專利名稱：具有高增益和低增益方式的脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到本發(fā)明人的共同轉(zhuǎn)讓美國專利申請系列號08/642,754披露的內(nèi)容，它是在1996年5月3日申請，名稱為“數(shù)位旋轉(zhuǎn)的脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器”，在此引用該披露內(nèi)容作為參考。
本發(fā)明一般地涉及一種脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(PWMD/A)，具有在高增益方式和低增益方式之間切換的切換特性，同時保持一個常數(shù)的輸出阻抗。
PWMD/A的功能是將數(shù)字?jǐn)?shù)值轉(zhuǎn)換為模擬波形。一個響應(yīng)數(shù)字控制值的典型PWMD/A轉(zhuǎn)換器包括一個用于在復(fù)零之前根據(jù)基準(zhǔn)時鐘信號計數(shù)到預(yù)定數(shù)值(或從預(yù)定數(shù)值計數(shù))的循環(huán)計數(shù)器。計數(shù)器的每一個遞增計數(shù)周期都通過一個比較器與數(shù)字控制數(shù)值相比較。比較器生成一個在計數(shù)器數(shù)值超過(或低于)數(shù)字控制數(shù)值時確定的二電平數(shù)字輸出信號。一般地說，比較器輸出的負(fù)載周期可以通過調(diào)節(jié)保存在寄存器中的數(shù)字控制數(shù)值來控制。隨后可以對二值數(shù)字輸出信號低通濾波并產(chǎn)生具有一個幅度(這便是比較器負(fù)載周期的作用)的模擬波形。
獲得具有一個既用高增益方式又用低增益方式輸出的脈寬調(diào)制數(shù)/模信號轉(zhuǎn)換的一種常規(guī)方法是通過增加高增益方式期間計數(shù)器和比較器的比特寬度來提高PWMD/A的分辨率。而在低增益方式期間，PWMD/A的輸出則可以通過控制所增加的比特寬度的比例范圍來實現(xiàn)。但是，增加PWMD/A分辨率從本質(zhì)上說要增加所需數(shù)字電路的復(fù)雜性。而且，增加分辨率會降低比較器所生成的二電平數(shù)字輸出信號的頻率，因而增加PWMD/A轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)時間。
獲得具有一個既用高增益方式又用低增益方式輸出的脈寬調(diào)制數(shù)/模信號轉(zhuǎn)換的第二種常規(guī)方法是實施兩條獨立的PWMD/A通道，其中兩條通道在低通濾波器的輸入端可以相加到一起。兩個獨立通道的和成份是使得一個通道實施高增益方式成分，另一個通道實施低增益方式成分。在低增益方式期間，高增益方式通道進入高阻抗?fàn)顟B(tài)，因而從和成分中去掉高增益方式成分。雖然高增益方式通道在低增益方式工作期間被阻塞，但由高增益通道送出的很小漏電流還是會給和成分引入誤差。另外，通過使用上述的兩個獨立通道，很難像低通濾波器所實現(xiàn)的那樣保持一個常數(shù)的輸出阻抗。
因此，一個至今沒有解決的需要仍然是尋找獲得一個具有既以高增益方式又以低增益方式輸出并基本上具有常數(shù)輸出阻抗的脈寬調(diào)制數(shù)/模信號轉(zhuǎn)換的方法。
本發(fā)明的一個總目的是提供一種脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器以一種克服了現(xiàn)有技術(shù)的限制和缺點的方法提供多增益方式而不需要改變輸出阻抗。
根據(jù)本發(fā)明的原理，脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器根據(jù)數(shù)字控制數(shù)值在高增益方式和低增益方式之間切換。轉(zhuǎn)換器包括一個自由運行的滾動翻轉(zhuǎn)計數(shù)器，一個基準(zhǔn)寄存器和一個比較器。來自比較器的脈沖被分向兩條通路，每一通路驅(qū)動一個常規(guī)二電平電壓驅(qū)動器的一個輸入端。一條通路包括例如說一個在比較器輸出端和驅(qū)動器輸入端之間的異或(XOR)門電路，用于有條件地將該通路的比較器輸出信號電平倒相。兩條通路都饋入在公共輸出結(jié)點連接到一起的多個電阻元件。隨著切換器狀態(tài)的不同，網(wǎng)絡(luò)的輸出值將或者依從其輸入值或者是輸入值的一部分，不需要改變負(fù)載周期或輸出阻抗。輸出結(jié)點可以連接到一個電容元件，組成一個產(chǎn)生模擬波形的低通濾波器。
