CN104052374A - 驱动讯号产生器及驱动讯号产生方法 - Google Patents

Abstract

一种驱动讯号产生器，用以驱动一传感器，包括：一输入端，用以接收一控制讯号；以及，一数字滤波器，耦接于输入端，并根据控制讯号产生一驱动讯号，以驱动传感器。其中，数字滤波器是为一陷频滤波器，且数字滤波器的转移函数相关于传感器的特性。

Description

驱动讯号产生器及驱动讯号产生方法

【技术领域】

本发明有关于一种驱动讯号产生器及驱动讯号产生方法，特别是一种适用于一传感器(transducer)，且传感器的振幅(magnitude)的频域响应(frequencydomain response)上具有尖峰突出(peaking)的驱动讯号产生器及驱动讯号产生方法。

【背景技术】

传感器(transducer)是一种可以转换能量形式的组件。例如在目前普遍流行的可携式电子装置中，常见的传感器组件有显示面板、喇叭、以及相机镜头中对焦所需的音圈马达(voice coil motor)等等，上述所列传感器组件都是接收电能形式的控制讯号，再分别转换成光能、声能、以及动能的形式，以满足使用者以各种感官接收讯息的需求。

然而，在各式的传感器的控制上，如果传感器本身的输出讯号对应输入讯号是线性的单调上升或是下降的关系，则控制上相对单纯，可以直接利用开回路(open-loop)的方式来进行控制即可，例如显示面板。相对地，另一类的传感器则是有相对较为复杂的特性，若欲获得较好的控制结果，则一般是以闭回路(close-loop)的方式来设计，然而这样的设计方式必须考虑撷取回授讯号时所需付出的成本。以音圈马达的控制为例，图1为一般习用音圈马达的振幅的频域响应的转移函数图，可以发现随着频率增加，在高频衰减发生之前，会先发生尖峰突出的现象，此现象容易形成一个共振频率(resonant frequency)，使得当音圈马达接收一脉冲(impulse)或步阶(step)能量时，会以此一共振频率进行一定时间长度的振荡。举例而言，当音圈马达应用于相机镜头的对焦动作时，长时间的振荡势必增加对焦系统的反应时间，因而造成产品不具竞争力。为了解决尖峰突出所造成的问题，音圈马达的控制系统可以利用闭回路的方式，通过调整所述负回授系统的参数，使得音圈马达的控制系统的响应能够具有适当的阻尼因子(damping factor)，以避免振荡。然而，为了达成负回授，在音圈马达的应用电路中，必须加上霍尔传感器(Hall sensor)，以侦测音圈马达位移的情形，并转换成电的讯号以回授到控制系统中处理。闭回路的控制方式虽然有效，但霍尔传感器的加入将造成成本以及体积的增加，使得可携式系统在成本以及尺寸下降的趋势上在此遭遇瓶颈。

另一种作法，则是以开回路的方式，在控制系统中串接一组陷频滤波器(notch filter)，使得控制系统加上音圈马达的整体振幅的频域响应上，能滤除所述尖峰突出，因而直接抑制振荡的现象。这是比较节省成本以及减少系统体积的作法，然而尖峰突出的频率常因温度、老化、或是组件之间的差异而有产生漂移，此一因素在开回路的控制系统中是必须考虑的。

图2为一般习用利用开回路进行音圈马达控制系统200的设计的方块示意图。控制系统200中包含一个陷频滤波器210，具有振幅的频率响应F(z)，陷频频率fn并设计在音圈马达220的尖峰突出的频率fr附近。此一控制系统200结合音圈马达220之后所得到的时域(time-domain)输出响应x(t)，即可避免当输入u(t)为一脉冲或步阶讯号时，产生振荡的情形。

图3为以图2的习用控制系统所实现的一先前技术的相关时域波形图，其中陷频滤波器210是利用一数字滤波器的方式实施，且具有如下的频率响应函式F(z)：

F(z)＝0.5·(1+z^-1)……(1)，

其中Z为Z-变换(Z-transform)的变量，Z^-1即代表数字滤波器中一个处理频率宽度的延迟(delay)，亦即，F(Z)是为一Z-域(Z-domain)的函式。另外，F(z)的最高项次为Z-1，因此F1为一阶函式。值得注意的是，在设计上，陷频滤波器210的陷频频率fn必须在尖峰突出的频率fr附近，再配合第(1)式，即可决定出所述数字滤波器的处理频率的宽度，此应为本领域具有通常知识者所习知，在此不另赘述。在图3中，对应图2的输入讯号u(t)是为一步阶讯号，经过陷频滤波器后的驱动讯号u’(t)如图3的上图所示，最后时域输出响应x(t)则如图3的下图所示，可发现振荡已被有效的抑制，并未发生，且反应时间则为共振周期Tc(即共振频率的倒数)的一半。

