專利名稱：開關(guān)電源噪聲受抑制的磁致伸縮位移換能器的制作方法
開關(guān)電源噪聲受抑制的磁致伸縮位移換能器
背景技術(shù)：
以下討論的內(nèi)容僅僅是提供了背景信息，而不旨在用于幫助確定要求保護(hù)的主題 的范圍。磁致伸縮位移換能器典型地安裝在工業(yè)設(shè)備上，以用于感測(cè)機(jī)器零件的位移或水 位感測(cè)浮子的位移。典型地在安裝于機(jī)器或罐的外殼中容納磁致伸縮位移電子裝置。隨著 磁致伸縮位移換能器的應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，需要以越來越高的數(shù)據(jù)速率和更低的位移抖動(dòng)水 平來對(duì)位移采樣，從而提高功耗。在過去，線性電源調(diào)節(jié)器曾用于外殼中，然而，隨著數(shù)據(jù)速 率的提高，外殼內(nèi)的發(fā)熱變得過量。曾使用開關(guān)功率調(diào)節(jié)器來減小發(fā)熱，然而，開關(guān)調(diào)節(jié)器 所產(chǎn)生的開關(guān)噪聲不期望地提高了抖動(dòng)水平。開關(guān)調(diào)節(jié)器的切換是自發(fā)的、可變的并且不 與其他電路塊同步，從而開關(guān)噪聲脈沖的時(shí)間不可預(yù)測(cè)。需要在外殼中使用開關(guān)功率調(diào)節(jié) 器的磁致伸縮位移換能器中進(jìn)行高分辨率的、穩(wěn)定的低抖動(dòng)位移測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
提供了本發(fā)明內(nèi)容和摘要以采用簡(jiǎn)化的形式來引入一些構(gòu)思，以下在詳細(xì)描述中 將進(jìn)一步描述這些構(gòu)思。發(fā)明內(nèi)容和摘要不旨在限定要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或基本特 征，也不旨在用于幫助確定要求保護(hù)的主題的范圍。此外，本文提供的描述以及要求保護(hù)的 主題不應(yīng)被解釋為用于解決背景技術(shù)中所討論的任何缺點(diǎn)。公開了一種換能器組件。換能器組件包括換能器。換能器感測(cè)磁致伸縮元件上的 重復(fù)脈沖并提供換能器輸出脈沖串。換能器組件包括換能器電路。換能器電路重復(fù)檢測(cè)換能器輸出脈沖串并提供表示 位移的輸出。換能器組件包括能量存儲(chǔ)器件。能量存儲(chǔ)器件耦合至換能器電路的功率輸出。換 能器組件包括開關(guān)電源。開關(guān)電源耦合至能量存儲(chǔ)器件。開關(guān)電源具有重復(fù)抑制狀態(tài)，在 所述重復(fù)抑制狀態(tài)下抑制開關(guān)電源中的切換。在另一實(shí)施例中，換能器組件包括時(shí)序電路。時(shí)序電路耦合至開關(guān)電源和換能器 電路。時(shí)序電路提供了開關(guān)電源的重復(fù)抑制狀態(tài)與換能器輸出脈沖串的同步。


圖1示出了換能器組件。圖2示出了包括脈沖檢測(cè)電路的換能器組件。圖3示出了包括門電路的換能器組件。圖3A示出了包括分壓器的換能器組件。圖4示出了包括單觸發(fā)電路(one-shot circuit)的換能器組件。圖5示出了與圖4所示換能器組件相關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖。圖6示出了換能器組件的位移輸出上的開關(guān)噪聲。圖7示出了換能器組件的框圖。
圖8示出了與圖7所示的換能器組件相關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖。圖9示出了與圖7所示的換能器組件相關(guān)聯(lián)的流程圖。
具體實(shí)施例方式在下述實(shí)施例中，磁致伸縮換能器組件包括產(chǎn)生開關(guān)噪聲的開關(guān)電源。當(dāng)磁致伸 縮換能器組件中的換能器電路接收換能器脈沖串的第一部分時(shí)，短暫地抑制開關(guān)電源中的 切換，以便提供低噪聲時(shí)間間隔，從而檢測(cè)與偏置電平相交的換能器脈沖串的后續(xù)部分的 定時(shí)。能量存儲(chǔ)器件在切換受抑制的同時(shí)向換能器電路供電。在檢測(cè)到定時(shí)之后，開關(guān)電 源返回受抑制的操作。減小磁致伸縮換能器組件的輸出的抖動(dòng)，并提高分辨率。將討論獨(dú) 立或以組合方式包括本發(fā)明實(shí)施例的多個(gè)方面。圖1示出了耦合至磁致伸縮元件102的換能器組件100。磁致伸縮元件102在磁 體106的位移路徑104旁邊延伸，并感測(cè)磁體106的位移。磁體106附加到移動(dòng)零件，如， 移動(dòng)的機(jī)器零件或罐中移動(dòng)的浮子(未示出)。磁體106相對(duì)于磁致伸縮元件102移動(dòng)。 磁致伸縮元件102延伸到換能器組件100。電引線108、110提供沿著磁致伸縮元件102的 長(zhǎng)度方向流動(dòng)的一系列重復(fù)電流脈沖112。磁體106產(chǎn)生延伸到磁致伸縮元件102的外部磁場(chǎng)107。