CN1197244C - 从模拟波形中产生脉冲的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了用于根据输入模拟波形来产生输出脉冲和振荡的方法和装置，其中，输入模拟波形用子激发电路，它可以是已知的但是任意的模拟波形(210)；电路(302)具有可变的工作点和转移函数，该转移函数是以被第一稳态工作区域和第二稳态工作区域所限定的非稳态工作区域为特征的。模拟波形的特征是具有第一信息区域和第二信息区域。在响应第一信息区域和第二信息区域的传感后，电路的可变工作点就变化到非稳态区域和稳态区域。这在电路的输出端产生分一系列振荡和非振荡的行为。

Description

从模拟波形中产生脉冲的方法和装置

背景技术

本发明涉及将波形转变为脉冲的技术，特别是涉及将任意模拟波形转变为脉冲序列的技术。

脉冲发生器是众所周知的，例如，用于直流控制器和其它的应用。然而，典型的脉冲发生器适用于常规的振荡器或单稳多谐振荡器，但是当脉冲触发时，脉冲发生器会产生不需要的或寄生的瞬态。这类瞬态常与脉冲的后沿相混淆，以致于脉冲的计数难以正确地表示真正脉冲的计数。

典型的脉冲发生器对与阈值电平有关的触发器十分敏感，即，当所施加的输入电平超过了预定设置的触发点的阈值时，脉冲发生器就产生脉冲。在阈值电平上的输入持续时间一般都对应于脉冲序列或振荡周期的持续时间。

著名的范德保(Van Der Pol)振荡器就是一种简单的非线性振荡器电路，也是使用脉冲发生器的一个有效的起点。然而，著名的范德保(Van Der Pol)振荡器并不能调谐。

电路既希望简单又希望能满足专门的应用。

发明内容

根据本发明，提供了用于根据输入模拟波形来产生输出脉冲或振荡的方法和装置，其中，输入模拟波形用于激发电路产生脉冲或振荡，它可以是已知的模拟波形也可以是任意的模拟波形；产生脉冲或振荡的电路可具有可变的工作点和转移函数，该转移函数具有第一稳态工作区域和第二稳态工作区域以及非稳态工作区域，所述非稳态工作区域是由第一稳态工作区域和第二稳态工作区域界定；模拟波形具有第一信息区域和第二信息区域；随后，响应第一信息区域的激发，迫使电路的可变工作点变化，以启动电路在非稳态工作区域中的工作来产生振荡的序列，该振荡序列的频率高于工作点的变化速率；接着，响应第二信息区域的激发，迫使电路的可变工作点变化到另一个稳态工作区域中，以终止振荡；于是，振荡的启动和终止一直在交替进行着。其结果反映了输入波形的每个周期都可通过抑止分离出脉冲序列。根据本发明的电路或器件是一类具有非线性工作V-I特征的N型或S型的振荡器，即，在电流和电压的触发下，振荡器在整个非稳态区域中振荡。变化的输入波形可以对应于特殊的脉冲串。解码并不是用于识别输入波形类型的目的。表示由波形所代表的信息则是一种应用。字符串可以对应于一个或多个周期的波形。

参照以下结合附图的详细讨论会更好地理解本发明。

附图说明

图1A和1B显示了两种本发明预期实现的转移函数。

图2和图3示出用于迫使工作点在稳态和非稳态之间变化的电路结构。

图4-6显示了根据本发明的典型的电路结构。

图7解释了与稳态和非稳态工作相联系的工作点和转移函数之间的关系。

图8是对本发明的原型所作的测量。

图9A和9B说明了根据本发明实现该技术功能的信息。

图10-14举例说明了可结合本发明使用的多种模拟波形。

具体实施方式

参照图1A和1B，本发明所实现的电路呈现出具有诸如图1A所示的S型特征的转移函数或具有诸如图1B所示的N型特征的转移函数。为了本发明的目的，电路的“转移函数”意指电路中任意两个状态变量之间的关系。例如，电子电路一般可用它们的I-V曲线来描述，它与电流和电压的两个稳态变量有关。该曲线表示了一个稳态变量(例如，电流)是如何随着另一个稳态变量(例如，电压)的变化而改变的。从图1A和图1B中可以看到：每个转移函数102都包含了处于被上文称之为“非稳态”区域的区域104内的部分。非稳态区域被区域106和108的两边所限制，此处将这两个区域称之为“稳态”区域。

根据本发明的电路具有一个相关的“工作点”，该工作点定义在转移函数102的位置上。电路输出的特性取决于它的工作点的位置。如果工作点的位置移向处于区域104内的转移函数部分，则电路的输出就呈现出振荡的行为。因此，这部分转移函数所在的区域就被称为非稳态区域。如果工作点的位置移向处于区域106和108内的转移函数部分，则电路的输出就呈现出一般随时间变化的行为而换言之呈现出不振荡的行为。出于这个原因，区域106和108被称之为稳态区域。

