TWI524654B - 驅動訊號產生器及驅動訊號產生方法 - Google Patents

驅動訊號產生器及驅動訊號產生方法 Download PDF

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Description

驅動訊號產生器及驅動訊號產生方法
本發明係關於一種驅動訊號產生器及驅動訊號產生方法，特別是一種適用於一傳感器(transducer)，且傳感器的振幅(magnitude)的頻域響應(frequency domain response)上具有尖峰突出(peaking)的驅動訊號產生器及驅動訊號產生方法。
傳感器(transducer)是一種可以轉換能量形式的元件。例如在目前普遍流行的可攜式電子裝置中，常見的傳感器元件有顯示面板、喇叭、以及相機鏡頭中對焦所需的音圈馬達(voice coil motor)等等，上述所列傳感器元件都是接收電能形式的控制訊號，再分別轉換成光能、聲能、以及動能的形式，以滿足使用者以各種感官接收訊息的需求。
然而，在各式的傳感器的控制上，如果傳感器本身的輸出訊號對應輸入訊號是線性的單調上升或是下降的關係，則控制上相對單純，可以直接利用開迴路(open-loop)的方式來進行控制即可，例如顯示面板。相對地，另一類的傳感器則是有相對較為複雜的特性，若欲獲得較好的控制結果，則一般是以閉迴路(close-loop)的方式來設計，然而這樣的設計方式必須考慮擷取回授訊號時所需付出的成本。以音圈馬達的控制為例，第1圖為一般習用音圈馬達的振幅的頻域響應的轉移函數圖，可以發現隨 著頻率增加，在高頻衰減發生之前，會先發生尖峰突出的現象，此現象容易形成一個共振頻率(resonant frequency)，使得當音圈馬達接收一脈衝(impulse)或步階(step)能量時，會以此一共振頻率進行一定時間長度的振盪。舉例而言，當音圈馬達應用於相機鏡頭的對焦動作時，長時間的振盪勢必增加對焦系統的反應時間，因而造成產品不具競爭力。為了解決尖峰突出所造成的問題，音圈馬達的控制系統可以利用閉迴路的方式，藉由調整該負回授系統的參數，使得音圈馬達的控制系統的響應能夠具有適當的阻尼因子(damping factor)，以避免振盪。然而，為了達成負回授，在音圈馬達的應用電路中，必須加上霍爾感測器(Hall sensor)，以偵測音圈馬達位移的情形，並轉換成電的訊號以回授到控制系統中處理。閉迴路的控制方式雖然有效，但霍爾感測器的加入將造成成本以及體積的增加，使得可攜式系統在成本以及尺寸下降的趨勢上在此遭遇瓶頸。
另一種作法，則是以開迴路的方式，在控制系統中串接一組陷頻濾波器(notch filter)，使得控制系統加上音圈馬達的整體振幅的頻域響應上，能濾除該尖峰突出，因而直接抑制振盪的現象。這是比較節省成本以及減少系統體積的作法，然而尖峰突出的頻率常因溫度、老化、或是元件之間的差異而有產生漂移，此一因素在開迴路的控制系統中是必須考慮的。
第2圖為一般習用利用開迴路進行音圈馬達控制系統200的設計的方塊示意圖。控制系統200中包含一個陷頻濾波器210，具有振幅的頻率響應F(z)，陷頻頻率fn並設計在音圈馬達220的尖峰突出的頻率fr附近。此一控制系統200結合音圈馬達220之後所得到的時域(time-domain) 輸出響應x(t)，即可避免當輸入u(t)為一脈衝或步階訊號時，產生振盪的情形。
