专利名称：利用混沌映射进行信号测量的方法及混沌映射模数转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及混沌测量领域，尤其涉及一种混沌映射模数转换电路及其对信号进行测量的方法。
背景技术：
“混沌”理论用于测量是近几年提出的一个非线性理论的应用方向，它与现有线性测量技术截然不同。混沌测量系统具有初值敏感性和参数敏感性，在参数不变的情况下，不同的初值会产生不同的混沌轨道，根据符号动力学原理，可以获得相应的轨道符号序列。参数不变时，轨道符号序列与初值具有一一对应关系，混沌测量理论正是基于这一特点提出的。
2000年2月出版的《仪器仪表学报》第21卷第1期中发表的名为“混沌测量的一种改进方案”的文章中，公开了一种典型的混沌测量电路，采用恒流源作为采样电容的充放电电源，工作原理的电路图也可参照图1，但不包括图1中的转换电路部分。
当电子开关K1、K2断开时，信号采样开关Ks闭合，电容C充电到Uc＝Us.当周期为τ的时钟脉冲δ到来时，控制电路使Ks断开，同时放电开关K2闭合，电容C以1/(2I0)的恒定电流放电；当电容放电到零(即Uc＝0)时，电压比较器OP翻转，比较器输出电压Up由高电平变为低电平，通过逻辑控制与混沌轨道符号序列获取电路控制充电开关K1闭合、K2断开，电路对电容C以I0的恒定电流充电，然后当又一个脉冲δ到达时，逻辑控制与混沌轨道符号序列获取电路又使K2闭合、K1断开，开始下一个放电充电过程，如此周而往复。要保证电路工作在有效的混沌态，需要调整电路的充放电电流I0、时钟脉冲周期τ和采样电容C的大小等参数，保证电压比较器的翻转时刻只能落在两个时钟脉冲周期以内，从而在电容C上得到如图2所示的混沌轨道信号。
根据图2所示的混沌轨道，我们可以发现，在时钟脉冲的下降沿电容C开始放电。放电到零时，电路开始翻转，对电容充电。各个过零点与时钟脉冲下降沿之间有一定的时间关系。我们根据这种时间关系，采用符号动力学的原理，可以提取出相应的混沌轨道符号序列。规则是1)当电压比较器翻转时刻在时钟脉冲信号δ的一个周期τ以内时，符号取0；2)当电压比较器翻转时刻在时钟脉冲信号δ的一个周期τ以上，两个周期τ以内时，符号取1。
上述文章中的式(6)给出了理想状态下，由Uc的各个峰值点(充电到放电的转折点)Xn-＞Xn+1的迭代关系Xn+1=k1k2Xn+[1+ϵ(Xn)]k1τ---(1)]]>其中Xn≥Xc时，ε(Xn)＝1；Xn＜Xc时，ε(Xn)＝0。
当k1/k2＝-2(即充电电流是放电电流大小的2倍)时，此迭代关系是一个倒的锯齿映射，是典型的混沌态。不同值的测量信号对应的混沌轨道符号序列可以通过式(1)推导得出。在实际测试中，用该电路进行混沌测量可以获得相当高的精度和重复性，例如，输入为0.05006V的电压时，得到的5组混沌轨道符号序列为01001 00111 10001 11111；01001 00111 1000111000；01001 00111 10001 10001；01001 00111 10001 11000；01001 0011110001 01100。即前15位都是相同的，因此具有作为A/D转换器的研究价值。
但是，现有的方法是建立在轨道符号序列泛函空间及其泛函空间轨道距离定义之上的，由于无法找到相应的参照系，难以实现与现有线性A/D转换器一样的系统标定和精度等指标的考核，即上述符号序列与模拟信号的量值之间的关系难以确定，因而一直停留在实验室研究阶段，无法具备工程测量实用价值。
另外，传统的A/D转换器通常需要先将小的测量信号进行放大后再进行A/D转换。如果能采用混沌测量的方式，由于混沌系统初值敏感性的特点，它可以通过动态标定(调整时钟脉冲和参考电压)来适应被测信号的要求，而不一定需要通过信号放大来适应A/D转换器量程。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用混沌映射进行信号测量的方法，可以利用混沌测量的轨道符号序列得出模拟信号的值。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用混沌映射进行信号测量的方法，包括以下步骤(a)确定系统的模数转换有效位数N(该位数N取决于测量需要和实际电路物理器件的特性)；(b)利用混沌测量电路对模拟信号进行测量，得到该信号的混沌轨道符号序列，从中提取出该轨道符号序列起始段的N位符号序列，记为SN，SN＝σ0σ1σ2…σj…σN-1，σj为“0”或“1”；(c)将提取出的符号序列SN按序参量关系式转换为与所述模拟信号数字量值对应的标准二进制序列，该序参量关系式如下(SN∩S10N)∪(S01N-SN∩S01N)---(2)]]>其中S10N为N位的“10”循环序列；S01N为N位的“01”循环序列，“∩”是“与”运算符号；“∪”是“或”运算符号。