参照图2，显示了具有变化工作点的电路结构。该图显示了具有输入203和205的电路。电容性元件204耦合在输入端205的一端。任意模拟波形源210耦合在输入端203和电容性元件205的另一端之间，因此而构成了电路。为了讨论的目的，电路202具有呈现出S型的转移函数。图2所示的电路结构允许任意波形发生器210的斜率将电路202的工作点移入或移出非稳态区域104。该作用控制了振荡行为的启动和该振荡行为的停止，在电路202的输出端的振荡是任意波形发生器210输出的函数。

参照图3，显示了具有变化工作点电路的另一结构。在这种情况下，电路202具有N型转移函数。所提供的电感性元件304取代了电容性元件。正如图2所示的那样，任意模拟波形源210构成了电路。

呈现出S型转移函数的电路例子是由运算放大器所构成的，该结构在运放的输出端和同相端之间具有反馈电阻。图4显示了该电路。运放402包括正反馈路径，它从运放的输出端反馈到它的同相端。可以使用一些典型的现存的运放，例如，LM358运放。另一个例子是常称之为单结晶体管的器件。

具有N型转移函数的电路能够采用反馈电阻连接在运放的输出端和反相输入端之间的运算放大器来实现。该电路结构如图5所示，其中运放包括了通过电阻504到它的反相端的反馈路径。

具有N型转移函数电路的另一个例子如图6所示。其中，隧道二极管602通过电感性元件606与任意模拟波形源210相耦合。输出电压Vout可以在电阻604的两端获得，它也耦合在隧道二极管602的另一端上。

再参照图4所示电路的S型转移函数。当i的变化率为零时，V和i的关系可表述为：V＝ψ(i)。Va可以是任意的模拟波形。图7显示了如图4所示电路的转移函数。当差值电压(V⁺-V^-)大于零时，运放402的输出饱和电压与E⁺成比例。反之，当差值电压(V⁺-V^-)小于零时，运放402的输出饱和电压与E^-成比例。

与电压Va，Vc和V，以及电流i有关的公式有：

V_a＝V_c+V                              (1)

$\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=\frac{d{V}_a}{\mathrm{dt}}-\frac{i}{C}---\left(2\right)$

$\underset{L\→0}{\lim }L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=V-\mathrm{\Ψ}\left(i\right)---\left(3\right)$

其中：L是以元件的引线方式存在着的寄生电感。

图4的电路在转移函数曲线上具有一些重要的工作点。通过将公式2中的dV/dt＝0和公式3中的di/dt＝0，就可找到这些工作点。正如以上所讨论的，当V＝ψ(i)时，di/dt＝0。为了简化分析，假定Va是三角波形源。Vo为常数，该波形的时间导数就等于±Vo。因此，在i＝+CVo和转移函数的分段线性函数的交叉点以及i＝-CVo和分段线性函数的交叉点上会产生这些工作点。如果工作点是在如图7所示的正的斜率线斜线1或斜线3上(即，稳态区域)，那么，电路的输出是非振荡的。然而，如果工作点是负的斜率线斜线2上，称为非稳态区域，那么，就会发生连续的“跳跃”现象。在时间域中，可以在电路的输出端看到一系列的振荡。换句话说，在斜线1和斜线3上的工作点是一些稳态的工作点。另一方面，在斜线2上的工作点是一些非稳态的工作点。对如图7所示的转移函数来说，斜线2仅与及i＝-Cvo线段相交。这就意味着只有当dVa/dt为负时才能观察到振荡。当dVa/dt为正时观察不到任何振荡。通过改变任意模拟信号的负斜率，可以(迫使)工作点在非稳态和稳态区域之间移动。这一作用就产生了振荡和非振荡的行为。于是，对具有S型转移函数曲线的电路来说，是改变所施加的迫使电路工作点在非稳态和稳态之间移动的模拟波形的斜率。为了比较，下文将参照图9A和9B，可以看到具有N型转移曲线的电路是通过改变所施加的模拟波形的幅值来工作的。

为了验证上述原理，制成和测试了如图4所示的电路原型。在这种情况下，任意模拟信号为1Khz的三角波波形802。波形的幅值为250mV。其它参数有：Rf＝1KΩ，R1＝10Ω，以及R2＝100Ω。使用了一个10nF的电容器。运放以Vcc＝1.5V偏置。图8所示的曲线包含了叠加在运放输出804的时间响应图形上的任意信号Va。可以看到，当任意模拟信号Va的斜率dVa/dt为正时，例如在t1的时间周期中，运放的输出不会振荡。正如所预料的那样，在另一个时间周期t0中，只有当dVa/dt为负时才能发生振荡。

