直接驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生器本發(fā)明涉及電池供電的驅(qū)動(dòng)器，具體地，涉及用于壓電式設(shè)備的驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器通過(guò)產(chǎn)生與低電壓控制信號(hào)類似的高電壓波形并且將該波形直接施加至壓電式設(shè)備來(lái)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

背景技術(shù)：
壓電式致動(dòng)器需要比1.5至12.6伏特的典型電池電壓大的高電壓。“高”電壓為20至200伏特，當(dāng)前的典型驅(qū)動(dòng)電壓是100-120伏特。一些用于致動(dòng)器的線驅(qū)動(dòng)電源提供高達(dá)1000伏特的電壓。從電池中產(chǎn)生高電壓比從電力線中產(chǎn)生高電壓更困難。升壓變換器可以用于將來(lái)自電池的低電壓轉(zhuǎn)變成用于驅(qū)動(dòng)器的較高電壓。在升壓變換器中，存儲(chǔ)在電感器中的能量被提供給電容器作為高電壓下的電流脈沖。圖1為包括已知的升壓變換器的電路的原理圖，例如，參見(jiàn)美國(guó)專利3,913,000（Cardwll,Jr.）或者美國(guó)專利4,527,096（Kindlmann）。電感器11和晶體管12串聯(lián)連接在電源13與地或公共端（common）之間。當(dāng)晶體管12接通（導(dǎo)通）時(shí)，電流流過(guò)電感器11，存儲(chǔ)由電感器生成的磁場(chǎng)中的能量。流過(guò)電感器11的電流依據(jù)電池電壓、電感、內(nèi)部阻抗以及晶體管12的導(dǎo)通阻抗而迅速增加。當(dāng)晶體管12關(guān)斷時(shí)，磁場(chǎng)以由晶體管12的斷開(kāi)特性確定的速率衰減。衰減的速率非?？?，比磁場(chǎng)增加的速率要快得多。電感器11兩端的電壓與磁場(chǎng)衰減的速率成比例?？赡苁且话俜鼗蛘吒叩碾妷?。這樣，通過(guò)升壓變換器將低電壓轉(zhuǎn)換成高電壓。當(dāng)晶體管12關(guān)斷時(shí)，結(jié)合點(diǎn)15處的電壓基本上高于電容器14上的電壓，從而電流流過(guò)正向偏置的二極管16。每個(gè)電流脈沖對(duì)電容器14充一些電，電容器上的電荷逐步增加。在一些點(diǎn)處，電容器14上的電壓將大于電源電壓。二極管16防止電流從電容器14流向電源13。電容器14上的電壓是其它部件（如放大器21）的電源電壓。放大器21的輸出耦接至壓電式致動(dòng)器22。放大器21的輸入可以接收用于雙向運(yùn)動(dòng)的交流電流信號(hào)或者用于單向運(yùn)動(dòng)的直流信號(hào)，或作為互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)（complementarydrive）（兩個(gè)放大器，每極性一個(gè)放大器，兩個(gè)放大器耦接到壓電式致動(dòng)器22的相對(duì)的端子上）的一半。在互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)中，升壓后的電壓的絕對(duì)幅度大于電池電壓的絕對(duì)幅度?；パa(bǔ)驅(qū)動(dòng)可以使用單個(gè)驅(qū)動(dòng)的高電壓的一半（或者被供給單個(gè)驅(qū)動(dòng)的高電壓的兩倍），但是需要兩個(gè)升壓變換器。在現(xiàn)有技術(shù)中，已知根據(jù)脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)來(lái)生成低電壓波形，例如，參見(jiàn)美國(guó)專利4,914,396（Berthiaume）、5,703,473（Philips等）、以及5,994,973（Toki）。處理高電壓變得困難而且更昂貴，制造必須隔離并且控制這樣的電壓的設(shè)備。高電壓放大器引入了進(jìn)一步降低效率的損耗。存儲(chǔ)電容器占據(jù)了有價(jià)值的電路板空間，而且圖1所示的驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)不能很容易地適用于不同的應(yīng)用。如本文中所使用的，波形“類似”并不表示完全一致而是非常接近。因此，鑒于上述內(nèi)容，本發(fā)明的目的是去除觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器中的存儲(chǔ)電容器。