外部磁場(chǎng)107在第一方 向上將相鄰局部區(qū)域114磁化，所述第一方向近似橫跨磁致伸縮元件102的長(zhǎng)度方向。隨 著電流脈沖112經(jīng)過磁致伸縮元件102，電流脈沖在磁致伸縮元件102中產(chǎn)生內(nèi)部磁場(chǎng)。內(nèi) 部磁場(chǎng)足夠大以至于可以克服來自磁體106的外部磁場(chǎng)107，局部區(qū)域114中的磁化方向 突然地從近似橫向方向變成圍繞磁致伸縮元件102長(zhǎng)軸的近似同心方向。由于磁致伸縮元 件102的磁致伸縮特性，磁場(chǎng)方向的突然改變導(dǎo)致磁致伸縮元件102的相應(yīng)的突然局部尺 寸改變(機(jī)械脈沖)。機(jī)械脈沖沿著磁致伸縮元件102以聲速?gòu)木植繀^(qū)域114向換能器組件100傳播， 在換能器組件100處，由換能器116來檢測(cè)脈沖。磁致伸縮元件102起到聲延遲線的作用。 在電脈沖112的施加與換能器116處機(jī)械脈沖的檢測(cè)之間的時(shí)延表示磁體106的位移(位 置)。換能器116可以包括偏置磁體和纏繞帶繞磁芯的線圈、沒有磁芯的線圈、壓電傳感器、 磁電阻傳感器、巨磁電阻(GMR)傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器、SQUID傳感器或可以檢測(cè)脈沖的 其他已知傳感器。換能器116可以感測(cè)磁致伸縮元件102的磁干擾或機(jī)械干擾。換能器組 件100包括產(chǎn)生重復(fù)脈沖112、測(cè)量時(shí)延并提供位移輸出118的電路，所述位移輸出118表 示磁體106的位移。根據(jù)一方面，位移輸出118包括根據(jù)數(shù)字通信協(xié)議(如，Profibus或 Canbus或其他已知數(shù)字通信協(xié)議)的數(shù)字總線信號(hào)。根據(jù)另一方面，位移輸出118包括模 擬輸出，如受控的模擬電流或受控的模擬電壓。根據(jù)另一方面，位移輸出118包括簡(jiǎn)單的數(shù) 字輸出，如脈沖寬度調(diào)制(PMW)輸出、頻率輸出或開始/停止輸出。換能器組件100包括換能器116，換能器116感測(cè)來自磁致伸縮元件102的線121 上的重復(fù)脈沖120。換能器116在換能器輸出124上提供換能器輸出脈沖串122。本申請(qǐng) 中所使用的術(shù)語“脈沖串”指的是包括由若干正弦周期組成的組在內(nèi)的波形，所述正弦周期 典型地處于相同的頻率。脈沖串波形典型地具有衰減包絡(luò)。每個(gè)組與單個(gè)電脈沖112相對(duì) 應(yīng)。換能器輸出124耦合至換能器電路126。換能器電路126重復(fù)檢測(cè)換能器輸出脈沖串122。換能器電路126提供表示位移的輸出118。換能器電路126包括功率輸入128。電容器130具有電壓VDD，電壓VDD耦合至功 率輸入128。電容器130是一種能量存儲(chǔ)器件。作為電容器130的備選，在適當(dāng)?shù)剡m應(yīng)相關(guān) 電路的情況下也可以使用其他類型的能量存儲(chǔ)器件，如，超級(jí)電容器(也稱作超電容器)、 可充電電池或電感器。換能器組件100包括開關(guān)電源132。從外部電源在導(dǎo)體134、136處 為開關(guān)電源132提供能量。根據(jù)一方面，外部電源包括與位移輸出118的通信總線相關(guān)聯(lián)的通信總線。開關(guān) 電源132沿著線138將電力耦合至電容器130。開關(guān)電源132具有重復(fù)抑制狀態(tài)，在所述重 復(fù)抑制狀態(tài)期間抑制開關(guān)電源132中的切換。當(dāng)開關(guān)電源132處于非抑制狀態(tài)時(shí)，開關(guān)電 源132向電容器130供電并產(chǎn)生不期望水平的開關(guān)電源噪聲。當(dāng)開關(guān)電源132處于抑制狀 態(tài)時(shí)，抑制切換，抑制向電容器130提供電力，并且開關(guān)電源132不產(chǎn)生不期望的高水平開 關(guān)電源噪聲。如果在換能器輸出124處存在非抑制開關(guān)電源噪聲，則會(huì)對(duì)輸出脈沖串122 的檢測(cè)的重復(fù)性造成不利影響。作為能量存儲(chǔ)器件的電容器130在重復(fù)抑制狀態(tài)期間向換 能器電路126提供所存儲(chǔ)的電力。換能器電路126在抑制狀態(tài)期間繼續(xù)用電容器130中存 儲(chǔ)的能量來工作。根據(jù)一方面，電容器130具有足夠的能量存儲(chǔ)容量以通過在一個(gè)或兩個(gè) 連續(xù)換能器輸出脈沖串之間的時(shí)間間隔為換能器電路126提供能量。根據(jù)一方面，開關(guān)電源132包括禁用輸入，通過向禁用輸入施加開關(guān)控制輸出142 來抑制開關(guān)電源132，從而切斷開關(guān)電源132。根據(jù)另一方面，通過減小開關(guān)電源132的功 率輸出來抑制開關(guān)電源132。根據(jù)另一方面，通過降低開關(guān)電源132的切換頻率來抑制開關(guān) 電源132。換能器組件100包括時(shí)序電路140。時(shí)序電路140向開關(guān)電源132耦合開關(guān)控制 輸出142。