CN1120635C - 非线性传感器的模式跟踪传感器驱动器 - Google Patents

Abstract

非线性电磁传感器(102)的一种模式跟踪传感器驱动器(100)，包括在锁相环路中耦合到传感器驱动器(106)的压控振荡器(104)和模式检测器(112、108)。压控振荡器(104)产生一个可变频率的输出信号，响应于频率控制信号，控制输出信号的频率。传感器驱动器(106)生成传感器驱动信号(502)，该信号被输送到非线性电磁传感器(102)以生成触感通知。模式检测器(112、108)检测非线性电磁传感器(102)的至少第一工作模式和第二工作模式之间的模式变化，并且响应于该模式变化，生成频率控制信号(118)，该信号建立一个准共振工作频率(204)，非线性电磁传感器(102)提供的触感能量在该频率上最大。

Description

非线性传感器的模式跟踪传感器驱动器

本发明一般涉及电磁传感器的传感器驱动器，尤其涉及一种非线性电磁传感器的频率跟踪传感器驱动器。

历史上，径向非对称负载马达(motor)曾被用以为移动电气设备，例如PDA和移动通信设备，例如寻呼机和蜂窝电话提供一种无声或者触感通知设备。马达的设计并不是为了承载非对称负荷，因此，随着时间推移，轴和轴承管套的破损必然导致马达故障。马达需要非常高的启动电流，一般超过100毫安，以及较高的工作电流，一般超过50毫安，这两者很大程度上降低了电池寿命。马达不适于与电子设备的其它电子元件一起软熔焊接，因为软熔焊接的温度将破坏为转轴提供的润滑。如果马达用于火花隙EMF现象很常见的移动通信设备，因为马达的整流特性，它也是一种常见的降敏源。

Mooney等人在美国专利第5,107,540中，McKee等人在美国专利第5,327,120中描述了新一代的非转动、非线性电磁传感器，这两者都大幅度减少了作为触感通知设备工作时所消耗的电池能量。这些传感器一般启动电流平均仅约40毫安，工作电流仅10毫安。这些传感器不会因长时间使用而出现机械故障，可以软熔焊接，没有产生无线降敏的整流元件。此外，这些非线性传感器工作在亚音频，这使得在非线性传感器紧贴一个人时产生的触感最大，从而生成真正的无声非分散通知。

实现非线性传感器的主要问题在于其电子驱动器需求。不同于可以简单开关的马达，非线性传感器需要复杂的电子驱动器电路以优化其触感能量输出。McClurg等人1995年7月24日申请的名为“ElectronicDriver for an Electromagnetic Resonant Transducer”的美国专利申请系列号第08/506,304中描述了适用于非线性传感器的多种传感器启动器电路，该专利申请已授权给本发明的受让人。这些非线性传感器驱动器电路的触感能量输出可以通过监控非线性传感器在操作期间实际生成的触感能量值来优化。

在整流噪声不成问题的情况下，可以直接由电池驱动的一种改进的非线性传感器在美国专利申请第08/657126中描述，该专利申请由McKee等人在1996年6月3日申请，名为“Non-linear Reciprocating Device”，已授权给本发明的受让人。该非线性互易设备采用非线性接触器工作，它使得单电池或双电池配置下交付的触感能量最大。

如果上述传感器驱动器电路优化了非线性传感器所交付的触觉能量，则需要一种传感器驱动器跟踪非线性电磁传感器的工作模式，为改进的触感能量输出提供一种准共振操作。

按照本发明的一个方面，一种非线性电磁传感器的模式跟踪传感器驱动器至少具有第一工作模式和第二工作模式，包括压控振荡器、传感器驱动器和非线性电磁传感器以及模式检测器。压控振荡器产生一个具有可变频率的输出信号，并响应于频率控制信号，控制输出信号的频率。传感器驱动器具有一个连接到压控振荡器的输入，生成传感器驱动信号，该信号被输送到非线性电磁传感器。模式检测器连接到传感器驱动器，检测非线性电磁传感器的至少第一工作模式和第二工作模式之间的模式变化。模式检测器生成频率控制信号，它建立一个准共振工作频率，非线性电磁传感器的触感能量输出在该频率上最大。

按照本发明的第二方面，一种非线性电磁传感器的模式跟踪传感器驱动器至少具有第一工作模式和第二工作模式，包括压控振荡器、传感器驱动器以及相位比较器。压控振荡器产生一个具有可变频率的输出信号。压控振荡器响应于频率控制信号，控制输出信号的频率。传感器驱动器具有一个连接到压控振荡器的输入，生成传感器驱动信号，该信号被输送到非线性电磁传感器。相位比较器具有连接到传感器驱动器的第一输入，以及连接到压控振荡器的第二输入，检测表示非线性电磁传感器的至少第一工作模式和第二工作模式之间的模式变化的相位变化。相位检测器生成频率控制信号，它建立一个准共振工作频率，非线性电磁传感器的触感能量输出在该频率上最大。

