基于混沌电路的高精度重量测量系统设计

　　1　引　　言

　　在医药等领域,对重量测量的精度和分辨率有着非常高的要求。传统的重量测量系统包括信号放大、信号调理、A/D转换等环节。上述各中间环节的稳定性及元器件性能都会影响整个测量系统的稳定性和精度,成为制约测量精度进一步提高的瓶颈。

　　混沌系统具有参数敏感性。利用混沌系统参数敏感性的混沌测量系统具有极高的精度和极强的适应性。本文提出一种新的基于参数敏感性的电阻测量混沌 电路,并用于重量测量系统,直接将反映重量的电阻应变敏感元件的电阻值映射为二进制符号序列。该符号序列实际上就是一种对应于电阻值也即对应于重量的二进 制代码,从而避开了放大器和A/D转换器等中间环节对重量测量精度的制约和影响。实验证明,基于混沌电路参数敏感性的新型重量测量方法,使重量测量的精度 和分辨率大大提高。

　　2　基于混沌电路的重量测量原理

　　现有的电阻测量混沌电路一般为两种形式:一种充放电都为恒压式,另一种充电为恒压式,放电改进为恒流式。由于恒压式充放电过程是非线性的,使得 其迭代映射不是满射,从而影响测量的线性度。本系统采用一种新的混沌电路形式,其充放电都为恒流式,也即其充放电过程都是线性的,从而大大提高了测量的线 性度。

　　基于参数敏感性的重量测量混沌电路如图1所示。其中DH951为高精度恒流源,其恒流电流值I(A)=V/R,V为恒流源的系数。开关K的动作由逻辑部件G控制。RM为压电式重量检测元件,其反映重量大小的电阻值即系统的待测参数。

　　混沌重量测量电路工作过程如下:

　　1)测量开始时,K合在3端,使UC=0;

　　2)当周期为τ的脉冲到达时,逻辑部件G使K合在1端,电容C以恒定电流I1充电;

　　3)当下一个脉冲到达时,充电结束,G使K合在2端,电容C以恒定电流I2放电;

　　4)当Uc降到0,比较器P翻转,Up由低电平变为高电平,使G产生控制信号,K合在1端,又开始下一个周期的充电和放电过程,如此周而复始循环下去,只要适当调整I1、I2和τ,就可以使电路处在混沌状态,其对应的混沌轨道O X0BX1CX2…如图2所示。

　　当2≥I1/I2>0时,可以推导出混沌轨道相邻两点即Xn与Xn+1之间的迭代方程:

　　根据混沌理论,初值一定时,给定一个参数值RM,就可以按式(1)得到一序列X0X1X2X3…Xn…= {Xi}。用符号动力学方法可以将序列{Xi}变为符号序列S0S1S2S3…Sn…={Si},其中{Si}为1或0,变换法则按下式进行:

　式中:{Si}与{Xi}一一对应,是以X0为初值迭代所得的符号序列,由符号动力学可知此序列按X0排序。由于RM与X0一一对应,RM的阻值 增大时恒流电流值I1单调减小,也即X0单调减小,所以序列{Si}也可按RM排序,规则应与此映射按初值排序的规则相反,其排序规则如下:　有两个符号 序列E1和E2,它们的前面相同部分为E,则:E,1,…>E,0,…当E的长度为奇数时E,1,… 　　根据符号序列排序规律,两个不同的参数值RM、R0对应两条不同轨道:x0x1x2x3…xn…= {xi},　y0y1y2y3…yn…= {yi},可得到对应的两个符号序列a0a1a2a3…an…= {ai},b0b1b2b3…bn…= {bi}。两轨道间的距离为: