CN1236504A - 一种例如用于硬盘驱动器的自动增益控制电路 - Google Patents

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Abstract

公开了一个自动增益控制电路,用于放大一个信号使得它对参考值(Vref)具有一个特定的响应。该电路包括一个输入端(2)用于接收输入信号,一个可变增益放大器单元(4)用于放大输入信号,作为对增益控制信号的响应。该电路还包括一个峰值检测器单元(14)用于检测所述的放大了的输入信号的峰值。该峰值检测器单元(14)具有一个上升时间常数(Ta)和一个下降时间常数(Td),以提供表示放大了的输入信号的峰值的峰值检测器输出信号(Vp)。该电路还包括一个比较器单元(20)用来比较峰值检测器输出信号(Vp)和参考值(Vref),从中得到一个误差信号(e)。该电路还有一个积分器单元(30)对误差信号(e)进行积分从而得到增益控制信号。该峰值检测器电路包括根据误差信号控制下降时间常数的装置,当峰值检测器输出信号(Vp)大于参考值(Vref)时,该控制下降时间常数的装置可以随着误差信号的增大而减小下降时间常数。还有,峰值检测器装置的上升时间常数(Ta)和下降时间常数(Td)间存在如下关系:Td=C·Tp a,这里C是－个正的常数。P是一个大于1的常数。P的优选值为2,c则满足20≤c≤200。

Description

一种例如用于硬盘驱动器的自动增益控制电路
本发明涉及一个自动增益控制电路，它用于放大一个输入信号使它对一个参考值有特定的响应。该电路包括：
-输入装置，用于接收输入信号；
-可变增益放大器装置，用于根据增益控制信号放大输入信号；
-峰值检测器装置，用于检测放大了的输入信号的峰值，该峰值
 检测器装置具有一个上升时间常数和一个下降时间常数，以提
 供表示该放大了的输入信号的峰值的峰值检测器的输出信号；
-比较器装置，用于比较峰值检测器输出信号和参考值以从中得
 到一个误差信号；
-积分器装置，用于对误差信号进行积分以得到增益控制信号，
 再送给装有该自动增益控制电路的硬盘驱动器装置。
如第一段所定义的自动增益控制电路在本领域中众所周知，作为一个实例，它可以用于硬盘驱动器的伺服解调器电路。
本发明的目的是提供一个改进了的自动增益控制电路。根据本发明，该自动增益控制电路的特征在于峰值检测器装置包括根据误差信号控制下降时间常数的装置，至少在峰值检测器输出信号大于参考信号的情况下，该控制下降时间常数的装置会根据增大的误差信号而减小下降时间常数，至少在峰值检测器输出信号大于参考值的情况下，峰值检测器装置的上升时间常数Ta和下降时间常数Td间存在如下关系：
                        Td=c·Ta p，这里c是一个正常数，p是一个大于1的常数。
本发明基于以下认识。硬盘包括许多事先存放在硬盘上的伺服模式。一个伺服模式包括一个例如40双比特长的脉冲串作为增益控制，随后是例如8双比特长的包括一个时标的同步基准部分，一个例如13双比特长的格雷码(Gray code)和随后的多个伺服脉冲串，每个脉冲串包括许多双比特。根据本发明，在自动增益控制电路中使用一个或多个峰值检测器检测输入信号中的峰值。当开始再生时，硬盘驱动器首先切换到搜索模式，此时应该能检测到时标。当信号被锁住时，检测系统有一个时间窗口来选通存在硬盘上的伺服模式。然而在搜索模式中，时间窗口还没有打开，因此自动增益控制电路会“看到”各种信号，例如不仅有伺服模式还有存放在硬盘上的实际数据。在这种情况下已知的自动增益控制电路无法在从硬盘读出的第一个伺服模式中检测到例如时标。改善自动增益控制电路性能的措施之一是利用本发明的峰值检测器上升时间和下降时间之间的关系。这使得峰值检测器能直接上升至输入信号的峰值点，使其性能达到最佳状态。
假设上升时间常数大于满足以上关系的最佳值，那么峰值检测器就不能上升至输入信号的峰值点。当上升时间常数小于最佳值时，趋势是正确的，但操作的噪声比要求的大。
以上方程中的参数p是一个基本上等于2的常数。对常数c而言，可以说常数c的值取决于送给峰值检测器的输入信号中出现的脉冲的形状。对于在峰值检测器输入端的纯正弦脉冲，c的值基本等于20或稍大些。对于在峰值检测器输入端的更接近洛伦兹形的脉冲，c的值大得多。一般情况下可以说常数c满足以下关系：
