基于混沌电路设计阵列触觉传感器的采集系统

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:基于混纯帐映射和开关电容(SC)技术设计A/D转换器。该转换器具有非线性放大、便于实现集成、成本低及工作可靠等优点。实验结果谫,用该A/D转换器设计的模拟式阵列触觉传感器信号采集系统是可行的。 关键词:阵列传感器 混沌电路 开关电容 A/D转换 信号采集 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%26;#215;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%26;#215;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。 3 实验结果 利用图4的信号系统对5%26;#215;7应变式微型阵列传感器输出的信号进行非线性放大和A/D转换实验,实验结果见表1。表1中为第4行7个传感器输出信号进行A/D转换的结果。实验结果表明,基于帐篷映射的开关电容A/D转换器可有效地实现对小信号的放大和A/D转换。 4 结论 本文利用混沌电路对小信号敏感及它具有的非线性变换的独特性能,设计了混沌帐篷映射开关电容新型A/D转换器。这种A/D转换器适用于机器人模拟阵列触觉传感器输出信号的A/D转换。它集调理放大和A/D转换于一体,具有电路简单、易于集成及功耗小的特点。开关电容电路只有二相时钟,电路性能只取决于两个电容之比而与电容绝对值无关,因而电路运算精度高、成本低。利用该A/D转换器可实现多路触觉信号的并行采样和A/D转换,以满足大规模阵列传感器信号的实时采集要求。实验结果证明了本方法的有效性。 表1 A/D转换实验结果 传感器 (4,1) (4,2) (4,3) (4,4) (4,5) (4,6) (4,7) 测量值/mV 0 80 67 188 246 170 25 计算值/mV 0.0 80.2 66.4 187.5 242.3 168.9 24.7 格雷码 gog1…g6g7 00000000 00011111 00011001 00101000 00100001 00111110 00000101 二进码 b0b1…b6b7 00000000 00010101 00010001 00110000 00111110 00101011 00000110
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sensor/200703/11858.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部

小广播

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: 安防电子 医疗电子 工业控制

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved