摘要：基于混純帳映射和開關(guān)電容（sc）技術(shù)設(shè)計a/d轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器具有非線性放大、便于實現(xiàn)集成、成本低及工作可靠等優(yōu)點。實驗結(jié)果谫，用該a/d轉(zhuǎn)換器設(shè)計的模擬式陣列觸覺傳感器信號采集系統(tǒng)是可行的。

關(guān)鍵詞：陣列傳感器 混沌電路 開關(guān)電容 a/d轉(zhuǎn)換 信號采集

引言

隨著機器人技術(shù)和復(fù)雜檢測系統(tǒng)的出現(xiàn)，人們對觸覺傳感器提出了更高的要求。隨著觸覺陣列規(guī)模的擴(kuò)大，希望a/d轉(zhuǎn)換速度加快，而原先在小規(guī)模陣列觸覺傳感器系統(tǒng)中采用的共用a/d轉(zhuǎn)換器的方法，已不能滿足大規(guī)模陣列觸覺傳感器信號采集實時性的要求。因此，要想實現(xiàn)高速、高分辨率并且對小信號敏感的大規(guī)模陣列觸覺傳感器信號采集系統(tǒng)，關(guān)鍵部件就是a/d轉(zhuǎn)換器。

本文利用混沌帳篷映射方法和開關(guān)電容（sc）技術(shù)，設(shè)計了一種新型a/d轉(zhuǎn)換器。該a/d轉(zhuǎn)換器的電路具有調(diào)理放大、誤差補償和a/d轉(zhuǎn)換功能一體化的優(yōu)點，并且電路簡單、便于集成、功耗�。荒芤院芨叩男阅軆r格比實現(xiàn)多路觸覺傳感器輸出信號的并行采樣和a/d轉(zhuǎn)換。

1 陣列觸覺傳感器信號采集系統(tǒng)的組成

模擬式陣列觸覺傳感器信號采集系統(tǒng)的原理電路見圖1。該系統(tǒng)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(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個信號經(jīng)n個a/d轉(zhuǎn)換器，把模擬信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，接著在時序邏輯的控制下，讀取下一行的n列信號并進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。計算機在獲得1幀m×n觸覺傳感器信號后，就可以進(jìn)行信號處理了。圖1中除a/d轉(zhuǎn)換器需要特殊設(shè)計外，其余各電路都有現(xiàn)有的產(chǎn)品，沒有特殊要求。

2 混沌開關(guān)電容a/d轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

2.1 混沌開關(guān)電容a/d轉(zhuǎn)換的原理

利用開關(guān)電容技術(shù)進(jìn)行誤差補償?shù)幕驹硎请姾傻脑俜峙�。電容失配誤差利用開關(guān)轉(zhuǎn)換儲存起來，結(jié)果由電容上電荷的再分配而得到補償。

這一映射可以看到由兩步組成：先將區(qū)間[0,1]伸長2倍，然后再壓縮成原區(qū)間[0,1]。如此反復(fù)迭代操作，最終導(dǎo)致相鄰點的指數(shù)分離，從而進(jìn)入混沌狀態(tài)。這種映射對初始值（系統(tǒng)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(shù)為一常數(shù)，而且受工作范圍限制；而處于混沌狀態(tài)的帳篷映射系統(tǒng)，是在有界的區(qū)間內(nèi)，迭代1次將信號放大2倍，反復(fù)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(xiàn)溢出再現(xiàn)象。顯然，這是一種非線性放大。帳篷映射系統(tǒng)的輸入值vin對應(yīng)于系統(tǒng)的初始狀態(tài)x0。x0可以二進(jìn)制小數(shù)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(yīng)的格雷碼序列，即

根據(jù)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g(shù)i(i=0,1,2,…)，轉(zhuǎn)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(shù)字量），即

式（7）中{vin}表示輸入信號的二進(jìn)制數(shù)字量。gi(i=0,1,2,…)就是經(jīng)過帳篷映射完成了對輸入信號的非線性放大和a/d轉(zhuǎn)換的格雷碼形式的數(shù)字量。

2.2 混沌開關(guān)電容a/d轉(zhuǎn)換電路的實現(xiàn)

利用并關(guān)電容技術(shù)進(jìn)行電路設(shè)計，有其獨特的優(yōu)點：電路的性能與電容無關(guān)，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(xiàn)大規(guī)模集成，因而電容體積小、工作可靠、成本低，功耗�。ㄒ粋�開關(guān)電容a/d轉(zhuǎn)換器功耗4mw）等。這些優(yōu)點對模擬式陣列觸覺傳感器信號采集系統(tǒng)最有利，因此該系統(tǒng)需要大量的adc。

基于帳篷映射的開關(guān)電容a/d轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換；c4、c5、a3及周圍的電子模擬開關(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(shù)字量。圖3為電路時序控制邏輯。