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。