基于混沌電路設計陣列觸覺(jué)傳感器的采集系統

關(guān)鍵詞：陣列傳感器 混沌電路 開(kāi)關(guān)電容 A/D轉換 信號采集

引言

隨著(zhù)機器人技術(shù)和復雜檢測系統的出現，人們對觸覺(jué)傳感器提出了更高的要求。隨著(zhù)觸覺(jué)陣列規模的擴大，希望A/D轉換速度加快，而原先在小規模陣列觸覺(jué)傳感器系統中采用的共用A/D轉換器的方法，已不能滿(mǎn)足大規模陣列觸覺(jué)傳感器信號采集實(shí)時(shí)性的要求。因此，要想實(shí)現高速、高分辨率并且對小信號敏感的大規模陣列觸覺(jué)傳感器信號采集系統，關(guān)鍵部件就是A/D轉換器。

本文利用混沌帳篷映射方法和開(kāi)關(guān)電容（SC）技術(shù)，設計了一種新型A/D轉換器。該A/D轉換器的電路具有調理放大、誤差補償和A/D轉換功能一體化的優(yōu)點(diǎn)，并且電路簡(jiǎn)單、便于集成、功耗??；能以很高的性能價(jià)格比實(shí)現多路觸覺(jué)傳感器輸出信號的并行采樣和A/D轉換。

1 陣列觸覺(jué)傳感器信號采集系統的組成

模擬式陣列觸覺(jué)傳感器信號采集系統的原理電路見(jiàn)圖1。該系統由mn陣列傳感器、列讀取電路、行掃描電路、n個(gè)ADC電路、時(shí)序控制電路和計算機等組成。在時(shí)序控制電路的控制下，行掃描電路對m行陣列觸覺(jué)傳感器發(fā)送周期性激勵信號；而列讀取電路則周期性地并行讀入n列輸出信號。讀n個(gè)信號經(jīng)n個(gè)A/D轉換器，把模擬信號轉換成格雷碼序列直接送到計算機；計算機完成格雷碼向二進(jìn)制碼的轉換，接著(zhù)在時(shí)序邏輯的控制下，讀取下一行的n列信號并進(jìn)行A/D轉換。計算機在獲得1幀mn觸覺(jué)傳感器信號后，就可以進(jìn)行信號處理了。圖1中除A/D轉換器需要特殊設計外，其余各電路都有現有的產(chǎn)品，沒(méi)有特殊要求。

2 混沌開(kāi)關(guān)電容A/D轉換器的設計

2.1 混沌開(kāi)關(guān)電容A/D轉換的原理

利用開(kāi)關(guān)電容技術(shù)進(jìn)行誤差補償的基本原理是電荷的再分配。電容失配誤差利用開(kāi)關(guān)轉換儲存起來(lái)，結果由電容上電荷的再分配而得到補償?；煦鐜づ裼成涫且环N離散非線(xiàn)性系統，其映射關(guān)系為：

這一映射可以看到由兩步組成：先將區間[0,1]伸長(cháng)2倍，然后再壓縮成原區間[0,1]。如此反復迭代操作，最終導致相鄰點(diǎn)的指數分離，從而進(jìn)入混沌狀態(tài)。這種映射對初始值（系統的輸入信號）的放大與通常的線(xiàn)性放大方法不同：線(xiàn)性放大倍數為一常數，而且受工作范圍限制；而處于混沌狀態(tài)的帳篷映射系統，是在有界的區間內，迭代1次將信號放大2倍，反復有限次迭代后，可以將微弱信號放大到可觀(guān)測的水平，而不會(huì )出現溢出再現象。顯然，這是一種非線(xiàn)性放大。帳篷映射系統的輸入值Vin對應于系統的初始狀態(tài)x0。x0可以二進(jìn)制小數表示：

為了得到離散帳篷映射的迭代輸出與x0的關(guān)系，引入另一種非線(xiàn)性映射――離散貝努利移位是映射：

這一映射的作用是每迭代一次，就將二進(jìn)制位t1、t2、t3、……向左依次移出一個(gè)二進(jìn)制位，即

對于貝努利移位映射，令bn=sgn(x'n-0.5)，作為貝努利移位映射的第n次迭代輸出，由于bn=tn,且bi(i=0,1,2,…)是一個(gè)二進(jìn)制序列；對于帳篷映射，令gn=sgn(xn-0.5)，則gi是與bi對應的格雷碼序列，即

根據上述和初始時(shí)刻x0=x'0=Vi，可得：

因此，通過(guò)將帳篷映射迭代輸出的格雷碼序列g(shù)i(i=0,1,2,…)，轉換成貝努利移位映射的二進(jìn)制序列bi(i=0,1,2，…)，可推算出初始值（輸入信號的二進(jìn)制數字量），即

式（7）中{Vin}表示輸入信號的二進(jìn)制數字量。gi(i=0,1,2,…)就是經(jīng)過(guò)帳篷映射完成了對輸入信號的非線(xiàn)性放大和A/D轉換的格雷碼形式的數字量。

