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×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。

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。

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。