TWI650947B - 一種濾波電路和一種控制系統 - Google Patents
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Abstract
一種濾波電路,用於過濾一脈衝寬度調變(PWM)訊號,包含:一阻容電路、一比較電路和一輸出控制電路。阻容電路用於依據PWM訊號產生一漣波電壓訊號。比較電路耦接於阻容電路,用於比較漣波電壓訊號和一第一參考電壓,並用於依據一比較結果輸出一開關訊號。輸出控制電路耦接於比較電路和阻容電路,用於依據開關訊號和PWM訊號產生一輸出訊號。其中,當PWM訊號的一負載比大於一預設門檻值時,輸出訊號的波形對應於PWM訊號,當PWM訊號的一負載比小於預設門檻值時,輸出訊號的波形不對應於PWM訊號。
Description
本揭示文件有關一種濾波電路和控制系統,尤指能對PWM訊號進行濾波的一種濾波電路和控制系統。
傳統的電壓比較電路是以輸入訊號的電壓大小是否超過電壓門檻值,來決定其輸出訊號。例如,當有一高電壓為5V且低電壓為0V的脈衝寬度調變(PWM)訊號,輸入一電壓門檻值為3V的傳統電壓比較電路時,傳統的電壓比較電路可對應輸出高電壓為5V且低電壓為0V的PWM訊號。而當有一高電壓為2V且低電壓為0V的PWM訊號輸入傳統的電壓比較電路時,傳統的電壓比較電路會將輸出訊號維持於0V的低電位,而不會輸出PWM訊號。
然而,傳統的電壓比較電路無法偵測PWM訊號的負載比改變,進而改變其輸出訊號。例如,無論前述高電壓為2V且低電壓為0V的PWM訊號的負載比如何改變,前述傳統的電壓比較電路的輸出訊號皆會維持於低電位。因此,傳統的電壓比較電路限制了PWM訊號的應用彈性。
有鑑於此,如何提供可依據PWM訊號的負載比改變輸出訊號的濾波電路以及相關的控制系統,實為業界有待解決的問題。
一種濾波電路包含:一阻容電路、一比較電路和一輸出控制電路。阻容電路用於依據該PWM訊號產生一漣波電壓訊號。比較電路耦接於該阻容電路,用於比較該漣波電壓訊號和一第一參考電壓,並用於依據一比較結果輸出一開關訊號。輸出控制電路耦接於該比較電路和該阻容電路,用於依據該開關訊號和該PWM訊號產生一輸出訊號。其中,當該PWM訊號的一負載比大於一預設門檻值時,該輸出訊號的波形對應於該PWM訊號,當該PWM訊號的一負載比小於該預設門檻值時,該輸出訊號的波形不對應於該PWM訊號。
一種控制系統包含:一控制裝置、多個濾波電路和多個輸出裝置。控制裝置用於產生一脈衝寬度調變(PWM)訊號。多個濾波電路皆耦接於該控制裝置,分別用於接收且過濾該PWM訊號。多個輸出裝置分別對應耦接於該多個濾波電路,用於依據該PWM訊號進行運作。其中,每一該些濾波電路具有各自所依據的一預設門檻值,當該PWM訊號的一負載比大於所依據的該預設門檻值,該濾波電路輸出該PWM訊號至所對應耦接的該輸出裝置,當該PWM訊號的一負載比小於所依據的該預設門檻值,該濾波電路不輸出該PWM訊號至所對應耦接的該輸出裝置。
上述的濾波電路和控制系統的優點之一,是無需使用額外的控制晶片,以簡單的電路便能依據PWM訊號的負載比對PWM訊號進行濾波。
100、500、800‧‧‧濾波電路
110‧‧‧阻容電路
112‧‧‧第一電阻
114‧‧‧第二電阻
116‧‧‧電容
120、820‧‧‧比較電路
122、822‧‧‧正電源端
124、824‧‧‧負電源端
130、830‧‧‧輸出控制電路
132、832‧‧‧輸出開關
134‧‧‧第三電阻
140‧‧‧參考電壓產生電路
142‧‧‧第四電阻
144‧‧‧第五電阻
550‧‧‧分壓電路
552‧‧‧第六電阻
554‧‧‧NPN型電晶體
1100‧‧‧控制系統
1110‧‧‧控制裝置
1120a~1120n‧‧‧濾波電路
1130a~1130n‧‧‧輸出裝置
PWM‧‧‧脈衝寬度調變訊號
V1‧‧‧漣波電壓訊號
Vcc‧‧‧降壓後的PWM訊號
Vdd‧‧‧電源電壓
Vref1‧‧‧第一參考電壓
Vref2‧‧‧第二參考電壓
Vsw‧‧‧開關訊號
Vout‧‧‧輸出訊號
為讓揭示文件之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂,所附圖式之說明如下:第1圖為根據本揭示文件一實施例的濾波電路簡化後的功能方塊圖。
第2圖為進一步繪示第1圖的濾波電路的電路架構的功能方塊圖。
第3圖為用於說明第1圖的濾波電路的運作的時序變化圖。
第4圖為用於說明第1圖的濾波電路的運作的另一時序變化圖。
第5圖為依據本揭示文件另一實施例的濾波電路簡化後的功能方塊圖。
第6圖為用於說明第5圖的濾波電路的運作的時序變化圖。
第7圖為用於說明第5圖的濾波電路的運作的另一時序變化圖。