時(shí)序電路140沿著控制總線144耦合至換能器電路126。時(shí)序電路140提供了 開關(guān)電源132的重復(fù)抑制狀態(tài)與換能器電路126對(duì)換能器輸出脈沖串122的重復(fù)檢測(cè)的同 步。同步確保了檢測(cè)的定時(shí)在抑制狀態(tài)期間，使得在檢測(cè)時(shí)不存在高水平開關(guān)噪聲。根據(jù)一方面，時(shí)序電路140提供的同步在換能器電路126檢測(cè)換能器輸出脈沖串 122的時(shí)間間隔期間抑制開關(guān)電源噪聲。下面將以圖5所示的示例來更詳細(xì)地描述該時(shí)間 間隔。通過抑制開關(guān)電源噪聲提高了位移測(cè)量的可重復(fù)性。下面將以圖6所示的示例來更 詳細(xì)地描述該可重復(fù)性。根據(jù)一方面，換能器電路126沿控制總線144將第一同步脈沖耦合至?xí)r序電路 140，時(shí)序電路140將開關(guān)控制輸出142耦合至開關(guān)電源132。在定時(shí)序(sequencing)這方 面，由檢測(cè)到一個(gè)換能器輸出脈沖串122的至少第一部分來發(fā)起定時(shí)序。下面將以圖2、3、 3A和4所示的示例來更詳細(xì)地描述這方面。根據(jù)另一方面，備選地可以由開關(guān)電源132來發(fā)起定時(shí)序。根據(jù)該備選方面，開關(guān) 電源132將開關(guān)控制輸出142耦合至?xí)r序電路140，時(shí)序電路140沿控制總線144將第二同 步輸出耦合至換能器電路。根據(jù)這方面，在整個(gè)測(cè)量間隔期間抑制切換，并且電容器130具 有足夠大的尺寸以至于可以在整個(gè)測(cè)量間隔期間提供電力。根據(jù)另一方面，備選地可以由時(shí)序電路140來發(fā)起定時(shí)序。根據(jù)該備選方面，時(shí)序 電路140在控制總線144和開關(guān)控制輸出142上自發(fā)地產(chǎn)生第一同步輸出。根據(jù)另一方面，已知開關(guān)電源噪聲改善了在檢測(cè)換能器輸出脈沖串過程中的信噪比。下面將以圖2所示的示例換能器組件200來更詳細(xì)地描述換能器組件100的一些方面。圖2示出了換能器組件200。換能器組件200類似于換能器組件100。為了簡(jiǎn)明 起見，先前圖中和后續(xù)圖中出現(xiàn)的相同參考數(shù)字表示相同或相似的特征，不再重復(fù)對(duì)這些 特征的描述。在圖2中，換能器電路201 (可與圖1的換能器電路126相比)包括脈沖檢測(cè)電路 202。脈沖檢測(cè)電路202接收線124上的換能器輸出脈沖串122。脈沖檢測(cè)電路202提供放 大輸出204。位移計(jì)算電路206接收放大輸出204。位移計(jì)算電路206相對(duì)于電流脈沖122 的定時(shí)來計(jì)算換能器輸出脈沖串122的定時(shí)。位移計(jì)算電路206根據(jù)相關(guān)定時(shí)和沿著磁致 伸縮元件102的脈沖傳播的聲速來計(jì)算位移輸出118?？梢酝ㄟ^測(cè)試磁致伸縮元件102或 通過換能器電路201的校準(zhǔn)來確定聲速。位移計(jì)算電路206產(chǎn)生表示位移的輸出118。脈沖檢測(cè)電路202向時(shí)序電路140提供第二放大輸出208。時(shí)序電路140檢測(cè)換 能器輸出脈沖串122的早期部分，該早期部分觸發(fā)時(shí)序電路140的控制輸出時(shí)序的定時(shí)。時(shí) 序電路140提供開關(guān)控制輸出142，所述開關(guān)控制輸出142控制開關(guān)電源132處于抑制模 式。接下來，時(shí)序電路140向位移計(jì)算電路206提供控制輸出210?？刂戚敵?10限定了時(shí) 間窗，在所述時(shí)間窗期間可以檢測(cè)到脈沖串的后續(xù)部分的定時(shí)。在脈沖串的該后續(xù)部分期 間，開關(guān)電源132處于抑制模式，使得開關(guān)電源噪聲不足以影響位移計(jì)算電路206的定時(shí)測(cè) 量。在完成定時(shí)測(cè)量之后，開關(guān)電源132返回非抑制模式以進(jìn)行操作，所述操作包括對(duì)電容 器130充電以及向換能器電路201和時(shí)序電路140提供能量。根據(jù)一方面，換能器116、換 能器電路201和開關(guān)電源132在公共外殼內(nèi)緊密地相鄰，彼此相距150毫米以內(nèi)。緊密地 相鄰提高了從開關(guān)電源132到脈沖檢測(cè)電路202的干擾，然而，在定時(shí)測(cè)量期間電源132的 抑制減小了在進(jìn)行定時(shí)測(cè)量時(shí)的干擾。下面以圖3、3A、4、5和6所示的示例來更詳細(xì)地描述換能器組件200的操作。圖3示出了換能器組件300。換能器組件300類似于圖2中的換能器組件200。為 了簡(jiǎn)明起見，圖3與圖2中出現(xiàn)相同的參考數(shù)字表示相同或相似的特征，這里不再重復(fù)對(duì)這 些特征的描述。在圖3中，換能器116包括帶繞磁芯308、偏置磁體310以及纏繞磁芯308 的磁性采集線圈312。