CN106612123A - 控制输出信号的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制输出信号的方法和系统。所述方法包括配置发射器以提供至少三个用于形成输出信号的输出电平。该方法还包括调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的一次谐波的振幅来控制输出信号的平均值。

Description

控制输出信号的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年10月21日提交的Johan Camiel Julia JANSSENS、PavelHORSKY和Petr KAMENICKY发明的名称为“CONTROLLING AN OUTPUT SIGNAL INDEPENDENTLYOF THE FIRST HARMONIC”(独立于一次谐波来控制输出信号)的美国临时申请No.62/244549的优先权，该申请以引用方式并入本文，并且据此要求该申请的共同主题的优先权。
背景技术
换能器是将物理量(例如声压级)的变化转换为电信号和/或进行相反转换的设备。就像收发器可同时用作发射器和接收器那样，换能器也可同时用作致动器和传感器。当换能器同时用作致动器(例如将电能转换为发射的声压级)和传感器(例如将收到的声压级转化为电学量)时，常常使用耦合电容器确保发射器处的输出电平独立于接收器处的输入电压。此耦合电容器增加了材料成本和容纳该耦合电容器所需的印刷电路板(“PCB”)的尺寸。此外，该耦合电容器引入了衰减(发射损耗、接收损耗或二者都有)并在系统级别降低了灵敏度。其次，由于该耦合电容器需要放电或充电以适应发射和接收期间的不同电压，该耦合电容器常常在系统中带来稳定时间问题。最后，该耦合电容器在发射和接收之间常常需要预充电循环，这可能在系统中导致寄生行为。
此外，对于某些换能器应用而言，常常使用调节器来调节声压级(“SPL”)的输出。但是，系统中的每个换能器通常具有相应的调节器，该调节器用于校准灵敏度或补偿输出驱动器电源电压的变化。因此，在系统中的传感器数量和调节器数量之间存在不希望有的相关性。
发明内容
因此，本文中公开了用于独立于一次谐波来控制输出电路以及反向操作的系统和方法。这样一来，可取消耦合电容器，从而节约成本并提高系统级效率。
在至少一个实施例中，一种方法包括配置发射器以提供至少三个用于形成输出信号的输出电平。该方法还包括调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的一次谐波的振幅来控制输出信号的平均值。
在另一个实施例中，一种系统包括至少一个发射器，该发射器被配置为提供至少三个用于形成输出信号的输出电平，并且被配置为调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的一次谐波的振幅来控制输出信号的平均值。该系统还包括一个或多个接收器，这些接收器被配置为基于障碍物对输出信号的反射来接收输入信号。该系统还包括被配置为基于输入信号来测量距离的逻辑。
在又一个实施例中，一种方法包括配置发射器以提供至少三个用于形成输出信号的输出电平。该方法还包括调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的平均值来控制输出信号的一次谐波的振幅。
以下特征可被结合到各实施例中。可调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的平均值来控制输出信号的一次谐波的振幅。可调整此持续时间，使得平均值在接收器所需的范围内。调整此持续时间可基于监测发射器电源电压。发射器可包括换能器。可基于存储的换能器校准系数来调整此持续时间。换能器中的高阶共振的激发可被最小化。发射器还可被配置为调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的平均值来控制输出信号的一次谐波的振幅。一种汽车可包括所述发射器、一个或多个接收器和逻辑。所述距离可包括汽车与障碍物之间的距离。泊车辅助系统可包括所述发射器、一个或多个接收器和逻辑。所述发射器可包括耦接到输出信号发生器的换能器，而在该换能器和输出信号发生器之间没有单独的电学耦合电容器。发射器可包括负电压发生器。负电压发生器可包括被配置为提供正电压信号和负电压信号的电荷泵。两个或多个发射器可使用共用的高电压源。可调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的一次谐波的振幅来控制输出信号的平均值。输出信号可以是声波信号，并且持续时间可被调整，以控制输出信号的声压级。发射器可包括换能器，并且持续时间可基于存储的换能器校准系数被调整。发射器可包括换能器，并且持续时间可被调整以使换能器中的高阶共振激发最小化。