第3圖為以第2圖的習用控制系統所實現的一先前技術的相關時域波形圖，其中陷頻濾波器210是利用一數位濾波器的方式實施，且具有如下的頻率響應函式F(z)：F(z)=0.5．(1+z -1)……(1)，其中Z為Z-變換(Z-transform)的變數，Z-1即代表數位濾波器中一個處理時脈寬度的延遲(delay)，亦即，F(Z)是為一Z-域(Z-domain)之函式。另外，F(z)的最高項次為Z-1，因此F1為一階函式。值得注意的是，在設計上，陷頻濾波器210的陷頻頻率fn必須在尖峰突出的頻率fr附近，再配合第(1)式，即可決定出該數位濾波器的處理時脈的寬度，此應為本領域具有通常知識者所習知，在此不另贅述。在第3圖中，對應第2圖的輸入訊號u(t)是為一步階訊號，經過陷頻濾波器後的驅動訊號u’(t)如第3圖之上圖所示，最後時域輸出響應x(t)則如第3圖之下圖所示，可發現振盪已被有效的抑制，並未發生，且反應時間則為共振週期Tc(即共振頻率的倒數)的一半。
鑒於以上的問題，本發明主要係提供一種驅動訊號產生器及其方法，特別是一種適用於一傳感器，且傳感器的振幅的頻域響應上具有尖峰突出的驅動訊號產生器及其方法。
為了達到以上目的，本發明提供一種驅動訊號產生器，用以驅動一傳感器，包括：一輸入端，用以接收一控制訊號；以及，一數位濾波器，耦接於輸入端，並根據控制訊號產生一驅動訊號，以驅動傳感器。 其中，數位濾波器是為一陷頻濾波器，且數位濾波器的轉移函數相關於傳感器的特性。
本發明一實施例中，驅動訊號產生器不具有從傳感器回授之迴路。
本發明一實施例中，驅動訊號產生器是為一開迴路控制組態。
又，為了達到以上目的，本發明又提供一種驅動訊號的產生方法，包含下列步驟：以一數位濾波器的輸入端接收一控制訊號，並產生一驅動訊號，其中數位濾波器是為一陷頻濾波器，且數位濾波器的轉移函數相關於傳感器的特性；以及，以驅動訊號驅動一傳感器。
本發明一實施例中，傳感器在其振幅的頻域響應上具有一尖峰突出。
本發明一實施例中，傳感器是為一電感性元件。
本發明一實施例中，數位濾波器的轉移函數如下所示：(1+a 1．z -n +a 2．z -2n )．F1，其中F1為至少一階之Z-域函式，a 1為小於0之實數，a 2為大於0之實數，且n為自然數。
本發明一實施例中，數位濾波器的轉移函數為：(1-z -1+z -2)．F1。
本發明一實施例中，數位濾波器的轉移函數為：0.5．(1-z -2+z -4)．(1+z -7)。
本發明的功效在於，本發明所揭露的驅動訊號產生器以及驅動訊號的產生方法，可以在開迴路控制的設計下，有效降低或抑制傳感器 因為其具有尖峰突出而造成的不必要的振盪，因而可以改善反應時間。其具備相較於先前技術更快的反應時間，同時可以獲得較寬的陷頻區間，因此在應用上具有很高的實用性。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。
200‧‧‧控制系統
210‧‧‧陷頻濾波器
220‧‧‧音圈馬達
400‧‧‧驅動訊號產生器
410‧‧‧數位濾波器
420‧‧‧傳感器
430‧‧‧輸入端
S710、S720‧‧‧步驟
第1圖：一般習用音圈馬達的振幅的頻域響應的轉移函數圖。
第2圖：一般習用利用開迴路進行音圈馬達控制系統的設計的構造示意圖。
第3圖：一般習用以第2圖的控制系統所實現的一先前技術的相關時域波形圖。
第4圖：本發明驅動訊號產生器揭露之一實施例及其週邊電路的構造示意圖。
第5圖：本發明驅動訊號產生器揭露之說明例所實現的相關時域波形圖。
第6圖：本發明驅動訊號產生器揭露之一較佳實施例所實現的相關時域波形圖。
第7圖：本發明驅動訊號的產生方法揭露之一實施例之步驟流程圖。
