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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41307
ORCID: | ![]() |
Document type: | Tese |
Access type: | Acesso Aberto |
Title: | Desenvolvimento e avaliação de um framework modular para síntese automática de circuitos analógicos: aplicação do algoritmo recozimento simulado com evolução geométrica de circuitos |
Alternate title (s): | Development and evaluation of a modular framework for automatic synthesis of analog circuits: application of the simulated annealing algorithm with geometric circuit evolution |
Author: | Muttoni, Leonardo |
First Advisor: | Veiga, Antônio Cláudio Paschoarelli |
First member of the Committee: | Carrijo, Gilberto Arantes |
Second member of the Committee: | Lemos, Carlos Paula |
Third member of the Committee: | Vasconcelos, Eduardo Silva |
Fourth member of the Committee: | Santos, Daniel Moraes |
Summary: | Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a avaliação de um framework modular para síntese automática de circuitos eletrônicos analógicos intitulado circ_autoproj. O componente principal do framework é o SANN-GCE, uma meta-heurística orientada por simulações SPICE que gera automaticamente a topologia e o dimensionamento dos componentes de um circuito eletrônico a partir de um comportamento desejado definido pelo usuário. O SANN-GCE é composto pelo algoritmo de busca Recozimento Simulado (Simulated Annealing - SANN ) e pela representação da solução denominada de Evolução Geométrica de Circuitos (Geometric Circuit Evolution - GCE). O GCE é um novo esquema de codificação que utiliza graus de liberdade categorizados que permitem que características distintas de um circuito sofram mutação, durante a evolução da solução, com diferentes probabilidades de acordo com sua categoria. Neste trabalho também são apresentados o simulador de circuitos Ngspice, utilizado pelo SANN-GCE para avaliar as soluções candidatas, e os conceitos da computação em nuvem e seu uso como ferramenta para acelerar a execução do circ_autoproj. O SANN-GCE foi testado em sete casos de uso: sensor de temperatura, função gaussiana, referência de tensão, função quadrática, raiz quadrada, função cúbica e raiz cúbica. Cada configuração foi executada 50 vezes e o desempenho nestes circuitos foi avaliado através de 12 métricas, comparadas com o algoritmo de referência ACID-MGE. Também foi feito um estudo do efeito dos ajustes nos parâmetros do algoritmo. Nele, 7 parâmetros selecionados foram alterados em 41 configurações. A significância estatística dos resultados destes ajustes foi avaliada por meio de um Teste de Permutação. Este estudo revelou que, dentre as 41 configurações avaliadas, 19 apresentaram resultados estatisticamente significantes abrangendo todos os casos de uso, com valor p médio de 0,00993, cerca de cinco vezes inferior ao nível de significância fixado habitualmente em 0,05. Os dados obtidos indicaram que o SANN-GCE apresentou um desempenho melhor e com menos variabilidade entre as execuções quando comparado ao ACID-MGE, pois foram obtidos resultados melhores em 11 das 12 métricas. Foi obtida uma mediana 1,52x melhor para a taxa de sucesso, 13,94x melhor para a aptidão média, 64,75x melhor para o desvio padrão da aptidão e 7,83x melhor para o desvio padrão da porcentagem de êxito. Além disso, a mediana do tempo de execução do SANN-GCE foi 15,9x menor quando comparado com o tempo de execução normalizado do ACID-MGE. |
Abstract: | This work presents the development and evaluation of a modular framework for automatic synthesis of analog electronic circuits entitled circ_autoproj. The main component of the framework is SANN-GCE, a metaheuristic driven by SPICE simulations that automatically generates the topology and dimensioning of the components of an electronic circuit based on a user-defined desired behavior. SANN-GCE is composed of the Simulated Annealing search algorithm (SANN) and the solution representation called Geometric Circuit Evolution (GCE). GCE is a new coding scheme that uses categorized degrees of freedom that allow distinct characteristics of a circuit to mutate, during the evolution of the solution, with different probabilities according to their category. This work also presents the Ngspice circuit simulator, used by SANN-GCE to evaluate candidate solutions, and the concepts of cloud computing and its use as a tool to accelerate the execution of circ_autoproj. SANN-GCE was tested in seven use cases: temperature sensor, Gaussian function, voltage reference, quadratic function, square root, cube function and cube root. Each configuration was run 50 times and performance on these circuits was evaluated using 12 metrics, compared to the ACID-MGE reference algorithm. A study was also carried out on the effect of adjustments to the algorithm parameters. In it, 7 selected parameters were changed in 41 distinct configurations. The statistical significance of the results of these adjustments was evaluated using a Permutation Test. This study revealed that, among the 41 configurations evaluated, 19 presented statistically significant results covering all use cases, with an average p value of 0.00993, approximately five times lower than the significance level usually set at 0.05. The data obtained indicated that SANN-GCE performed better and with less variability between runs when compared to ACID-MGE, as better results were obtained in 11 of the 12 metrics. The following best medians obtained were highlighted: 1.52x for success rate, 13.94x for average fitness, 64.75x for standard deviation of fitness and 7.83x for the standard deviation of the Hits percentage. Also, the median execution time of SANN-GCE was 15.9x shorter when compared to the normalized execution time of ACID-MGE. |
Keywords: | Síntese de circuitos analógicos Analog circuit synthesis Projeto automático Automatic design Algoritmo evolutivo Evolutionary algorithm Meta-heurística Metaheuristic Recozimento Simulado Simulated Annealing Engenharia elétrica Electrical engineering |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA |
Subject: | Engenharia elétrica Circuitos integrados lineares Framework (Arquivo de computador) Algorítmos computacionais |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica |
Quote: | MUTTONI, Leonardo. Desenvolvimento e avaliação de um framework modular para síntese automática de circuitos analógicos: aplicação do algoritmo recozimento simulado com evolução geométrica de circuitos. 2024. 161 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.74. |
Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.74 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41307 |
Date of defense: | 29-Jan-2024 |
Sustainable Development Goals SDGs: | ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação. |
Appears in Collections: | TESE - Engenharia Elétrica |
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