本發(fā)明的另一目的是去除觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器中的高電壓放大器。本發(fā)明又一目的是提供如下驅(qū)動(dòng)器，在該驅(qū)動(dòng)器中，控制電路使用獨(dú)立于高電壓電路的低電壓部件。本發(fā)明的另一目的是提供一種可以通過(guò)改變外部部件來(lái)容易地調(diào)節(jié)成支持較高電壓和較高電流的驅(qū)動(dòng)器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了上述目的，其中，生成與低電壓輸入波形相似的高電壓波形。該高電壓波形是直接施加至設(shè)備的一系列脈沖。誤差信號(hào)控制脈沖的頻率、幅度和持續(xù)時(shí)間。將從高電壓波形得到的反饋信號(hào)與輸入波形進(jìn)行比較來(lái)產(chǎn)生所述誤差信號(hào)。附圖說(shuō)明通過(guò)結(jié)合附圖考慮下面的詳細(xì)描述，可以獲得對(duì)本發(fā)明的更全面的理解，其中：圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)造的、耦接至壓電式致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器的原理圖；圖2是具有顯示器和鍵盤(pán)的電子設(shè)備的立體圖，顯示器和鍵盤(pán)中的任何一個(gè)或者兩者都包括壓電式致動(dòng)器；圖3是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的、耦接至壓電式致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器的原理圖；圖4是用于圖3所示的驅(qū)動(dòng)器的控制電路的框圖；圖5是用于根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字控制電路的框圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的波形發(fā)生器的操作的圖；圖7是用于根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的驅(qū)動(dòng)器的模擬控制電路的框圖；圖8是示出占空比、導(dǎo)通時(shí)間和頻率之間的關(guān)系的圖；圖9是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的波形發(fā)生器的操作的圖；圖10示出所生成的波形的細(xì)節(jié)；圖11是本發(fā)明的替代實(shí)施方式的框圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的系統(tǒng)的狀態(tài)圖；以及圖13是示出在幾種狀態(tài)之間如何發(fā)生轉(zhuǎn)換的表。具體實(shí)施方式圖2示出了包括顯示器26和鍵盤(pán)27的電子設(shè)備25。顯示器和鍵盤(pán)其中之一或者兩者可以設(shè)置有用以在輕輕按壓鍵或者顯示器的一部分時(shí)提供觸覺(jué)反饋的壓電式設(shè)備（圖2未示出）。在現(xiàn)有技術(shù)中，已知用以提供反饋的設(shè)備。如上所述，這樣的設(shè)備可以是單個(gè)層或者具有多個(gè)層，并且可以是單向的或雙向的。圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的框圖，其中，去除了存儲(chǔ)電容器14（圖1）和高電壓放大器21（圖1）。電感器31和晶體管32串聯(lián)連接在電源33與地或公共端之間。晶體管32的控制端子耦接至充電輸入35。電感器31與晶體管32的結(jié)合點(diǎn)通過(guò)二極管36耦接至輸出端子38。壓電式致動(dòng)器22耦接在輸出端子38與地之間。至此描述的電路是用于向壓電式致動(dòng)器22施加脈沖的充電電路。脈沖的頻率、幅度和持續(xù)時(shí)間由施加至充電輸入35的信號(hào)確定。晶體管41和電阻器42串聯(lián)連接在輸出端子38與地之間。晶體管41的控制端子耦接至放電輸入43。晶體管41和電阻器42對(duì)累積在壓電式致動(dòng)器22上的任何電荷放電并且進(jìn)一步對(duì)施加至設(shè)備的波形做出貢獻(xiàn)。電阻器47和電阻器48串聯(lián)耦接在輸出端子38與地之間。