CN1452810A - 数字电路中选通振荡器的方法和设备 - Google Patents

Abstract

为数字电路提供了一种选通振荡器(100)。该选通振荡器是通过使用控制Van der Pol振荡器工作点的非常规方法来实现的。振荡器是通过Van der Pol自振荡现象而实现的。该结果大大简化了用于多种数字电路应用的选通振荡器。

Description

数字电路中选通振荡器的方法和设备

                              发明背景

本发明涉及振荡器，尤其涉及选通振荡器。

振荡器具有广泛的应用，例如，微处理器的工作是由振荡器提供的周期定时信号来同步的。汽车中的数字转速计和数字速度表需要一个精度参考来提供精确的读数。诸如起搏器之类的医学设备需要一个精确的脉冲发生器来确保对心脏适当的有节奏的刺激。

选通振荡器是根据一个启用信号而启动或停止振荡的一种振荡器。在常规的选通振荡器中，如美国专利号4365212中所揭示的，当振荡器被启用时，振荡是通过在第一和第二电压电平之间对一个电容进行周期地充放电来产生的。如果被禁用了，就通过阻止电容进行周期的充放电来停止振荡。

假设第一电压电平低于第二电压电平。如果没有和电容相联系的额外电路，那么当振荡停止时，电容将持续放电超过第一电压电平，直至更低的电源电压。当振荡器被启用时，需要一定量的时间把电容从较低的电源电压充电至第一电压电平，然后再充电至第二电压电平，于是将继起振荡现象。把电容从较低的电源电压充电至第一电压电平的时延将使得脉冲串中的第一个脉冲要比其它的脉冲都宽。在需要并渴望有可预测的脉冲宽度的应用中，是不希望出现这样的误差的。如果增加了额外的电路来防止电容放电超过第一电压电平，就可以实质上修正该误差。当然，这样也增加了选通振荡器电路的复杂度。

在数字电路中，选通振荡器具有很多应用。在1995年3月16日出版的EDNMagazine中一篇题为“Gated oscillator emulates a flip-flop”的文章中，描述了一种触发器配置的选通振荡器电路。在1998年12月3日出版的EDN Magazine中一篇题为“Oscillator meets three requirements”的文章中，描述了在数字应用中一种在时钟电路中用作时钟源的选通振荡器。

在美国专利号5339053中揭示了一种可以被用作选通振荡器的设计。然而，这种设计的缺点是启用信号和选通振荡在电路的输出端被混合了。因此需要额外的外部电路来分离这两个信号。

用一个与逻辑门可以构成一种过于简单的选通振荡器电路。一个使能信号被施加到它的一端，而一个持续的自由运行振荡器被施加到另一端。输出就产生了所需的选通振荡。这种现有技术的选通振荡器需要一个外部的持续自由运行振荡器。这种设计的一个问题是使能信号无法和自由运行振荡器同步，这样就会造成不确定的工作状态。另一个问题是自由运行振荡固定了选通振荡器输出的频率和占空因数。再一个问题是自由运行振荡器是持续运行的，即使当消除了启用信号时。因此，就有不必要的功耗。

因此，数字电路设计就需要使用要求精减了支持电路的选通振荡器电路。还要求提供一种节省能源的设计。需要提供了可调振荡频率的设计。进一步还需要提供了可调振荡占空因数的设计。还希望设计具有同步振荡状态的起始和使能信号的能力。

                              发明概述

在数字电路中用于生成脉冲的一种方法，它包括提供具有可变工作点的电路。该电路是由一个传输函数定义的，其特点是具有由第一稳定工作区域和第二稳定工作区域限制的不稳定工作区域。当它的工作点移入不稳定工作区域中时，该电路产生振荡输出。当它的工作点位于第一或第二稳定区域中时，该电路产生非振荡输出。该方法进一步包括为了结束振荡而强迫工作点进入稳定趋于之一。

根据本发明的一种选通振荡器电路包括具有一个传输函数的电路，该传输函数是由第一稳定工作区域和第二稳定工作区域所限制的不稳定工作区域定义的。该传输函数定义了一组工作点。调整该电路用于在工作点位于不稳定区域中时产生振荡输出。进一步调整该电路用于在它的工作点位于第一或第二稳定区域时产生非振荡输出。有选择地产生第一电平输出和第二电平输出的函数发生器作为输入信号被连接至该电路。当函数发生器的输出处于第一电平时强迫工作点进入不稳定区域。该电平被称为启用信号。当函数发生器的输出处于第二输出电平时强迫工作点进入稳定区域之一。该电平被称为禁用信号。

