专利名称：具有高增益和低增益方式的脉宽调制数/模转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及到本发明人的共同转让美国专利申请系列号08/642,754披露的内容，它是在1996年5月3日申请，名称为“数位旋转的脉宽调制数/模转换器”，在此引用该披露内容作为参考。
本发明一般地涉及一种脉宽调制数/模转换器(PWMD/A)，具有在高增益方式和低增益方式之间切换的切换特性，同时保持一个常数的输出阻抗。
PWMD/A的功能是将数字数值转换为模拟波形。一个响应数字控制值的典型PWMD/A转换器包括一个用于在复零之前根据基准时钟信号计数到预定数值(或从预定数值计数)的循环计数器。计数器的每一个递增计数周期都通过一个比较器与数字控制数值相比较。比较器生成一个在计数器数值超过(或低于)数字控制数值时确定的二电平数字输出信号。一般地说，比较器输出的负载周期可以通过调节保存在寄存器中的数字控制数值来控制。随后可以对二值数字输出信号低通滤波并产生具有一个幅度(这便是比较器负载周期的作用)的模拟波形。
获得具有一个既用高增益方式又用低增益方式输出的脉宽调制数/模信号转换的一种常规方法是通过增加高增益方式期间计数器和比较器的比特宽度来提高PWMD/A的分辨率。而在低增益方式期间，PWMD/A的输出则可以通过控制所增加的比特宽度的比例范围来实现。但是，增加PWMD/A分辨率从本质上说要增加所需数字电路的复杂性。而且，增加分辨率会降低比较器所生成的二电平数字输出信号的频率，因而增加PWMD/A转换器的响应时间。
获得具有一个既用高增益方式又用低增益方式输出的脉宽调制数/模信号转换的第二种常规方法是实施两条独立的PWMD/A通道，其中两条通道在低通滤波器的输入端可以相加到一起。两个独立通道的和成份是使得一个通道实施高增益方式成分，另一个通道实施低增益方式成分。在低增益方式期间，高增益方式通道进入高阻抗状态，因而从和成分中去掉高增益方式成分。虽然高增益方式通道在低增益方式工作期间被阻塞，但由高增益通道送出的很小漏电流还是会给和成分引入误差。另外，通过使用上述的两个独立通道，很难像低通滤波器所实现的那样保持一个常数的输出阻抗。
因此，一个至今没有解决的需要仍然是寻找获得一个具有既以高增益方式又以低增益方式输出并基本上具有常数输出阻抗的脉宽调制数/模信号转换的方法。
本发明的一个总目的是提供一种脉宽调制数/模转换器，转换器以一种克服了现有技术的限制和缺点的方法提供多增益方式而不需要改变输出阻抗。
根据本发明的原理，脉宽调制数/模转换器根据数字控制数值在高增益方式和低增益方式之间切换。转换器包括一个自由运行的滚动翻转计数器，一个基准寄存器和一个比较器。来自比较器的脉冲被分向两条通路，每一通路驱动一个常规二电平电压驱动器的一个输入端。一条通路包括例如说一个在比较器输出端和驱动器输入端之间的异或(XOR)门电路，用于有条件地将该通路的比较器输出信号电平倒相。两条通路都馈入在公共输出结点连接到一起的多个电阻元件。随着切换器状态的不同，网络的输出值将或者依从其输入值或者是输入值的一部分，不需要改变负载周期或输出阻抗。输出结点可以连接到一个电容元件，组成一个产生模拟波形的低通滤波器。
本发明的一个优点在脉宽调制数/模转换器工作于其低增益方式时体会得到，这时，一个极小的峰-峰电压可以传送到形成在输出结点处的低通RC滤波器，从而使转换器输出端的高频波纹减到最小。
本发明的另一个优点是通过为脉宽调制的数/模电路结构提供增益切换功能来体现的，由于在优选的形式中，切换器可以包括一个单XOR门元件，这种切换功能只需要最少的附加切换硬件元件。
电阻网络无论是在高增益方式还是在低增益方式都可以再连接一个或一个以上的电容元件，以在输出结点组成一个低通滤波器，用来生成一个具有正比于输入电压的幅度的模拟波形。而且，在任一方式下，滤波器的输出阻抗基本上保持为常数。因此，滤波器的时间常数也将保持不变，这里的时间常数τ定义为τ＝RC，R定义滤波器的等效电阻，并且C定义滤波器的等效电容。
在附图中
