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山西快乐十分走势图48: 基于混沌電路設計陣列觸覺傳感器的采集系統

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瀏覽 次【字號 】 發布時間:2012-6-29 打印本頁
 摘要:基于混純帳映射和開關電容(SC)技術設計A/D轉換器。該轉換器具有非線性放大、便于實現集成、成本低及工作可靠等優點。實驗結果谫,用該A/D轉換器設計的模擬式陣列觸覺傳感器信號采集系統是可行的。

    關鍵詞:陣列傳感器 混沌電路 開關電容 A/D轉換 信號采集

引言

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

    本文利用混沌帳篷映射方法和開關電容(SC)技術,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點,并且電路簡單、便于集成、功耗??;能以很高的性能價格比實現多路觸覺傳感器輸出信號的并行采樣和A/D轉換。

1 陣列觸覺傳感器信號采集系統的組成

模擬式陣列觸覺傳感器信號采集系統的原理電路見圖1。該系統由m×n陣列傳感器、列讀取電路、行掃描電路、n個ADC電路、時序控制電路和計算機等組成。在時序控制電路的控制下,行掃描電路對m行陣列觸覺傳感器發送周期性激勵信號;而列讀取電路則周期性地并行讀入n列輸出信號。讀n個信號經n個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制碼的轉換,接著在時序邏輯的控制下,讀取下一行的n列信號并進行A/D轉換。計算機在獲得1幀m×n觸覺傳感器信號后,就可以進行信號處理了。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品,沒有特殊要求。

2 混沌開關電容A/D轉換器的設計

2.1 混沌開關電容A/D轉換的原理

利用開關電容技術進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關轉換儲存起來,結果由電容上電荷的再分配而得到補償?;煦繒逝裼成涫且恢擲肷⒎竅咝韻低?,其映射關系為:



這一映射可以看到由兩步組成:先將區間[0,1]伸長2倍,然后再壓縮成原區間[0,1]。如此反復迭代操作,最終導致相鄰點的指數分離,從而進入混沌狀態。這種映射對初始值(系統的輸入信號)的放大與通常的線性放大方法不同:線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測的水平,而不會出現溢出再現象。顯然,這是一種非線性放大。帳篷映射系統的輸入值Vin對應于系統的初始狀態x0。x0可以二進制小數表示:



為了得到離散帳篷映射的迭代輸出與x0的關系,引入另一種非線性映射——離散貝努利移位是映射:



這一映射的作用是每迭代一次,就將二進制位t1、t2、t3、……向左依次移出一個二進制位,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,…)是一個二進制序列;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



根據上述和初始時刻x0=x"0=Vi,可得:



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



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

2.2 混沌開關電容A/D轉換電路的實現

利用并關電容技術進行電路設計,有其獨特的優點:電路的性能與電容無關,只取決于電容之比,兩個電容比值的誤差小于1/1000,因此電路運算精度高;電路便于實現大規模集成,因而電容體積小、工作可靠、成本低,功耗?。ㄒ桓隹氐縟軦/D轉換器功耗4mW)等。這些優點對模擬式陣列觸覺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 混沌開關電容A/D轉換電路

    基于帳篷映射的開關電容A/D轉換電路如圖2所示。運放A1、A2及周圍的電路完成帳篷映射,即完成對輸入信號的非線性放大和A/D轉換;C4、C5、A3及周圍的電子模擬開關組成保持電路,輸出信號V0為輸入信號的格雷碼形式的數字量。圖3為電路時序控制邏輯。

圖2電路,當啟動信號為高電平時,電子模擬開關指向“1”端,輸入信號Vi接通。延時t1時間后,D觸發器產生一個脈沖信號,這時,若0≤Vi≤0.5,則電子模擬開關S1指向“2”端,C1、C3和A2及有關的電子模擬開關構成一個開關電容比例延時器,如圖4所示。在(n-1)T時,Vi給C1充電,充電電荷為C1Vi(n-1),C3被短路,V02(n-1)=0;在nT時,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)經過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,圖4的電路具有起放大作用的比例延時功能,實現了對輸入信號的翻倍,即實現了y=2x的運算;同時對C4充電,當下一個“o”脈沖為高電平時,C4中電荷轉移到C5中,這時開關S0指向“2”端,把輸出信號Vo反饋到輸入端,給C1充電,實現迭代運算。經過n次迭代后,使Vi信號入大,直到可觀測為止。

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

這樣,經過一個周期T,完成了對Vi一個樣點的采集。如此周而復始地進行A/D轉換工作。D觸發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,轉換成二進制數字量的工作,可由計算機通過軟件來實現。

3 實驗結果

利用圖4的信號系統對5×7應變式微型陣列傳感器輸出的信號進行非線性放大和A/D轉換實驗,實驗結果見表1。表1中為第4行7個傳感器輸出信號進行A/D轉換的結果。實驗結果表明,基于帳篷映射的開關電容A/D轉換器可有效地實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性變換的獨特性能,設計了混沌帳篷映射開關電容新型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,具有電路簡單、易于集成及功耗小的特點??氐縟蕕緶分揮卸嗍敝?,電路性能只取決于兩個電容之比而與電容絕對值無關,因而電路運算精度高、成本低。利用該A/D轉換器可實現多路觸覺信號的并行采樣和A/D轉換,以滿足大規模陣列傳感器信號的實時采集要求。實驗結果證明了本方法的有效性。

表1 A/D轉換實驗結果

傳感器 (4,1) (4,2) (4,3) (4,4) (4,5) (4,6) (4,7) 
測量值/mV 0 80 67 188 246 170 25 
計算值/mV 0.0 80.2 66.4 187.5 242.3 168.9 24.7 
格雷碼
gog1…g6g7 00000000 00011111 00011001 00101000 00100001 00111110 00000101 
二進碼
b0b1…b6b7 00000000 00010101 00010001 00110000 00111110 00101011 00000110 
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