因此，本发明只需要用启用信号来启动振荡或禁用信号来结束振荡。发明的电路优点在于它的振荡基本上是瞬间开始和停止的。在振荡器的开启和关闭状态之间没有瞬变过程。另一个优点是开启期间振荡的第一个循环的周期和开启期间接下来的循环是一样的。不需要额外的支持电路元件或特殊电路来维持电容的等待电平。该电路不要求任何的外部自由运行振荡。当被使能信号触发时该电路将生成它自己的振荡。该电路和使能信号是内在同步的。通过调整电路参数，在不改变电路配置的情况下，可以改变振荡的占空比和频率。电路输出端的选通振荡不会被使能信号覆盖，因此不需要附加的电路来分离它们。

                              附图简述

图1A-1C显示了本发明如何避免了常规时钟控制数字电路设计中对时钟的需要。

图2总地展示了图1b和1c中使用的电路的传输函数。

图3概要地展示了迫使工作点在稳定和不稳定区域间变化的电路布置。

图4-6是根据本发明的电路配置的例子。

图7展示了对根据本发明所构造的电路进行的测量。

                              具体实施例描述

参考图1A，显示了一般的数字电路，如所展示的双斜率模数转换器。V_R是参考电压，V_A是将要被转换成数字表示的模拟电压。积分器110的输出是一个模拟波形，它包含了V_A的幅度相对于V_R的信息。把该模拟波形转换成一个使能信号的比较器和接收外部时钟信号的与门组合112一起产生一个驱动计数器的选通振荡输出114。

图1B根据本发明的选通振荡器100如何被用来替代常规数字电路的常规选通时钟生成电路112。如图1C所示，通常地，大部分常规数字电路的时钟输入可以由本发明的选通振荡器电路来驱动。接下来的讨论将集中于发明的振荡器。可以理解的是数字电路包括了广泛的应用。因此本发明不局限于任一种特定的数字电路。本发明而是涉及具有由此后将要揭示的电路所提供的时钟/振荡生成功能的数字电路。

参考图2，根据本发明的选通振荡器展示了一个曲线大致为N形的传输函数。为了本发明的目的，一个电路的“传输函数”指的是该电路的任何两个状态变量间的关系。例如，电子电路一般是由它们的I-V曲线来表征的，两个状态变量是电流(I)和电压(V)。这样的曲线指出了当一个状态变量(电压，V)改变时，另一个状态变量(如电流，I)是如何改变的。如图2所见，传输函数曲线202包括位于区域204内的一部分，这里称为不稳定区域。不稳定区域的两边是以区域206和208为界的，这两个区域这里都被称为“稳定”区域。如图2所见，传输函数曲线202的部分也处于稳定区域中。

根据本发明的电路具有一个相关的“工作点”，它是由其在传输函数202上的位置来定义的。图2显示了三个工作点位置210、210’和210”。电路输出的性质是根据工作点在传输函数上的位置而定的。如果工作点位于传输函数在区域204内的部分214上，电路的输出将呈现振荡状态。因而，发现传输函数这一部分所在的区域204就被称为不稳定区域。如果工作点位于传输函数在区域206和208内的部分216、218上，电路的输出将大致呈现时变状态而不是振荡状态。出于这个原因，区域206和208被称为稳定区域。

参考图2和3，显示了用来改变电路工作点的总配置。该图片显示了具有由终端303和305定义的输入端的电路302。电感元件304被连接到终端305。函数发生器310被连接在电感304的另一端和电路302的终端303之间，这样就完成了该电路。根据本发明，电路302具有N形的传输函数。进一步根据本发明，电路302的特点在于它的工作点可以根据函数发生器310的输出V_S的电平移入或移出不稳定区域204。这个操作在电路302的输出处V_OUT控制了振荡状态的起始，以及这种振荡状态的停止。迫使工作点位于传输函数在不稳定区域204内的部分上将导致振荡状态的发生。迫使工作点位于传输函数在稳定区域206、208内的部分上将导致非振荡状态的发生。

展示了N形传输函数的电路例子是在运放输出端和它的正相输入端之间配置有一个反馈电阻的运算放大器。图4显示了这样的一个电路400。运放402包括一个正反馈通路，其中运放的输出V_OUT通过阻值为R_f的反馈电阻408反馈回它的正相输入。运放402的输出电压的一部分被提供给它的反相输入。图4显示了一个分压电路，它包括阻值分别为R₁和R₂的电阻404和406，以提供运放输出的一部分回它的反相输入。在运放402的正相输入和地之间串联有电感410和函数发生器310，这样就完成了该电路。可以使用一般的现成的运放，如普遍使用的LM-358运放。