在圖3中，位移計(jì)算電路206包括時(shí)間測(cè)量電路302，時(shí)間測(cè)量電路302測(cè)量延遲 時(shí)間并基于延遲時(shí)間來計(jì)算和產(chǎn)生位移輸出118。位移計(jì)算電路206包括門電路304。下 面以圖4所示的示例來更詳細(xì)地描述門電路304。門電路304產(chǎn)生耦合至?xí)r間測(cè)量電路302 的門電路輸出306。電流脈沖112的產(chǎn)生開始了測(cè)量時(shí)間間隔(也稱作測(cè)量周期)，在所述 測(cè)量時(shí)間間隔期間，時(shí)間測(cè)量電路302測(cè)量沿著磁致伸縮元件102的時(shí)延。在圖3中，時(shí)序電路140從脈沖檢測(cè)電路202接收放大輸出208。時(shí)序電路140從 門電路304接收門輸出314。時(shí)序電路140向開關(guān)電源132提供開關(guān)控制輸出142。時(shí)序 電路140向門電路304提供時(shí)序電路輸出316、318。時(shí)序電路輸入和輸出314、316、318統(tǒng) 稱做控制總線144。下面以圖4、5所示的示例來更詳細(xì)地描述門電路304、時(shí)序電路140和控制總線 144的功能和時(shí)序。圖3A示出了換能器組件350。為了簡(jiǎn)明起見，圖3A與圖3中出現(xiàn)的相同參考數(shù)字 表示相同和相似的特征，這里不再重復(fù)對(duì)這些特征的描述。
在圖3A中，開關(guān)電源132包括耦合至分壓電阻器322、324的電壓反饋輸入320。 分壓電阻器322、324提供電壓VDD的一部分作為向輸入320的反饋，以調(diào)節(jié)VDD的DC電平。 開關(guān)控制輸出142將通過電容器326的脈沖電容耦合至電壓反饋輸入320。開關(guān)控制輸出 142臨時(shí)提高電壓反饋輸出320處的電壓，使得開關(guān)電源132臨時(shí)抑制切換。抑制時(shí)間的持 續(xù)時(shí)間是以下項(xiàng)目的函數(shù)電容器326、分壓電阻器322、324的RC時(shí)間常數(shù)，以及開關(guān)控制 輸出142上的脈沖的時(shí)間寬度。根據(jù)另一方面，開關(guān)控制輸出142耦合至開關(guān)電源132中 的輸出串聯(lián)通過晶體管(未示出)的輸入，以抑制切換。也可以使用抑制切換的從開關(guān)控 制輸出142到開關(guān)電源132的其他連接。根據(jù)一個(gè)備選方面，開關(guān)電源134包括可選的開關(guān)振蕩器控制輸入133。開關(guān)控制 輸出142可以耦合至開關(guān)振蕩器控制輸入133，以根據(jù)該備選方面來控制切換頻率。圖4示出了晶體管裝置400。為了簡(jiǎn)明起見，圖4與圖3中出現(xiàn)的相同參考數(shù)字表 示相同或相似的特征，這里不再重復(fù)對(duì)這些特征的描述。在圖4中，脈沖檢測(cè)電路202包括放大器和濾波器，并提供放大輸出204，放大輸 出是換能器輸出124的放大并濾波后的表示。門電路304包括偏置源402、比較器404、反 相器406和NOR門408。比較器404 (也稱作Ul)將來自偏置源402的偏壓與放大輸出204 相比較。當(dāng)時(shí)序電路輸出318使能比較器404時(shí)，比較器404提供門輸出314，所述門輸出 314指示放大輸出204是否大于偏置源402。比較器404的門輸出314耦合至反相器406 的輸入。反相器406提供反相輸出，反相輸出耦合至NOR門408的第一輸入。NOR門408的 第二輸入接收時(shí)序電路輸出316。NOR門408的輸出提供耦合至?xí)r間測(cè)量電路302的門電 路輸出306。在圖4中，時(shí)序電路140包括固定閾值源410、比較器412、第一單觸發(fā)電路414、 第二單觸發(fā)電路416和NOR門418。閾值源410將閾值電壓電平耦合至比較器412的第一 輸入。來自脈沖檢測(cè)電路202的放大輸出208耦合至比較器412的第二輸入。比較器412 產(chǎn)生比較器輸出，所述比較器輸出耦合至第一和第二單觸發(fā)電路414、416的“A”輸入。比 較器412的輸出在放大輸出208經(jīng)過閾值電壓電平時(shí)切換。根據(jù)一方面，單觸發(fā)電路414、 416 ^ National Semiconductor Corporation ofArlington,TX USA UR^i^Mf^^^ 制造商的雙可再觸發(fā)單觸發(fā)型74x123。第一單觸發(fā)電路414連接至第一 RC電路Rl-Cl，以 用作具有第一時(shí)間常數(shù)的第一定時(shí)器。第二單觸發(fā)電路416連接至第二 RC電路R2-C2，以 用作具有第二時(shí)間常數(shù)的第二定時(shí)器。第一單觸發(fā)電路414的/Q(也稱作“NOT Q”)輸出產(chǎn)生時(shí)序控制輸出316。第二單 觸發(fā)電路162的Q輸出耦合至NOR門418的第一輸入。來自門電路304的門輸出314耦合 至NOR門418的第二輸入。NOR門418的輸出產(chǎn)生時(shí)序輸出318和開關(guān)控制輸出142。