TWI426368B - 利用pwm訊號的接續發生步驟從成對指定周期和循環比所產生類比訊號變化形式之發生方法及裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於PWM訊號所發生可變類比訊號之發生方法,以及發生如此訊號之系統。
數位類比變換器(DAC)之DC電壓發生器業已公知。中央處理單位(CPU)控制變換器,是把確定精準度的數位值引進到輸入暫存器內。若數值是以8位元表示,即可能有256值,結果準確度為1/256,即0.4%。若例如電壓在0伏特至10伏特不等,則一值與另一值間之電壓差為0.04伏特。市場上通常所見為具有16位元暫存器之DAC,中央處理單位可引進65,536不同數值,而精準度更為0.0015%。以上述電壓從0伏特至10伏特不等之同樣例,二接續值呈現差異為0.15毫伏特。
DAC售價隨精準度增加而遞增,變換時間更為快速。若不需快速變換時間,脈寬調變器(PWM)訊號即可從數位幅度供應類比電壓。PWM訊號是周期性數位訊號,訊號在"1"的周期可在總周期內變化。訊號在"1"的周期稱為循環比。基準時計供應基準周期。以具有把數值"1"程式規劃的8位元程式暫存器之PWM訊號發生器為例,對單一基準脈波是在"1"得數位訊號,而後續255基準脈波之際,是在"0"得之。PWM的數位輸出,接至排除變化之RC暫存器網路。因此而得連續值,可以放大來控制例如馬達。
此種總成通常見於調整系統,以調變燈的亮度,或控制排氣風扇之速度。後者特別見於電視解碼器。事實上,此等電子裝置在正常操作中消耗很大能量。此能量轉型為熱,集中在一般為密封之裝置內。若不排除,熱令加速電子組件的老化,造成不可逆的劣化。為防此事,排氣器位於接近解碼器殼內的空氣進口,加速與外部交換,改進冷卻。但使用排
氣器,全速時很吵。若裝置放在房間理,則聲音位準會擾人。經驗顯示不是速度擾耳,而是速度變化。排氣器需要最少電壓啟動,例如對10伏特最大授權電壓,為5伏特。如果排氣器以PWM訊號控制,只用數位值即能發生5至10伏特間之電壓。對8位元PWM發生器而言,此等數值介於128和255之間,得128之可能數值。結果,如此裝置的精準度為1:128,或為可用電壓範圍之0.8%。當數值引進入PWM發生器內時,即產生連續性電壓,從一值進到次一值可以聽見,尤其是當此項變化有規則性干擾,正如使用控制系統的情況。此外,同樣裝置可用不同的排氣器型號。若使用伺候系統,排氣器不需有同樣特性,結果,裝置專用的控制系統,必須擁有廣大控制範圍,所以全範圍有高度精準性。
一種解決方案包含提高位元數,以程式規劃PWM循環比,例如12位元,精準度即為0.025%。假設條件同上,結果精準度為0.05%,完美適於降低變化之可聞性。但12位元之PWM價昂,程式規劃時間較使用8位元值之PWM為長。
2007年5月3日公開的US 2007/098374-Fujiwara,說明一種排氣器控制系統。控制單位發送PWM訊號至排氣器22。視距儀探針檢測排氣器的轉速,傳輸至控制單位23。此系統可控制膝上型電腦的溫度。此專利申請案的第7圖通知對5,000 rpm以上之速度,使用頻率20 kHz,應用循環比70至100%不等,對4,000至5,000 rpm之速度,使用頻率30 kHz,在用循環比50至70%,而對4,000 rpm以下之速度,使用頻率40 kHz,應用循環比25至50%。此案記載速度和循環比值間之直接相關性。因此,準確性純視循環比而定。
2002年11月26日公告之US 6,487,246號專利,記載PWM訊號發生器之內部結構。可分別程式規劃PWM訊號的週期之時計脈波數和循環比之時計脈波數。此專利特定,若
二暫存器的程式規劃,是在新訊號發生時進行,此訊號會含誤差。對此問題之解決方案,包含把暫存器的更新與PWM週期之建制,加以同步化,惟此項解決方案提高所發生類比訊號之準確性。