图1是具有在高增益方式和低增益方式之间切换的切换功能的PWMD/A转换器的原理图；图2是用于图1原理图的真值表；图3(a)是图1原理图在高增益方式时的局部说明图3(b)是驱动高增益方式的图3(a)原理的等效电阻的等效源；图4(a)是图1原理图在低增益方式时的局部说明；图4(b)是驱动低增益方式的图4(a)原理图的等效电阻的等效源；图5是磁盘驱动器的图解顶平面视图。
图1说明体现本发明原理的PWMD/A转换器的一个优选实施例。PWMD/A转换器10响应寄存器55中保存的数字控制值。转换器10包括一个能根据通路30上的逻辑值B在高增益方式和低增益方式之间切换的切换电路20。在本例中，切换电路20包括一个XOR门接收从比较器60引出的通路25上的第一输入信号A，以及从独立的控制信号源35(例如系统微处理器或其他控制逻电路)延伸出来的通路30上的第二输入信号B。此外，切换电路20的状态与图2所示的真值表40保持一致。
图1的PWMD/A转换器10还包括一个响应时钟信号50计数到一个预定数值后复零的循环计数器45。(虽然目前比较喜欢用升值计数器作计数器45，不过降值计数器也可以作为一种适宜的循环计数器使用)。通路15上的数字控制值可以由一个系统微处理器(未示出)生成并存储在寄存器55中。
在每一个操作循环期间，比较器60将寄存器55中保存的数字控制值与循环计数器45的计数值相比较并生成一个二电平数字输出信号65。更准确地说，在图1的例子中，如果计数器45的计数值超过数字控制值15，则比较器60生成一个例如说逻辑真或图3(a)和4(a)中画出的“高”电平70。反之，如果计数器45的计数值不超过数字控制值15，则比较器60生成一个例如说逻辑不真或“低”电平75。因此，数字控制值15在本质上定义出比较器60输出的一个负载周期。
比较器60的输出把通路25上的一个逻辑状态提供到XOR切换电路20的一个输入端，也提供到一个电压驱动器62。驱动器62根据通路25上输入的逻辑状态在电压源汇流条Vref和地电位之间有选择地切换一个输出。在本例子中，电压驱动器62的电压切换特性选择得与异或门20的输出驱动特性完全一样。
多个电阻元件R1A和R1B被连接得形成一个并联输出电阻网络81。网络81有一个第一通路85从有源驱动器62的输出端引出来经过电阻器RIA到公共结点91。网络81有一个第二通路90从异或门切换电路20的输出端引出来经过电阻器R2A到公共结点91。并且，公共结点91提供一个引出到接地电容器C1和放大器130的输出通路。电阻元件R1A和R2A具有不同的电阻值(控制低增益工作方式的差)；并且电阻R1A和R2A与电容器C1联合作用，使得在输出通路91上出现信号时提供一个低通滤波器功能120。
切换电路20按图2的真值表工作。连到XOR切换电路20的通路30上的输入电平B提供一个用于在高增益方式(B输入为低)和低增益方式(B输入为高)之间切换的切换控制信号。在高增益方式期间，通路90上的切换输出状态PWM A2与通路20上的逻辑状态A完全一样。在低增益方式期间，通路90上的切换输出状态PWMA2是通路20上的逻辑状态A(以及通路85上的逻辑状态PWMA1)的一个逻辑补值。
转换器10的工作还被结合用于高增益方式的图3(a)和3(b)以及用于低增益方式的图4(a)和4(b)进行图解和说明。XOR门20由图2的真值表示出具有遵从比较器60在通路25上的逻辑输出电平A的输出状态。于是，电阻网络81的通路85和通路90两者系受比较器60生成的二电平数字输出电压65并联驱动，一个通路经过电流源62，另一通路经过切换电路20。此外，比较器的输出电平协调地驱动通路85和90。在开路负载状态下，这在电阻网络81内造成小到无电流流动的结果，从而网络81的输出电平实际上遵从比较器60的输出值，并受到电容器C1(如果存在的话)的充电/放电延迟。
由于在高增益方式期间两个相同的信号驱动电阻网络81的通路85和通路90，其成分在理论上可以缩减为一个具有与比较器数值同样特性的单逻辑源65驱动单个电阻元件80b，如图3(b)所示。单个电阻元件80b可作为电阻网络81的电阻元件R1A和R1B的并联组合的等效电阻计算出来。