開 關(guān)控制輸出142耦合至開關(guān)電源132以抑制切換。下面將結(jié)合圖5所示的示例時(shí)序圖來更 詳細(xì)地描述時(shí)序電路140和門電路304的操作。圖5示出了圖4所示電路的示例時(shí)序圖。圖5中的時(shí)間軸由水平線來表示，沿著 時(shí)間軸垂直地示出了多個(gè)輸出和條件。圖5所示的時(shí)間的一部分表示在時(shí)序圖左側(cè)的起始 時(shí)間處開始的測(cè)量周期。在圖4-5中，向磁致伸縮元件102施加電流脈沖502 (圖5)，從而開始測(cè)量周期。 時(shí)間測(cè)量電路302 (圖4)產(chǎn)生消隱脈沖504 (圖5)。消隱脈沖504耦合至單觸發(fā)414、416的/CLEAR(也稱作“NOT CLEAR”)輸入，以確保單觸發(fā)414、416被清零并且準(zhǔn)備好被觸發(fā)， 以便在時(shí)間測(cè)量結(jié)束時(shí)抑制切換。在可變聲時(shí)延506 (依賴于磁體106的位移)之后，在放大輸出204、208處存在脈 沖串(也稱作振鈴脈沖)508。當(dāng)振鈴脈沖508在時(shí)間512首次超過閾值電平510時(shí)，開關(guān) 控制輸出142和時(shí)序電路輸出318(也稱作CMP_enable)在時(shí)間514切換至高狀態(tài)，在時(shí)間 516抑制開關(guān)電源132。當(dāng)振鈴脈沖508在時(shí)間520超過偏置電平518時(shí)，門電路輸出306 (也稱作Stop) 在時(shí)間522改變。門電路輸出306耦合至?xí)r間測(cè)量電路302，并在時(shí)間520停止在時(shí)間測(cè)量 電路302中對(duì)所測(cè)量的聲延遲524計(jì)數(shù)。所測(cè)量的聲延遲524典型地與聲延遲506相差實(shí) 質(zhì)上固定的時(shí)間間隔，并且在校準(zhǔn)期間從輸出中消除該實(shí)質(zhì)上固定的時(shí)間差，使得位移輸 出118精確。在時(shí)間530，CMP_enable切換至低，在時(shí)間526，門電路輸出306 (Stop)切換至低， 在時(shí)間528，開關(guān)電源132再次返回非抑制切換。當(dāng)短暫抑制開關(guān)電源并且沒有產(chǎn)生高水平 開關(guān)電源噪聲時(shí)，進(jìn)行時(shí)間520的臨界測(cè)量。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，時(shí)序圖(如圖5所示的時(shí)序圖)是簡(jiǎn)化的表示，并沒有示 出可以存在于各個(gè)輸出處的所有噪聲和其他偽信號(hào)。圖6示出了包括開關(guān)噪聲的位移輸出(如，圖4中的位移輸出118)。在圖6中，水 平軸602表示以毫秒為單位的時(shí)間，垂直軸604表示以微米為單位的測(cè)量位移。在圖6中， 在時(shí)間間隔606、608期間開關(guān)電源接通，在時(shí)間間隔610期間抑制開關(guān)電源的切換。在圖 6中，磁體(如，磁體106)處于固定位置。從圖6可以看出，當(dāng)在時(shí)間間隔606、608期間沒 有抑制開關(guān)電源時(shí)，位移噪聲可以高達(dá)15微米峰到峰值。從圖6還可以看出，當(dāng)在時(shí)間間 隔610期間臨時(shí)抑制切換時(shí)，將位移切換噪聲減小到大約2-3微米峰到峰值。當(dāng)在臨時(shí)抑 制開關(guān)的情況下進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，實(shí)現(xiàn)顯著的信噪比改善。即使與換能器電路一起來容納 開關(guān)電源，也提供了位移的更穩(wěn)定讀數(shù)。圖7示出了換能器組件700的框圖。換能器組件700類似于圖2所示的換能器組 件200。圖7中與圖2中使用的相同的參考數(shù)字在圖7和圖2中表示相同或相似的特征。 在圖2的換能器組件200中，根據(jù)換能器輸出脈沖串120的重復(fù)檢測(cè)來控制開關(guān)電源132 的重復(fù)抑制狀態(tài)。然而，在圖7的換能器組件700中，根據(jù)從先前完成的測(cè)量周期時(shí)間計(jì)算 出的固定時(shí)間間隔(M) 702與測(cè)量周期時(shí)間間隔(LAST T)704之差(T1^-M) 706，來控制開關(guān) 電源132的重復(fù)抑制狀態(tài)(如圖8的時(shí)序圖所示)。換能器組件700包括時(shí)序電路708。時(shí)序電路708包括在702處的時(shí)間間隔M的 所存儲(chǔ)的預(yù)設(shè)值；在704處的所存儲(chǔ)的更新后的上一時(shí)間間隔T ；在706處的計(jì)算(Τν_「Μ) 的計(jì)算電路；以及控制對(duì)開關(guān)電源132中切換的抑制的開關(guān)時(shí)間控制器710。換能器組件700包括換能器電路712。換能器電路712包括電流脈沖時(shí)間控制器 714。電流脈沖時(shí)間控制器714包括所存儲(chǔ)的預(yù)設(shè)電流脈沖寬度值716。