電阻器47與電阻器48的結(jié)合點(diǎn)耦接至反饋輸出49。電阻器47和電阻器48為分壓器，用于將輸出端子38與地之間的電壓的一部分提供給反饋輸出49。該部分（在本文中被稱為衰減因子ε）等于R48/(R47+R48)。該反饋信號(hào)用來(lái)產(chǎn)生被施加至充電輸入和放電輸入的信號(hào)以及因此產(chǎn)生被施加至壓電式致動(dòng)器22的電壓的波形。該波形可以有任何期望的形狀，例如，連續(xù)的（正弦）或者不連續(xù)的（斜坡或脈沖）形狀。輸出“波形”是指被施加至輸出端子38的信號(hào)的包絡(luò)，參見(jiàn)圖6。該包絡(luò)是一系列各種幅度和寬度的高頻脈沖的結(jié)果。由于壓電式設(shè)備是電容性的，因此會(huì)發(fā)生平滑并且可以認(rèn)為該波形中視乎不包含脈沖。圖4是用于圖3所示的驅(qū)動(dòng)器的控制電路的框圖?？刂破?1可以是模擬的或數(shù)字的，并且包括耦接至反饋輸出49（圖3）的反饋輸入52、以及波形輸入53。輸入53對(duì)應(yīng)于放大器21的輸入（圖1）。控制器51包括耦接至充電輸入35（圖3）的充電輸出55以及耦接至放電輸入43（圖3）的放電輸出56。如果控制器51是數(shù)字的，則控制器試圖去復(fù)制的輸入或參考可以是模擬信號(hào)、時(shí)間和電壓值的表或者參考值。在圖5和圖6中，帶有加號(hào)（+）和減號(hào)（-）的三角形是比較器，即，輸出為數(shù)字值（0或1）。不具有加號(hào)（+）和減號(hào)（-）的三角形是差分放大器，即，輸出為模擬值。在圖5中，通過(guò)模數(shù)變換器（ADC）63將微控制器61耦接至反饋輸入62。微控制器61的輸入64將描述期望波形的信息耦接至微控制器。該信息可以是模擬的或數(shù)字的，并且可以描述波形本身或者是用來(lái)從事先編程到微控制器61中的波形中進(jìn)行選擇的數(shù)據(jù)。在數(shù)模變換器（ADC）66中對(duì)描述波形的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行變換，以生成用于在比較器67中與反饋信號(hào)進(jìn)行比較的參考信號(hào)。比較器67提供關(guān)于哪個(gè)信號(hào)更大的指示，并且相應(yīng)地激活充電電路或放電電路。脈沖寬度調(diào)制器（PWM）71耦接至輸出72并且具有耦接至充電輸出73和放電輸出74的互補(bǔ)輸出。可選地，在脈沖寬度調(diào)制器71與放電輸出74之間耦接低通濾波器（LPF）75。低通濾波器75對(duì)脈沖進(jìn)行平均，以減慢放電速率。微控制器61是一種多狀態(tài)（有限狀態(tài)）的機(jī)器。該控制器具有兩個(gè)主要模式，充電模式和放電模式。為了提高精度，在充電周期和放電周期內(nèi)均使用了若干子狀態(tài)。與壓電式設(shè)備可以被充電相比，壓電式設(shè)備可以被更快速地放電，并且這在機(jī)器狀態(tài)下是適應(yīng)的。在本說(shuō)明書(shū)結(jié)尾部分的附錄中給出了說(shuō)明機(jī)器狀態(tài)的偽碼。比較器67對(duì)反饋條件的變化提供快速響應(yīng)，并且執(zhí)行誤差的1比特量化。誤差δ被定義為反饋信號(hào)的值與參考信號(hào)的值之差。在微控制器61中根據(jù)ADC63的輸出和DAC66的輸入來(lái)計(jì)算該差。當(dāng)以這種方式定義誤差時(shí)，充電電路的理想增益是前面定義的反饋衰減因子ε的倒數(shù)。比較器應(yīng)該具有比ADC63的采樣速率快十到一百倍的響應(yīng)時(shí)間。與比較器轉(zhuǎn)換（參見(jiàn)附錄）相關(guān)聯(lián)的中斷服務(wù)例程用作停頓狀態(tài)，在另一比較器轉(zhuǎn)換的情況下，停頓狀態(tài)將程序返回到前一狀態(tài)，在下一模數(shù)采樣完成時(shí)，停頓狀態(tài)將程序發(fā)送至另一狀態(tài)。誤差的值確定有限態(tài)機(jī)器的下一狀態(tài)。負(fù)誤差表示控制器對(duì)負(fù)載充電，正誤差表示控制器對(duì)負(fù)載放電。對(duì)應(yīng)于誤差范圍，存在具有各種充電和放電速度的若干狀態(tài)。在這些狀態(tài)中的每個(gè)狀態(tài)下，脈沖寬度調(diào)制器的占空比優(yōu)選地被增加到該狀態(tài)的最大占空比以確保平滑轉(zhuǎn)換。為了對(duì)負(fù)載充電，以如下方式切換感應(yīng)電荷泵：該方式使得輸入信號(hào)乘以增益因子并且在負(fù)載上模擬輸入信號(hào)。