第4圖為本發明驅動訊號產生器所揭露之一實施例，即驅動訊號產生器400，及其週邊電路的方塊示意圖。驅動訊號產生器400用於接 收一控制訊號u(t)並據以驅動一傳感器420。驅動訊號產生器400包含一輸入端430以及一數位濾波器410。輸入端430用以接收控制訊號u(t)。數位濾波器410耦接於該輸入端，並根據該控制訊號產生一驅動訊號，以驅動該傳感器。其中，該數位濾波器是為一陷頻濾波器，且該數位濾波器的轉移函數相關於該傳感器的特性。
值得注意的是，本發明所揭露之驅動訊號產生器400，不具有從傳感器420回授之迴路，因此可以省略必須將能量形式進行轉換，以產生回授訊號的元件，因此可以降低電路硬體成本。例如傳感器若為一音圈馬達，為了取得回授訊號，在電路中必須配置例如霍爾感測器的元件，以偵測音圈馬達位移的情形，並轉換成電的訊號以回授到控制系統中處理。另外，驅動訊號產生器400是為一開迴路控制組態，可以使系統的反應速度快速，反觀在閉迴路控制組態中，為了保持迴路穩定度，則必須犧牲系統的反應速度。
另外，本發明所揭露之驅動訊號產生器400所適用的傳感器420，其特性為在其振幅的頻域響應上具有一尖峰突出，此一尖峰突出在本質上容易造成傳感器420在位移量上的振盪，而驅動訊號產生器400對於這樣的振盪現象有很好的抑制作用。另外，傳感器420通常是為一電感性元件，例如為一音圈馬達。
在本發明所揭露的一實施例中，數位濾波器410的轉移函數F(z)如下所示：F(z)=(1+a 1．z -n +a 2．z -2n )．F1……(2)，其中F1為至少一階之Z-域函式，a 1為小於0之實數，a 2為大於0 之實數，且n為自然數。
本發明所揭露的驅動訊號產生器400，可以根據不同F1函式、a 1、a 2、以及n值的設計，而在獲得較寬的陷頻區間，以補償尖峰突出頻率因各種原因所產生的可能漂移的同時，更可以具備相較於先前技術更快的反應時間。以下舉出較佳實施例進行說明。
在本發明所揭露的驅動訊號產生器400的一較佳實施例中，a 1等於-1，a 2等於1，且n等於1。亦即，數位濾波器410的轉移函數F(z)包含下列因式：1-z -1+z -2……(3)。
亦即，F(z)是為下列函式：。
(1-z -1+z -2)．F1……(4)。
第(3)所示函式的最高項次為Z-2，因此為一二階函式。第5圖為利用上述第(3)式所實現的驅動訊號產生器400的相關時域波形圖。值得注意的是，在設計上，數位濾波器410的陷頻頻率fn必須在尖峰突出的頻率fr附近，再配合第(3)式，即可決定出該數位濾波器的處理時脈的寬度，此應為本領域具有通常知識者所習知，在此不另贅述。在第5圖中，對應第4圖的輸入訊號u(t)是為一步階訊號，經過數位濾波器410作用後的驅動訊號u’(t)如第5圖之上圖所示，最後時域輸出響應x(t)則如第5圖之下圖所示，可發現振盪已被有效的抑制，並未發生，且反應時間為共振週期Tc的1/3。與第3圖的所代表的先前技術比較，先前技術之反應時間係為共振週期Tc的1/2，可知對應於第5圖所揭露的驅動訊號產生器400，可以獲得更快的反應時間。
在本發明所揭露的驅動訊號產生器400的另一較佳實施例中，a 1等於-1，a 2等於1，n等於2，且F1=1+z-7，是為一7階函式。亦即，數位濾波器410的轉移函數F(z)如下式所示：F(z)=0.5．(1-z -2+z -4)．(1+z -7)……(5)。
第(5)式所代表的轉移函數F(z)，在頻域上具有較寬的陷頻區間，因此可以有效補償尖峰突出頻率因各種原因所產生的可能的漂移，例如溫度變化、元件老化所產生的漂移，及/或元件之間的本質差異。