本發明可由更精確的PWM訊號發生DC電壓,而不提高程式規劃位元之循環比。
本發明之一目的,係由成對指定週期和循環比,利用PWM訊號之接續發生步驟,所產生類比訊號變化形式之發生方法,PWM訊號經積合產生類比訊號,其特徵為,於變化形式發生期間,具有不同週期值和循環比之成對,接續應用以發生PWM循環,連同具有同樣循環比的不同週期之成對。
如此一來,選擇由某一循環比和某一週期值形成的接續成對,可發生類比訊號,若變化只包含改變循環比,其變化較小。二接續發生的PWM訊號之間,週期或循環比或二者可變化。此舉可得循環比和週期間之比所產生數位值較大數目,因而供應大量的不同類比值。因此,獲得決定值的準確性較大。顯示,因此發生的訊號,其發展經時更具線性。
按照第一改進例,各發生步驟包括從記錄表摘取一對週期值和循環比之步驟,所摘取對之位址係命令值,以發生類比訊號。如此一來,在表示搜尋一對數值,可迅速進行。
按照另一改進例,各發生步驟包括從記錄表摘取一對週期值和循環比之步驟,各對值係與數位值相關。從表摘取之一對,其相關數位值最接近要發生的類比訊號。如此一來,表只含不同的數位值,因而防止表含有複份數值。
按照一改進例,PWM訊號發生步驟,跨越同等時間應用。如此,步驟之歷時性大為簡化進行。按照變化例,PWM訊號發生步驟係跨越時槽應用,其期限係數學式的結果。如此,即可使用時間改變如此發生之變化形式。按照另一變化
例,PWM訊號發生步驟係跨越週期應用,因從表摘取的相關數位值和按表上順序後續的數位值間之差異而變化。如此,可補正某一數值之缺乏精準性。
按照另一改進例,若有數對循環比和週期產生一致結果,則選用具有最高週期值之配對。如此,即可應用具有相近週期值的成對週期值和循環比,減少部份假相幅度。按照另一改進,類比量值是控制排氣器速度之命令訊號。
本發明另一目的,係類比訊號變化形式之發生裝置,包括PWM訊號發生器,其週期和循環比可程式規劃,以及該訊號之整合機構,以產生類比訊號,其特徵為,在變化形式發生之際,具有不同週期值和循環比之複數對,即接續應用於發生器,以產生變化形式,以及具有同樣循環比的不同週期對。
本發明其他特徵和優點,由如下參照附圖所示具體例之說明,即可明白。
第1圖顯示一段電子裝置,例如電視解碼器。此裝置包括印刷電路1,上面配置電子電路2。硬碟3得以記錄資料,尤其是綿長之視聽作業。電路2和硬碟3消耗大量能量,釋出熱。例如解碼器2之CPU典型上放出大約6瓦特能量。結果,解碼器之某一區,在第1圖上灰色標示處,較他處為暖。排氣器4從解碼器腔室抽出熱空氣。二排氣空氣進口5切入解碼器外殼,使二道冷空氣進入。彎曲箭頭表示空氣流動途徑。空氣進口數、位置和大小,是通氣良好的重要元素,此等參數為精於此道之士所公知。
第2圖表示類比訊號之發生裝置D,按照本發明較佳具體例得以控制排氣器V的速度。此圖可應用於類比訊號之所有發生系統,在輸入處接收數位值,在輸出處供應PWM(脈寬調變器)訊號。在所述具體例中,管理單位M為電路板的
電路2之一或電路2之一部份,其功能在於維持排氣器速度盡量接近設定速度。管理單位M有數位輸入,以接收代表排氣器速度之訊號(一般稱為"Tachy"),以及命令輸出,以控制排氣器4或第2圖上之V。Tachy訊號為脈波訊號,每單位時間的脈波數,決定排氣器之真實速度。按照Tachy訊號值,管理單位M計算排氣器速度V,得以終於改正,維持速度盡量接近設定速度。如此,排氣器速度係經伺候控制。在其他系統中,是類比訊號經伺候控制,此情況即例如裝置係調節性DC發生器。
PWM訊號是週期性數位訊號,可變換成類比訊號,使用整合機構,典型上為低通濾波器,包括電阻器R和電容器C。在具體例中,功率以放大器A加以放大之類比訊號,控制排氣器V。以已知方式把週期固定,類比訊號的量值因循環比而異。按照具體例,PWM之循環比以8位元寫碼。所應用類比電壓理論上在0和12伏特間變化,但一般而言,對低於約5伏特之電壓,排氣器不會轉動,若超過9伏特,則變得嘈雜。結果,對於以8位元值界定於約120至180間的PWM訊號,馬達命令值之可用範圍變化,構成60個可用數值。單位變化造成量值大變化,容易耳聞。顯然多於或少於8位元寫碼之其他數值亦屬可能,位元數於此只供舉例之用。