當(dāng)電感器飽和時(shí)，存儲(chǔ)在電感器中的能量取決于晶體管32（圖3）導(dǎo)通的時(shí)間長(zhǎng)度。當(dāng)晶體管32關(guān)斷時(shí)，輸出電壓與磁場(chǎng)通過(guò)電感器衰減的速率成比例。電感器中存儲(chǔ)的能量越多，輸出電壓越高。因此，導(dǎo)通時(shí)間控制增益。導(dǎo)通時(shí)間改變的一系列脈沖具有模擬輸入信號(hào)的包絡(luò)。為了獲得輸出信號(hào)的最大精度，感應(yīng)電荷泵的切換頻率是至負(fù)載的期望輸出信號(hào)的奈奎斯特頻率的至少一千倍、優(yōu)選地是幾千倍。在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，利用150kHz的充電頻率生成頻率為300Hz的輸出信號(hào)。如果以32kHz對(duì)信號(hào)采樣，則信號(hào)的高于16kHz（奈奎斯特頻率）的任何頻率分量都會(huì)在通過(guò)數(shù)模變換器再現(xiàn)該信號(hào)時(shí)導(dǎo)致混淆。奈奎斯特頻率是保真度的最小閾值。純音（puretone）不具有諧波。方波含有大量的奇次諧波。如果期望的輸出信號(hào)是方波，則與相同頻率的純音相比，奈奎斯特頻率要高。在圖6中，波形A是輸入波形，波形B是端子38（圖3）上的輸出波形。24個(gè)脈沖產(chǎn)生每個(gè)周期的包絡(luò)78。微控制器61中的算術(shù)單元應(yīng)當(dāng)能夠進(jìn)行來(lái)自脈沖寬度調(diào)制器71的信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)的所有控制計(jì)算，這也在現(xiàn)代微型控制器的能力之內(nèi)。在圖7中，控制器80包括耦接至比較器83的反饋輸入81和波形輸入82。比較器83的輸出耦接至與門(mén)86的一個(gè)輸入以及反相器84。反相器84的輸出耦接至與門(mén)86的一個(gè)輸入。因此，比較器83確定充電電路工作還是放電電路工作，而反相器84防止同時(shí)工作。如果反饋信號(hào)大于波形信號(hào)，則放電電路工作。如果反饋信號(hào)小于波形信號(hào)，則充電電路工作。反饋輸入81和波形輸入82還耦接至差分放大器93，差分放大器93生成差分信號(hào)或者誤差信號(hào)。放大器93的輸出耦接至電壓控制的振蕩器（VCO）92的頻率控制輸入以及反相器94。反相器94的輸出耦接至VCO91的頻率控制輸入以及VCO92的占空比控制輸入。VCO91的輸出脈沖耦接至與電路85。來(lái)自VCO92的輸出脈沖耦接至與電路86。圖8是示出占空比、導(dǎo)通時(shí)間和頻率之間的關(guān)系的圖。對(duì)于信號(hào)A，脈沖具有給定頻率且占空比為百分之五十。導(dǎo)通時(shí)間96相對(duì)短。對(duì)于信號(hào)B，脈沖的頻率為信號(hào)A的頻率的一半且占空比為百分之五十。導(dǎo)通時(shí)間97是導(dǎo)通時(shí)間96的兩倍長(zhǎng)。對(duì)于信號(hào)C，脈沖的頻率與信號(hào)B相同且占空比為百分之七十五。導(dǎo)通時(shí)間98是導(dǎo)通時(shí)間96的三倍長(zhǎng)。由于導(dǎo)通時(shí)間決定充電電路的增益，因此改變頻率和占空比兩者以確保足夠的增益來(lái)創(chuàng)建正弦信號(hào)的峰值。此外，當(dāng)來(lái)自放大器93的誤差（差分）信號(hào)的幅度很大時(shí)，增加增益。特別地，對(duì)于大的誤差增加占空比，并且對(duì)于大的誤差降低頻率。由反相器94來(lái)提供相反感官的變化。圖9是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的波形發(fā)生器的操作的圖。在充電周期內(nèi)，優(yōu)選地，根據(jù)來(lái)自差分放大器93（圖7）的誤差信號(hào)改變頻率和占空比兩者。在放電周期內(nèi)，隨著負(fù)載放電而增加頻率。模擬控制器的優(yōu)點(diǎn)是提供了更精確的控制并且可以更接近地匹配較高頻率的波形。模擬控制器的缺點(diǎn)是可能需要更多的調(diào)試而且不容易修改。圖10是所生成的波形的圖。放大區(qū)域101示出了由來(lái)自充電電路的離散電流脈沖所引起的波形中的臺(tái)階。這些臺(tái)階對(duì)于所有的應(yīng)用而言可能是可接受的或者可能是不可接受的。圖11是本發(fā)明的替代實(shí)施方式的框圖，其提供了對(duì)所生成的波形的更精確的控制，從而減小了所生成的波形中的臺(tái)階的大小。