Design of improved rail-to-rail low-distortion and low-stress switches in advanced CMOS technologies

This paper describes the efficient design of an improved and dedicated switched-capacitor (SC) circuit capable of linearizing CMOS switches to allow SC circuits to reach low distortion levels. The described circuit (SC linearization control circuit, SLC) has the advantage over conventional clock-bootstrapping circuits of exhibiting low-stress, since large gate voltages are avoided. This paper presents exhaustive corner simulation results of a SC sample-and-hold (S/H) circuit which employs the proposed and optimized circuits, together with the experimental evaluation of a complete 10-bit ADC utilizing the referred S/H circuit. These results show that the SLC circuits can reduce distortion and increase dynamic linearity above 12 bits for wide input signal bandwidths.

Optimal design of piezolaminated structures using B-spline strip finite element models

A package of B-spline finite strip models is developed for the linear analysis of piezolaminated plates and shells. This package is associated to a global optimization technique in order to enhance the performance of these types of structures, subjected to various types of objective functions and/or constraints, with discrete and continuous design variables. The models considered are based on a higher-order displacement field and one can apply them to the static, free vibration and buckling analyses of laminated adaptive structures with arbitrary lay-ups, loading and boundary conditions. Genetic algorithms, with either binary or floating point encoding of design variables, were considered to find optimal locations of piezoelectric actuators as well as to determine the best voltages applied to them in order to obtain a desired structure shape. These models provide an overall economy of computing effort for static and vibration problems.

