摘 要：为解决模糊控制器电路设计中的去模糊运算问题，提出了一种数模混合电路实现的模糊控制器去模糊运算单元电路设计。通过对折叠型Gilbert乘法器电路作适当的扩展，提出了多路乘法器的设计，实现了多个输入电压与一个共同的乘数电压的乘法运算，并应用该多路乘法器和运算放大器设计了归一化激活度计算电路。应用归一化激活度计算电路和加权求和电路组成了该新结构的去模糊单元电路。采用无锡上华0．6μm混合信号工艺参数设计完成。Hspice模拟结果表明该单元电路可以完成去模糊运算工作，并作为子单元电路应用于模糊控制器的VLSI实现。
关健词：模糊控制器；Gilbert乘法器；重心法去模糊
由于模糊逻辑系统具有处理不确定信息的能力，已在许多应用领域中取得了长足的进展。为了在复杂控制问题中满足高速度，和系统小型化的需求，采用专用集成电路芯片来实现模糊控制器已成为必然的发展趋势。现代VLSl技术的高速发展又为模糊控制器芯片的研究提供了坚实的基础。
模糊控制器的VLSI实现大体上可以分为数字电路实现和数模混合电路实现两大类。由于模拟电路比较数字电路具有更小的芯片面积和制造成本，所以模拟电路在模糊控制器芯片研究领域占有重要的地位。模糊控制器电路主要由模糊化单元、模糊推理单元、去模糊运算单元和模糊逻辑规则库等4部分组成。在模糊控制器中，去模糊电路一般采用重心法结构，因而除法运算是必须的。常规的数字电路所实现的除法器规模很大，而模拟电路实现高精度的除法器设计难度很大，因此采用先进行模糊控制规则激活度的归一化运算，再通过加权求和的办法完成去模糊成为了很好的解决方案，负反馈思想在电路设计中有重要应用，文就提出了一种基于负反馈的非重心法设汁。本文提出了一种采用负反馈思想的，基于多路乘法器和运算放大器组成的新结构的重心法去模糊单元电路设计。
1 去模糊运算的电路结构
模糊逻辑控制器在推理过程中先要计算出输入变量对不同的模糊控制规则的激活度，然后由一个专门的去模糊电路单元来把依据许精确值以供系统输出。
模糊控制器有很多种去模糊的数学推理方法，其中重心法去模糊被认为是在数学上具有最好的逻辑性和严谨性的，被广泛应用在模糊控制器芯片的设计中，其数学表达式为
其中ωi为经过前级隶属度函数电路的推理计算得到的输入变量对第i条规则的激活度。di为第i条规则的后件参数值。
对式(1)进行简单的数学变换，则可以得到等价的表达式
只要由各条模糊控制规则的激活度ωi，计算出与之对应的归一化激活度
的值，就可以再通过简单的加权求和的办法计算出模糊控制器的输出值，相应的去模糊运算单元的电路框图如图1所示。这种去模糊结构中加权求和运算电路可以通过数字量控制的比例电流镜实现，主要的问题是归一化激活度的计算电路的设计。
2 归一化激活度计算电路设计
采用如图2所示的由多路乘法器和运算放大器组成的负反馈环路即可以实现归一化激活度的计算。该归一化激活度计算电路的输入信号为前级电路经过模糊推理后计算出的表征被激活的模糊控制规则激活度的电压信号Vω1、Vω2、Vω3、Vω4；该单元的输出信号为多路乘法器的输出电流
。
输入电压Vω1、Vω2、Vω3、Vω4代表同时被激活的4条模糊控制规则的激活度ω1、ω2、ω3、ω4。电流为多路乘法器的输出电流，它们经过1：1的电流镜电路复制为两路，一路是将4个电流求和，然后转变为电压量加载在运算放大器(OPA)的负相输入端构成负反馈环路。另一路则将作为这个子单元电路的输出信号供后级运算使用。Iref=40μA是参考电流源电流。
图2所示电路中所用的多路乘法器是由Gilbert乘法器经过扩展得到的。图3为一个折叠型Gilbert乘法器，它的传输函数为
其中k为电路结构决定的常数
将图3所示乘法器电路中虚线所包含部分称为电路A，采用并联接法多次重复使用电路A，即可实现对单个Gilbert乘法器的扩展，从而得到一个多路乘法器，其电路如图4所示。该多路乘法器比简单的把N个Gilbert乘法器并联使用具有更高的电路对称性，而且还可以节省5×(N-1)个晶体管。由式(3)可知该多路乘法器的传输函数为
该归一化运算电路原理如下：
因为运算放大器的工作特点决定它的两个输入端是虚接的，当电路收敛到稳态时有
又根据多路乘法器的传输函数式（4）和图2所示的归一化激活度计算电路的连接关系可知
其中Va为运算放大器稳态时的反馈电压。将式(6)代入式（5）可以推出
将式(7)代入式(4)可知稳态时的输出电流满足
可见输出电流的值符合式(2)所示的归一化激活度的数学表达式，可以表征被激活规则的归一化激活度值。图5所示即为该归一化激活度计算电路的Hspice时域仿真结果。
其中图5a为加载在电路输入端作为仿真激励信号的一组电压Vω1、Vω2、Vω3、Vω4的时域波形，图5b为归一化运算电路计算得到的输出电流时域波形，它们符合传输函数式(8)，且任意时刻都有
满足归一化要求。该仿真结果是采用无锡上华0．6μm混合信号工艺器件模型参数计算完成。
因为在给定输入下，只有有限条规则会被同时激活，所以去模糊时只考虑对被激活的规则进行归一化运算即可，图2所示电路是按给定输入下，同时有4条规则会被激活的结构设计的，也可以扩展到更多规则被激活的情况。文就是一个给定输入下，同时仅有4条规则被激活的模糊控制器实例。
3 去模糊单元电路设计
去模糊单元的电路设计，如图6所示。该电路由归一化激活度计算电路和电流加权求和电路两部分组成。如图6所示，表征被激活规则的归一化激活度的电流经过数字量控制的电流镜按比例放大后求和即可以实现加权求和。
该去模糊电路单元最后的推理输出如式(9)所示，与重心法去模糊的数学理论式(1)符合
4 结 论
采用多路乘法器设计与联多个乘法器的电路实现方案相比减小了电路的规模，同时还提高了电路的对称性，更适于VLSI实现，应用该多路乘法器，设计了归一化激活度计算电路，实现了对模糊控制规则激活度的归一化运算，进一步经过数字开关控制的电流镜加权求和完成了去模糊运算，从而完成一种新结构的去模糊单元电路设计，该去模糊实现的模糊控制器电路设计方案中，同时该电路又可以兼容数字存储器对控制器规则参数的存储方式，避免了模拟量难以存储的问题，Hspice仿真结果表明整个电路的设计能够完成重心法去模糊运算的要求。