本發(fā)明的一個優(yōu)點在脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器工作于其低增益方式時體會得到，這時，一個極小的峰-峰電壓可以傳送到形成在輸出結(jié)點處的低通RC濾波器，從而使轉(zhuǎn)換器輸出端的高頻波紋減到最小。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是通過為脈寬調(diào)制的數(shù)/模電路結(jié)構(gòu)提供增益切換功能來體現(xiàn)的，由于在優(yōu)選的形式中，切換器可以包括一個單XOR門元件，這種切換功能只需要最少的附加切換硬件元件。
電阻網(wǎng)絡(luò)無論是在高增益方式還是在低增益方式都可以再連接一個或一個以上的電容元件，以在輸出結(jié)點組成一個低通濾波器，用來生成一個具有正比于輸入電壓的幅度的模擬波形。而且，在任一方式下，濾波器的輸出阻抗基本上保持為常數(shù)。因此，濾波器的時間常數(shù)也將保持不變，這里的時間常數(shù)τ定義為τ＝RC，R定義濾波器的等效電阻，并且C定義濾波器的等效電容。
在附圖中

圖1是具有在高增益方式和低增益方式之間切換的切換功能的PWMD/A轉(zhuǎn)換器的原理圖；圖2是用于圖1原理圖的真值表；圖3(a)是圖1原理圖在高增益方式時的局部說明圖3(b)是驅(qū)動高增益方式的圖3(a)原理的等效電阻的等效源；圖4(a)是圖1原理圖在低增益方式時的局部說明；圖4(b)是驅(qū)動低增益方式的圖4(a)原理圖的等效電阻的等效源；圖5是磁盤驅(qū)動器的圖解頂平面視圖。
圖1說明體現(xiàn)本發(fā)明原理的PWMD/A轉(zhuǎn)換器的一個優(yōu)選實施例。PWMD/A轉(zhuǎn)換器10響應(yīng)寄存器55中保存的數(shù)字控制值。轉(zhuǎn)換器10包括一個能根據(jù)通路30上的邏輯值B在高增益方式和低增益方式之間切換的切換電路20。在本例中，切換電路20包括一個XOR門接收從比較器60引出的通路25上的第一輸入信號A，以及從獨立的控制信號源35(例如系統(tǒng)微處理器或其他控制邏電路)延伸出來的通路30上的第二輸入信號B。此外，切換電路20的狀態(tài)與圖2所示的真值表40保持一致。
圖1的PWMD/A轉(zhuǎn)換器10還包括一個響應(yīng)時鐘信號50計數(shù)到一個預(yù)定數(shù)值后復(fù)零的循環(huán)計數(shù)器45。(雖然目前比較喜歡用升值計數(shù)器作計數(shù)器45，不過降值計數(shù)器也可以作為一種適宜的循環(huán)計數(shù)器使用)。通路15上的數(shù)字控制值可以由一個系統(tǒng)微處理器(未示出)生成并存儲在寄存器55中。
在每一個操作循環(huán)期間，比較器60將寄存器55中保存的數(shù)字控制值與循環(huán)計數(shù)器45的計數(shù)值相比較并生成一個二電平數(shù)字輸出信號65。更準(zhǔn)確地說，在圖1的例子中，如果計數(shù)器45的計數(shù)值超過數(shù)字控制值15，則比較器60生成一個例如說邏輯真或圖3(a)和4(a)中畫出的“高”電平70。反之，如果計數(shù)器45的計數(shù)值不超過數(shù)字控制值15，則比較器60生成一個例如說邏輯不真或“低”電平75。因此，數(shù)字控制值15在本質(zhì)上定義出比較器60輸出的一個負(fù)載周期。
比較器60的輸出把通路25上的一個邏輯狀態(tài)提供到XOR切換電路20的一個輸入端，也提供到一個電壓驅(qū)動器62。驅(qū)動器62根據(jù)通路25上輸入的邏輯狀態(tài)在電壓源匯流條Vref和地電位之間有選擇地切換一個輸出。在本例子中，電壓驅(qū)動器62的電壓切換特性選擇得與異或門20的輸出驅(qū)動特性完全一樣。
多個電阻元件R1A和R1B被連接得形成一個并聯(lián)輸出電阻網(wǎng)絡(luò)81。網(wǎng)絡(luò)81有一個第一通路85從有源驅(qū)動器62的輸出端引出來經(jīng)過電阻器RIA到公共結(jié)點91。網(wǎng)絡(luò)81有一個第二通路90從異或門切換電路20的輸出端引出來經(jīng)過電阻器R2A到公共結(jié)點91。并且，公共結(jié)點91提供一個引出到接地電容器C1和放大器130的輸出通路。電阻元件R1A和R2A具有不同的電阻值(控制低增益工作方式的差)；并且電阻R1A和R2A與電容器C1聯(lián)合作用，使得在輸出通路91上出現(xiàn)信號時提供一個低通濾波器功能120。