图1是按照本发明的模式跟踪传感器驱动器的电气概图；

图2描述了按照本发明的非线性电磁传感器的脉冲输出和准共振频率；

图3描述了按照本发明的模式跟踪传感器驱动器工作在低于非线性电磁传感器的准共振频率时产生的典型电信号；

图4描述了按照本发明的模式跟踪传感器驱动器工作在高于该准共振频率时产生的典型电信号；

图5描述了按照本发明的模式跟踪传感器驱动器工作在该准共振频率时产生的典型电信号；

图6是采用按照本发明的模式跟踪传感器驱动器的通信设备的电气框图。

图1是按照本发明的模式跟踪传感器驱动器100的电气概图。模式跟踪传感器驱动器100包括压控振荡器104(此后称为VCO)、传感器驱动器106、相位比较器108、D触发器110、模式检测器112以及低通滤波器114。VCO 104的工作方式为本领域一般技术人员所熟知，低通滤波器114输出端的频率控制信号控制可变频率输出信号的生成，可变频率输出信号在一个预定频率范围内变化，例如在用以驱动触感通知设备，例如非线性电磁传感器102时是从40赫兹到120赫兹。对触感通知设备而言，适宜的工作频率是从90赫兹到100赫兹。提供控制输入116，用以使VCO 104能够工作在需要非线性电磁传感器102(此后称为传感器)操作时，例如在传感器102用于某个电设备，例如寻呼机或移动蜂窝电话以生成触感通知时。VCO 104的可变频率输出输送到D触发器110的时钟输入，以及相位比较器108的第一输入。D触发器110以提供预定2分值的分频器方式工作。

传感器驱动器106包括P沟道MOSFET Q1，连接到N沟道MOSFET Q2以形成桥接驱动器电路的一半，以及P沟道MOSFET Q3，连接到N沟道MOSFET Q4以形成桥接驱动器电路的另一半，P沟道MOSFET晶体管与N沟道MOSFET晶体管串连。P沟道MOSFET晶体管Q1和Q3的源极耦合，提供电压B+，在该例中为1.5伏。N沟道MOSFET晶体管Q2和Q4的源极互连，耦合到电阻的第一端。电阻R1的第二端接地。桥接驱动器输出，在P沟道和N沟道MOSFET晶体管的连接处耦合到传感器102，提供传感器驱动信号以激活传感器102。MOSFET晶体管Q1和Q2的栅极耦合到D触发器110的Q栅输出，而MOSFET晶体管Q3和Q4的栅极耦合到D触发器110的Q输出。

电阻R1充当模式检测器112内的模式感应元件，用于感知至少传感器102的第一工作模式和传感器102的第二工作模式之间的模式变化，下面将详细予以描述。电阻R1的第一端也耦合到电容C1的第一端，电容C1的第二端耦合到相位比较器108的第二端。电容C1在桥接驱动106和相位比较器108的输入之间提供了直流隔离。相位比较器108的输出耦合到低通滤波器114的输入，在本发明的优选实施例中它被配置成传统的RC滤波器部分，包括电阻R2和电容C2。低通滤波器114的输出耦合到VCO 104的输入。根据上述描述可以理解，模式跟踪传感器驱动器电路作为锁相环路控制器互连。锁相环路控制器用以生成频率控制信号，以建立非线性电磁传感器102的触感能量输出达到最大的准共振工作频率，下面将予以详细描述。

举例来说，MOSFET晶体管可以采用增强模式MOSFET晶体管，例如California的Santa Clara的siliconix出品的Si6552DQ双增强模式MOSFET晶体管实现；D触发器110可以采用带有Set和Reset的MC74HC74A双触发器集成电路实现，Set和Reset输入通过耦合到B+(未以图形方式示出)予以禁止；相位比较器108和VCO 104可以通过MC74HC4046A锁相环路集成电路实现。MC74H系列集成电路由Illinois Schaumburg的Motorola公司出品。应当理解，锁相环路和桥接驱动器电路还可以集成到单个集成电路，从而降低模式跟踪驱动器100的元件数量、复杂度以及成本。

参看图2，可以较好地理解模式跟踪传感器驱动器100的操作，该图示出了非线性电磁传感器102的脉冲输出，其例子在Mooney等人的美国专利第5,107,540号，以及McKee等人的美国专利第5,327,120号中描述。非线性电磁传感器102采用硬化弹性系统，其操作由众所周知的Duffing方程式定义，纽约城McGraw-Hill书籍公司1958年出版的Jacobsen和Ayre的书“Engineering Vibrations”中页286-290中有相关描述。