波形輸入可以是代表期望波形的模擬控制信號(hào)或所存儲(chǔ)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在圖11所示的實(shí)施方式中，波形輸入是所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，其在數(shù)模變換器105中被變換為模擬信號(hào)并且在低通濾波器（LPF）106中被平滑或者平均。低通濾波器106的輸出耦接至比較器108的負(fù)向輸入。反饋輸入109耦接至比較器108的正向輸入。比較器108的輸出耦接至微控制器110的A/D輸入，微控制器監(jiān)控該輸入的幅度和方向以及轉(zhuǎn)換，即，狀態(tài)改變（從正到負(fù)或者從負(fù)到正）。在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，這僅需要兩比特的信息。誤差信號(hào)或者為正（用1表示）或者為負(fù)（用0表示）。信號(hào)幅度或者為低（用0表示）、或者為高（用1表示）。0或1的分配是任意的。與圖7所示的實(shí)施方式有點(diǎn)類似，反饋信號(hào)109耦接至電壓控制的振蕩器的頻率輸入和占空比輸入兩者。具體地，反饋信號(hào)109耦接至電壓控制的振蕩器121的頻率輸入和電壓控制的振蕩器122的頻率輸入。反饋信號(hào)109通過(guò)反相器124耦接至電壓控制的振蕩器121的占空比輸入，并且通過(guò)反相器125耦接至電壓控制的振蕩器121的占空比輸入。電壓控制的振蕩器121的輸出耦接至與門(mén)127的一個(gè)輸入。電壓控制的振蕩器122的輸出耦接至與門(mén)128的一個(gè)輸入。微控制器110的x輸出耦接至與門(mén)127的第二輸入。微控制器110的y輸出耦接至與門(mén)128的第二輸入。輸出信號(hào)如表131所示控制與門(mén)?？梢允鼓苋我慌c門(mén)或者兩個(gè)與門(mén)均不使能。當(dāng)兩個(gè)與門(mén)均不使能時(shí)，系統(tǒng)處于“停頓”狀態(tài)。微控制器110包括耦接至電壓控制的振蕩器121的輸出133以及耦接至電壓控制的振蕩器122的輸出134。輸出133和134確定是由電壓控制的振蕩器的一個(gè)輸入還是兩個(gè)輸入來(lái)確定占空比，從而確定充電（或者放電）是快還是慢。圖12是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的系統(tǒng)的狀態(tài)圖。圖13是示出了幾種狀態(tài)之間如何發(fā)生轉(zhuǎn)換的表。通過(guò)組合兩個(gè)充電速率和兩個(gè)放電速率，可以產(chǎn)生期望的輸出波形，該波形如果存在任何臺(tái)階的話，臺(tái)階很小。因此，本發(fā)明提供了一種去除了現(xiàn)有技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器中所使用的存儲(chǔ)電容器和高電壓放大器的直接驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生器?？刂齐娐肥褂锚?dú)立于高電壓電路的低電壓部件。通過(guò)改變外部部件，該發(fā)生器可以容易地調(diào)節(jié)為支持高電壓和高電流。因此，已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員很清楚，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)作出各種修改。例如，從功能上而言，顛倒晶體管41和電阻器42的位置并不會(huì)有什么影響。盡管結(jié)合單個(gè)輸出端子進(jìn)行了描述和示例，然而，本發(fā)明也很容易適于在互補(bǔ)輸出或者差分輸出上提供高電壓波形。在一些應(yīng)用中，可以在充電控制中省略改變占空比。盡管被示例為外部部件，然而，許多微控制器具有多個(gè)單板ADC和DAC電路，而不需要將這些設(shè)備作為外部元件。隨著狀態(tài)的數(shù)目的增加，依據(jù)應(yīng)用，可以使用多于兩個(gè)的充電電平或者放電電平。充電電平的數(shù)目可以是固定的或者可編程的。例如，微控制器上的兩個(gè)輸入管腳可以尋址一至四個(gè)充電電平，從而根據(jù)本發(fā)明的單一實(shí)現(xiàn)提供增強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)靈活性。