图5中显示了另一个具有N形传输函数的电路例子。这里，电路500包括通过电感元件410连接至函数发生器310的隧道二极管502。输出V_out是从电阻504的两端获得，它是连接在二极管502的另一端和地之间的。

上述的电路可以用下列归纳出的并列等式对来表示，它们描述了具有两个变量的Van der Pol(VdP)振荡器 $L\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}=f\left(t\right)-x---\left(1\right)$ $\mathrm{\ϵ}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=y-\mathrm{\ψ}\left(x\right)---\left(2\right)$ 其中x和y是VdP振荡器的状态变量。

L和ε是VdP振荡器的参数，

f(t)是时间变化强制函数，它是可控的，并可以用来移动VdP振荡器的工作点，且

ψ(x)是变量x的三次函数。ψ(x)是建立一个可控VdP振荡器的关键。

把变量x和y分别替换成V和i来代表在电路设计中普遍使用的物理变量，就可以在等式(1)和(2)与图4的电路间建立关系。因而， $L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=V_s-V---\left(3\right)$ $\underset{C\→0}{\lim }C\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}i-\mathrm{\ψ}\left(V\right)---\left(4\right)$

等式(4)中的参数C表示的是图4中用虚线表示的跨越电压V_s的小寄生电容420。V_s是作为强制函数的函数发生器310的时变电压源。电路400的工作点是通过设置 $\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=0$ 和 $\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=0$ 来获得的。等式(3)和(4)分别变成V＝V_c和i＝ψ(V)。i＝ψ(V)是运放和R_f、R₁以及R₂的组合的传输函数。因此，再参考图2，可以看出传输函数曲线202是由i＝ψ(V)来定义的。

直线V＝V_s和曲线i＝ψ(V)之间的交点定义了电路的工作点210。对由i＝ψ(V)定义的传输函数202更进一步的分析揭示了216和218段具有正的斜率(di/dV＞0)而214段具有负的斜率(di/dV＜0)。当运放402(图4)饱和时，工作点210位于两个正斜率段216、218之一上。当运放402线性工作时，工作点位于负斜率段上。当工作点位于负斜率段214上时，在电路400的输出端V_out可以观察到振荡状态。因而，和工作点210一样，负斜率段就被称为是位于不稳定区域204中。当工作点210’、210”位于正斜率段上时，将观察到非振荡输出。因而正斜率段就被称为是位于稳定区域206、208中。

当函数发生器310的输出V_s被施加到电路400的输出时，通过改变它，工作点210就可以沿着传输函数移动。具体而言，当函数发生器提供了一个启用信号时，工作点可以被移入不稳定区域204中。相反地，通过应用一个禁用信号，工作点可以被移出不稳定区域，并移入稳定区域206、208之一。电路400所得到的状态就是选通振荡器的工作状态。

图6显示了本发明的选通振荡器的再一个实施例。和前面的图中一样，函数发生器310提供一个可变电压信号V_s。该信号通过电感410馈给第一倒相器602。倒相器602的输出连接至第二倒相器604。倒相器604的输出从电阻608两端取出，以提供输出V_out。经由电阻606提供了一个从倒相器604的输出到倒相器602的输入的反馈回路。

现在参考图7，显示了示波器描迹，它显示了前述的状态。描迹1是施加到电路400输入端的函数发生器310输出V_s。该描迹的第一部分由启用信号构成。接下来的第二部分由禁止信号构成。较佳地，函数发生器的输出应是一个数字波形。例如，典型的数字波形是如图7所示的方波。应该注意到的是一般而言，数字波形在时间轴上将是不对称的，因为开启时间和关闭时间长短是依据选通振荡器的特定应用的性质而定的。

描迹2是电路400的输出电压V_out。可以看出，当接收到启用信号时该电路开始振荡。振荡在启用信号的持续时间内一直进行。进一步可以看出第一个循环的周期T₁和每个剩下的循环的持续时间T₂是相同的。通过改变电路参数R_f、R₁和R₂或者运放的直流偏置V_CC可以改变脉冲宽度。当接收到禁止信号时，该电路将立即停止振荡。

工作点在传输曲线上不稳定区域中的位置将会影响电路400输出的振荡周期。工作点在不稳定区域(或稳定区域)中的位置可以通过调整强制函数的电平来确定。因此可见，通过施加不同电平的启用信号，电路400可以获得不同的振荡周期。因此，通过使用可以控制启用信号电平的函数发生器，本发明的选通振荡器可以被用于产生不同的脉冲宽度。