Application of neural networks for pavement evaluation

As vias de comunicação são indispensáveis para o desenvolvimento de uma nação, económica e socialmente. Num mundo globalizado, onde tudo deve chegar ao seu destino no menor espaço de tempo, as vias de comunicação assumem um papel vital. Assim, torna-se essencial construir e manter uma rede de transportes eficiente. Apesar de não ser o método mais eficiente, o transporte rodoviário é muitas vezes o mais económico e possibilita o transporte porta-a-porta, sendo em muitos casos o único meio de transporte possível. Por estas razões, o modo rodoviário tem uma quota significativa no mercado dos transportes, seja de passageiros ou mercadorias, tornando-o extremamente importante na rede de transportes de um país. Os países europeus fizeram um grande investimento na criação de extensas redes de estradas, cobrindo quase todo o seu território. Neste momento, começa-se a atingir o ponto onde a principal preocu+ação das entidades gestoras de estradas deixa de ser a construção de novas vias, passando a focar-se na necessidade de manutenção e conservação das vias existentes. Os pavimentos rodoviários, como todas as outras construções, requerem manutenção de forma a garantir bons níveis de serviço com qualidade, conforto e segurança. Devido aos custos inerentes às operações de manutenção de pavimentos, estas devem rigorosamente e com base em critérios científicos bem definidos. Assim, pretende-se evitar intervenções desnecessárias, mas também impedir que os danos se tornem irreparáveis e economicamente prejudiciais, com repercussões na segurança dos utilizadores. Para se estimar a vida útil de um pavimento é essencial realizar primeiro a caracterização estrutural do mesmo. Para isso, torna-se necessário conhecer o tipo de estrutura de um pavimento, nomeadamente a espessura e o módulo de elasticidade constituintes. A utilização de métodos de ensaio não destrutivos é cada vez mais reconhecida como uma forma eficaz para obter informações sobre o comportamento estrutural de pavimentos. Para efectuar estes ensaios, existem vários equipamentos. No entanto, dois deles, o Deflectómetro de Impacto e o Radar de Prospecção, têm demonstrado ser particularmente eficientes para avaliação da capacidade de carga de um pavimento, sendo estes equipamentos utilizados no âmbito deste estudo. Assim, para realização de ensaios de carga em pavimentos, o equipamento Deflectómetro de Impacto tem sido utilizado com sucesso para medir as deflexões à superfície de um pavimento em pontos pré-determinados quando sujeito a uma carga normalizada de forma a simular o efeito da passagem da roda de um camião. Complementarmente, para a obtenção de informações contínuas sobre a estrutura de um pavimento, o equipamento Radar de Prospecção permite conhecer o número de camadas e as suas espessuras através da utilização de ondas electromagnéticas. Os dados proporcionam, quando usados em conjunto com a realização de sondagens à rotação e poços em alguns locais, permitem uma caracterização mais precisa da condição estrutural de um pavimento e o estabelecimento de modelos de resposta, no caso de pavimentos existentes. Por outro lado, o processamento dos dados obtidos durante os ensaios “in situ” revela-se uma tarefa morosa e complexa. Actualmente, utilizando as espessuras das camadas do pavimento, os módulos de elasticidade das camadas são calculados através da “retro-análise” da bacia de deflexões medida nos ensaios de carga. Este método é iterativo, sendo que um engenheiro experiente testa várias estruturas diferentes de pavimento, até se obter uma estrutura cuja resposta seja o mais próximo possível da obtida durante os ensaios “in Situ”. Esta tarefa revela-se muito dependente da experiência do engenheiro, uma vez que as estruturas de pavimento a serem testadas maioritariamente do seu raciocínio. Outra desvantagem deste método é o facto de apresentar soluções múltiplas, dado que diferentes estruturas podem apresentar modelos de resposta iguais. A solução aceite é, muitas vezes, a que se julga mais provável, baseando-se novamente no raciocínio e experiência do engenheiro. A solução para o problema da enorme quantidade de dados a processar e das múltiplas soluções possíveis poderá ser a utilização de Redes Neuronais Artificiais (RNA) para auxiliar esta tarefa. As redes neuronais são elementos computacionais virtuais, cujo funcionamento é inspirado na forma como os sistemas nervosos biológicos, como o cérebro, processam a informação. Estes elementos são compostos por uma série de camadas, que por sua vez são compostas por neurónios. Durante a transmissão da informação entre neurónios, esta é modificada pela aplicação de um coeficiente, denominado “peso”. As redes neuronais apresentam uma habilidade muito útil, uma vez que são capazes de mapear uma função sem conhecer a sua fórmula matemática. Esta habilidade é utilizada em vários campos científicos como o reconhecimento de padrões, classificação ou compactação de dados. De forma a possibilitar o uso desta característica, a rede deverá ser devidamente “treinada” antes, processo realizado através da introdução de dois conjuntos de dados: os valores de entrada e os valores de saída pretendidos. Através de um processo cíclico de propagação da informação através das ligações entre neurónios, as redes ajustam-se gradualmente, apresentando melhores resultados. Apesar de existirem vários tipos de redes, as que aparentam ser as mais aptas para esta tarefa são as redes de retro-propagação. Estas possuem uma característica importante, nomeadamente o treino denominado “treino supervisionado”. Devido a este método de treino, as redes funcionam dentro da gama de variação dos dados fornecidos para o “treino” e, consequentemente, os resultados calculados também se encontram dentro da mesma gama, impedindo o aparecimento de soluções matemáticas com impossibilidade prática. De forma a tornar esta tarefa ainda mais simples, foi desenvolvido um programa de computador, NNPav, utilizando as RNA como parte integrante do seu processo de cálculo. O objectivo é tornar o processo de “retro-análise” totalmente automático e prevenir erros induzidos pela falta de experiência do utilizador. De forma a expandir ainda mais as funcionalidades do programa, foi implementado um processo de cálculo que realiza uma estimativa da capacidade de carga e da vida útil restante do pavimento, recorrendo a dois critérios de ruína. Estes critérios são normalmente utilizados no dimensionamento de pavimentos, de forma a prevenir o fendilhamento por fadiga e as deformações permanentes. Desta forma, o programa criado permite a estimativa da vida útil restante de um pavimento de forma eficiente, directamente a partir das deflexões e espessuras das camadas, medidas nos ensaios “in situ”. Todos os passos da caracterização estrutural do pavimento são efectuados pelo NNPav, seja recorrendo à utilização de redes neuronais ou a processos de cálculo matemático, incluindo a correcção do módulo de elasticidade da camada de misturas betuminosas para a temperatura de projecto e considerando as características de tráfego e taxas de crescimento do mesmo. Os testes efectuados às redes neuronais revelaram que foram alcançados resultados satisfatórios. Os níveis de erros na utilização de redes neuronais são semelhantes aos obtidos usando modelos de camadas linear-elásticas, excepto para o cálculo da vida útil com base num dos critérios, onde os erros obtidos foram mais altos. No entanto, este processo revela-se bastante mais rápido e possibilita o processamento dos dados por pessoal com menos experiência. Ao mesmo tempo, foi assegurado que nos ficheiros de resultados é possível analisar todos os dados calculados pelo programa, em várias fases de processamento de forma a permitir a análise detalhada dos mesmos. A possibilidade de estimar a capacidade de carga e a vida útil restante de um pavimento, contempladas no programa desenvolvido, representam também ferramentas importantes. Basicamente, o NNPav permite uma análise estrutural completa de um pavimento, estimando a sua vida útil com base nos ensaios de campo realizados pelo Deflectómetro de Impacto e pelo Radar de Prospecção, num único passo. Complementarmente, foi ainda desenvolvido e implementado no NNPav um módulo destinado ao dimensionamento de pavimentos novos. Este módulo permite que, dado um conjunto de estruturas de pavimento possíveis, seja estimada a capacidade de carga e a vida útil daquele pavimento. Este facto permite a análise de uma grande quantidade de estruturas de pavimento, e a fácil comparação dos resultados no ficheiro exportado. Apesar dos resultados obtidos neste trabalho serem bastante satisfatórios, os desenvolvimentos futuros na aplicação de Redes Neuronais na avaliação de pavimentos são ainda mais promissores. Uma vez que este trabalho foi limitado a uma moldura temporal inerente a um trabalho académico, a possibilidade de melhorar ainda mais a resposta das RNA fica em aberto. Apesar dos vários testes realizados às redes, de forma a obter as arquitecturas que apresentassem melhores resultados, as arquitecturas possíveis são virtualmente ilimitadas e pode ser uma área a aprofundar. As funcionalidades implementadas no programa foram as possíveis, dentro da moldura temporal referida, mas existem muitas funcionalidades a serem adicinadas ou expandidas, aumentando a funcionalidade do programa e a sua produtividade. Uma vez que esta é uma ferramenta que pode ser aplicada ao nível de gestão de redes rodoviárias, seria necessário estudar e desenvolver redes similares de forma a avaliar outros tipos de estruturas de pavimentos. Como conclusão final, apesar dos vários aspectos que podem, e devem ser melhorados, o programa desenvolvido provou ser uma ferramenta bastante útil e eficiente na avaliação estrutural de pavimentos com base em métodos de ensaio não destrutivos.