PWM訊號發生電路發生週期性數位訊號,其循環比和週期可變。基準時計供應頻率27 MHz的方形波訊號,然後此訊號按照某一比,獲得PWM訊號的週期。典型上,PWM訊號發生器有二8位元程式之暫存器,一為引進"PER"值,代表PWM訊號週期的時間單位數,另一則引進循環比,即"T_ON"值,代表PWM訊號在"1"之時間數。故為得有至少一時間週期在"0"之PWM訊號,嚴格必須T_ON低於PER。例如,若週期暫存器含PER值=100,而循環比含T_ON值
=64,則所發生訊號的頻率低於基準頻率100倍,而數位值在"1"時之週期,比數位值在"0"者短3倍。
若週期值不經修飾,發生訊號的可能值數為256,實際賞可用值從120至180,使調整排氣器速度的精準度在1.5%之譜。按照本發明修飾PER值和T_ON二者,即得超過256可能數值,故有很高數目的成對,最後得以發生許多不同的電壓值。
遵循T_ON≦PER的原則,可得以下:若PER=255,則T_ON可能有256值。
若PER=254,則T_ON可能有255值。
若PER=253,則T_ON可能有254值。
‥‥‥
若PER=2,則T_ON可能有3值(0,1或2)。
若PER=1,則T_ON可能有2值(0或1):訊號即繼續在"0"或"1"。
PER零值則無意義。
可能成對數是等差級數的結果,其式為Σ=255×((1+255)/2)=32640不同(T_ON/PER)對。
按照第一簡單具體例,類比訊號之發生系統,計數16位元之數值,以控制排氣器,賦予最大十進位數值為32,640。發生系統創造對應表,對指定命令值供應一對(T_ON/PER)應用。此表32,640數值是8位元成對資料(T_ON/PER)順序表。有益的是可縮減此表,使含有數目等於2的次方,例如2的14次方或2的12次方。有些成對(T_ON/PER)會消失,因其十進位值很接近表上保持之其他數值。表佔有的記憶器區即告最適。
無論表的大小如何,一對(T_ON/PER)的搜尋,是對位址應用16位元、14位元或12位元的命令值進行之,定址之成對即讀出並用來程式規劃PWM發生器之二暫存器。於
此說明如何書寫表上數值:首先,計算(T_ON)對(PER)之全部比率組合,得0和1之間的所有小數點值,至高度精準性(典型上為10個小數點)。小數點值是由最小(0.00000)排序至最高(1.000000),而相對應成對(T_ON/PER)配置是同樣順序。再賦予表精準性,例如16位元=N。計算2N
理論值i/2N
,其中i從1至2N
=65,536變化。得0至1變化之65,536數值。各理論值再與從成對(T_ON/PER)算出的最接近小數點值關聯。
此表之例摘要列於第3圖。第3圖表示4欄,只有第3欄是實際記錄於記憶器內。第1和2欄含有16位元數值,表上各橫行為10進位和16進位,惟前述理論值為此值16位元之倒數。第3欄特指成對(PER/T_ON)使PWM訊號發生器的二暫存器PER和T_ON得以程式規劃。最末欄表示計算成對(T_ON/PER)所得小數點值,此小數點值為命令排氣器的放大器之輸入參數。此最末欄考量改變表內不同接續對(T_ON/PER)所得精準性。即容易看到二8位元暫存器之聯合程式規劃、控制週期和循環比,可獲得大約15位元精準性之類比值。須知在某一情況下,只有單一小數點值,故若干理論值才有一對。
當類比訊號發生系統產生16位元命令值,以此值指示表,立即讀出成對(T_ON/PER),以程式規劃暫存器。為發生類比訊號之連續變化,可從16位元之DEBUT值進行到FIN值,同時從表閱讀DEBUT和FIN間包括之全部成對(T_ON/PER),於間距應用規則性時間。