                          20≤c≤200。
在此应当指出，在如上给出的参数c的取值范围内，上升时间常数和下降时间常数应当表示为双比特数，或换言之，表示为伺服脉冲串中信号的伺服频率的周期数。在这种情况下，上升时间常数和下降时间常数是没有量纲的常数，参数c也如此。不用说上升时间常数和下降时间常数可以用“秒”来表示。此时，c具有跟以上所述不同的取值范围，而且量纲为1/秒。
该自动增益控制电路的特征还在于在以上所说的其它情形下，控制上升时间常数的装置会减小上升时间常数来适应误差信号的增大。
在搜索模式下，由于没有开启伺服模式的时间窗，检测时标不太可能。因而自动增益控制电路的控制功能将充分发挥作用。通过维持它的从自动增益控制电路控制区的双比特获得的增益值此后基本不变，检测扇区时标是可能的。
这里应当指出自动增益控制锁定于自动增益控制区的双比特，被认为是上述的第一种情形，而增益值应维持基本不变的情形，例如漏码时，可以被认为是另一种情形。
通过以下图示中说明的实施方案，本发明的各个方面都变得明了。其中，
图1表示的是自动增益控制电路的一个实施方案；
图2表示的是正弦波的半波整流和图1电路中峰值检测器单元的输出信号；
图3表示的是一个例如在硬盘磁道上的伺服模式；
图4表示的是自动增益控制电路中峰值检测器单元中的一个峰值检测器的输入信号和输出信号。
图1表示自动增益控制电路的一个实施方案，它具有一个输入端2，用来接收输入信号。该输入信号可以是从硬盘读出的信号。输入端2被耦合到可变增益放大器4的输入端6。放大器4的输出端8通过一个可以认为被包括在放大器4中的低通滤波器10，被耦合到峰值检测器14的一个输入端12。峰值检测器单元14的一个输出端被耦合到比较器20的第一输入端18，该比较器的第二个输入端22被耦合到端口24，从端口24获得参考电平Vref。比较器单元20的输出端26被耦合到积分器单元30的输入端28。积分器单元30的输出端36被耦合到可变增益放大器4的控制信号输入端38。
可变增益放大器4将输送到其输入端6的信号放大，作为对加在它的控制信号输入端38的增益控制信号的响应，并将放大了的信号送到输出端8。峰值检测器单元14检测放大后信号中的峰值，并将与该放大信号的峰值有关的输出信号Vp从输出端输出。在峰值检测器单元14的最佳实施方案中，单元14包括两个峰值检测器，其中一个峰值检测器用于检测正极性峰值，另一个峰值检测器检测负极性峰值。这两个峰值幅度相加，由此得到的输出信号代表了加在峰值检测器单元14输入端的信号的峰-峰值。这种检测方式对信号基线漂移的影响并不敏感。
比较器单元20用来比较峰值检测器输出信号Vp和参考电平Vref，由此得到一个误差信号e。更具体地说，比较器单元20将Vref从Vp中减去，从而得到所说的误差信号e。误差信号e在积分器单元30中被积分。于是得到一个加在控制信号输入端38的控制信号，用来控制可变增益放大器4的增益。放大器4的增益被控制使得误差信号e趋向一个小的值(零)。
峰值检测器单元14有一个上升时间常数Ta和一个下降时间常数Td。上升时间常数Ta在输入信号幅度突然上升时决定峰值检测器单元14的性能，而下降时间常数Td在输入信号幅度突然下降时决定峰值检测器单元14的性能。
为了使峰值检测器单元14最好地检测信号峰值，上升时间常数Ta和下降时间常数Td间存在一种关系，这种关系将随后说明。
图2表示的是经半波整流的正弦波，它是时间的函数，作为峰值检测器单元14的输入信号。该半波整流后的正弦波可以从随后将介绍的一族连续双比特得到，该连续双比特位于自动增益控制部分P1或伺服脉冲串部分P4，见图3。图2还画出了峰值检测器单元14的输出信号Vp，作为时间的函数。峰值检测器单元14在时刻t0、t1之间及时刻t2、t3之间的时间段上升，而在时刻t0之前、时刻t1和t2之间、时刻t3之后的时间段下降。为了最好地检波，峰值检测器单元14的性能应使得它在半波整流正弦波情形下每次都精确地上升到最大值。
计算表明由这一要求可以得到Ta和Td间的如下关系：
                       Td=c·Ta p，其中c是一个正常数，p是一个大于1的常数。
更具体地说，p是一个基本等于2的常数。对于常数c，以下关系成立：
                       20≤c≤200