Design of a sea-level tsunami detection network for the Gulf of Cadiz

The devastating impact of the Sumatra tsunami of 26 December 2004, raised the question for scientists of how to forecast a tsunami threat. In 2005, the IOC-UNESCO XXIII assembly decided to implement a global tsunami warning system to cover the regions that were not yet protected, namely the Indian Ocean, the Caribbean and the North East Atlantic, the Mediterranean and connected seas (the NEAM region). Within NEAM, the Gulf of Cadiz is the more sensitive area, with an important record of devastating historical events. The objective of this paper is to present a preliminary design for a reliable tsunami detection network for the Gulf of Cadiz, based on a network of sea-level observatories. The tsunamigenic potential of this region has been revised in order to define the active tectonic structures. Tsunami hydrodynamic modeling and GIS technology have been used to identify the appropriate locations for the minimum number of sea-level stations. Results show that 3 tsunameters are required as the minimum number of stations necessary to assure an acceptable protection to the large coastal population in the Gulf of Cadiz. In addition, 29 tide gauge stations could be necessary to fully assess the effects of a tsunami along the affected coasts of Portugal, Spain and Morocco.

New Steel Alloys for the Design of Heat Recovery Steam Generator Components of Combined Cycle Gas Plants

Demand for power is growing every day, mainly due to emerging economies in countries such as China, Russia, India, and Brazil. During the last 50 years steam pressure and temperature in power plants have been continuously raised to improve thermal efficiency. Recent efforts to improve efficiency leads to the development of a new generation of heat recovery steam generator, where the Benson once-through technology is applied to improve the thermal efficiency. The main purpose of this paper is to analyze the mechanical behavior of a high pressure superheater manifold by applying finite element modeling and a finite element analysis with the objective of analyzing stress propagation, leading to the study of damage mechanism, e.g., uniaxial fatigue, uniaxial creep for life prediction. The objective of this paper is also to analyze the mechanical properties of the new high temperature resistant materials in the market such as 2Cr Bainitic steels (T/P23 and T/P24) and also the 9-12Cr Martensitic steels (T/P91, T/P92, E911, and P/T122). For this study the design rules for construction of power boilers to define the geometry of the HPSH manifold were applied.

Design of a new test chamber for evaluation of the toxicity of rubber infill

A test chamber was projected and built (according to ISO 16000-9 Standard) to simulate atmospheric conditions experienced by rubber infill (when applied in synthetic turf pitches) and measure accurately the airborne emissions of pollutants such as dusts and volatile organic compounds (VOC), as well as pollutants present in leachates. It should be pointed out that standard ISO 16000-9 is only concerned with the determination of the emission of VOC from building products and furnishing (not specific of synthetic turf materials), whereas other standards are concerned with the emission of leachates only. This procedure is to be considered as a technical option to the lysimeter "global turf system evaluation" when the rubber infill alone is to be evaluated. The advantage of the proposed option considering this "test chamber" is its simplicity and economy. This test chamber is actually installed and being used for tests in LAIST.