可見某些成對發生之小數點值一致:1/2=2/4=4/8=8/16=16/32=32/64=64/128。計算顯示有19,947對的T_ON/PER產生不同的小數點值。
顯示特別有趣的是記憶唯一對(T_ON/PER)產生不同類比訊號值。所以,可減少表的大小。
按照具體例之變化例,記憶器內之表經修飾,故只含不同之小數點值,已知產生不同小數點值之成對(T_ON/PER)組為19,947,故不必在表上保持複份。按照變化例,類比訊號發生系統計算0和1間不等之小數位值,例如6位小數點。使用6小數點提供優良妥協,視暫存器位元數而定。記憶器內之表含有19,947個可能結果,依序從最低值(0)到最高值(1),有6位小數點的精準度。按照變化例,相對應表與指定成對之小數點值關聯。為使表對大小最佳,要小心保留唯有不同的小數點值。如前所述,如果有數對產生同樣結果,唯擁有最高週期值之成對才保留記憶在表內。如此,彼此接續發生類比訊號形式或變化之諸對,會有接近之週期值(皆介於128和255之間),以免很短週期的PWM訊號和很長週期的PWM間交換產生之最終假象。如第6圖所示,二接續成對不是有不同週期和循環比,便是同樣週期和不同循環比,或是同樣循環比和不同週期。最後,可得循環比和週期之比產生的更多數位值,因此,供應大量不同的類比訊號。
第4圖展示具體例的此類表之摘要。摘要係關於0.501960和0.502512間之小數點值時窗。此二值之間,發生有25不同對,由T_ON值(第2欄)和PER值(第3欄)界定。第3欄列16位元值,等於第1欄10進位值之16進位等值,設H10000值等於1。此最後值表示16位元值所表達可變訊號之不精準程度。所以可見16位元之幾乎全部數值展示,只有少數例外:H808C、H8091、H8095、H8099、H809C、H809F、H80A2、H80A4。事實上,對此等數值,無接近之成對,故必須使用16位元之另一數值。
按照此變化例,管理單位M計算小數點值,以命令排氣器,此等數值介於0和1之間,精準度至少5位小數點。對各新的重複小數點值,管理系統搜尋(T_ON/PER)對,其
相關小數點值最近重複值者。如第4圖所示表搜尋,是以很傳統的方式進行,可描出揀選演算,得以在排序數值組間設置某一數值。例如,一種方法是包含注意表的中段,決定指定值是較低或較高,並根據反應注意表下半或上半的中段。依此類推,直至找到表上數值,即與重複值差異最小者。一旦找到此值,即閱讀相對應成對(T_ON/PER),而8位元數值即鍵入二暫存器內。如此一來,所發生類比訊號具有高度精準性。例如,假設重複值等於0.502伏特,相對應表上呈現的最接近小數點值為0.502008,即相當於成對(T_ON/PER)=125/249,第4圖上粗箭頭表示所發現最接近值。發生電路於循環比暫存器書寫125,於週期暫存器書寫249。
第5圖表示上述方法所得PWM訊號和線性變化類比訊號之時序圖。時序圖顯示PWM發生器和成對(T_ON/PER)用之低通濾波器產生之訊號,其小數點值介於0.0177541和0.0179640之間。在此範圍找到不同的五對,但有些對在第3圖的表上呈現數次。因此,第一對(003,168)在表上展示三次,於3個時間單位之際應用,第二對(004,224)於3個時間單位之際應用,第三對(004,223)於6個時間單位之際應用,第四對(004,222)於3個時間單位之際應用,最後(003,166)於3個時間之際應用。第5圖亦按比例展現相當於所發生成對(T_ON/PER)的小數點值水準,此等數值在0.0177514至0.0179640不等。展示理論直線。虛線表示放大器A後的類比訊號發展,可見此線全局遵循直線之發展。
按照簡單具體例,類比訊號發生系統,在決定時槽之際,從相對應表摘取數值T_Oni和PERi,書寫於二PWM控制暫存器內。如此,所發生類比訊號以許多不同的分立數值,逐漸等於通入之所需數值,此等數值大部份變化很小而精準性大,以排氣器之控制而言,雜音明顯減少。二對(T_ONi/PERi)應用間之時距,特別視等待新數值所耗期間