非线性电磁传感器102通常工作在域I，开始于较低频率202，它由VCO 104在最初由控制输入116激活时生成。然后，对VCO 104输出的频率进行扫描或者频率沿斜坡上升到较高频204，VCO 104的输出124上升斜率是VCO输出124和通过R1生成的模式信号122间检测到的相位差、以及低通滤波器114的频率响应的函数。模式信号122是传感器驱动电流相位相对于施加在传感器102的驱动电压的测量，这一点通过后续讨论将会更清楚。

从图2中可以看出，随着耦合到传感器102的桥接驱动信号频率的增加，传感器102的运动部分(Mooney等人和McKee等人的专利中有描述)的转移增加，从而增加了传感器102所生成的触感能量值。随着VCO输出达到较高频204，本文中将其定义为传感器102的准共振频率，传感器102变为处于条件不稳定状态，“跳”出域I进入域II。从域I“跳”到域II意味着至少从传感器102的第一工作模式变化到传感器102的第二工作模式的模式变化。

在现有技术的非线性电磁传感器的传感器驱动器电路中，“跳”到域II无法在实际中实现，而是直接“跳”到了域III，定义为频率210之上生成的触感电平能量输出，其中传感器102能够稳定工作。现有技术传感器驱动器电路无法象按照本发明的模式跟踪传感器驱动器100那样跟踪“跳”入域II，因为现有技术传感器驱动器电路一般仅能周期扫描传感器驱动频率到发生“跳”的频率，并经常通过该频率，或者限制较高工作频率，该频率产生的频率低于发生“跳”的频率。因此，这种操作导致在提供较高电平触感能量输出时不会完全最大化非线性电磁传感器能够交付的触感能量。

按照本发明的模式跟踪传感器驱动器100感知传感器102从域I“跳”到域II时发生的模式改变，从而能够最大化触感能量，然后基本上同时将桥接传感器驱动信号频率降低到低于“跳”频的频率。因为能量已存储在移动部分中，所以传感器102的运动部分的运动无法同时降低到域III所定义的较低值，因此，几乎同时进行的频率降低使得传感器102能够恢复域I的操作，这导致上述准共振频率的产生。

参考图3到图5，可以较好地理解模式跟踪传感器驱动器100的操作。图3描述了模式跟踪传感器驱动器100在低于准共振频率294时产生的典型电信号。VCO输出以信号302形式示出，也表示为VCO输出信号124，模式信号以信号304形式示出，也表示为模式信号122，传感器驱动器输入106以信号306形式示出，也表示为传感器驱动信号120，相位比较器108中振幅限制之后的模式信号122以信号308形式示出，也称为限制模式信号308。如图3所示，作为VCO输出信号124的信号302在以信号306形式示出的传感器驱动信号120的两倍频率处生成。相位比较器108比较作为限制模式信号的信号308和作为VCO输出信号124的信号302，生成频率控制信号118。传感器驱动器106使得实际传感器驱动信号306的频率加倍，因此分频器在驱动传感器102之前将VCO输出信号124分频，从而得到同一频率的两个信号，对它们进行相位比较。

图4描述了模式跟踪传感器驱动器工作在高于准共振频率204时，即在传感器102已“跳”入域II之后，产生的典型电信号。VCO输出信号124再次以信号302形式示出，模式信号122以信号304形式示出，传感器驱动信号120以信号306形式示出，相位比较器108中限制的模式信号122以信号308形式示出。应当注意，图4的限制模式信号308的相位表示了域II中传感器102的第二工作模式，它与表示工作在域I的传感器102的第一工作模式的图3的限制模式信号308有180°相位差，从而提供了传感器102中发生的模式变化的清楚指示。

图5描述了模式跟踪传感器驱动器100工作在准共振频率204时产生的典型电信号。信号502是传感器驱动信号120，用以驱动传感器102。信号504是频率控制信号118，它在低通滤波器114的输出端生成。从图5中可以看出，当VCO输出频率低于较高频204时，锁相环路的频率继续向较高频204增加。当点506处达到较高频204时，传感器102的模式从域I变化到域II。然后，锁相环路逐渐降低VCO输出频率到点508，此时传感器102的工作模式再次返回域I。VCO输出频率再次开始增加到点510，随着VCO输出频率跌至点512，周期重新开始。在图3到图5所示例子中，发生的实际频率变化约为98Hz±2Hz，它定义了准共振频率204。

