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

背景技術(shù)：
壓電式致動器需要比1.5至12.6伏特的典型電池電壓大的高電壓?！案摺彪妷簽?0至200伏特，當(dāng)前的典型驅(qū)動電壓是100-120伏特。一些用于致動器的線驅(qū)動電源提供高達(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自電池的低電壓轉(zhuǎn)變成用于驅(qū)動器的較高電壓。在升壓變換器中，存儲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，參見美國專利3,913,000（Cardwll,Jr.）或者美國專利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，電流流過電感器11，存儲由電感器生成的磁場中的能量。流過電感器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，磁場以由晶體管12的斷開特性確定的速率衰減。衰減的速率非?？欤却艌鲈黾拥乃俾室斓枚?。電感器11兩端的電壓與磁場衰減的速率成比例?？赡苁且话俜鼗蛘吒叩碾妷骸＿@樣，通過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，結(jié)合點15處的電壓基本上高于電容器14上的電壓，從而電流流過正向偏置的二極管16。每個電流脈沖對電容器14充一些電，電容器上的電荷逐步增加。在一些點處，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器22。放大器21的輸入可以接收用于雙向運動的交流電流信號或者用于單向運動的直流信號，或作為互補(bǔ)驅(qū)動（complementarydrive）（兩個放大器，每極性一個放大器，兩個放大器耦接到壓電式致動器22的相對的端子上）的一半。在互補(bǔ)驅(qū)動中，升壓后的電壓的絕對幅度大于電池電壓的絕對幅度?；パa(bǔ)驅(qū)動可以使用單個驅(qū)動的高電壓的一半（或者被供給單個驅(qū)動的高電壓的兩倍），但是需要兩個升壓變換器。在現(xiàn)有技術(shù)中，已知根據(jù)脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號來生成低電壓波形，例如，參見美國專利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。存儲電容器占據(jù)了有價值的電路板空間，而且圖1所示的驅(qū)動器的設(shè)計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驅(qū)動器中的存儲電容器。本發(fā)明的另一目的是去除觸覺驅(qū)動器中的高電壓放大器。本發(fā)明又一目的是提供如下驅(qū)動器，在該驅(qū)動器中，控制電路使用獨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改變外部部件來容易地調(diào)節(jié)成支持較高電壓和較高電流的驅(qū)動器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明實現(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。誤差信號控制脈沖的頻率、幅度和持續(xù)時間。將從高電壓波形得到的反饋信號與輸入波形進(jìn)行比較來產(chǎn)生所述誤差信號。附圖說明通過結(jié)合附圖考慮下面的詳細(xì)描述，可以獲得對本發(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、耦接至壓電式致動器的驅(qū)動器的原理圖；圖2是具有顯示器和鍵盤的電子設(shè)備的立體圖，顯示器和鍵盤中的任何一個或者兩者都包括壓電式致動器；圖3是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的、耦接至壓電式致動器的驅(qū)動器的原理圖；圖4是用于圖3所示的驅(qū)動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)動器的模擬控制電路的框圖；圖8是示出占空比、導(dǎo)通時間和頻率之間的關(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。具體實施方式圖2示出了包括顯示器26和鍵盤27的電子設(shè)備25。顯示器和鍵盤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提供觸覺反饋的壓電式設(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)備可以是單個層或者具有多個層，并且可以是單向的或雙向的。圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施方式的框圖，其中，去除了存儲電容器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)合點通過二極管36耦接至輸出端子38。壓電式致動器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器22施加脈沖的充電電路。脈沖的頻率、幅度和持續(xù)時間由施加至充電輸入35的信號確定。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對累積在壓電式致動器22上的任何電荷放電并且進(jìn)一步對施加至設(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)。該反饋信號用來產(chǎn)生被施加至充電輸入和放電輸入的信號以及因此產(chǎn)生被施加至壓電式致動器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的信號的包絡(luò)，參見圖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對應(yīng)于放大器21的輸入（圖1）?？刂破?1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、時間和電壓值的表或者參考值。在圖5和圖6中，帶有加號（+）和減號（-）的三角形是比較器，即，輸出為數(shù)字值（0或1）。不具有加號（+）和減號（-）的三角形是差分放大器，即，輸出為模擬值。在圖5中，通過模數(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中與反饋信號進(jìn)行比較的參考信號。