電流脈沖時(shí)間控制 器在被觸發(fā)輸入718處的觸發(fā)信號(hào)所觸發(fā)時(shí)產(chǎn)生電流脈沖112。換能器電路712包括接收 線124上的換能器脈沖串的脈沖串時(shí)間測(cè)量電路720。脈沖串時(shí)間測(cè)量電路720在每個(gè)測(cè) 量周期的結(jié)尾沿著線向所存儲(chǔ)的上次T間隔704提供更新。脈沖串時(shí)間測(cè)量電路720向電 流脈沖時(shí)間控制器714的輸入718以及向開關(guān)時(shí)間控制器710提供觸發(fā)信號(hào)。根據(jù)來自脈沖串事件測(cè)量電路720的脈沖串時(shí)間測(cè)量來計(jì)算位移輸出118。下面將以圖8的示例時(shí)序 圖和圖9的示例流程圖來更詳細(xì)地描述換能器組件700的操作。圖8示出了與圖7所示的換能器組件相關(guān)聯(lián)的示例時(shí)序圖。水平軸802、804、806 表示時(shí)間。電流脈沖時(shí)間控制器714(圖7)產(chǎn)生電流脈沖808、810、812、814。每個(gè)電流脈 沖808、810、812、814具有固定的電流脈沖寬度PW，由所存儲(chǔ)的電流脈沖寬度值716 (圖7) 來設(shè)置該固定的電流脈沖寬度PW。電流脈沖808、810、812、814的定時(shí)限定了測(cè)量周期。測(cè) 量周期包括時(shí)間間隔，所述時(shí)間間隔從測(cè)量周期中第一電流脈沖的起始處開始到后續(xù)的第 二電流脈沖的起始處。如圖8所示，示出了三個(gè)完整的測(cè)量周期1、2和3。在每個(gè)測(cè)量周期中，在聲延遲之后，響應(yīng)于電流脈沖來產(chǎn)生換能器脈沖串。例如， 在測(cè)量周期2的起始處的電流脈沖810導(dǎo)致了在聲延遲818之后的換能器脈沖串816。換 能器脈沖串816在測(cè)量周期2中。每次檢測(cè)到輸出脈沖串(如，輸出脈沖串816)之后，恢 復(fù)開關(guān)電源的切換。在每個(gè)測(cè)量周期的開始，開關(guān)電源132 (圖7)切換以向電容器130(圖 7)提供電荷。允許開關(guān)電源132根據(jù)需要進(jìn)行切換，以在測(cè)量周期N中的時(shí)間間隔(Tim-M) 內(nèi)，維持電容器130上的電荷，其中，Tim是前一個(gè)測(cè)量周期N-I的時(shí)間長(zhǎng)度，M是由所存儲(chǔ) 的時(shí)間間隔值702(圖7)來設(shè)置的固定時(shí)間間隔。時(shí)間長(zhǎng)度(V1-M)在電流脈沖的起始處 開始。開關(guān)電源132在周期時(shí)間830內(nèi)切換，所述周期時(shí)間830從檢測(cè)到輸出脈沖串開始 一直到電流脈沖開始之后時(shí)間長(zhǎng)度(H)的末尾處結(jié)束。例如，在測(cè)量周期2 (N = 2)處，允許開關(guān)電源132 ( “開關(guān)”)在測(cè)量周期2開始之 后的時(shí)間間隔(Tl-M)內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行切換。M的值被選擇為停止切換并且提供了抑制開關(guān)時(shí)間 間隔820。抑制開關(guān)時(shí)間間隔820在換能器脈沖串816之前開始，使得當(dāng)檢測(cè)到換能器脈沖 串816的定時(shí)時(shí)抑制開關(guān)噪聲。一旦檢測(cè)到換能器脈沖串816，就重新執(zhí)行電源的切換。在檢測(cè)到換能器脈沖串816的定時(shí)之后，開始下一個(gè)測(cè)量周期。根據(jù)一方面，測(cè)量 周期的長(zhǎng)度可變并且依賴于所遭遇的聲延遲。將理解，聲延遲的長(zhǎng)度依賴于磁體106的機(jī) 械運(yùn)動(dòng)(圖7)，由于磁體106的速度有限使得聲延遲的變化緩慢(相對(duì)于測(cè)量周期的時(shí)間 長(zhǎng)度)。從而，恰好前一個(gè)測(cè)量周期的長(zhǎng)度非常近似于當(dāng)前測(cè)量周期的長(zhǎng)度，而在當(dāng)前周期 的起始處尚不準(zhǔn)確地知道當(dāng)前測(cè)量周期的長(zhǎng)度。這種良好的近似確保了抑制開關(guān)時(shí)間間隔 在換能器脈沖串之前開始。圖9示出了與圖7所示的換能器組件700相關(guān)聯(lián)的流程圖。圖9所示的流程圖示 出了在測(cè)量周期N期間的處理。處理在測(cè)量周期902的結(jié)尾處開始。處理沿著線904繼續(xù) 進(jìn)行到作用塊906。在作用塊906，計(jì)算時(shí)間間隔(Tim-M)。在完成作用塊906之后，處理沿 著線908繼續(xù)進(jìn)行至作用塊910。在作用塊910，在時(shí)間t = 0處觸發(fā)電流脈沖控制器714、開關(guān)時(shí)間控制器710和脈 沖串時(shí)間測(cè)量電路。電流脈沖在時(shí)間t = 0處開始，開關(guān)電源132的切換在時(shí)間t = 0處 開始，聲延遲的測(cè)量在t = 0處開始。在完成作用塊910之后，處理沿著線912繼續(xù)進(jìn)行至 作用塊914。在作用塊914，電流脈沖在t =當(dāng)前脈沖寬度716處切斷。在完成作用塊914 之后，處理沿著線906繼續(xù)進(jìn)行至作用塊918。在作用塊918，在時(shí)間t = (V1-M)處切斷開關(guān)電源的切換。在時(shí)間t = (Tn^1-M) 之后，針對(duì)第N個(gè)測(cè)量周期的其余部分，在開關(guān)電源中抑制切換。在完成作用塊918之后， 處理沿著線920繼續(xù)進(jìn)行至作用塊922。