进一步地，上述方法还可具有以下特点所述步骤(b)中根据混沌轨道得到该信号的混沌轨道符号序列时，依据以下规则进行A，当电压比较器翻转时刻在时钟脉冲信号δ的一个周期τ以内时，符号取0；B，当电压比较器翻转时刻在时钟脉冲信号δ的一个周期τ以上，两个周期τ以内时，符号取1。C，当电压比较器翻转时刻与一个周期的时钟脉冲信号δ同时到达时，符号取1；D，当电压比较器翻转时刻与两个周期的时钟脉冲信号δ同时到达时，除了取符号1外，还要补充一个符号0。E，当被测信号量值接近电压比较器OP的零点时，需要在轨道符号序列中最高位补一个0。
进一步地，上述方法还可具有以下特点还包括步骤(d)，将得到的所述二进制序列乘以I0τ/C，得到理想条件下所述模拟信号的模拟测量值，其中I0为所述混沌测量电路的充电电流，τ为所述混沌测量电路的时钟脉冲周期，C为所述混沌测量电路的采样电容。
进一步地，上述方法还可具有以下特点所述步骤(d)中，将得到的所述二进制序列乘以I0τ/C后，还要再乘一个修正系数k，才作为所述模拟信号的实际模拟测量值。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种混沌映射模数转换器，可以在现有混沌测量电路系统上建立系统参照系和对系统进行标定，实现轨道符号序列到模拟信号值对应的数字量(标准二进制序列)的转换。
为了解决上述技术问题，本发明又提供了一种混沌映射模数转换器，包括包含模拟电路部分、逻辑控制与混沌轨道符号序列获取部分的混沌测量电路，其特征在于，还包括输入为模拟信号的起始N位混沌轨道符号序列SN到标准二进制数的转换电路部分，该转换电路部分按二进制运算的法则，用N位“01”循环序列S01N减去SN与S01N进行“与”运算的结果，减后的结果再与SN和N位“10”循环序列S10N进行“与”运算的结果进行“或”运算，输出对应于所述模拟信号值的数字量(标准二进制序列)。
进一步地，上述混沌映射模数转换器还可具有以下特点所述转换电路部分进一步包括N位与门阵列、N位与非门阵列、第一加法器、第二加法器，以及N位或门阵列，其中所述N位与门阵列对输入的混沌轨道符号序列SN和固定的N位“10”循环序列按位分别进行“与”运算，结果输出到所述N位或门阵列；所述N位与非门阵列对输入的混沌轨道符号序列SN和固定的N位“01”循环序列按位分别进行“与非”运算，结果输出到所述第一加法器；所述第一加法器对所述N位与非门阵列的输出结果进行加1运算；所述第二加法器对所述第一加法器输出的N位符号序列和固定的N位“01”循环序列进行二进制加法运算，结果输出到所述N位或门阵列；所述N位或门阵列对所述N位与门阵列和第二加法器输出的N位符号序列按位分别进行“或”运算，输出标准的N位二进制代码。
进一步地，上述混沌映射模数转换器还可具有以下特点所述混沌测量电路采用的是恒流源的混沌测量电路。
由上可知，本发明通过采用符号动力学原理，对混沌测量系统及其数学模型进行了深入分析，找到了混沌轨道符号序列和线性A/D转换结果之间的对应关系，从而突破了该研究领域一直借助于泛函空间距离定义作为测距依据所造成的理论局限，使混沌测量技术变得切实可行。
图1是本发明实施例混沌映射模数转换器的结构框图。
图2是图1中电路对应于某一被转换电压信号得到的混沌轨道示意图。
图3是本发明实施例N位混沌轨道符号序列到标准二进制的逻辑转换实现电路图。(图3中， 表示逻辑“1”， 表示逻辑“0”)具体实施方式
根据本申请人的研究，从混沌轨道提取出符号序列的规则中，需要在现有技术公开的两个规则的基础上，补充以下三个规则a)当电压比较器翻转时刻与一个周期为τ的时钟脉冲信号δ同时到达时，符号取1；b)当电压比较器翻转时刻与两个周期为τ的时钟脉冲信号δ同时到达时，除了取符号1外，还要补充一个符号0。c)当被测信号量值接近电压比较器OP的零点时，需要在轨道符号序列中最高位补一个0。(实际电路受比较器灵敏度的影响，得到的轨道符号序列的第一个过零翻转时刻会在两个时钟周期到三个时钟周期之间，测不到这个0)本实施利用混沌映射进行信号测量的方法包括以下步骤步骤一，在进行实际的模数转换时，先根据系统物理器件所能实现的精度和线性度，确定系统的模数转换有效位数N；步骤二，利用图1中的混沌测量电路(也可以用其它的混沌测量电路)对模拟信号进行测量，得到与该信号关联的混沌轨道符号序列，并从中提取出该序列起始段的N位符号序列；