比較器67提供關(guān)于哪個信號更大的指示，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?？蛇x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。在本說明書結(jié)尾部分的附錄中給出了說明機(jī)器狀態(tài)的偽碼。比較器67對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被定義為反饋信號的值與參考信號的值之差。在微控制器61中根據(jù)ADC63的輸出和DAC66的輸入來計算該差。當(dāng)以這種方式定義誤差時，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)時間。與比較器轉(zhuǎn)換（參見附錄）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，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)誤差表示控制器對負(fù)載充電，正誤差表示控制器對負(fù)載放電。對應(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乘以增益因子并且在負(fù)載上模擬輸入信號。當(dāng)電感器飽和時，存儲在電感器中的能量取決于晶體管32（圖3）導(dǎo)通的時間長度。當(dāng)晶體管32關(guān)斷時，輸出電壓與磁場通過電感器衰減的速率成比例。電感器中存儲的能量越多，輸出電壓越高。因此，導(dǎo)通時間控制增益。導(dǎo)通時間改變的一系列脈沖具有模擬輸入信號的包絡(luò)。為了獲得輸出信號的最大精度，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)明的一種實施方式中，利用150kHz的充電頻率生成頻率為300Hz的輸出信號。如果以32kHz對信號采樣，則信號的高于16kHz（奈奎斯特頻率）的任何頻率分量都會在通過數(shù)模變換器再現(xiàn)該信號時導(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個脈沖產(chǎn)生每個周期的包絡(luò)78。微控制器61中的算術(shù)單元應(yīng)當(dāng)能夠進(jìn)行來自脈沖寬度調(diào)制器71的信號的一個周期內(nèi)的所有控制計算，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86的一個輸入以及反相器84。反相器84的輸出耦接至與門86的一個輸入。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防止同時工作。如果反饋信號大于波形信號，則放電電路工作。如果反饋信號小于波形信號，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生成差分信號或者誤差信號。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)通時間和頻率之間的關(guān)系的圖。對于信號A，脈沖具有給定頻率且占空比為百分之五十。導(dǎo)通時間96相對短。對于信號B，脈沖的頻率為信號A的頻率的一半且占空比為百分之五十。導(dǎo)通時間97是導(dǎo)通時間96的兩倍長。對于信號C，脈沖的頻率與信號B相同且占空比為百分之七十五。導(dǎo)通時間98是導(dǎo)通時間96的三倍長。由于導(dǎo)通時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創(chuàng)建正弦信號的峰值。此外，當(dāng)來自放大器93的誤差（差分）信號的幅度很大時，增加增益。特別地，對于大的誤差增加占空比，并且對于大的誤差降低頻率。由反相器94來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)來自差分放大器93（圖7）的誤差信號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示出了由來自充電電路的離散電流脈沖所引起的波形中的臺階。這些臺階對于所有的應(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)明的替代實施方式的框圖，其提供了對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階的大小。波形輸入可以是代表期望波形的模擬控制信號或所存儲的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在圖11所示的實施方式中，波形輸入是所存儲的數(shù)據(jù)，其在數(shù)模變換器105中被變換為模擬信號并且在低通濾波器（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)明的一種實施方式中，這僅需要兩比特的信息。誤差信號或者為正（用1表示）或者為負(fù)（用0表示）。信號幅度或者為低（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所示的實施方式有點類似，反饋信號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109通過反相器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127的一個輸入。電壓控制的振蕩器122的輸出耦接至與門128的一個輸入。微控制器110的x輸出耦接至與門127的第二輸入。微控制器110的y輸出耦接至與門128的第二輸入。輸出信號如表131所示控制與門?？梢允鼓苋我慌c門或者兩個與門均不使能。當(dāng)兩個與門均不使能時，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輸入還是兩個輸入來確定占空比，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。通過組合兩個充電速率和兩個放電速率，可以產(chǎn)生期望的輸出波形，該波形如果存在任何臺階的話，臺階很小。因此，本發(fā)明提供了一種去除了現(xiàn)有技術(shù)的驅(qū)動器中所使用的存儲電容器和高電壓放大器的直接驅(qū)動波形發(fā)生器?？刂齐娐肥褂锚毩⒂诟唠妷弘娐返牡碗妷翰考?。通過改變外部部件，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的位置并不會有什么影響。盡管結(jié)合單個輸出端子進(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，微控制器上的兩個輸入管腳可以尋址一至四個充電電平，從而根據(jù)本發(fā)明的單一實現(xiàn)提供增強(qiáng)的驅(qū)動靈活性。