【新型内容】

为了解决上述问题，本发明提出一种驱动讯号产生器及其方法，特别是一种适用于一传感器，且传感器的振幅的频域响应上具有尖峰突出的驱动讯号产生器及其方法。

本发明提出一种驱动讯号产生器，用以驱动一传感器，包括：一输入端，用以接收一控制讯号；以及，一数字滤波器，耦接于输入端，并根据控制讯号产生一驱动讯号，以驱动传感器。其中，数字滤波器是为一陷频滤波器，且数字滤波器的转移函数相关于传感器的特性。

本发明一实施例中，驱动讯号产生器不具有从传感器回授的回路。

本发明一实施例中，驱动讯号产生器是为一开回路控制组态。

又，本发明又提供一种驱动讯号的产生方法，包含下列步骤：以一数字滤波器的输入端接收一控制讯号，并产生一驱动讯号，其中数字滤波器是为一陷频滤波器，且数字滤波器的转移函数相关于传感器的特性；以及，以驱动讯号驱动一传感器。

本发明一实施例中，传感器在其振幅的频域响应上具有一尖峰突出。

本发明一实施例中，传感器是为一电感性组件。

本发明一实施例中，数字滤波器的转移函数如下所示：(1+a₁·z^-n+a₂·z^-2n)·F1，其中F1为至少一阶的Z-域函式，a₁为小于0的实数，a₂为大于0的实数，且n为自然数。

本发明一实施例中，数字滤波器的转移函数为：(1-z^-1+z^-2)·F1。

本发明一实施例中，数字滤波器的转移函数为：0.5·(1-z^-2+z^-4)·(1+z^-7)。

本发明的功效在于，本发明所揭露的驱动讯号产生器以及驱动讯号的产生方法，可以在开回路控制的设计下，有效降低或抑制传感器因为其具有尖峰突出而造成的不必要的振荡，因而可以改善反应时间。其具备相较于先前技术更快的反应时间，同时可以获得较宽的陷频区间，因此在应用上具有很高的实用性。

有关本创作的特征、实作与功效，兹配合图式作最佳实施例详细说明如下。

【附图说明】

图1：一般习用音圈马达的振幅的频域响应的转移函数图。

图2：一般习用利用开回路进行音圈马达控制系统的设计的构造示意图。

图3：一般习用以图2的控制系统所实现的一先前技术的相关时域波形图。

图4：本发明驱动讯号产生器揭露的一实施例及其外围电路的构造示意图。

图5：本发明驱动讯号产生器揭露的说明例所实现的相关时域波形图。

图6：本发明驱动讯号产生器揭露的一较佳实施例所实现的相关时域波形图。

图7：本发明驱动讯号的产生方法揭露的一实施例的步骤流程图。

主要组件符号说明：

200  控制系统        410  数字滤波器

210  陷频滤波器      420  传感器

220  音圈马达        430  输入端

400  驱动讯号产生器  S710、S720  步骤

【具体实施方式】

图4为本发明驱动讯号产生器所揭露的一实施例，即驱动讯号产生器400，及其外围电路的方块示意图。驱动讯号产生器400用于接收一控制讯号u(t)并据以驱动一传感器420。驱动讯号产生器400包含一输入端430以及一数字滤波器410。输入端430用以接收控制讯号u(t)。数字滤波器410耦接于所述输入端，并根据所述控制讯号产生一驱动讯号，以驱动所述传感器。其中，所述数字滤波器是为一陷频滤波器，且所述数字滤波器的转移函数相关于所述传感器的特性。

值得注意的是，本发明所揭露的驱动讯号产生器400，不具有从传感器420回授的回路，因此可以省略必须将能量形式进行转换，以产生回授讯号的组件，因此可以降低电路硬件成本。例如传感器若为一音圈马达，为了取得回授讯号，在电路中必须配置例如霍尔传感器的组件，以侦测音圈马达位移的情形，并转换成电的讯号以回授到控制系统中处理。另外，驱动讯号产生器400是为一开回路控制组态，可以使系统的反应速度快速，反观在闭回路控制组态中，为了保持回路稳定度，则必须牺牲系统的反应速度。

另外，本发明所揭露的驱动讯号产生器400所适用的传感器420，其特性为在其振幅的频域响应上具有一尖峰突出，此一尖峰突出在本质上容易造成传感器420在位移量上的振荡，而驱动讯号产生器400对于这样的振荡现象有很好的抑制作用。另外，传感器420通常是为一电感性组件，例如为一音圈马达。