作为半波整流正弦波的一个实例，c的取值小于50。在更实际的情形下，例如依赖于低通滤波器10的滤波特性时，送给峰值检测器单元14的输入信号不是理想的正弦波。此时，c的值要大得多，在50到200之间。
应当指出，峰值检测器单元14的上升时间常数被定义成一个时间间隔，它从当一个从零变到一个特定的阶越幅度的正向阶越输入信号被加到峰值检测器单元14的输入端时刻开始，到峰值检测器的输出信号达到所述的特定的阶越幅度时刻为止。相应地，峰值检测器单元14的下降时间常数被定义成一个时间间隔，它从当一个从特定的阶越幅度变到零的向下阶越输入信号被加到峰值检测器单元14的输入端时刻开始，到峰值检测器的输出信号达到零幅度时刻为止。
在自动增益控制电路的实施方案中当上升时间常数和下降时间常数固定时，这两个常数应该满足以上关系式以便发挥最佳效果。
考虑到这点，应当指出，峰值检测器单元的上升时间常数和下降时间常数之间的关系在上升段是非线性的，更具体地说对于是p=2的二次关系。在后一种情形这意味着，如果上升时间常数和下降时间常数用“秒”来表示，那么c的量纲就是1/秒。上面给出的c的取值范围此时就不合适。
上升时间常数和下降时间常数可以表示为无量纲，即将上升时间和下降时间表示为伺服频率的周期数，或双比特数，这在以后将介绍。伺服频率的周期数事实上等于1/(t3-t1)，也就是一个双比特的长度，见图2。在上升时间常数和下降时间常数的无量纲表示中，常数c也是无量纲的，满足前面给出的取值范围。
现在对到此为止介绍的实施方案作进一步说明，上升时间常数和下降时间常数的值是可控制的。为此，所述电路包括了一个控制信号发生器单元34，它有一个输入端32耦合到比较器单元20的输出端26，还有两个输出端40和42分别耦合到峰值检测器单元14的控制信号输入端44和46。
更具体地说，两个时间常数中的一个由误差信号e控制，另一个利用前面介绍的关系式由第一个获得。控制信号发生器单元34于是由误差信号e产生第一个控制信号，通过输出端42送给峰值检测器单元14的信号输入端46，用于控制时间常数中的一个，假设是下降时间常数，同时由误差信号或第一个控制信号产生第二个控制信号，这第二个控制信号通过输出端40送给峰值检测器单元14的控制信号输入端44，以控制另一个时间常数：也就是上升时间常数，使得两个时间常数之间的关系得以保持。
现在通过一个应用例对本发明的自动增益控制电路的使用作进一步介绍，其中将该电路用于解调器电路以对事先存放在硬盘上的伺服模式进行解调。
图3简要表示一个伺服模式的内容。在硬盘磁道上的伺服模式包括自动增益控制部分，表示为P1，用于在自动增益控制电路中设置时间常数；定时基准部分P2，用于使数据检测电路(未画出)与从磁道上读出的信息保持正确的时间关系；格雷码部分P3，当从磁盘中心移向边缘时它通过一个递增的数据识别磁道；还包括伺服脉冲串部分P4，用于启动磁道伺服控制，以便在垂直于磁道的方向上将读出头正确定位。自动增益控制部分P1包括有例如40双比特的一个脉冲串。定时基准部分P2有例如8个双比特长，但包括由一个或多个双比特组成的时标。格雷码部分P3有例如13双比特长。伺服脉冲串部分P4包括多个伺服脉冲串，每串长度为例如11双比特。
首先，将说明误差信号e(e=Vp-Vref)为正时控制信号发生器单元34的功能。此时，控制信号发生器单元34生成控制信号来控制上升时间常数Ta和下降时间常数Td，使得误差信号幅度增大时两个时间常数都减小，同时使前面定义的两个时间常数之间的关系得以维持。减小峰值检测器14的上升时间常数和下降时间常数可以通过峰值检测器14的一个内部电容的(未标出)充电和放电从而增加该峰值检测器上升和衰减电流来实现。
其次，将说明当误差信号e(e=Vp-Vref)为负时控制信号发生器单元34的功能。这种情况发生于出现漏码时，或在伺服模式中P2部分没有任何双比特时。此时，控制信号发生器单元34产生控制信号来控制上升时间常数Ta和下降时间常数Td，使得误差信号(负的)幅度增加时，上升时间常数减小，而下降时间常数维持不变。结果是，当(作为一个例子)定时基准双比特到达时，它(们)可以被适当地放大并被检测到。这可以进一步改善格雷码的检测。
为了正确定时，时标区P2中的时标可以在脉冲检波单元48中检测到，如图1。脉冲检波单元48将被进一步用来检测格雷码脉冲串。