Design of a Multiband Full-Rate Ultra-Wideband Receiver in FPGA

MultiBand OFDM (MB-OFDM) UWB [1] is a short-range promising wireless technology for high data rate communications up to 480 Mbps. In this paper, we have designed and implemented in an Virtex-6 FPGA an MB-OFDM UWB receiver for the highest data rate of 480 Mbps. To test the system, we have also implemented an MB-OFDM transmitter and an AWGN generator in VHDL and determined the bit error rates at the receiver running in an FPGA.

Modeling for control design of a multi-reach water canal

This article addresses the problem of obtaining reduced complexity models of multi-reach water delivery canals that are suitable for robust and linear parameter varying (LPV) control design. In the first stage, by applying a method known from the literature, a finite dimensional rational transfer function of a priori defined order is obtained for each canal reach by linearizing the Saint-Venant equations. Then, by using block diagrams algebra, these different models are combined with linearized gate models in order to obtain the overall canal model. In what concerns the control design objectives, this approach has the advantages of providing a model with prescribed order and to quantify the high frequency uncertainty due to model approximation. A case study with a 3-reach canal is presented, and the resulting model is compared with experimental data. © 2014 IEEE.

Modeling for control design of a multi-reach water canal

This article addresses the problem of obtaining reduced complexity models of multi-reach water delivery canals that are suitable for robust and linear parameter varying (LPV) control design. In the first stage, by applying a method known from the literature, a finite dimensional rational transfer function of a priori defined order is obtained for each canal reach by linearizing the Saint-Venant equations. Then, by using block diagrams algebra, these different models are combined with linearized gate models in order to obtain the overall canal model. In what concerns the control design objectives, this approach has the advantages of providing a model with prescribed order and to quantify the high frequency uncertainty due to model approximation. A case study with a 3-reach canal is presented, and the resulting model is compared with experimental data. © 2014 IEEE.

Design of a laminated composite multi-cel structure subjected to torsion

Laminate composite multi-cell structures have to support both axial and shear stresses when sustaining variable twist. Thus the properties and design of the laminate may not be the most adequate at all cross-sections to support the torsion imposed on the cells. In this work, the effect of some material and geometric parameters on the optimal mechanical behaviour of a multi-cell composite laminate structure is studied when torsion is present. A particle swarm optimization technique is used to maximize the multi-cell structure torsion constant that can be used to obtain the angle of twist of the composite laminate profile.

Algorithm-oriented design of efficient many-core architectures applied to dense matrix multiplication

Recent integrated circuit technologies have opened the possibility to design parallel architectures with hundreds of cores on a single chip. The design space of these parallel architectures is huge with many architectural options. Exploring the design space gets even more difficult if, beyond performance and area, we also consider extra metrics like performance and area efficiency, where the designer tries to design the architecture with the best performance per chip area and the best sustainable performance. In this paper we present an algorithm-oriented approach to design a many-core architecture. Instead of doing the design space exploration of the many core architecture based on the experimental execution results of a particular benchmark of algorithms, our approach is to make a formal analysis of the algorithms considering the main architectural aspects and to determine how each particular architectural aspect is related to the performance of the architecture when running an algorithm or set of algorithms. The architectural aspects considered include the number of cores, the local memory available in each core, the communication bandwidth between the many-core architecture and the external memory and the memory hierarchy. To exemplify the approach we did a theoretical analysis of a dense matrix multiplication algorithm and determined an equation that relates the number of execution cycles with the architectural parameters. Based on this equation a many-core architecture has been designed. The results obtained indicate that a 100 mm(2) integrated circuit design of the proposed architecture, using a 65 nm technology, is able to achieve 464 GFLOPs (double precision floating-point) for a memory bandwidth of 16 GB/s. This corresponds to a performance efficiency of 71 %. Considering a 45 nm technology, a 100 mm(2) chip attains 833 GFLOPs which corresponds to 84 % of peak performance These figures are better than those obtained by previous many-core architectures, except for the area efficiency which is limited by the lower memory bandwidth considered. The results achieved are also better than those of previous state-of-the-art many-cores architectures designed specifically to achieve high performance for matrix multiplication.

Multiobjective design of viscoelastic laminated composite sandwich panels

The optimal design of laminated sandwich panels with viscoelastic core is addressed in this paper, with the objective of simultaneously minimizing weight and material cost and maximizing modal damping. The design variables are the number of layers in the laminated sandwich panel, the layer constituent materials and orientation angles and the viscoelastic layer thickness. The problem is solved using the Direct MultiSearch (DMS) solver for multiobjective optimization problems which does not use any derivatives of the objective functions. A finite element model for sandwich plates with transversely compressible viscoelastic core and anisotropic laminated face layers is used. Trade-off Pareto optimal fronts are obtained and the results are analyzed and discussed.