附图说明
本文公开了用于独立于一次谐波来控制输出电路的系统和方法。这样一来，可取消耦合电容器，从而节约成本并提高系统级效率。在附图中：
图1是能够进行独立电路控制的示例性泊车辅助应用的示意图；
图2是可在能够进行独立电路控制的系统中实现的示例性电路图；
图3是例示独立电路控制的输出电平图；
图4是独立电路控制的示例性方法的流程图；以及
图5是独立电路控制的另一种示例性方法的流程图。
然而，应当理解，附图中给定的具体实施方案以及对它们的详细描述并不限制本公开。相反，这些实施方案和详细描述为本领域技术人员提供了识别替代形式、等价形式和修改形式的基础，这些替代形式、等价形式和修改形式与给定实施方案中的一个或多个一起被包含在所附权利要求书的范围内。
符号和命名
在下面的说明书和权利要求书中通篇使用某些术语来指代特定的系统部件和构造。如本领域技术人员将理解的，公司可能利用不同的名称来指代一个部件。本文献并非意于在名称不同而功能相同的部件之间作出区分。在下面的讨论中以及在权利要求书中，术语“具有”和“包括”以开放形式使用，并且因此，这些术语应被解释成意指“包括但不限于…”。另外，术语“耦合”或“耦接”意指间接或直接的电连接或物理连接。因此，在各种实施方案中，如果第一器件耦接到第二器件，则该连接可能是通过直接电连接、通过经由其他器件和连接的间接电连接、通过直接物理连接，或者通过经由其他器件和连接的间接物理连接来实现的。
具体实施方式
使用本文所公开的系统和方法，可取消耦合电容器，从而节约成本并提高系统级效率。具体地讲，材料成本将降低，而且所需印刷电路板(“PCB”)的尺寸将减小。此外，不会引入衰减(发射损耗、接收损耗或二者都有)，而且系统级别的灵敏度将不会降低。其次，由于充电和放电时间造成的稳定时间问题将被消除。最后，由于消除了预充电循环，系统中的寄生行为将被消除。
换能器在很多应用中使用，为了清楚地讨论，将以应用于泊车辅助技术来说明所述系统和方法；但是，本领域的普通技术人员将认识到，以下公开内容可应用于任何使用了换能器的应用。通过配置发射器(耦接到换能器或包括换能器)以提供至少三个输出电平，可调整输出电平的持续时间，以独立于输出信号的一次谐波来控制输出信号的平均值，反之亦然。具体地讲，可按需调整处于接地、中性或0状态的时间长度，而不需要双输出电平系统中必需的折衷。此种调整能够取消耦合电容器，并提供了没有引入变压器所带来的相应益处。
图1是示例性无变压器泊车辅助应用的示意图，包括用于独立控制输出信号的系统100。传感器1、2、3各自包括可同时用作致动器和传感器的换能器。具体地讲，每个传感器能够基于电能发射声波和/或超声波信号，接收声波和/或超声波信号，以及将接收到的信号转换或转化为电学量。这里，传感器被示为处于同一平面(例如汽车保险杠)，但在各种实施方案中，传感器处于不同平面，而且在硬件、软件或二者中进行的计算都考虑了空间差异。在本例中，传感器2发射超声波信号，该超声波信号撞击到障碍物。障碍物可以是在泊车环境中遇到的类型，例如另一辆汽车、路缘、树木、柱子或标牌。障碍物将该信号在各个方向反射，反射信号被传感器1、2、3中的每一个接收。基于接收信号的特性(包括发射和接收之间过去的时间)，可由数据处理逻辑使用硬件(例如电路逻辑)、软件或二者来确定环境和障碍物的特性。例如，可确定到障碍物的距离、障碍物形状、达到障碍物的时间、障碍物的空间位置等。数据处理逻辑可通过有线连接或无线连接耦接到传感器1、2、3，并且可从传感器1、2、3周期性地获得作为位置和/或时间的函数的测量数据。其中，该逻辑处理从传感器1、2、3接收的数据并产生适当的输出，例如声音或视觉提示。数据处理逻辑可运行软件以收集数据并将其在文件或数据库中进行组织。具体地讲，一个或多个耦接到存储器的处理器可执行该软件。所述一个或多个处理器可执行下述的任何适当的过程、步骤或动作，或者可控制执行所述过程、步骤或动作的电路。软件可处理数据以优化泊车辅助操作或如下所述的任何其他换能器应用。在至少一个实施方案中，数据处理逻辑位于能保护该逻辑免受环境影响的外壳内。数据处理逻辑可专用于汽车内的泊车辅助技术，或者也可用于各种实施方案中的其他汽车过程。