假定希望的模数转换的位数为N(如8位、10位、16位等)，我们即提取N位的混沌轨道符号序列起始段，记为SN。有SN＝σ0σ1σ2…σj…σN-1，σj为“0”或“1”。对应于量程内不同的模拟电压，该N位符号序列一共有2N种不同组合。
步骤三，将提取出的符号序列SN按序参量关系式转换为与模拟信号数字量值对应的标准二进制序列(即与一般的线性A/D转换器得到的数字量效果一样)，该转换可以通过硬件或软件实现；所用的序参量关系式如下式所示(SN∩S10N)∪(S01N-SN∩S01N)---(2)]]>其中S10N为N位的“10”循环序列，如N＝10，则S10N取为1010101010；S01N为N位的“01”循环序列，如N＝10，则S01N取为0101010101，“∩”是“与”运算符号；“∪”是“或”运算符号。
式(2)给出了混沌轨道符号序列与传统的模数转换二进制之间的对应关系，我们把这种对应关系定义为倒锯齿映射混沌轨道符号序列的序参量计算公式，该公式也就是混沌轨道符号序列到标准二进制的转换公式。该公式中给出的对应关系可以用符号动力学和布尔代数分析得到证明，也可以针对不同位数，代入式(1)对应的倒锯齿映射符号动力学数学模型即可验证无误。
步骤四，将得到的二进制数乘以I0τ/C，再乘一个修正系数k，即可得到所述模拟信号的模拟量测量值。k是常数，由实际电路系统的总参数决定，用于系统校正。
图1的混沌测量电路中，理想情况下，满量程输出数字量为(2N-1)，对应的被测模拟信号量为(2N-1)×I0τ/C。实际电路由于器件误差，需要乘一个修正系数k，即实际模拟量测量值为(2N-1)×I0τ/C×k。
如图1所示，本实施例混沌映射模数转换器包括模拟电路部分、逻辑控制与混沌轨道符号序列获取部分和混沌轨道符号序列到标准二进制数的转换电路部分。其中
模拟电路部分，用于实现取样、控制电容充放电、电压比较及恒流源等，这部分电路设计按一般电路设计方法设计即可。
逻辑控制与混沌轨道符号序列获取部分，用于实现时钟脉冲发生及校准、配合电压比较器的输出翻转信号控制电子开关K1、K2、Ks的闭合与断开(Ks只在取样时刻闭合，其他时间断开)。另外，还要根据比较器过零翻转时刻与时钟脉冲δ之间的关系，确定混沌轨道符号序列的相应符号(0或1)。这部分电路，由于涉及时间比较与仲裁，可采用微处理器和逻辑电路来实现。
这两部分可以采用图1中现有技术的实现方式，但不局限于此。
转换电路部分，用于实现上述步骤三中式(2)的逻辑运算，可以采用逻辑门电路和加法器实现，其输入为混沌轨道符号序列，输出为标准的二进制序列。如图3所示，该转换电路包含N位与门阵列、N位与非门阵列、第一和第二加法器以及N位或门阵列，其中所述N位与门阵列对输入的混沌轨道符号序列SN，(SN＝σ0σ1σ2…σj，…σN-1，)和固定的N位“10”循环序列按位分别进行“与”运算，结果输出到所述N位或门阵列；所述N位与非门阵列对输入的混沌轨道符号序列SN和固定的N位“01”循环序列按位分别进行“与非”运算，结果输出到第一加法器；所述第一加法器对所述N位与非门阵列的结果进行加1运算；(这里对将SN∩S01N]]>取非后加“1”，相当于得到-SN∩S01N]]>的值)所述第二加法器对所述第一加法器输出的N位符号序列和固定的N位“01”循环序列进行二进制加法运算，结果输出到所述N位或门阵列；所述N位或门阵列对所述N位与门阵列和第二加法器输出的N位符号序列按位分别进行“或”运算，输出的结果即是标准的N位二进制代码。
需要说明的是，上述转换电路的目的是实现式(2)的逻辑运算，具体使用的逻辑门和连接关系是可以有多种变换的。
混沌映射模数转换器的实际位数可以取为8位、10位、16位等等，与器件物理及工艺、精度的需要等因素相关。
综上所述，本发明提出了有限混沌轨道符号序列与相应位数的线性A/D转换数据之间的序参量概念，并给出了序参量的计算方法。从而可以在经过混沌测量电路获取混沌轨道的符号序列后，通过一个逻辑转换电路将轨道符号序列转变为相应的标准二进制，实现了模拟信号到数字信号的变换。突破了现有混沌测量电路系统无法建立系统参照系和进行系统标定的难题。成功地解决了实用测量中混沌轨道符号序列到二进制序列的变换，同时也突破了长期以来形成的“单独一条混沌轨道的研究没有价值”的观念。
