two lobes around azimuthal angles φ=0 and π, (iii) approximately 80% of primary electrons are produced at the point of x-ray incidence whereas their majority is produced within the first 300 μm from detector’s surface, (iv) the electron spatial distributions for a-Se, a-As2Se3, GaSe, GaAs, Ge, PbO and TlBr are almost spectral independent while for the rest of materials there is a spectral dependence, (v) at the practical mammographic energies (15-40 keV) and at the primitive stage of signal formation a-Se, a-As2Se3 and Ge have the minimum azimuthal uniformity in electron emission whereas CdZnTe, Cd0.8Zn0.2Te and CdTe the maximum one, a-Se has the best inherent spatial resolution but the minimum number of primary electrons, PbO has the minimum bulk space in which electrons can be produced (radius R=200 μm, depth Dmax=320 μm) whereas CdTe has the maximum one (R=500 μm, Dmax=660 μm), (vi) finally, there is strong evidence indicating that PbI2 and HgI2 could be the best choices for this kind of applications.