现在，参照图9A和9B，以下的讨论将解释如何使用任意模拟波形来执行用于N型转移函数曲线的信息。回忆一下，任意波形可以施加在具有上述转移函数的电路上，以在电路的输出端产生振荡或非振荡行为。考虑任意波形(在这种情况下是正弦波)920。为了说明目的以便于讨论，时间刻度显示在垂直轴上，这就使得电压轴能与转移函数902相一致。

对于这类电路来说，所施加的模拟信号的电压幅值是“强制的”动因，它使得电路的工作点移向电路的稳态区域904和908以及非稳态区域906。在时间间隔为0＜t＜t0的周期中，波形920的幅值迫使电路的工作点移向非稳态区域906。更确切地说，工作点设置在转移函数处于区域906内的那部分上。随之，电路的输出就呈现出振荡的特性。在时间间隔为t0＜t＜t1的周期中，波形就会迫使电路的工作点移向转移函数在稳态区域904内的那部分上，在这种情况下，电路的输出就没有振荡。然而，应该注意的是，如果波形920具有不同的形状就会使工作点移向区域908。

在波形920处于区域910内的周期中，将产生一定数量的振荡。可以对这些振荡计数。多种方法中的任意方法都可以用于计数，因为在相关的技术领域中脉冲计数技术是众所周知的。例如，可以采用零交叉技术。这些振荡表示了信息，因此区域910可以称之为波形920的第一信息区域。波形的区域912也可以使用，按照惯例，一个波形的信息区域910要和下一个波形的信息区域相分离。在这点上，区域912可以称为第二信息区域。应该看到，波形920可以变形，以致于波形的第二信息区域912领先于波形的第一信息区域910。重要的方面是工作点是在第一时间间隔中的转移函数902的非稳态区域906和在第二时间间隔中的转移函数稳态区域904，906中一个区域之间变化。

转移函数的非稳态区域的性能是振荡数目的变化取决于工作点保持在该非稳态区域的时间周期。因此，工作点保持在非稳态区域的时间越长，则振荡的数目就越大。非稳态区域的另一个性能是振荡数目的变化取决于工作点的位置是否在转移函数的非稳态部分。因此，振荡的数目可以是在非稳态区域中的周期和工作点在非稳态区域中的位置两者的函数。

从上文中可以看到，模拟波形的信息区域910可以适当变形，以通过调整它的时间间隔Δt，或它的斜率914，或两者的结合来产生给定数目的振荡。于是，在图10中，三角波形1002能够适当地调制到产生三个峰值A₁(周期c₁)，A₂(周期c₂)，和A₃(周期c₃)中任一个峰值。每个峰值产生相对应数目的振荡，n₁，n₂，和n₃。由此可以看到，这就形成了三符号表的基础。能够通过产生多周期波形且每个周期都具有适当峰值的三角波来发出信息。

图11显示了被调制的脉冲类波形1102的结构。这里，能够采用脉冲的周期来产生所需要的振荡数目。例如，在在周期c1中，信息区域1111具有周期d1，它产生振荡的第一数目n1。在周期c2中，信息区域1112具有周期d2且d2＜d1，它产生振荡的第二数目n2，且n2≠n1。最后，在周期c3中，信息区域1113具有周期d3＜d2，也产生振荡的第三数目。

在大多数一般的情况中，一种波形是能够从一个周期变化到下一个周期的。于是，在第一周期中，波形可以是正弦曲线的。该结构如图12所示。在周期1中，波形1202由与产生一定数目振荡有关的正弦波组成。振荡的数目将取决于诸如波形信息区域的幅值和/或信息区域的周期等因素，信息区域的幅值反映了工作点处于在非稳态区域中转移函数的位置，信息区域的周期反映了工作点停留在非稳态区域的时间。在周期2中，波形1202取斜坡的形式，紧跟着的是在周期3中的另一个正弦波。图13显示了改变正弦波的频率来产生相应变化的振荡输出的结构。图14显示了正弦模拟波形的频率和幅值两者都变化的结构。

从上述的讨论可推断，很显然，波形的任意组合都是可能。只要求该对应的电路具有上述讨论的稳态区域和非稳态区域，它的工作点可以选择性地在非稳态区域和稳态区域之间移动。在实践的过程中，选择了一个适当的通道优化的波形来表示用于传输的符号。在接收端，接收到的传输信号反馈到上述讨论电路的输入端。所传输的信息能够随后从电路的振荡和非振荡的最终行为中获取。其优点是在于它能够选择一些任意模拟波形的任意组合来表示信息。这类信息能够通过选择适用于常规方法传输的波形来传输。因此，任何常规的传输媒介，无线的或有线的，都可以应用于本发明。