每个传感器的发射器应被校准以产生定义的声压级(“SPL”)以确保系统100具有定义的灵敏度。在一个传感器用于发射，几个传感器用于接收的间接测量中，校准很有用。对于n为至少3的n电平发射器，可使用占空比控制来调节或调整SPL。例如，可通过调整一次谐波信号的振幅来调整SPL，同时可调整输出信号的平均值以适应接收器或其他耦接到换能器的元件(例如阻尼元件)的共模输入信号范围。具体地讲，可调整输出电平的持续时间，以独立于输出信号的一次谐波的振幅来控制输出信号的平均值。可调整输出电平的持续时间，以独立于输出信号的平均值来控制输出信号的一次谐波的振幅。由于传感器2的换能器用于发射和接收，该换能器应保持被偏置，但偏置电平足够低以准确测量接收的信号。因此，可使用低噪声放大器，如结合图2所述。
图2是可在图1的系统100中实现的示例性无变压器电路图。尽管相对于三电平发射器来说明图2，但可类似地实施更高电平。这里，三个电平由电压源V1、-V1和接地状态提供。这些电压源以及开关SW3、SW4和SW5构成发射器或换能器驱动器。开关SW3与电压源V1相关联，开关SW4与接地状态相关联，开关SW5与电压源–V1相关联。一次仅闭合或接通一个开关，与该开关相关联的电压被提供给换能器Pz1。在一个替代实施方案中，该电路包括负电压发生器，该负电压发生器被实施为提供正电压信号和负电压信号的电荷泵。
换能器Pz1是如图所示的压电器件，但在各种实施方案中可以是任何数量类型的换能器。接收器输入电路包括将接收的信号和基准电压VDCB作为输入来接收的低噪声放大器(有时称为低电压跨阻放大器)。这样，换能器Pz1上的电平应被调节为低但非零的值，以便于放大器工作。
可用相同或相似的电路实施其他发射器或发射器驱动器。通过调整占空比，不需要针对每个传感器或换能器调节发射器电源电压(V1和–V1)。每个换能器的SPL的调整可通过调整驱动信号的一次谐波分量的振幅来完成。这样，在各种没有变压器的实施方案中，两个或更多个发射器可使用公共电源电压。
图3示出了说明独立电路控制的输出电平图。为了清楚地讨论，–VA和VA分别是正负输出电平峰，而GND是接地状态输出电平。在本文使用的例子中，VA和-VA具有相同的绝对值，但符号不同。但是，在各种实施方案中，峰将不具有相同的绝对值，而是具有不同的绝对值。本领域的普通技术人员可推广这些电平，或设置–VA和VA的边界之外的接地状态。此外，在各种实施方案中，图3中的VA可对应于图2中的V1。此外，使用–VA和VA之间的方波允许高效率地激发换能器，因为存在的基波的峰到峰振幅比方波的峰到峰振幅大4/π倍。对于发射的一个周期，可将时间总量T分成发射–VA所用的时间D-、发射VA所用的时间D+以及发射地电平所用的时间D0。这里，发射地电平所用的时间有两个部分，每个部分是1/2D0。为了清楚地讨论，使用这些简单且连续的峰。在其他实施方案中，D+、D-和D0可以所需的任意多的增量，在增量间以所需的任意多的转变在T时间段内分配。此外，可实施脉冲宽度调制、sigma delta调制或任何其他调制方案。
三个或更多个输出电平会降低系统对占空比变化的高灵敏度。因此，当将产生此波形的发射器直接连接到换能器时，换能器的平均输出电平将汇集成(考虑VA＝-(-VA)时)：
VDCB＝VA(D+-D-)+V0D0 (1)
其中D++D-+D0＝100％。当V0是地时，方程(1)变为：
VDCB＝VA(D+-D-) (2)
此信号中存在的基波或一次谐波(VF)的振幅现在等于：
VF＝VA(2/π)(sin(πD+)+sin(πD-)) (3)
因此，可通过D+和D-占空比之间的差异来控制平均输出电平，而可由D+和D-中的共同分量独立地控制功率。换句话讲，可独立或基本上独立于输出信号的平均值来控制输出信号的一次谐波的振幅，反之亦然。图3左侧的波形产生与图3右侧的波形完全相同的VDCB值，即使处于极不同的功率电平和一次谐波分量振幅。数值上，这可以通过改写方程(3)来理解：
VF＝VA(2/π)(sin((π/2)(D++D-))cos((π/2)(D+-D-))) (4)