这里所描述的本发明使用了控制VdP振荡器的工作点的非常规方法来提供大大简化了的可以避免使用时钟电路的数字电路设计。本发明电路不需要额外的支持组件。本发明避免了对电容进行充放电来产生脉冲的需要。本发明省却了通常在振荡停止时为了维持电容电势所需的支持电路。

本发明只要求提供一个启用信号来“迫使”VdP振荡器起振以及一个禁止信号来停止振荡。通过许多已知的电路设计中的任一种，可以很容易地生成这些信号。

所发明的选通振荡器电路的优点在于它的振荡基本上是瞬间开始和停止的。因此，在振荡器的开启和关闭状态之间没有瞬变过程。另一个优点是开启周期的振荡的第一个循环的周期和该开启周期接下来的循环的周期是一样的。

另一个优点是该电路不需要任何的外部自由运行振荡器。当被启用信号触发时该电路将生成它自己的振荡。因此，这考虑了大大降低数字电路应用中的功耗。这对于很多当今数字应用的低功率要求而言是特别有利的。

再一个优点是，该电路和启用信号是内在同步的。通过调整电路参数，在不改变电路配置的情况下，就可以改变振荡的占空比和频率。电路输出端的选通振荡不会被启用信号覆盖，因此不需要附加的电路来分离这些信号，这样就实现了对选通振荡器电路的简化。

Claims (26)

1.一种在数字电路中提供脉冲的方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供数字电路；以及

提供时钟电路，所述时钟电路耦接到所述数字电路，

所述时钟电路具有一个输入端和一个输出端，所述电路进一步具有一个可变工作点，所述电路进一步具有一个传输函数，该传输函数的特点是具有一个以第一稳定工作区域和第二稳定工作区域为边界的不稳定工作区域，以使得所述电路在所述工作点变为在所述不稳定区域中时产生振荡输出，而所述电路在所述工作点变为在所述第一和第二稳定区域中之一时产生非振荡输出；

强迫所述工作点进入所述不稳定区域来启动所述电路运行产生至少一个振荡；以及

强迫所述工作点变为进入所述第一和第二稳定工作区域中之一以在无瞬态效应的情况下结束所述至少一个振荡。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述强迫的步骤包括施加强制函数至所述电路的所述输入，所述强制函数具有第一输出电平和第二输出电平，所述电路的特点在于当所述强制函数产生所述第一输出电平时所述工作点位于所述不稳定区域中，所述电路的进一步的特点在于当所述强制函数产生所述第二输出电平时所述工作点位于所述稳定区域之一中。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述强制函数产生第三输出电平，所述电路的特点在于当所述强制函数产生所述第三输出电平时，所述工作点位于所述不稳定区域的一部分中，该位置不同于当所述强制函数产生所述第一输出电平时所述工作点的位置。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述强制函数在时间轴上不对称。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述强制函数是循环的。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述强制函数是方波。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电路包括带反馈的运算放大器电路，所述电路具有一个经由电感的串联输入，所述不稳定工作区域是负电阻区域，通过改变施加到所述电感的电压来强迫所述工作点进入所述不稳定区域。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电路包括具有负阻抗的元件，所述电路具有一个经由电感的串联输入，所述不稳定工作区域是负阻抗区域，通过改变经由所述电感施加的电流来强迫所述工作点进入所述不稳定区域。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述元件是一个隧道二极管。

10.数字电路中的一种时钟电路，其特征在于，包括：

具有输入和输出的电路，所述电路具有一个传输函数，所述传输函数具有一个以第一稳定工作区域和第二稳定工作区域为边界的不稳定工作区域，所述传输函数定义了所述电路的一组工作点，所述电路适于在所述工作点变为在所述不稳定区域中时产生振荡输出，所述电路进一步适于在所述工作点变为在所述第一和第二稳定区域之一中时产生非振荡输出；以及

具有输出的函数发生器，适于有选择地产生第一电平的输出和第二电平的输出，所述函数发生器输出被耦合至所述电路的输入；

当所述函数发生器输出处于所述第一电平时，所述工作点被强制进入所述不稳定区域；

所述电路进一步适于使得当所述函数发生器输出处于所述第二电平时，所述工作点被强制进入所述稳定区域。

11.如权利要求10所述的数字电路，其特征在于，所述函数发生器产生第三电平的输出，当所述函数发生器输出处于所述第三电平时，所述工作点被强迫进入所述不稳定区域，所述工作点在所述不稳定区域中的位置依据所述函数发生器输出是处于所述第一电平还是所述第三电平而定。