在本发明所揭露的一实施例中，数字滤波器410的转移函数F(z)如下所示：

F(z)＝(1+a₁·z^-n+a₂·z^-2n)·F1……(2)，

其中F1为至少一阶的Z-域函式，a₁为小于0的实数，a₂为大于0的实数，且n为自然数。

本发明所揭露的驱动讯号产生器400，可以根据不同F1函式、a₁、a₂、以及n值的设计，而在获得较宽的陷频区间，以补偿尖峰突出频率因各种原因所产生的可能漂移的同时，更可以具备相较于先前技术更快的反应时间。以下举出较佳实施例进行说明。

在本发明所揭露的驱动讯号产生器400的一较佳实施例中，a₁等于-1，a₂等于1，且n等于1。亦即，数字滤波器410的转移函数F(z)包含下列因式：

1-z^-1+z^-2……(3)。

亦即，F(z)是为下列函式：。

(1-z^-1+z^-2)·F1……(4)。

第(3)所示函式的最高项次为Z^-2，因此为一二阶函式。图5为利用上述第(3)式所实现的驱动讯号产生器400的相关时域波形图。值得注意的是，在设计上，数字滤波器410的陷频频率fn必须在尖峰突出的频率fr附近，再配合第(3)式，即可决定出所述数字滤波器的处理频率的宽度，此应为本领域具有通常知识者所习知，在此不另赘述。在图5中，对应图4的输入讯号u(t)是为一步阶讯号，经过数字滤波器410作用后的驱动讯号u’(t)如图5的上图所示，最后时域输出响应x(t)则如图5的下图所示，可发现振荡已被有效的抑制，并未发生，且反应时间为共振周期Tc的1/3。与图3的所代表的先前技术比较，先前技术的反应时间是为共振周期Tc的1/2，可知对应于图5所揭露的驱动讯号产生器400，可以获得更快的反应时间。

在本发明所揭露的驱动讯号产生器400的另一较佳实施例中，a₁等于-1，a₂等于1，n等于2，且F1＝1+z^-7，是为一7阶函式。亦即，数字滤波器410的转移函数F(z)如下式所示：

F(z)＝0.5·(1-z^-2+z^-4)·(1+z^-7)……(5)。

第(5)式所代表的转移函数F(z)，在频域上具有较宽的陷频区间，因此可以有效补偿尖峰突出频率因各种原因所产生的可能的漂移，例如温度变化、组件老化所产生的漂移，及/或组件之间的本质差异。

图6为利用第(5)式所实现的驱动讯号产生器400的相关时域波形图。值得注意的是，在设计上，数字滤波器410的陷频频率fn必须在尖峰突出的频率fr附近，再配合第(5)式，即可决定出所述数字滤波器的处理频率的宽度，此应为本领域具有通常知识者所习知，在此不另赘述。在图6中，对应图4的输入讯号u(t)是为一步阶讯号，经过数字滤波器410作用后的驱动讯号u’(t)如图6的上图所示，最后时域输出响应x(t)则如图6的下图所示，可发现振荡已被有效的抑制，并未发生。虽然其反应时间大约即为共振周期Tc，然而由于具备较宽的陷频区间，此一较佳实施例对于对抗尖峰突出频率的漂移的效果较佳。由此可知，本发明所揭露的第一实施例的驱动讯号产生器400，与先前技术相比较，在具备较宽的陷频区间的同时，可以拥有更快速的反应时间。

图7为本发明所揭露的驱动讯号的产生方法的步骤流程图。驱动讯号适用于驱动一传感器420，特别是当传感器420的振幅的频域响应上具有尖峰突出的特性时。传感器420通常是为一电感性组件，例如为一音圈马达。驱动讯号的产生方法包括下列步骤：

第一步骤：如步骤S710所述，以一数字滤波器410的输入端430接收一控制讯号u(t)，并产生一驱动讯号u’(t)，其中数字滤波器410是为一陷频滤波器，且数字滤波器410的转移函数相关于传感器420的特性。数字滤波器410具备相较于先前技术更快的反应时间，同时更可以获得较宽的陷频区间，以补偿尖峰突出频率因各种原因所产生的可能的漂移。

第二步骤：如步骤S720所述，以驱动讯号u’(t)驱动传感器420。

本发明所揭露的驱动讯号的产生方法，可以在开回路控制的设计下，有效降低或抑制传感器因为其具有尖峰突出而造成的不必要的振荡，因而可以改善反应时间。其具备相较于先前技术更快的反应时间，同时可以获得较宽的陷频区间，因此在应用上具有很高的实用性。