第6圖為利用第(5)式所實現的驅動訊號產生器400的相關時域波形圖。值得注意的是，在設計上，數位濾波器410的陷頻頻率fn必須在尖峰突出的頻率fr附近，再配合第(5)式，即可決定出該數位濾波器的處理時脈的寬度，此應為本領域具有通常知識者所習知，在此不另贅述。在第6圖中，對應第4圖的輸入訊號u(t)是為一步階訊號，經過數位濾波器410作用後的驅動訊號u’(t)如第6圖之上圖所示，最後時域輸出響應x(t)則如第6圖之下圖所示，可發現振盪已被有效的抑制，並未發生。雖然其反應時間大約即為共振週期Tc，然而由於具備較寬的陷頻區間，此一較佳實施例對於對抗尖峰突出頻率的漂移的效果較佳。由此可知，本發明所揭露的第一實施例的驅動訊號產生器400，與先前技術相比較，在具備較寬的陷頻區間的同時，可以擁有更快速的反應時間。
第7圖為本發明所揭露之驅動訊號的產生方法的步驟流程圖。驅動訊號適用於驅動一傳感器420，特別是當傳感器420的振幅的頻域響應上具有尖峰突出的特性時。傳感器420通常是為一電感性元件，例如為一音圈馬達。驅動訊號的產生方法包括下列步驟：
第一步驟：如步驟S710所述，以一數位濾波器410的輸入端430接收一控制訊號u(t)，並產生一驅動訊號u’(t)，其中數位濾波器410是為一陷頻濾波器，且數位濾波器410的轉移函數相關於傳感器420的特性。數位濾波器410具備相較於先前技術更快的反應時間，同時更可以獲得較寬的陷頻區間，以補償尖峰突出頻率因各種原因所產生的可能的漂移。
第二步驟：如步驟S720所述，以驅動訊號u’(t)驅動傳感器420。
本發明所揭露的驅動訊號的產生方法，可以在開迴路控制的設計下，有效降低或抑制傳感器因為其具有尖峰突出而造成的不必要的振盪，因而可以改善反應時間。其具備相較於先前技術更快的反應時間，同時可以獲得較寬的陷頻區間，因此在應用上具有很高的實用性。
在本發明所揭露的驅動訊號的產生方法的一較佳實施例中，數位濾波器的轉移函數F(z)如下：F(z)=(1+a 1．z -n +a 2．z -2n )．F1……(6)，其中F1為至少一階之Z-域函式，a 1為小於0之實數，a 2為大於0之實數，且n為自然數。
本發明所揭露的驅動訊號產生方法，可以根據不同F1函式、a 1、a 2、以及n值的設計，而在獲得較寬的陷頻區間，以補償尖峰突出頻率因各種原因所產生的可能漂移的同時，更可以具備相較於先前技術更快的反應時間。
另外，在本發明所揭露的驅動訊號的產生方法的另一較佳實施例中，數位濾波器的轉移函數F(z)如下： F(z)=(1-z -1+z -2)×F1……(7)，如此，與第3圖的所代表的先前技術比較，第(7)式所代表的技術方案可以獲得更快的反應時間，同時具備了較寬的陷頻區間。
另外，在本發明所揭露的驅動訊號的產生方法的又一較佳實施例中，數位濾波器的轉移函數F(z)如下：F(z)=0.5．(1-z -2+z -4)．(1+z -7)……(8)。
如此，數位濾波器的轉移函數在頻域上具有較寬的陷頻區間，因此可以有效補償尖峰突出頻率因各種原因所產生的可能的漂移，例如溫度變化、元件老化所產生的漂移，及/或元件之間的本質差異。
雖然本發明之實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及數量當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
400‧‧‧驅動訊號產生器
410‧‧‧數位濾波器
420‧‧‧傳感器
430‧‧‧輸入端

Claims (10)