切換電路20按圖2的真值表工作。連到XOR切換電路20的通路30上的輸入電平B提供一個用于在高增益方式(B輸入為低)和低增益方式(B輸入為高)之間切換的切換控制信號。在高增益方式期間，通路90上的切換輸出狀態(tài)PWM A2與通路20上的邏輯狀態(tài)A完全一樣。在低增益方式期間，通路90上的切換輸出狀態(tài)PWMA2是通路20上的邏輯狀態(tài)A(以及通路85上的邏輯狀態(tài)PWMA1)的一個邏輯補值。
轉(zhuǎn)換器10的工作還被結(jié)合用于高增益方式的圖3(a)和3(b)以及用于低增益方式的圖4(a)和4(b)進行圖解和說明。XOR門20由圖2的真值表示出具有遵從比較器60在通路25上的邏輯輸出電平A的輸出狀態(tài)。于是，電阻網(wǎng)絡(luò)81的通路85和通路90兩者系受比較器60生成的二電平數(shù)字輸出電壓65并聯(lián)驅(qū)動，一個通路經(jīng)過電流源62，另一通路經(jīng)過切換電路20。此外，比較器的輸出電平協(xié)調(diào)地驅(qū)動通路85和90。在開路負(fù)載狀態(tài)下，這在電阻網(wǎng)絡(luò)81內(nèi)造成小到無電流流動的結(jié)果，從而網(wǎng)絡(luò)81的輸出電平實際上遵從比較器60的輸出值，并受到電容器C1(如果存在的話)的充電/放電延遲。
由于在高增益方式期間兩個相同的信號驅(qū)動電阻網(wǎng)絡(luò)81的通路85和通路90，其成分在理論上可以縮減為一個具有與比較器數(shù)值同樣特性的單邏輯源65驅(qū)動單個電阻元件80b，如圖3(b)所示。單個電阻元件80b可作為電阻網(wǎng)絡(luò)81的電阻元件R1A和R1B的并聯(lián)組合的等效電阻計算出來。
如圖4(a)和4(b)所示，在低增益方式的情形，XOR門切換電路20處于一種狀態(tài)，使其輸出電平與比較器60的輸出電平相補。于是，傳送到通路85和90的邏輯電平相等幅度和補值幅度將具有同樣的周期。由于網(wǎng)絡(luò)81的通路85和通路90不再用同樣的信號驅(qū)動，甚至在開路負(fù)載的情形，電流將流過網(wǎng)絡(luò)81的電阻器R1A和R2A。于是，網(wǎng)絡(luò)81的輸出電平和基于在電阻元件R1A和R2A組成的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的公共結(jié)點91的分壓的比較器60的電平成正比。電阻元件R1A和R2A的阻值選擇得給出一個等于(R1A-R2A)/(R1A+R2A)的低增益，其中電阻比值大于零并小于1，與高增益方式相應(yīng)的是它等于1。
參照圖4(b)，與高增益方式相比，低增益方式將具有與高增益方式同一樣的網(wǎng)絡(luò)81的等效電阻，但是，等效驅(qū)動電壓65b將定位到輸出驅(qū)動器供給的電壓電平。關(guān)于這一點，重要的是注意到電源匯流條Vref的信號阻抗被認(rèn)為與接地返回通路的一樣。
隨著比較器輸出的負(fù)載周期不同，在電阻網(wǎng)絡(luò)81的結(jié)點91上的電壓可以分段為多個具有上邊界值如下邊界值的電壓。上邊界值和下邊界值在高增益方式期間由比較器輸出電壓的峰值確定。但是，在圖4(a)和4(b)的低增益方式期間，邊界值則由電阻網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)點91上的電壓峰值確定。在邊界值之內(nèi)實現(xiàn)的電壓脈沖數(shù)正比于計數(shù)器45和比較器60的比特寬度。更準(zhǔn)確地說，電壓脈沖數(shù)等于2n，其中n為計數(shù)器45和比較器60的比特寬度。
由于計數(shù)器45和比較器60的比特寬度保持為常數(shù)，所以無論是在高增益還是在低增益方式下的電壓脈沖數(shù)也將保持為常數(shù)。但是，各電壓脈沖的上邊界值和下邊界值在高增益方式和低增益方式之間本質(zhì)上是不同的。由于圖4(b)所示的低增益方式下的邊界值電壓由電壓驅(qū)動器65b的峰值確定，所以低增益范圍組成一個具有2n個電壓脈沖的較窄電壓范圍，其中n等于計數(shù)器45和比較器60數(shù)值的比特寬度。
在電容10工作于圖3(a)和3(b)的高增益方式的同時，邊界值電壓定位到輸出驅(qū)動器供應(yīng)的電壓電平，因而將具有一個比低增益方式更寬的動態(tài)電壓范圍，這是它的一個優(yōu)點。但是，不管哪種方式都將包括相等數(shù)目的電壓脈沖。
不管在高增益方式還是在低增益方式，電阻網(wǎng)絡(luò)81都可以再連接到電容元件C1以形成一個低通濾波器120(圖1中以虛輪廓線示出)，用于生成一個具有幅值正比于輸入電壓的模擬波形。而且，不管在哪種方式下，濾波器120的阻抗保持為常數(shù)。因此，濾波器的時間常數(shù)也將保持為常數(shù)，其中時間常數(shù)τ被定義為τ＝RC，R定義濾波器的等效電阻，C定義濾波器的等效電容。