2.2 混沌開(kāi)關(guān)電容A/D轉換電路的實(shí)現

利用并關(guān)電容技術(shù)進(jìn)行電路設計，有其獨特的優(yōu)點(diǎn)：電路的性能與電容無(wú)關(guān)，只取決于電容之比，兩個(gè)電容比值的誤差小于1/1000，因此電路運算精度高；電路便于實(shí)現大規模集成，因而電容體積小、工作可靠、成本低，功耗?。ㄒ粋€(gè)開(kāi)關(guān)電容A/D轉換器功耗4mW）等。這些優(yōu)點(diǎn)對模擬式陣列觸覺(jué)傳感器信號采集系統最有利，因此該系統需要大量的ADC。

圖2 混沌開(kāi)關(guān)電容A/D轉換電路

基于帳篷映射的開(kāi)關(guān)電容A/D轉換電路如圖2所示。運放A1、A2及周?chē)碾娐吠瓿蓭づ裼成?，即完成對輸入信號的非線(xiàn)性放大和A/D轉換；C4、C5、A3及周?chē)碾娮幽M開(kāi)關(guān)組成保持電路，輸出信號V0為輸入信號的格雷碼形式的數字量。圖3為電路時(shí)序控制邏輯。

圖2電路，當啟動(dòng)信號為高電平時(shí)，電子模擬開(kāi)關(guān)指向“1”端，輸入信號Vi接通。延時(shí)t1時(shí)間后，D觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，這時(shí)，若0≤Vi≤0.5，則電子模擬開(kāi)關(guān)S1指向“2”端，C1、C3和A2及有關(guān)的電子模擬開(kāi)關(guān)構成一個(gè)開(kāi)關(guān)電容比例延時(shí)器，如圖4所示。在（n-1）T時(shí)，Vi給C1充電，充電電荷為C1Vi（n-1），C3被短路，V02(n-1)=0;在nT時(shí)，C1中電荷轉移到C3中，充電電荷為C3V02（n），由電荷守恒原理，其差分方程為：

C1Vi(n-1)=C3[V02(n)-V02(n-1)]=C3V02(n) (8)

式（8）經(jīng)過(guò)Z變換可得該電路Z域傳遞函數：

H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)Z -1 (9)

若取C3=0.5C1，則有：

H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)/Z -1=(C1/0.5C1)Z -1=2Z -1 (10)

可見(jiàn)，圖4的電路具有起放大作用的比例延時(shí)功能，實(shí)現了對輸入信號的翻倍，即實(shí)現了y=2x的運算；同時(shí)對C4充電，當下一個(gè)“o”脈沖為高電平時(shí)，C4中電荷轉移到C5中，這時(shí)開(kāi)關(guān)S0指向“2”端，把輸出信號Vo反饋到輸入端，給C1充電，實(shí)現迭代運算。經(jīng)過(guò)n次迭代后，使Vi信號入大，直到可觀(guān)測為止。

同理，當0.5≤Vi≤1時(shí)，Vi向C2充電，電子模擬開(kāi)關(guān)S2指向“2”端，這時(shí)，C2、C3和A2構成另一個(gè)開(kāi)關(guān)電容比例延時(shí)器，把式（9）中的C1換成C2，就是這個(gè)比例延時(shí)器的Z域傳遞函數?！癳”脈沖為高電平時(shí)，C2中電荷Q=C2Vi轉換到C3中，若取C3=0.5C2,就實(shí)現了y=2(1-x)的運算；當下一個(gè)“o”脈沖為高電平時(shí)，C4中電荷轉移到C5中，這時(shí)開(kāi)關(guān)S0指向“2”端，把輸出信號Vo反饋到輸入端，給C2充電，實(shí)現迭代運算。經(jīng)過(guò)n次迭代后，使Vi信號放大到可觀(guān)測為止。

這樣，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期T，完成了對Vi一個(gè)樣點(diǎn)的采集。如此周而復始地進(jìn)行A/D轉換工作。D觸發(fā)器輸出的信號就是格雷碼序列：

將gk序列和初始條件b0=Q0代入式（6）中，就得到貝努利二進(jìn)制序列bk（k=0,1,2,…）。當然，只要把ADC的輸出信號Vo(格雷碼序列)送入計算機，轉換成二進(jìn)制數字量的工作，可由計算機通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現。

3 實(shí)驗結果

利用圖4的信號系統對57應變式微型陣列傳感器輸出的信號進(jìn)行非線(xiàn)性放大和A/D轉換實(shí)驗，實(shí)驗結果見(jiàn)表1。表1中為第4行7個(gè)傳感器輸出信號進(jìn)行A/D轉換的結果。實(shí)驗結果表明，基于帳篷映射的開(kāi)關(guān)電容A/D轉換器可有效地實(shí)現對小信號的放大和A/D轉換。

4 結論

本文利用混沌電路對小信號敏感及它具有的非線(xiàn)性變換的獨特性能，設計了混沌帳篷映射開(kāi)關(guān)電容新型A/D轉換器。這種A/D轉換器適用于機器人模擬陣列觸覺(jué)傳感器輸出信號的A/D轉換。它集調理放大和A/D轉換于一體，具有電路簡(jiǎn)單、易于集成及功耗小的特點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電容電路只有二相時(shí)鐘，電路性能只取決于兩個(gè)電容之比而與電容絕對值無(wú)關(guān)，因而電路運算精度高、成本低。利用該A/D轉換器可實(shí)現多路觸覺(jué)信號的并行采樣和A/D轉換，以滿(mǎn)足大規模陣列傳感器信號的實(shí)時(shí)采集要求。實(shí)驗結果證明了本方法的有效性。

表1 A/D轉換實(shí)驗結果