对于给定的VA、(D+-D-)和(D++D-)，使基波能量最大化的发射GND电平的时机在波形中存在的基波分量的过零点处。因此，对于对应于小VDCB值的小数值的(D+-D-)，最小的D+或D-循环优选由1/2D0发射夹置在中间。尽管这是优选实施方案，但它不是实现本文所公开的效率必需的。这样，不需要存在耦合电容器以确保发射器的输出电平和接收器的输入电压之间的无关性。
对于小数值的(D+-D-)，基波振幅对D0占空比时间的具体位置(或在时间上的分布)相对不敏感。因此，可考虑其他因素(例如拓扑结构限制、电荷泵中的充电/放电循环的时机、与其他电路同步等)来选择其时机。例如，可选择发射器的不同输出电平在时域中的定位，以尽量减少换能器中高Q因子模式的激发。此外，可调制发射边缘的相位，以使高频谐波能量在频域内中更均匀地展开。此外，发射的频率成分可在特定频率周围最小化。
图4是独立电路控制的示例性方法400的流程图。在402处，配置发射器以提供至少三个用于形成输出信号的输出电平。在404处，调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的一次谐波的振幅来控制输出信号的平均值。该方法还可以包括调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的平均值来控制输出信号的一次谐波的振幅。可调整此持续时间，使得平均值在接收器所需的范围内。例如，如果接收器的输入共模或平均电压电平已知，可调整输出信号的平均电平以适应接收器的电平。此外，可基于监测发射器电源电压来调整持续时间。例如，在泊车辅助集成电路中常常存在模数转换器(“ADC”)。此类ADC(或者专用于完成此任务的独立ADC)可用于在发射前测量电源电压。ADC也可用于在发射期间检查电源电压变化。基于电源电压测量，可调整发射器占空比。例如，对于电源电压VA，可在发射前计算一次占空比D+和D-，或在发射期间反复计算它们。或者，可调整接收器增益。具体地讲，如果所有换能器由同一电源电压供电，则可为间接测量使用接收器增益调整，以及为校准每个个体换能器的灵敏度而使用占空比调节。
可基于存储的换能器校准系数来调整此持续时间。具体地讲，传感器的校准可在生产线末端测试期间进行，并且灵敏度数据可储存在非易失性存储器中。在发射前读取这些数据，并可基于灵敏度数据调整占空比。
图5是独立电路控制的另一个示例性方法500的流程图。在502处，配置发射器以提供至少三个用于形成输出信号的输出电平。在504处，调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的平均值来控制输出信号的一次谐波的振幅。该方法还可以包括调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的一次谐波的振幅来控制输出信号的平均值。输出信号可以是声波信号，并且持续时间可被调整，以控制输出信号的SPL。
可基于存储的换能器校准系数来调整此持续时间。具体地讲，传感器的校准可在生产线末端测试期间进行，并且灵敏度数据可储存在非易失性存储器中。在发射前读取这些数据，并可基于灵敏度数据调整占空比。调整持续时间可包括尽量减少换能器中高阶共振的激发。可通过调整时机来尽量减少换能器中高阶共振的激发，这种调整使得对于周期的一部分，优势高阶共振以一个相位被激发，而对于周期的第二部分，优势高阶共振以相反相位被激发，从而将高阶共振的激发减少到最低程度。可通过调制或抖动基波的相位，使高阶谐波发生扩频，来获得类似的效果。
通常，泊车辅助集成电路中有ADC。此类ADC(或者专用于完成此任务的独立ADC)可用于刚好在发射前测量电源电压。ADC也可用于在发射期间检查电源电压变化。基于电源电压测量，可调整发射器占空比。或者，可调整接收器增益。具体地讲，如果所有换能器由同一电源电压供电，则可为间接测量使用接收器增益调整。
这样，可取消耦合电容器，从而节约成本并提高系统级效率。具体地讲，材料成本将降低，而且所需PCB的尺寸将减小。此外，不会引入衰减(发射损耗、接收损耗或二者都有)，而且系统级别的灵敏度将不会降低。其次，由于充电和放电时间造成的稳定时间问题将被消除。最后，由于消除了预充电循环，系统中的寄生行为将被消除。
在至少一个实施方案中，一种方法包括配置发射器以提供至少三个用于形成输出信号的输出电平。该方法还包括调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的一次谐波的振幅来控制输出信号的平均值。