圖1所示的PWMD/A轉(zhuǎn)換器10因其在高增益方式和低增益方式之間的切換能力而具有許多不同的用途，高增益方式提供電壓幅度脈沖的粗略范圍，低增益方式提供電壓脈沖的精確范圍，其中脈沖數(shù)不因從高增益到低增益而變化，反過來也一樣。
參照圖1和5，本發(fā)明的一個優(yōu)先應(yīng)用是將濾波器輸出的模擬控制波形傳送到一個伺服放大器130驅(qū)動磁盤驅(qū)動器160的音圈激勵電機140。音圈電機140用于將傳動組件180攜帶的傳感器170定位到轉(zhuǎn)動磁盤200的同心數(shù)據(jù)磁道上方。在傳動器搜索操作(加速/減速)期間，電路10的高增益方式被用來提供一個粗略的模擬定位信號將傳動器180快速移動到目標(biāo)磁道190的附近。一旦傳動器180位于目標(biāo)磁道190的范圍之內(nèi)，就選用低增益方式來輸出一個精確定位信號把傳感器170準(zhǔn)確定位在目標(biāo)數(shù)據(jù)磁道190上。
于是，在敘述了本發(fā)明的一個實施例之后，現(xiàn)在將體會到本發(fā)明的目的已完全達到，那些熟悉這一技術(shù)的人員將明白結(jié)構(gòu)上的許多變化和本發(fā)明的差別懸殊的實施例和應(yīng)用將支持他們不需要脫離本發(fā)明的精神和范圍。本文的披露和敘述純粹是說明性的，在任何意義上都不能作為限制。
權(quán)利要求
1.一種響應(yīng)數(shù)字控制值的脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，具有一個根據(jù)增益方式控制信號在高增益方式和低增益方式之間切換的裝置，脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器包括一個響應(yīng)時鐘信號的滾動計數(shù)器，用來相對于一個預(yù)定數(shù)值反復(fù)計數(shù)和復(fù)零；一個比較器，連接得將數(shù)字控制值和計數(shù)值相比較，并用于生成一個響應(yīng)數(shù)字控制值和計數(shù)值的二電平數(shù)字輸出信號；一個接收二電平數(shù)字輸出信號的電壓輸出驅(qū)動器；受增益方式控制信號控制并接收二電平輸出信號的切換裝置，用于在高增益方式和低增益方式之間切換；以及連接到一個公共輸出結(jié)點的第一和第二電阻元件，第一電阻元件連接到電壓驅(qū)動器的輸出端，第二電阻元件連接到切換裝置的輸出端，輸出結(jié)點提供一個輸出給脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。
2.權(quán)利要求1中所述的脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其中切換裝置包括一個異或門，異或門具有一個接收二電平數(shù)字輸出信號的第一輸入端并有一個接收增益方式控制信號的第二輸入端。
3.權(quán)利要求2中所述的脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其中網(wǎng)絡(luò)還包括至少一個連接到輸出結(jié)點的電容元件，用它組成一個在高增益方式和低增益方式兩種方式都具有常數(shù)輸出阻抗的低通濾波器。
4.權(quán)利要求1中所述的脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其中第一和第二電阻元件在高增益方式期間接收具有同一幅度和周期的信號。
5.權(quán)利要求1中所述的脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其中第一和第二電阻元件(R1A和R2A)在與(R1A-R2A)/(R1A+R2A)構(gòu)成的電阻比大于零并小于1定位在1相應(yīng)于高增益方式，相應(yīng)的低增益方式期間接收具有同一周期和互補幅度的信號。
6.權(quán)利要求3中所述的脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其中網(wǎng)絡(luò)的輸出被分段為多個具有上邊界值和下邊界值的電壓脈沖，邊界值在高增益方式期間定義為輸出驅(qū)動器的輸出峰值，并且邊界值在低增益方式期間定義為網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)點的峰值。