  1. 一種驅動訊號產生器，該驅動訊號用以驅動一傳感器，該傳感器具有在其振幅的頻域響應上產生一尖峰突出的特性，該驅動訊號產生器包含：一輸入端，用以接收一控制訊號；以及一數位濾波器，耦接於該輸入端，具有一轉移函數，該轉移函數相關於該傳感器的特性，當該輸入端接收到該控制訊號時，該數位濾波器利用該轉移函數以產生一用以降低或抑制該傳感器之該尖峰突出之驅動訊號；其中，該數位濾波器是為一陷頻濾波器，而該數位濾波器的轉移函數為：(1+a 1．z -n +a 2．z -2n )．F1；其中F1為至少一階之Z-域函式，a 1為小於0之實數，a 2為大於0之實數，且n為自然數。
  2. 如請求項第1項所述之驅動訊號產生器，該驅動訊號產生器不具有從該傳感器回授之迴路。
  3. 如請求項第1項所述之驅動訊號產生器，該驅動訊號產生器是為一開迴路控制組態。
  4. 如請求項第1項所述之驅動訊號產生器，其中該傳感器是為一電感性元件。
  5. 一種驅動訊號產生器，該驅動訊號用以驅動一傳感器，該傳感器具有在其振幅的頻域響應上產生一尖峰突出的特性，該驅動訊號產生器包含：一輸入端，用以接收一控制訊號；以及 一數位濾波器，耦接於該輸入端，具有一轉移函數，該轉移函數相關於該傳感器的特性，當該輸入端接收到該控制訊號時，該數位濾波器利用該轉移函數以產生一用以降低或抑制該傳感器之該尖峰突出之驅動訊號；其中，該數位濾波器是為一陷頻濾波器，而該數位濾波器的轉移函數為：(1-z -1+z -2)．F1；其中F1為至少一階之Z-域函式。
  6. 一種驅動訊號產生器，該驅動訊號用以驅動一傳感器，該傳感器具有在其振幅的頻域響應上產生一尖峰突出的特性，該驅動訊號產生器包含：一輸入端，用以接收一控制訊號；以及一數位濾波器，耦接於該輸入端，具有一轉移函數，該轉移函數相關於該傳感器的特性，當該輸入端接收到該控制訊號時，該數位濾波器利用該轉移函數以產生一用以降低或抑制該傳感器之該尖峰突出之驅動訊號；其中，該數位濾波器是為一陷頻濾波器，而該數位濾波器的轉移函數為：0.5．(1-z -2+z -4)．(1+z -7)。
  7. 一種驅動訊號的產生方法，該驅動訊號用以驅動一傳感器，該傳感器具有在其振幅的頻域響應上產生一尖峰突出的特性，該產生方法包含下列步驟：以一數位濾波器的輸入端接收一控制訊號；以及令該數位濾波器利用一相關於該傳感器特性之轉移函數產生一用以降低或抑制該傳感器之該尖峰突出之驅動訊 號，其中該數位濾波器是為一陷頻濾波器，而該數位濾波器的轉移函數為：(1+a 1．z -n +a 2．z -2n )．F1；其中F1為至少一階之Z-域函式，a 1為小於0之實數，a 2為大於0之實數，且n為自然數。
  8. 如請求項第7項所述之驅動訊號的產生方法，其中該傳感器是為一電感性元件。
  9. 一種驅動訊號的產生方法，該驅動訊號用以驅動一傳感器，該傳感器具有在其振幅的頻域響應上產生一尖峰突出的特性，該產生方法包含下列步驟：以一數位濾波器的輸入端接收一控制訊號；以及令該數位濾波器利用一相關於該傳感器特性之轉移函數產生一用以降低或抑制該傳感器之該尖峰突出之驅動訊號，其中該數位濾波器是為一陷頻濾波器，而該數位濾波器的轉移函數為：(1-z -1+z -2)．F1；其中F1為至少一階之Z-域函式。
  10. 一種驅動訊號的產生方法，該驅動訊號用以驅動一傳感器，該傳感器具有在其振幅的頻域響應上產生一尖峰突出的特性，該產生方法包含下列步驟：以一數位濾波器的輸入端接收一控制訊號；以及令該數位濾波器利用一相關於該傳感器特性之轉移函數產生一用以降低或抑制該傳感器之該尖峰突出之驅動訊號，其中該數位濾波器是為一陷頻濾波器，而該數位濾波器的轉移函數為：0.5．(1-z -2+z -4)．(1+z -7)。
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