本发明已经参照特别推荐的实施例作了解释。然而，对本领域的一些熟练人士来说，其它的实施例也是很显然的。因此，本发明并不被局限，除了所附的权利要求指出之处。

Claims (18)

1.从模拟波形中产生脉冲的方法，其特征在于，包括：

采用已知的但可以是任意的模拟波形来激发，具有可变的工作点和转移函数的电路，该转移函数具有第一稳态工作区域和第二稳态工作区域以及非稳态工作区域，所述非稳态工作区域是由第一稳态工作区域和第二稳态工作区域界定，其中所述的模拟波形具有第一信息区域和第二信息区域；

响应上述的第一信息区域的传感，强制可变的工作点进行变化以便在非稳态工作区域中启动所述电路的工作以产生至少一次振荡，所述的振荡具有的频率大于所述工作点的变化速率；以及，

响应上述的第二信息区域的传感，强制可变的工作点变化到两个稳态工作区域中的一个以便在没有时间延迟的条件下终止至少一次振荡；

其中所述的启动和终止是交替进行的。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的模拟波形是周期性的。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的模拟波形可从正弦波，斜波，非对称波，锯齿波，方波和通道优化符号中选择。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的模拟波形是周期性的，并且其中所述的周期是由不同波形类型的混合所组成，包括时间变化的通道优化符号。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的至少一个振荡具有相对于非振荡为非零的峰峰振幅。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的电路包括负阻抗元件，其中所述的非稳态区域是一个负阻抗区域，并且通过随时间变化的输入信号将所述的工作点移动到所述非稳态区域。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的电路包括运算放大器，该运算放大器具有反馈和通过电容器的串联输入，其中，所述的非稳态工作区域是一个负电阻区域，并且通过改变施加在所述电容器上的电压将所述的工作点移动到所述非稳态区域。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的电路包括负阻抗元件，以及具有通过电感器的串联输入，其中，所述的非稳态工作区域是一个负阻抗区域，并且通过改变施加在所述电感器上的电流将所述的工作点移动到所述非稳态区域。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的电路包括隧道二极管元件，并且所述隧道二极管元件具有通过电感器的串联输入，其中，所述的非稳态工作区域是一个负阻抗区域，并且通过改变施加在所述电感器上的电流将所述的工作点移动到所述非稳态区域。

10.用于从模拟波形中产生脉冲的解码系统，其特征在于，包括：

用于接收已知的但可以是任意模拟波形的装置，每个所述的模拟波形具有第一信息区域和第二信息区域；

具有可变的工作点和转移函数的电路，该转移函数具有第一稳态工作区域和第二稳态工作区域以及非稳态工作区域，所述非稳态工作区域是由第一稳态工作区域和第二稳态工作区域界定；

所述的电路响应第一信息区域的传感，强制可变的工作点进行变化以便在非稳态工作区域中启动所述电路的工作以产生至少一次振荡，所述的振荡具有的频率大于所述工作点的变化速率；所述的电路进一步响应上述的第二信息区域的传感，强制可变的工作点变化到两个稳态工作区域中的一个以在没有时间延迟的条件下终止至少一次振荡；其中所述的启动和终止是交替进行的。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于：所述的模拟波形是周期性的。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于：所述的模拟波形可从正弦波，斜波，非对称波，锯齿波，方波和通道优化符号中选择。

13.如权利要求10所述的系统，其特征在于：所述的模拟波形是周期性的，并且其中所述的周期是由不同波形类型的混合所组成，包括时间变化的通道优化符号。

14.如权利要求10所述的系统，其特征在于：所述的至少一个振荡具有相对于非振荡为非零的峰峰振幅。

15.如权利要求10所述的系统，其特征在于：所述的电路包括负阻抗元件，其中所述的非稳态区域是一个负阻抗区域，并且通过随时间变化的输入信号将所述的工作点移动到所述非稳态区域。

16.如权利要求10所述的系统，其特征在于：所述的电路包括运算放大器，该运算放大器具有反馈和通过电容器的串联输入，其中，所述的非稳态工作区域是一个负电阻区域，并且通过改变所施加在电容器上的电压将所述的工作点移动到所述非稳态区域。

17.如权利要求10所述的系统，其特征在于：所述的电路包括负阻抗元件，以及具有通过电感器的串联输入，其中，所述的非稳态工作区域是一个负阻抗区域，并且通过改变施加在所述电感器上的电流将所述的工作点移动到所述非稳态区域。

18.如权利要求10所述的系统，其特征在于：所述的电路包括隧道二极管元件，并且所述隧道二极管元件具有通过电感器的串联输入，其中，所述的非稳态工作区域是一个负阻抗区域，并且通过改变施加在所述电感器上的电流将所述的工作点移动到所述非稳态区域。

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