7.權(quán)利要求6中所述的脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其中在上下邊界值之間實現(xiàn)的電壓脈沖數(shù)由表達式2n定義，其中n等于計數(shù)器和比較器的比特寬度。
8.權(quán)利要求6中所述的脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其中高增益方式確定公共輸出結(jié)點的電壓脈沖粗略范圍。
9.權(quán)利要求6中所述的脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其中低增益方式確定公共輸出結(jié)點的電壓脈沖的精確范圍。
10.權(quán)利要求3中所述的脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其中濾波器可以再通過一個放大器連接到磁盤驅(qū)動器的音圈電機，用于將攜帶傳動組件的傳感器定位在旋轉(zhuǎn)磁盤的同心數(shù)據(jù)磁道上方。
11.一種雙增益方式的脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，具有一個輸出結(jié)點并包括一個滾動翻轉(zhuǎn)計數(shù)器，用來相對于一個預(yù)定的翻轉(zhuǎn)數(shù)值對從時鐘源接收的時鐘脈沖進行重復(fù)計數(shù)；一個用于保持脈沖寬度數(shù)值的寄存器；一個比較器連接得將滾動翻轉(zhuǎn)計數(shù)器所達到的計數(shù)值與脈寬數(shù)值相比較并具有一個比較器輸出端用于輸出一個包含有脈寬調(diào)制的二電平邏輯信號；一個電壓輸出驅(qū)動器，用于接收并緩存比較器的輸出；一個切換器，用于根據(jù)增益方式切換信號接收并有選擇地通過比較器的輸出；一個電阻網(wǎng)絡(luò)，包括一個連接到電壓輸出驅(qū)動器的第一電阻元件，一個連接到切換器的第二電阻元件，第一和第二電阻元件連接到一個構(gòu)成輸出結(jié)點的公共結(jié)點。
12.權(quán)利要求11中所述的雙增益方式的脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其中第一和第二電阻元件(R1A和R2A)建立一個與低增益電阻比(R1A-R2A)/(R1A+R2A)大于零并小于1相應(yīng)的低增益方式，并且其中高增益輸出方式定位在1。
13.權(quán)利要求11中所述的雙增益方式脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器還包括一個并聯(lián)跨接輸出結(jié)點的電容元件，用它形成一個帶有電阻元件的輸出低通濾波器。
14.權(quán)利要求13中所述的雙增益方式脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，還包括一個激勵放大器和一個音圈激勵器，保存脈寬數(shù)值以控制通過音圈激勵器的電流的寄存器。
15.權(quán)利要求14中所述的雙增益方式脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其中轉(zhuǎn)換器、激勵放大器和音圈激勵器都是磁盤驅(qū)動器的部件，并且其中磁盤驅(qū)動器的控制器向寄存器提供脈寬數(shù)值并向切換器提供方式切換信號，使得切換器在磁道搜尋操作期間工作在高增益方式，使轉(zhuǎn)換器在磁盤驅(qū)動器的磁道固定和隨后的操作期間工作在低增益方式。
全文摘要
一種脈寬調(diào)制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(10)響應(yīng)數(shù)字控制數(shù)值(35)在高增益方式和低增益方式之間切換。轉(zhuǎn)換器包括一個自由運行的滾動翻轉(zhuǎn)計數(shù)器(45)、一個基準(zhǔn)寄存器(55)和一個比較器(60)。來自比較器的脈沖被分向兩條通路,一條通路包括一個切換電路(20)并饋向多個連接到一個公共結(jié)點(91)的電阻元件。隨著切換器電路狀態(tài)的不同,網(wǎng)絡(luò)的輸出數(shù)值將或者遵從其輸入值或者是輸入的一個部分,不需要改變負(fù)載周期或輸出阻抗。輸出結(jié)點可以連接一個電容元件(C1)以組成一個產(chǎn)生模擬波形的低通濾波器。
文檔編號H03M1/82GK1197556SQ97190870
公開日1998年10月28日 申請日期1997年7月8日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月9日
發(fā)明者布魯斯·D·布什 申請人:昆騰公司