在另一个实施方案中，一种系统包括至少一个发射器，该发射器被配置为提供至少三个用于形成输出信号的输出电平，并且被配置为调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的一次谐波的振幅来控制输出信号的平均值。该系统还包括一个或多个接收器，这些接收器被配置为基于障碍物对输出信号的反射来接收输入信号。该系统还包括被配置为基于输入信号来测量距离的逻辑。
在又一个实施例中，一种方法包括配置发射器以提供至少三个用于形成输出信号的输出电平。该方法还包括调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的平均值来控制输出信号的一次谐波的振幅。
以下特征可被结合到各实施例中。可调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的平均值来控制输出信号的一次谐波的振幅。可调整此持续时间，使得平均值在接收器所需的范围内。调整此持续时间可基于监测发射器电源电压。发射器可包括换能器。可基于存储的换能器校准系数来调整此持续时间。换能器中的高阶共振的激发可被最小化。发射器还可被配置为调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的平均值来控制输出信号的一次谐波的振幅。一种汽车可包括所述发射器、一个或多个接收器和逻辑。所述距离可包括汽车与障碍物之间的距离。泊车辅助系统可包括所述发射器、一个或多个接收器和逻辑。所述发射器可包括耦接到输出信号发生器的换能器，而在该换能器和输出信号发生器之间没有单独的电学耦合电容器。发射器可包括负电压发生器。负电压发生器可包括被配置为提供正电压信号和负电压信号的电荷泵。两个或多个发射器可使用共用的高电压源。可调整至少一个输出电平的持续时间，以独立于输出信号的一次谐波的振幅来控制输出信号的平均值。输出信号可以是声波信号，并且持续时间可被调整，以控制输出信号的声压级。发射器可包括换能器，并且持续时间可基于存储的换能器校准系数被调整。发射器可包括换能器，并且持续时间可被调整以使换能器中的高阶共振激发最小化。
一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说许多其他修改形式、等价形式和替代形式就将变得显而易见。旨在使所附权利要求书被解释为在适用情况下包含所有此类修改形式、等价形式和替代形式。

Claims (9)

1.一种控制输出信号的方法，包括：
配置发射器以提供至少三个用于形成输出信号的输出电平；以及
调整至少一个所述输出电平的持续时间，以独立于所述输出信号的一次谐波的振幅来控制所述输出信号的平均值。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括调整至少一个所述输出电平的持续时间，以独立于所述输出信号的所述平均值来控制所述输出信号的所述一次谐波的所述振幅。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述发射器包括换能器。
4.根据权利要求3所述的方法，其中调整所述持续时间基于储存的所述换能器的校准系数。
5.根据权利要求3所述的方法，其中调整所述持续时间包括使所述换能器中的高阶谐振的激发降到最低。
6.一种控制输出信号的系统，包括：
至少一个发射器，所述至少一个发射器被配置为提供至少三个用于形成输出信号的输出电平，并且被配置为调整至少一个所述输出电平的持续时间，以独立于所述输出信号的一次谐波的振幅来控制所述输出信号的平均值；
一个或多个接收器，所述一个或多个接收器被配置为基于障碍物对所述输出信号的反射来接收输入信号；和
逻辑，所述逻辑被配置为基于所述输入信号来测量距离。
7.根据权利要求6所述的系统，其中汽车包括所述至少一个发射器、所述一个或多个接收器和所述逻辑，并且其中所述距离包括所述汽车与所述障碍物之间的距离。
8.根据权利要求7所述的系统，其中泊车辅助系统包括所述至少一个发射器、所述一个或多个接收器以及所述逻辑。
9.一种控制输出信号的方法，包括：
配置发射器以提供至少三个用于形成输出信号的输出电平；以及
调整至少一个所述输出电平的持续时间，以独立于所述输出信号的平均值来控制所述输出信号的一次谐波的振幅。
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