如图4(a)和4(b)所示，在低增益方式的情形，XOR门切换电路20处于一种状态，使其输出电平与比较器60的输出电平相补。于是，传送到通路85和90的逻辑电平相等幅度和补值幅度将具有同样的周期。由于网络81的通路85和通路90不再用同样的信号驱动，甚至在开路负载的情形，电流将流过网络81的电阻器R1A和R2A。于是，网络81的输出电平和基于在电阻元件R1A和R2A组成的串联网络的公共结点91的分压的比较器60的电平成正比。电阻元件R1A和R2A的阻值选择得给出一个等于(R1A-R2A)/(R1A+R2A)的低增益，其中电阻比值大于零并小于1，与高增益方式相应的是它等于1。
参照图4(b)，与高增益方式相比，低增益方式将具有与高增益方式同一样的网络81的等效电阻，但是，等效驱动电压65b将定位到输出驱动器供给的电压电平。关于这一点，重要的是注意到电源汇流条Vref的信号阻抗被认为与接地返回通路的一样。
随着比较器输出的负载周期不同，在电阻网络81的结点91上的电压可以分段为多个具有上边界值如下边界值的电压。上边界值和下边界值在高增益方式期间由比较器输出电压的峰值确定。但是，在图4(a)和4(b)的低增益方式期间，边界值则由电阻网络输出结点91上的电压峰值确定。在边界值之内实现的电压脉冲数正比于计数器45和比较器60的比特宽度。更准确地说，电压脉冲数等于2n，其中n为计数器45和比较器60的比特宽度。
由于计数器45和比较器60的比特宽度保持为常数，所以无论是在高增益还是在低增益方式下的电压脉冲数也将保持为常数。但是，各电压脉冲的上边界值和下边界值在高增益方式和低增益方式之间本质上是不同的。由于图4(b)所示的低增益方式下的边界值电压由电压驱动器65b的峰值确定，所以低增益范围组成一个具有2n个电压脉冲的较窄电压范围，其中n等于计数器45和比较器60数值的比特宽度。
在电容10工作于图3(a)和3(b)的高增益方式的同时，边界值电压定位到输出驱动器供应的电压电平，因而将具有一个比低增益方式更宽的动态电压范围，这是它的一个优点。但是，不管哪种方式都将包括相等数目的电压脉冲。
不管在高增益方式还是在低增益方式，电阻网络81都可以再连接到电容元件C1以形成一个低通滤波器120(图1中以虚轮廓线示出)，用于生成一个具有幅值正比于输入电压的模拟波形。而且，不管在哪种方式下，滤波器120的阻抗保持为常数。因此，滤波器的时间常数也将保持为常数，其中时间常数τ被定义为τ＝RC，R定义滤波器的等效电阻，C定义滤波器的等效电容。
图1所示的PWMD/A转换器10因其在高增益方式和低增益方式之间的切换能力而具有许多不同的用途，高增益方式提供电压幅度脉冲的粗略范围，低增益方式提供电压脉冲的精确范围，其中脉冲数不因从高增益到低增益而变化，反过来也一样。
参照图1和5，本发明的一个优先应用是将滤波器输出的模拟控制波形传送到一个伺服放大器130驱动磁盘驱动器160的音圈激励电机140。音圈电机140用于将传动组件180携带的传感器170定位到转动磁盘200的同心数据磁道上方。在传动器搜索操作(加速/减速)期间，电路10的高增益方式被用来提供一个粗略的模拟定位信号将传动器180快速移动到目标磁道190的附近。一旦传动器180位于目标磁道190的范围之内，就选用低增益方式来输出一个精确定位信号把传感器170准确定位在目标数据磁道190上。
于是，在叙述了本发明的一个实施例之后，现在将体会到本发明的目的已完全达到，那些熟悉这一技术的人员将明白结构上的许多变化和本发明的差别悬殊的实施例和应用将支持他们不需要脱离本发明的精神和范围。本文的披露和叙述纯粹是说明性的，在任何意义上都不能作为限制。
权利要求
1.一种响应数字控制值的脉宽调制数/模转换器，具有一个根据增益方式控制信号在高增益方式和低增益方式之间切换的装置，脉宽调制数/模转换器包括一个响应时钟信号的滚动计数器，用来相对于一个预定数值反复计数和复零；一个比较器，连接得将数字控制值和计数值相比较，并用于生成一个响应数字控制值和计数值的二电平数字输出信号；一个接收二电平数字输出信号的电压输出驱动器；受增益方式控制信号控制并接收二电平输出信号的切换装置，用于在高增益方式和低增益方式之间切换；以及连接到一个公共输出结点的第一和第二电阻元件，第一电阻元件连接到电压驱动器的输出端，第二电阻元件连接到切换装置的输出端，输出结点提供一个输出给脉宽调制数/模转换器。