在作用塊922，在時(shí)間t =脈沖串時(shí)間處停止脈沖串時(shí)間測(cè)量。將脈沖串時(shí)間測(cè)量 轉(zhuǎn)換成計(jì)算位移輸出118。將脈沖串時(shí)間測(cè)量轉(zhuǎn)換成704處的上一 T間隔存儲(chǔ)。在完成作 用塊922之后，處理繼續(xù)沿著線924進(jìn)行至作用塊926。在作用塊926，將時(shí)間t重置為T = 0，以為下一測(cè)量周期做準(zhǔn)備。在完成作用塊 926之后，處理沿著線928繼續(xù)進(jìn)行至下一測(cè)量周期930。如以上圖7、8和9所描述的，換能器116感測(cè)磁致伸縮元件102上的重復(fù)脈沖，并 在線124上提供換能器輸出脈沖串122。換能器組件700包括換能器電路712。換能器電 路712重復(fù)檢測(cè)換能器輸出脈沖串122，并提供表示位移的輸出118。換能器組件700包括能量存儲(chǔ)器件130。能量存儲(chǔ)器件130耦合至換能器電路712 的功率輸入VDD。換能器組件700包括開關(guān)電源132。開關(guān)電源132耦合至能量存儲(chǔ)器件 130。開關(guān)電源132具有重復(fù)抑制狀態(tài)(如，在時(shí)間間隔820期間)，在所述重復(fù)抑制狀態(tài)期 間抑制開關(guān)電源132中的切換。換能器組件700包括時(shí)序電路708。時(shí)序電路708耦合至開關(guān)電壓耦合至開關(guān)電 源132以及換能器電路712。時(shí)序電路708提供了開關(guān)電源132的重復(fù)抑制狀態(tài)與線122 上換能器輸出脈沖串122的同步。盡管以專用于結(jié)構(gòu)特征和/或方法動(dòng)作的表達(dá)方式描述了主題，然而將理解，在 法院審理時(shí)所附權(quán)利要求所限定的主題并不限于上述特定特征或動(dòng)作。上述特定特征和動(dòng) 作是作為實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求的示例形式而公開的。
權(quán)利要求
一種換能器組件，包括換能器，提供換能器輸出脈沖串；換能器電路，重復(fù)檢測(cè)換能器輸出脈沖串，并提供表示位移的輸出；能量存儲(chǔ)器件，耦合至換能器電路的功率輸入；開關(guān)電源，耦合至能量存儲(chǔ)器件并且具有重復(fù)抑制狀態(tài)，在所述重復(fù)抑制狀態(tài)期間抑制開關(guān)電源中的切換；以及時(shí)序電路，耦合至開關(guān)電源和換能器電路，所述時(shí)序電路提供開關(guān)電源的重復(fù)抑制狀態(tài)與換能器輸出脈沖串的重復(fù)檢測(cè)的同步。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器組件，其中，所述同步抑制了在換能器電路檢測(cè)換能 器輸出脈沖串的時(shí)間間隔期間的開關(guān)電源噪聲。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的換能器組件，其中，換能器電路沿著控制總線向時(shí)序電路耦 合同步，并且時(shí)序電路向開關(guān)電源耦合開關(guān)控制輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的換能器組件，其中，開關(guān)電源向時(shí)序電路耦合開關(guān)控制輸出， 并且時(shí)序電路沿著控制總線向換能器電路耦合同步。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器組件，其中，時(shí)序電路包括開關(guān)時(shí)間控制器，根據(jù)過 去的測(cè)量周期時(shí)間與固定時(shí)間間隔之差來控制抑制狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器組件，其中，能量存儲(chǔ)器件在重復(fù)抑制狀態(tài)期間為換 能器電路提供能量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器組件，其中，換能器電路包括脈沖檢測(cè)電路，接收換能器輸出脈沖串并提供放大輸出；以及位移計(jì)算電路，接收放大輸出并產(chǎn)生表示位移的輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的換能器組件，其中，脈沖檢測(cè)電路向時(shí)序電路耦合第二放大 輸出，并且在脈沖檢測(cè)電路檢測(cè)到換能器輸出脈沖串的第一部分之后，時(shí)序電路向開關(guān)電 源耦合開關(guān)控制輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的換能器組件，其中，在脈沖檢測(cè)電路檢測(cè)到換能器輸出脈沖 串的第二部分之后，時(shí)序電路向位移計(jì)算電路耦合時(shí)序電路輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的換能器組件，其中，開關(guān)電源包括接收開關(guān)控制輸出的禁用 輸入。