12.如权利要求10所述的数字电路，其特征在于，所述函数发生器产生循环输出。

13.如权利要求10所述的数字电路，其特征在于，所述函数发生器输出产生方波。

14.如权利要求10所述的数字电路，其特征在于，所述函数发生器输出具有不对称的形状。

15.如权利要求10所述的数字电路，其特征在于，所述电路包括负阻抗元件，所述不稳定工作区域是负阻抗区域，通过时变输入信号来强迫所述工作点进入所述不稳定区域。

16.如权利要求10所述的数字电路，其特征在于，所述电路包括负阻抗元件，所述电路具有一个经由电感的串联输入，所述不稳定工作区域是负阻抗区域，通过改变经由所述电感施加的电流来强迫所述工作点进入所述不稳定区域。

17.如权利要求16所述的数字电路，其特征在于，所述元件是一个隧道二极管。

18.用于提供时钟脉冲的一种方法，其特征在于，包括：

提供具有输入端和输出端的电路，所述电路进一步具有一个可变工作点，所述电路进一步具有一个传输函数，该传输函数的特点是具有一个以第一稳定工作区域和第二稳定工作区域为边界的不稳定工作区域，以使得所述电路在所述工作点变为在所述不稳定区域中时产生振荡输出，而所述电路在所述工作点变为在所述第一和第二稳定区域之一中时产生非振荡输出；

强迫所述工作点进入所述不稳定区域来启动所述电路运行产生至少一个振荡；以及

强迫所述工作点变为进入所述第一和第二稳定区域之一来在无瞬态效应的情况下结束所述至少一个振荡。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述强迫的步骤包括施加强制函数至所述电路的所述输入，所述强制函数具有第一输出电平和第二输出电平，所述电路的特点在于当所述强制函数产生所述第一输出电平时所述工作点位于所述不稳定区域中，所述电路的进一步的特点在于当所述强制函数产生所述第二输出电平时所述工作点位于所述稳定区域之一中。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述强制函数产生第三输出电平，所述电路的特点在于当所述强制函数产生所述第三输出电平时，所述工作点位于所述不稳定区域的一部分中，该位置不同于当所述强制函数产生所述第一输出电平时所述工作点的位置。

21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述电路包括带反馈的运算放大器电路，所述电路具有一个经由电感的串联输入，所述不稳定工作区域是负电阻区域，通过改变施加到所述电感的电压来强迫所述工作点进入所述不稳定区域。

22.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述电路包括具有负阻抗的元件，所述电路具有一个经由电感的串联输入，所述不稳定工作区域是负阻抗区域，通过改变经由所述电感施加的电流来强迫所述工作点进入所述不稳定区域。

23.一种选通振荡器电路，其特征在于，包括：

具有输入和输出的电路，所述电路具有一个传输函数，所述传输函数具有一个以第一稳定工作区域和第二稳定工作区域为边界的不稳定工作区域，所述传输函数定义了所述电路的一组工作点，所述电路适于在所述工作点变为在所述不稳定区域中时产生振荡输出，所述电路进一步适于在所述工作点变为在所述第一和第二稳定区域之一中时产生非振荡输出；以及

具有输出的函数发生器，适于有选择地产生第一电平的输出和第二电平的输出，所述函数发生器输出被耦合至所述电路的输入；

当所述函数发生器输出处于所述第一电平时，所述工作点被强制进入所述不稳定区域；

所述电路进一步适于使得当所述函数发生器输出处于所述第二电平时，所述工作点被强制进入所述稳定区域。

24.如权利要求23所述的选通振荡器，其特征在于，所述函数发生器产生第三电平的输出，当所述函数发生器输出处于所述第三电平时，所述工作点被强迫进入所述不稳定区域，所述工作点在所述不稳定区域中的位置依据所述函数发生器输出是处于所述第一电平还是所述第三电平而定。

25.如权利要求23所述的选通振荡器，其特征在于，所述电路包括负阻抗元件，所述不稳定工作区域是负阻抗区域，通过时变输入信号来强迫所述工作点进入所述不稳定区域。

26.如权利要求23所述的选通振荡器，其特征在于，所述电路包括负阻抗元件，所述电路具有一个经由电感的串联输入，所述不稳定工作区域是负阻抗区域，通过改变经由所述电感施加的电流来强迫所述工作点进入所述不稳定区域。

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