在本发明所揭露的驱动讯号的产生方法的一较佳实施例中，数字滤波器的转移函数F(z)如下：

F(z)＝(1+a₁·z^-n+a₂·z^-2n)·F1……(6)，

其中F1为至少一阶的Z-域函式，a₁为小于0的实数，a₂为大于0的实数，且n为自然数。

本发明所揭露的驱动讯号产生方法，可以根据不同F1函式、a₁、a₂、以及n值的设计，而在获得较宽的陷频区间，以补偿尖峰突出频率因各种原因所产生的可能漂移的同时，更可以具备相较于先前技术更快的反应时间。

另外，在本发明所揭露的驱动讯号的产生方法的另一较佳实施例中，数字滤波器的转移函数F(z)如下：

F(z)＝(1-z^-1+z^-2)·F1……(7)，

如此，与图3的所代表的先前技术比较，第(7)式所代表的技术方案可以获得更快的反应时间，同时具备了较宽的陷频区间。

另外，在本发明所揭露的驱动讯号的产生方法的又一较佳实施例中，数字滤波器的转移函数F(z)如下：

F(z)＝0.5·(1-z^-2+z^-4)·(1+z^-7)……(8)。

如此，数字滤波器的转移函数在频域上具有较宽的陷频区间，因此可以有效补偿尖峰突出频率因各种原因所产生的可能的漂移，例如温度变化、组件老化所产生的漂移，及/或组件之间的本质差异。

虽然本创作的实施例揭露如上所述，然并非用以限定本创作，任何熟习相关技艺者，在不脱离本创作的精神和范围内，举凡依本创作申请范围所述的形状、构造、特征及数量当可做些许的变更，因此本创作的专利保护范围须视本说明书所附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (14)

1.一种驱动讯号产生器，用以驱动一传感器，其特征在于，所述驱动讯号产生器包含：

一输入端，用以接收一控制讯号；以及

一数字滤波器，耦接于所述输入端，并根据所述控制讯号产生一驱动讯号，以驱动所述传感器；

其中，所述数字滤波器是为一陷频滤波器，且所述数字滤波器的转移函数相关于所述传感器的特性。

2.如权利要求1所述的驱动讯号产生器，其特征在于，所述驱动讯号产生器不具有从所述传感器回授的回路。

3.如权利要求1所述的驱动讯号产生器，其特征在于，所述驱动讯号产生器是为一开回路控制组态。

4.如权利要求1所述的驱动讯号产生器，其特征在于，其中所述传感器在其振幅的频域响应上具有一尖峰突出。

5.如权利要求1所述的驱动讯号产生器，其特征在于，其中所述传感器是为一电感性组件。

6.如权利要求1所述的驱动讯号产生器，其特征在于，其中所述数字滤波器的转移函数为：

(1+a₁·z^-n+a₂·z^-2n)·F1；

其中F1为至少一阶的Z-域函式，a₁为小于0的实数，a₂为大于0的实数，且n为自然数。

7.如权利要求1所述的驱动讯号产生器，其特征在于，其中所述数字滤波器的转移函数为：

(1-z^-1+z^-2)·F1；

其中F1为至少一阶的Z-域函式。

8.如权利要求1所述的驱动讯号产生器，其特征在于，其中所述数字滤波器的转移函数为：

0.5·(1-z^-2+z^-4)·(1+z^-7)。

9.一种驱动讯号的产生方法，其特征在于，所述驱动讯号的产生方法包含下列步骤：

以一数字滤波器的输入端接收一控制讯号，并产生一驱动讯号，其中所述数字滤波器是为一陷频滤波器，且所述数字滤波器的转移函数相关于所述传感器的特性；以及

以所述驱动讯号驱动一传感器。

10.如权利要求9所述的驱动讯号的产生方法，其特征在于，其中所述传感器在其振幅的频域响应上具有一尖峰突出。

11.如权利要求9所述的驱动讯号的产生方法，其特征在于，其中所述传感器是为一电感性组件。

12.如权利要求9所述的驱动讯号的产生方法，其特征在于，其中所述数字滤波器的转移函数如下所示：(1+a₁·z^-n+a_２·z^-2n)·F1，其中F1为至少一阶的Z-域函式，a₁为小于0的实数，a₂为大于0的实数，且n为自然数。

13.如权利要求9所述的驱动讯号的产生方法，其特征在于，其中所述数字滤波器的转移函数如下所示：(1-z^-1+z^-2)·F1，其中F1为至少一阶的Z-域函式。

14.如权利要求9所述的驱动讯号的产生方法，其特征在于，其中所述数字滤波器的转移函数如下所示：0.5·(1-z^-2+z^-4)·(1+z^-7)。