2.权利要求1中所述的脉宽调制数/模转换器，其中切换装置包括一个异或门，异或门具有一个接收二电平数字输出信号的第一输入端并有一个接收增益方式控制信号的第二输入端。
3.权利要求2中所述的脉宽调制数/模转换器，其中网络还包括至少一个连接到输出结点的电容元件，用它组成一个在高增益方式和低增益方式两种方式都具有常数输出阻抗的低通滤波器。
4.权利要求1中所述的脉宽调制数/模转换器，其中第一和第二电阻元件在高增益方式期间接收具有同一幅度和周期的信号。
5.权利要求1中所述的脉宽调制数/模转换器，其中第一和第二电阻元件(R1A和R2A)在与(R1A-R2A)/(R1A+R2A)构成的电阻比大于零并小于1定位在1相应于高增益方式，相应的低增益方式期间接收具有同一周期和互补幅度的信号。
6.权利要求3中所述的脉宽调制数/模转换器，其中网络的输出被分段为多个具有上边界值和下边界值的电压脉冲，边界值在高增益方式期间定义为输出驱动器的输出峰值，并且边界值在低增益方式期间定义为网络输出结点的峰值。
7.权利要求6中所述的脉宽调制数/模转换器，其中在上下边界值之间实现的电压脉冲数由表达式2n定义，其中n等于计数器和比较器的比特宽度。
8.权利要求6中所述的脉宽调制数/模转换器，其中高增益方式确定公共输出结点的电压脉冲粗略范围。
9.权利要求6中所述的脉宽调制数/模转换器，其中低增益方式确定公共输出结点的电压脉冲的精确范围。
10.权利要求3中所述的脉宽调制数/模转换器，其中滤波器可以再通过一个放大器连接到磁盘驱动器的音圈电机，用于将携带传动组件的传感器定位在旋转磁盘的同心数据磁道上方。
11.一种双增益方式的脉宽调制数/模转换器，具有一个输出结点并包括一个滚动翻转计数器，用来相对于一个预定的翻转数值对从时钟源接收的时钟脉冲进行重复计数；一个用于保持脉冲宽度数值的寄存器；一个比较器连接得将滚动翻转计数器所达到的计数值与脉宽数值相比较并具有一个比较器输出端用于输出一个包含有脉宽调制的二电平逻辑信号；一个电压输出驱动器，用于接收并缓存比较器的输出；一个切换器，用于根据增益方式切换信号接收并有选择地通过比较器的输出；一个电阻网络，包括一个连接到电压输出驱动器的第一电阻元件，一个连接到切换器的第二电阻元件，第一和第二电阻元件连接到一个构成输出结点的公共结点。
12.权利要求11中所述的双增益方式的脉宽调制数/模转换器，其中第一和第二电阻元件(R1A和R2A)建立一个与低增益电阻比(R1A-R2A)/(R1A+R2A)大于零并小于1相应的低增益方式，并且其中高增益输出方式定位在1。
13.权利要求11中所述的双增益方式脉宽调制数/模转换器还包括一个并联跨接输出结点的电容元件，用它形成一个带有电阻元件的输出低通滤波器。
14.权利要求13中所述的双增益方式脉宽调制数/模转换器，还包括一个激励放大器和一个音圈激励器，保存脉宽数值以控制通过音圈激励器的电流的寄存器。
15.权利要求14中所述的双增益方式脉宽调制数/模转换器，其中转换器、激励放大器和音圈激励器都是磁盘驱动器的部件，并且其中磁盘驱动器的控制器向寄存器提供脉宽数值并向切换器提供方式切换信号，使得切换器在磁道搜寻操作期间工作在高增益方式，使转换器在磁盘驱动器的磁道固定和随后的操作期间工作在低增益方式。
全文摘要
一种脉宽调制数/模转换器(10)响应数字控制数值(35)在高增益方式和低增益方式之间切换。转换器包括一个自由运行的滚动翻转计数器(45)、一个基准寄存器(55)和一个比较器(60)。来自比较器的脉冲被分向两条通路,一条通路包括一个切换电路(20)并馈向多个连接到一个公共结点(91)的电阻元件。随着切换器电路状态的不同,网络的输出数值将或者遵从其输入值或者是输入的一个部分,不需要改变负载周期或输出阻抗。输出结点可以连接一个电容元件(C1)以组成一个产生模拟波形的低通滤波器。
文档编号H03M1/82GK1197556SQ97190870
公开日1998年10月28日 申请日期1997年7月8日 优先权日1996年7月9日
发明者布鲁斯·D·布什 申请人:昆腾公司