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的換能器組件，其中，開關(guān)電源包括接收開關(guān)控制輸出的電壓 反饋輸入。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的換能器組件，其中，開關(guān)電源包括接收開關(guān)控制輸出的開關(guān) 振蕩器控制輸入。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器組件，其中，能量存儲(chǔ)器件具有足以在單個(gè)換能器輸 出脈沖串期間為換能器電路提供能量的能量存儲(chǔ)容量。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器組件，其中，能量存儲(chǔ)器件具有足以通過在兩個(gè)連續(xù) 換能器輸出脈沖串之間的時(shí)間間隔為換能器電路提供能量的能量存儲(chǔ)容量。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器組件，其中，換能器電路和開關(guān)電源在外殼內(nèi)布置， 彼此相距150毫米以內(nèi)。
16.一種對(duì)位移進(jìn)行換能的方法，包括提供表示磁致伸縮元件上的重復(fù)脈沖的換能器輸出脈沖串； 利用換能器電路來重復(fù)檢測(cè)換能器輸出脈沖串以提供表示位移的輸出； 利用能量存儲(chǔ)器件和開關(guān)電源為換能器電路提供能量；為開關(guān)電源提供重復(fù)抑制狀態(tài)，在所述重復(fù)抑制狀態(tài)期間抑制開關(guān)電源中的切換；以及使開關(guān)電源的重復(fù)抑制狀態(tài)與換能器輸出脈沖串的重復(fù)檢測(cè)同步。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述同步抑制了在換能器電路檢測(cè)換能器輸 出脈沖串的時(shí)間間隔期間的開關(guān)電源噪聲。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，沿著控制總線從換能器電路向時(shí)序電路耦合 同步，并且時(shí)序電路耦合換能器電路，向開關(guān)電源耦合耦合開關(guān)控制輸出。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，從開關(guān)電源向時(shí)序電路耦合開關(guān)控制輸出，并 且時(shí)序電路沿著控制總線向換能器電路耦合同步。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，能量存儲(chǔ)器件在重復(fù)抑制狀態(tài)期間為換能器 電路提供能量。
21.一種換能器組件，包括 換能器，提供換能器輸出脈沖串； 能量存儲(chǔ)器件；開關(guān)電源，耦合至能量存儲(chǔ)器件并且具有重復(fù)抑制狀態(tài)，在所述重復(fù)抑制狀態(tài)期間抑 制開關(guān)電源中的切換；以及換能器電路，具有耦合至能量存儲(chǔ)器件的功率輸入，換能器電路重復(fù)檢測(cè)換能器輸出 脈沖串并提供表示位移的輸出，重復(fù)抑制狀態(tài)與換能器輸出脈沖串同步。
22.一種換能器組件，包括 換能器，提供換能器輸出脈沖串； 能量存儲(chǔ)器件；開關(guān)電源，耦合至能量存儲(chǔ)器件并具有重復(fù)抑制狀態(tài)，在所述重復(fù)抑制狀態(tài)期間抑制 開關(guān)電源中的切換；以及用于在開關(guān)電源處于抑制狀態(tài)時(shí)重復(fù)檢測(cè)換能器輸出脈沖串以及用于提供表示位移 的輸出的裝置。
全文摘要
一種換能器(116)，感測(cè)磁致伸縮元件(102)上的重復(fù)脈沖(120)并提供換能器輸出脈沖串(122)。換能器電路(126)檢測(cè)換能器輸出脈沖串。能量存儲(chǔ)器件(130)耦合至換能器電路的功率輸(128)。開關(guān)電源(132)耦合至能量存儲(chǔ)器件并且具有重復(fù)抑制狀態(tài)，在所述重復(fù)抑制狀態(tài)期間抑制開關(guān)電源中的切換。時(shí)序電路(140)提供開關(guān)電源的重復(fù)抑制狀態(tài)與換能器輸出脈沖串的同步。
文檔編號(hào)G01B7/14GK101896791SQ200880120636
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者烏韋·維奧拉, 弗朗克·克雷厄, 阿列克謝·G·米寧 申請(qǐng)人:Mts系統(tǒng)公司