图6是采用按照本发明的模式跟踪传感器驱动器的通信设备600，例如选择呼叫接收机的电气框图。可以包括选择呼叫消息的射频信号由天线602接收，天线602连接到接收机604的输入，接收机604以本领域一般技术人员所周知的方式处理接收的射频信号。如果接收的射频信号包括选择呼叫消息，则至少一部分选择呼叫消息，例如地址部分，由解码器解码。接收的地址被传送到解码器/控制器606，后者比较接收的地址和存储在代码存储器608中的预定地址。如果接收的地址匹配存储的预定地址，则接收任何发向通信接收机600的消息，并将这些消息存储在消息存储器612中。解码器/控制器606还产生通知许可信号，该信号被传送到上述模式跟踪传感器驱动器100的控制输入116，导致非线性电磁传感器102产生触感通知指示已接收到消息。触感通知由通信设备用户清除，可以利用用户控制616将该消息从消息存储器612中重新调回，将其显示在显示器614上，用户控制616提供了许多本领域一般技术人员所熟知的用户输入功能。从消息存储器612调回的消息通过解码器/控制器606显示在显示器614，例如LCD显示器上。

总之，上述模式跟踪传感器驱动器100采用了锁相环路产生VCO输出信号，该信号是传感器驱动信号频率的两倍。锁相环路中的相位比较器108比较VCO输出信号和表示传感器102操作模式的模式信号。以上述方式使用锁相环路，可以使传感器102工作在准共振频率204。准共振频率是由模式跟踪传感器驱动器100驱动的非线性电磁传感器102的函数，因而按照本发明的模式跟踪传感器驱动器100可以维护传感器102的“跳”频操作，从而使得非线性电磁传感器102提供的触感能量输出达到最大。模式跟踪传感器驱动器使得传感器102可以由单个电池驱动，从而可以用于多种电池供电的电子设备，例如电池供电的通信设备，包括寻呼接收机和移动蜂窝电话。

Claims (9)

1.一种非线性电磁传感器的模式跟踪传感器驱动器，至少具有第一工作模式和第二工作模式，所述传感器驱动器包括：

一个压控振荡器，产生一个具有可变频率的输出信号，所述压控振荡器具有一个输入，响应于频率控制信号，控制输出信号的频率；

一个分频器，用于以预定分频值2分频输出信号，生成传感器驱动信号；

一个传感器驱动器，具有一个连接到所述分频器的输入，通过传感器驱动信号不断驱动非线性电磁传感器；以及

模式检测器，连接到所述传感器驱动器，检测表示非线性电磁传感器的至少第一工作模式和第二工作模式之间的模式变化的模式信号，该模式信号以传感器驱动信号的频率2倍生成；

所述模式检测器包括一个相位比较器，响应于该模式信号，生成频率控制信号，建立一个准共振工作频率，非线性电磁传感器的触感能量输出在该频率上最大。

2.根据权利要求1的模式跟踪传感器驱动器，其中输出信号在预定频率范围上变化，频率控制信号在预定频率范围内控制输出信号的频率。

3.根据权利要求1的模式跟踪传感器驱动器，其中所述传感器驱动器被配置成一个桥接驱动器电路。

4.根据权利要求1的模式跟踪传感器驱动器，其中所述模式检测器包括：

一个模式感知元件，连接到所述传感器驱动器，用于感知描述非线性电磁传感器工作模式的模式信号；以及

其中所述相位比较器连接到所述模式感知元件和所述压控振荡器，响应于模式信号和输出信号的相位差，生成频率控制信号。

5.一种非线性电磁传感器的锁相模式跟踪传感器驱动器，至少具有第一工作模式和第二工作模式，所述传感器驱动器包括：

一个压控振荡器，产生一个具有可变频率的输出信号，所述压控振荡器具有一个输入，响应于频率控制信号，控制输出信号的频率；

一个分频器，用于以预定分频值分频输出信号，生成传感器驱动信号；

一个传感器驱动器，具有一个连接到所述分频器的输入，通过传感器驱动信号不断驱动非线性电磁传感器；

一个模式感知元件，连接到所述传感器驱动器，非线性电磁传感器的用于感知描述非线性电磁传感器工作模式的模式信号；以及

一个相位比较器，具有连接到所述压控振荡器的第一输入，以及连接到所述模式感知元件的第二输入，用以检测表示非线性电磁传感器的至少第一工作模式和第二工作模式之间的模式变化的相位变化，生成频率控制信号，所述频率控制信号建立一个准共振工作频率，非线性电磁传感器的触感能量输出在该频率上最大。

6.根据权利要求5的锁相模式跟踪传感器驱动器，其中模式信号表示非线性电磁传感器的至少第一工作模式和第二工作模式之间的模式变化。

7.根据权利要求5的锁相模式跟踪传感器驱动器，还包括一个低通滤波器，连接在所述相位比较器和所述压控振荡器之间，用于生成频率控制信号。

8.根据权利要求5的锁相模式跟踪传感器驱动器，其中预定分频值为2。

9.根据权利要求5的锁相模式跟踪传感器驱动器，其中输出信号在预定频率范围上变化，频率控制信号在预定频率范围内控制输出信号的频率。

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