本发明的混沌映射模数转换器及其信号测量方法工作原理完全不同于现有的A/D转换器，原理电路非常简单。由于采用了混沌系统初值敏感性的特点，理论上说它测量任何信号是不需要通过放大来适应A/D转换器量程的，相反它可以通过动态标定来适应被测信号的要求。
本发明的上述电路除了可做A/D转换器外，也可以集成到小信号数字传感器中使用。
权利要求
1.一种利用混沌映射进行信号测量的方法，包括以下步骤(a)确定系统的模数转换有效位数N；(b)利用混沌测量电路对模拟信号进行测量，根据混沌轨道信号得到该信号的混沌轨道符号序列，从中提取出该轨道符号序列起始段的N位符号序列，记为SN，SN＝σ0σ1σ2…σj…σN-1，σj为“0”或“1”；(c)将提取出的符号序列SN按序参量关系转换为与所述模拟信号数字量值对应的标准二进制序列，该序参量关系式如下(SN∩S10N)∪(S01N-SN∩S01N)---(2)]]>其中S10N为N位的“10”循环序列；S01N为N位的“01”循环序列，“∩”是“与”运算符号；“∪”是“或”运算符号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)中根据混沌轨道信号得到该信号的混沌轨道符号序列时，依据以下规则进行A，当电压比较器翻转时刻在时钟脉冲信号δ的一个周期τ以内时，符号取0；B，当电压比较器翻转时刻在时钟脉冲信号δ的一个周期τ以上，两个周期τ以内时，符号取1。C，当电压比较器翻转时刻与一个周期的时钟脉冲信号δ同时到达时，符号取1；D，当电压比较器翻转时刻与两个周期的时钟脉冲信号δ同时到达时，除了取符号1外，还要补充一个符号0；E，当被测信号量值接近电压比较器OP的零点，需要在轨道符号序列中最高位补一个0。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤(d)，将得到的所述二进制序列乘以I0τ/C，得到理想情况下所述模拟信号的模拟测量值，其中I0为所述混沌测量电路的充电电流，τ为所述混沌测量电路的时钟脉冲周期，C为所述混沌测量电路的采样电容。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)中，将得到的所述二进制序列乘以I0τ/C后，还要乘一个修正系数k，才作为所述模拟信号的实际模拟测量值。
5.一种混沌映射模数转换器，包括包含模拟电路部分、逻辑控制与混沌轨道符号序列获取部分的混沌测量电路，其特征在于，还包括输入为模拟信号的起始N位混沌轨道符号序列SN到标准二进制数的转换电路部分，该转换电路部分按二进制运算的法则，用N位“01”循环序列S01N减去SN与S01N进行“与”运算的结果，减后的结果再与SN和N位“10”循环序列S10N进行“与”运算的结果进行“或”运算，输出对应于所述模拟信号值的标准二进制序列。
6.如权利要求5所述的混沌映射模数转换器，其特征在于，所述转换电路部分进一步包括N位与门阵列、N位与非门阵列、第一加法器、第二加法器，以及N位或门阵列，其中所述N位与门阵列对输入的混沌轨道符号序列SN和固定的N位“10”循环序列按位分别进行“与”运算，结果输出到所述N位或门阵列；所述N位与非门阵列对输入的混沌轨道符号序列SN和固定的N位“01”循环序列按位分别进行“与非”运算，结果输出到所述第一加法器；所述第一加法器对所述N位与非门阵列的输出结果进行加1运算；所述第二加法器对所述第一加法器输出的N位符号序列和固定的N位“01”循环序列进行二进制加法运算，结果输出到所述N位或门阵列；所述N位或门阵列对所述N位与门阵列和第二加法器输出的N位符号序列按位分别进行“或“运算，输出标准的N位二进制代码。
7.如权利要求5所述的混沌映射模数转换器，其特征在于，所述混沌测量电路采用的是恒流源的混沌测量电路。
全文摘要
本发明公开了一种利用混沌映射进行信号测量的方法及混沌映射模数转换器。该方法先确定系统的模数转换有效位数N；从混沌测量系统得到的混沌轨道符号序列中提取出起始段的N位符号序列，记为S
文档编号H03M1/12GK1805288SQ20051000055
公开日2006年7月19日 申请日期2005年1月10日 优先权日2005年1月10日
发明者凌齐文 申请人:凌齐文