检测伺服脉冲串的幅度可以通过一个伺服脉冲串检测器单元50来完成，同样如图1。P4部分的各种脉冲串的幅度是一种表示读出头(未标出)离磁道多远的标志。当磁头位置不对时，它可以相应地被修正。
为了让自动增益控制电路正常工作，应当指出对自动增益控制电路的时间常数和峰值检测器14的时间常数间的关系还有一个要求，其中时间常数被定义为电路的时间常数，假定了峰值检测器单元14没有任何延迟(这意味着一个等于零的时间常数)。这一额外的要求是自动增益控制电路的时间常数基本等于峰值检测器14的下降时间常数。
图4表示当自动增益控制电路处于搜索模式时，峰值检测器单元14中用于检测输入信号正峰的峰值检测器的输入信号Vi和输出信号Vo作为时间的函数的一个例子。更精确地说，图4画出了从硬盘上读出的伺服模式中的P1和P2部分。从图4里能看到，自动增益控制部分中存在扰动，峰值检测器的时间常数被控制使得输出信号在自动增益控制部分上升到峰值相对较快。与此同时，峰值检测器的下降时间常数被控制使得当峰值减小时，峰值检测器可以很容易地跟随峰值。更进一步，在P2部分中，下降时间常数被增加，使得峰值检测器的输出信号基本保持常数电平，以便定时脉冲串和随后的格雷码脉冲串可以被正确地检测。
尽管参照优选实施方案对本发明进行了说明，应该明白本发明不仅仅局限于这些例子。因此，对本领域的技术人员来说各种改变都显然没有脱离权利要求中定义的本发明的范围。所以应当指出，尽管参照应用于硬盘驱动器的自动增益控制电路对本发明进行了说明，该自动增益控制电路还可以用于其它再生系统，如其它的磁记录系统。
本发明包括了每一个新颖的特征和特征的组合。

Claims (9)

1．一个自动增益控制电路，用于放大输入信号使得该放大信号对一个参考值有特定的响应，该电路包括：
输入装置，用于接收输入信号；
可变增益放大器装置，用于根据增益控制信号放大所述的输入信号；
峰值检测器装置，用于检测所述放大了的输入信号的峰值，该峰值检测器装置有一个上升时间常数和一个下降时间常数，以提供表示放大了的输入信号的峰值的峰值检测器输出信号；
比较器装置，用于比较峰值检测器的输出信号和所述的参考值以从中得到一个误差信号；
积分器装置，用于积分误差信号以得到所述的增益控制信号，
其特征在于峰值检测器装置包括响应误差信号控制所述下降时间常数的装置，至少在所述峰值检测器输出信号大于所述参考信号的情况下，控制下降时间常数的装置会随着误差信号的增大而减小下降时间常数，并且至少在所述当峰值检测器输出信号大于所述参考值的情况下，峰值检测器装置的上升时间常数Ta和下降时间常数Td之间维持以下关系：
Td=c·Ta p，
其中c是一个正的常数，p是一个大于1的常数。
2．根据权利要求1所述的自动增益控制电路，其特征在于p是一个基本等于2的常数；
3．根据权利要求1所述的自动增益控制电路，其特征在于常数c满足以下关系：
                    20≤c≤200。
4．根据权利要求1所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述峰值检测器装置包括控制所述上升时间常数的装置，所述控制上升时间常数的装置可以利用所述的关系从下降时间常数得到上升时间常数；
5．根据权利要求1或4所述的自动增益控制电路，其特征在于，在另一种情况下即当峰值检测器输出信号小于所述的参考信号时，控制下降时间常数的装置可以使下降时间常数基本维持为一个常数值；
6．根据权利要求5所述的自动增益控制电路，其特征在于，在所述其它情形下，控制上升时间常数的装置会随着误差信号的增大而减小上升时间常数；
7．根据权利要求1所述的自动增益控制电路，其特征在于，所述峰值检测器装置包括第一和第二峰值检测器，用于检测正极性和负极性的峰值，峰值检测器装置可以产生一个峰值检测器输出信号，该输出信号跟该放大了的输入信号的峰-峰距离有关；
8．一种硬盘驱动器设备，用于从硬盘上读取信息，该设备包括有：
所述的硬盘；
驱动器装置，用于驱动硬盘；
读取装置，用于从所述硬盘读取信息；
该硬盘驱动器设备还包括前面的权利要求中的任一项所述的自动增益控制电路；
9．根据权利要求8所述的硬盘驱动器设备，其特征在于，所述设备包括伺服解调器装置，用于检测存放于硬盘上的伺服模式中的定时脉冲串和伺服脉冲串，所述伺服解调器装置包括所述的自动增益控制电路。
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