而定。設△T為獲得新的標稱值之時間,Vini
為初始值,Vtarget
為欲獲得之小數位值,系統把△T除以可取得此目標小數點值之值數,以決定從表摘取的各對(T_ONi/PERi)所應用之周圍時值。如第5圖所示,在一致的時間週期之際,應用第3圖所示表上閱讀之各對(T_ONi/PERi),可得幾近線性之類比訊號。
假設類比發生系統必須產生6.024伏特至6.030伏特之線性變化類比訊號,以控制排氣器V。電流輸送最大電壓12伏特,則供應至類比電路之小數點值,從0.502至0.5025不等。第3圖所示相對應表供應第一對數值125/249和最後一對100/199,供應目標值。在此二值之間,發現有32數值界定33個時槽。以開始時的假設,時間從6.00伏特之電壓進到6.10伏特為1秒,故各對應用為1/33秒,最後一對(100/199)則連續供應。
第5圖為類比訊號變化形式一例,典型上為直線。此項變化是在PWM發生器,就5對(T_ONi/PERi)接續程式規劃所產生。若從第3圖所示表摘取的參數程式規劃,是在一定時槽進行,如此發生之各類比值即跨越時槽應用,是基本時槽之倍數。按照改進例,變化各新值的應用期限,即得非線性變化。例如,一對的應用時間值,可為通式△Ti=A×i+B精細函數之影像,其中i是從相對應表摘取的成對(T_ONi/PERi)的順序數。使用此式,數值首先會彼此快速接續,最後應用愈來愈慢。如此,所發生的類比訊號開始時展示大變化,趨近目標小數點值時則小變化。如此使起初變化加速,更為順利獲得目標值。
可有其他具體例,成對之應用時間數值可利用更複雜方程式獲得,顯示為第二度。
須知為發生變化形式,應用二不同對(T_ONi/PERi)間之時間性差異,不一樣,乃因產生分立小數點值,不提供其
間同樣差異之故。第5圖表示此現象,有些對應用一次、三次、五次。各對應用數的計算,是按照理論值i/2N
(其中i為1至N不等)算出的大約小數點數。按照關於後續數值之差異,改變各新值之應用期限,可以改進精準性。第6圖表示和第4圖同型相對應表之摘要,可見有一區段,其一小數點值與另一小數點值有極準時之大變化。就低於0.498039之數值而言,變化位於16.10-6和18.10-6之間,而在小數點值0.5左右,差異大增:1961.10-6,再對大於0.501960之數值言,變化再度位於16.10-6和18.10-6之間。若為產生線性變化訊號,發生系統應用跨越同樣時槽從表接續摘取之成對(T_ONi/PERi),此等差異導致相對於理論直線之非線性,尤其是在小數點值0.5左右。
為減少差異,指定成對(T_ON/PER)發生類比訊號之週期,視其與後續成對的差異而定。若Ttotal為獲得新標稱值之時間,Etotal為實際值與此標稱值間之差異,則(Etotal/Ttotal)比表示從訊號幅衍生之值,其發生是要以線性方式獲得新標稱值。對從表摘取之Vi和Vi+1二接續小數點值而言,△V為Vi和Vi+1間之差異:△V=Vi+1-Vi
從變化△V衍生值,必須與(Etotal/Ttotal)比相同,而其他項:△Vi/△Ti=Etotal/Ttotal
此Etotal/Ttotal值已知,為常數,等於Vi+1-Vi的△V,從表推算,未知數△Ti是由下式算出:△Ti=△Vi/(Etotal/Ttotal)
結果,發生數值Vi的成對(T_ONi/PERi)應用期限,視此值與表上後續值間之差異而定。例如,若管理系統M產生類比訊號,呈斜波形式,在1秒當中,於小數點值0.4980和0.5020之間線性變化,再於下述時間應用如下比率:
-(T_ON/PER)=125/250應用期間:4 ms,-(T_ON/PER)=126/252應用期間:4 ms,-(T_ON/PER)=127/254應用期間:492 ms,-(T_ON/PER)=128/255應用期間:492 ms,-(T_ON/PER)=127/252應用期間:4 ms,-(T_ON/PER)=126/250應用期間:4 ms,-(T_ON/PER)=125/248連續應用。
