基于混沌电路设计阵列触觉传感器的采集系统

引言

随着机器人技术和复杂检测系统的出现，人们对触觉传感器提出了更高的要求。随着触觉阵列规模的扩大，希望A/D转换速度加快，而原先在小规模阵列触觉传感器系统中采用的共用A/D转换器的方法，已不能满足大规模阵列触觉传感器信号采集实时性的要求。因此，要想实现高速、高分辨率并且对小信号敏感的大规模阵列触觉传感器信号采集系统，关键部件就是A/D转换器。



本文利用混沌帐篷映射方法和开关电容（SC）技术，设计了一种新型A/D转换器。该A/D转换器的电路具有调理放大、误差补偿和A/D转换功能一体化的优点，并且电路简单、便于集成、功耗小；能以很高的性能价格比实现多路触觉传感器输出信号的并行采样和A/D转换。

1 阵列触觉传感器信号采集系统的组成

模拟式阵列触觉传感器信号采集系统的原理电路见图1。该系统由m×n阵列传感器、列读取电路、行扫描电路、n个ADC电路、时序控制电路和计算机等组成。在时序控制电路的控制下，行扫描电路对m行阵列触觉传感器发送周期性激励信号；而列读取电路则周期性地并行读入n列输出信号。读n个信号经n个 A/D转换器，把模拟信号转换成格雷码序列直接送到计算机；计算机完成格雷码向二进制码的转换，接着在时序逻辑的控制下，读取下一行的n列信号并进行A /D转换。计算机在获得1帧m×n触觉传感器信号后，就可以进行信号处理了。图1中除A/D转换器需要特殊设计外，其余各电路都有现有的产品，没有特殊要求。

2 混沌开关电容A/D转换器的设计

2.1 混沌开关电容A/D转换的原理

利用开关电容技术进行误差补偿的基本原理是电荷的再分配。电容失配误差利用开关转换储存起来，结果由电容上电荷的再分配而得到补偿。混沌帐篷映射是一种离散非线性系统，其映射关系为：



这一映射可以看到由两步组成：先将区间[0,1]伸长2倍，然后再压缩成原区间[0,1]。如此反复迭代操作，最终导致相邻点的指数分离，从而进入混沌状态。这种映射对初始值（系统的输入信号）的放大与通常的线性放大方法不同：线性放大倍数为一常数，而且受工作范围限制；而处于混沌状态的帐篷映射系统，是在有界的区间内，迭代1次将信号放大2倍，反复有限次迭代后，可以将微弱信号放大到可观测的水平，而不会出现溢出再现象。显然，这是一种非线性放大。帐篷映射系统的输入值Vin对应于系统的初始状态x0。x0可以二进制小数表示：



为了得到离散帐篷映射的迭代输出与x0的关系，引入另一种非线性映射——离散贝努利移位是映射：



这一映射的作用是每迭代一次，就将二进制位t1、t2、t3、……向左依次移出一个二进制位，即



对于贝努利移位映射，令bn=sgn(x‘n-0.5)，作为贝努利移位映射的第n次迭代输出，由于bn=tn,且bi(i=0,1,2,…)是一个二进制序列；对于帐篷映射，令gn=sgn(xn-0.5)，则gi是与bi对应的格雷码序列，即



根据上述和初始时刻x0=x‘0=Vi，可得：



因此，通过将帐篷映射迭代输出的格雷码序列gi(i=0,1,2,…)，转换成贝努利移位映射的二进制序列bi(i=0,1,2，…)，可推算出初始值（输入信号的二进制数字量），即



式（7）中{Vin}表示输入信号的二进制数字量。gi(i=0,1,2,…)就是经过帐篷映射完成了对输入信号的非线性放大和A/D转换的格雷码形式的数字量。

2.2 混沌开关电容A/D转换电路的实现

利用并关电容技术进行电路设计，有其独特的优点：电路的性能与电容无关，只取决于电容之比，两个电容比值的误差小于1/1000，因此电路运算精度高；电路便于实现大规模集成，因而电容体积小、工作可靠、成本低，功耗小（一个开关电容A/D转换器功耗4mW）等。这些优点对模拟式阵列触觉传感器信号采集系统最有利，因此该系统需要大量的ADC。

图2 混沌开关电容A/D转换电路



基于帐篷映射的开关电容A/D转换电路如图2所示。运放A1、A2及周围的电路完成帐篷映射，即完成对输入信号的非线性放大和A/D转换；C4、C5、A3及周围的电子模拟开关组成保持电路，输出信号V0为输入信号的格雷码形式的数字量。图3为电路时序控制逻辑。

图2电路，当启动信号为高电平时，电子模拟开关指向“1”端，输入信号Vi接通。延时t1时间后，D触发器产生一个脉冲信号，这时，若 0≤Vi≤0.5，则电子模拟开关S1指向“2”端，C1、C3和A2及有关的电子模拟开关构成一个开关电容比例延时器，如图4所示。在（n-1）T 时，Vi给C1充电，充电电荷为C1Vi（n-1），C3被短路，V02(n-1)=0;在nT时，C1中电荷转移到C3中，充电电荷为 C3V02（n），由电荷守恒原理，其差分方程为：

C1Vi(n-1)=C3[V02(n)-V02(n-1)]=C3V02(n)    (8)
式（8）经过Z变换可得该电路Z域传递函数：
H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)Z -1    (9)

若取C3=0.5C1，则有：
H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)/Z -1=(C1/0.5C1)Z -1=2Z -1    (10)

可见，图4的电路具有起放大作用的比例延时功能，实现了对输入信号的翻倍，即实现了y=2x的运算；同时对C4充电，当下一个“o”脉冲为高电平时，C4中电荷转移到C5中，这时开关S0指向“2”端，把输出信号Vo反馈到输入端，给C1充电，实现迭代运算。经过n次迭代后，使Vi信号入大，直到可观测为止。



同理，当0.5≤Vi≤1时，Vi向C2充电，电子模拟开关S2指向“2”端，这时，C2、C3和A2构成另一个开关电容比例延时器，把式（9）中的C1换成C2，就是这个比例延时器的Z域传递函数。“e”脉冲为高电平时，C2中电荷Q=C2Vi转换到C3中，若取C3=0.5C2,就实现了y=2(1- x)的运算；当下一个“o”脉冲为高电平时，C4中电荷转移到C5中，这时开关S0指向“2”端，把输出信号Vo反馈到输入端，给C2充电，实现迭代运算。经过n次迭代后，使Vi信号放大到可观测为止。

这样，经过一个周期T，完成了对Vi一个样点的采集。如此周而复始地进行A/D转换工作。D触发器输出的信号就是格雷码序列：



将gk序列和初始条件b0=Q0代入式（6）中，就得到贝努利二进制序列bk（k=0,1,2,…）。当然，只要把ADC的输出信号Vo(格雷码序列)送入计算机，转换成二进制数字量的工作，可由计算机通过软件来实现。