此項解決方式補正由第6圖之表摘取接續值間相差之非線性缺陷。
凡精於此道之士均可採用本發明於許多其他特殊形式,不離本發明申請所主張申請專利範圍之界域。尤其是發生系統可採用來發生所有實體大小之訊號,用在電子裝置。因此,本具體例必須視為實施例,在本發明申請專利範圍界定之界域內可加以修飾。
1‧‧‧印刷電路
2‧‧‧最暖印刷電路區
3‧‧‧硬碟
4‧‧‧排氣器
5‧‧‧空氣進口
D‧‧‧類比訊號之發生裝置
V‧‧‧排氣器
M‧‧‧管理單位
Tachy‧‧‧排氣器速度之訊號
R‧‧‧電阻器
C‧‧‧電容器
A‧‧‧放大器
第1圖表示本發明電子裝置之一節段;第2圖表示較佳具體例的可變類比訊號之發生系統;第3圖展示得以摘取週期和循環比以發生可變類比訊號之相對應表;第4圖展示含有小數點值與成對週期和循環比間關聯之相對應表另一實施例;第5圖展示不同參數的PWM訊號之接續應用,以發生可變類比訊號;第6圖表示在低線性區內含有小數點值與成對週期和循環比間關聯性之相對應表摘要。
Claims (12)
- 一種利用PWM訊號的接續發生步驟從成對指定週期和循環比所產生類比訊號變化形式之發生方法,PWM訊號係經整合以產生類比訊號,其特徵為,在發生變化形式之際,接續應用具有週期和循環比不同數值之複數對,以發生PWM訊號,以及具有不同週期而同樣循環比之成對,若有數對循環比和週期可得相同結果,則選用具有最高週期值之成對者。
- 如申請專利範圍第1項類比訊號變化形式之發生方法,其中各發生步驟包括從表摘取一對週期和循環比數值之步驟,各對數值與數位值關聯,從表摘取之成對係其關聯數位值最接近要發生的類比訊號之成對者。
- 如申請專利範圍第1項類比訊號變化形式之發生方法,其中相當於各對週期和循環比的PWM訊號之發生步驟,是跨越同等時間進行者。
- 如申請專利範圍第2項類比訊號變化形式之發生方法,其中PWM訊號之發生步驟應用所跨越時間,係按照從表摘取之關聯數位值和表上依序的數位值間之差異而變化者。
- 如申請專利範圍第4項類比訊號變化形式之發生方法,其中如果有若干對循環比和週期具有一致的結果,則選用具有最高週期值之一對者。
- 如申請專利範圍第4項類比訊號變化形式之發生方法,其中類比值係命令訊號,控制排氣器之速度者。
- 一種類比訊號變化形式之發生裝置,包括PWM訊號發生器(M),其週期和循環比可程式規劃,並有該訊號之整合電路,用以產生類比訊號,其特徵為,於變化形式發生之際,對發生器(M)接續應用具有不同數值的週期和循環比之複數對,以產生變化形式,以及具有不同週期而同樣循環比之成對,若有數對循環比 和週期可得相同結果,則選用具有最高週期值之成對者。
- 如申請專利範圍第7項類比訊號變化形式之發生裝置,其中包括一表,含有成對之週期和循環比數值,一對週期和循環比數值是從表摘取要應用於發生器(M),各對數值與數位值關聯,從表摘取之成對,係其關聯數位值最接近要發生的類比訊號者。
- 如申請專利範圍第7或8項類比訊號變化形式之發生裝置,其中裝置應用之PWM訊號,相當於跨越同等時間的各對週期和循環比者。
- 如申請專利範圍第8項類比訊號變化形式之發生裝置,其中裝置應用之PWM訊號,相對於各對週期和循環比跨越之時間,因從表摘取的關聯數位值和按表上順序的數位值間之差異而變化者。
- 如申請專利範圍第7項類比訊號變化形式之發生裝置,其中如果有若干對循環比和週期提供一致結果,則選用具有最高週期值之成對,由發生器(M)加以使用者。
- 如申請專利範圍第7項類比訊號變化形式之發生裝置,其中類比值係命令訊號,控制排氣器之速度者。
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