第8圖為依據本揭示文件又一實施例的濾波電路簡化後的功能方塊圖。
第9圖為用於說明第8圖的濾波電路的運作的時序變化
圖。
第10圖為用於說明第8圖的濾波電路的運作的另一時序變化圖。
第11圖為依據本揭示文件一實施例的控制系統簡化後的功能方塊圖。
以下將配合相關圖式來說明本發明的實施例。在圖式中,相同的標號表示相同或類似的元件或方法流程。
第1圖為根據本揭示文件一實施例的濾波電路100簡化後的功能方塊圖。濾波電路100包含一阻容電路(RC circuit)110、一比較電路120、一輸出控制電路130和一參考電壓產生電路140。比較電路120的正向輸入端耦接於阻容電路110,反向輸入端耦接於參考電壓產生電路140,輸出端耦接於輸出控制電路130。
阻容電路110用於將峰值與谷值差異較大的PWM訊號,轉換為峰值與谷值差異較小的一漣波電壓訊號V1。參考電壓產生電路140用於依據PWM訊號產生一第一參考電壓Vref1。比較電路120用於比較漣波電壓訊號V1和第一參考電壓Vref1,並依據比較結果輸出一開關訊號Vsw。輸出控制電路130則依據開關訊號Vsw和PWM訊號輸出一輸出訊號Vout。其中,濾波電路100可依據PWM訊號的負載比,對PWM訊號進行濾波。
詳細而言,當PWM訊號的負載比大於一預設門
檻值時,漣波電壓訊號V1的電壓大小會大於第一參考電壓Vref1。此時,比較電路120輸出的開關訊號Vsw,會對應於比較電路120的一正電源端122接收的電源電壓Vdd,使得輸出控制電路130輸出的輸出訊號Vout對應於PWM訊號(例如,輸出訊號Vout和PWM訊號具有相同的負載比)。
另一方面,當PWM訊號的負載比小於預設門檻值時,漣波電壓訊號V1的電壓大小會小於第一參考電壓Vref1。此時,比較電路120輸出的開關訊號Vsw,會對應於比較電路120的一負電源端124接收的一第二參考電壓Vref2,使得輸出控制電路130輸出的輸出訊號Vout不對應於PWM訊號。其中,於實作上,第二參考電壓Vref2可為接地電壓。
第2圖為進一步繪示第1圖的濾波電路100的電路架構的功能方塊圖。如第2圖所示,阻容電路110包含一第一電阻112、一第二電阻114和一電容116。第一電阻112具有一第一端用於接收PWM訊號,並具有一第二端耦接於第二電阻114的第一端。第二電阻114具有一第二端用於接收第二參考電壓Vref2。電容116具有一第一端耦接於第一電阻112的第二端和比較電路120的正向輸入端,並具有一第二端用於接收第二參考電壓Vref2。
阻容電路110中的電容數量並不以此實施例為限。在某些需要較大電容值的實施例中,可使用多個電容並聯的電容陣列來取代電容116。
輸出控制電路130包含一輸出開關132和一第
三電阻134。輸出開關132具有一第一端用於接收PWM訊號,具有一第二端用於產生輸出訊號Vout,具有一控制端用於接收開關訊號Vsw。第三電阻134具有一第一端耦接於輸出開關132的第二端,並具有一第二端用於接收第二參考電壓Vref2。
參考電壓產生電路140具有一第四電阻142和一第五電阻144。第四電阻142具有一第一端用於接收PWM訊號,並具有一第二端耦接於比較電路120的反向輸入端。第五電阻144具有一第一端耦接於第四電阻142的第二端,並具有一第二端用於接收第二參考電壓Vref2。
請同時參照第2圖和第3圖,第四電阻142和第五電阻144用於對PWM訊號和第二參考電壓Vref2的電壓差進行分壓,以在第四電阻142和第五電阻144之間產生前述的第一參考電壓Vref1。因此,如第3圖所示,第一參考電壓Vref1的電壓大小變化會對應於PWM訊號。
當PWM訊號的負載比大於前述的預設門檻值時(例如,大於40%),PWM訊號處於高電位的時間較長。因此,阻容電路110會將電容116充電較長時間,使得電容116的第一端的電壓(亦即,漣波電壓訊號V1)被抬升至高於第一參考電壓Vref1。
另一方面,PWM訊號處於低電位的時間較短,且第一電阻112和第二電阻114會減緩電容116的第一端的放電速度。因此,當PWM訊號處於低電位,漣波電壓訊號V1也不會低於已隨PWM訊號降低的第一參考電壓Vref1。
換言之,當PWM訊號的負載比大於預設門檻值時,漣波電壓訊號V1便會大於第一參考電壓Vref1。一旦漣波電壓訊號V1大於第一參考電壓Vref1,比較電路120會輸出對應於電源電壓Vdd的開關訊號Vsw至輸出開關132的控制端,使得輸出開關132導通。因此,PWM訊號會由輸出開關132的第一端傳遞至第二端,使得輸出控制電路130輸出的控制信號Vout對應於PWM訊號。
請同時參照第2圖和第4圖,當PWM訊號的負載比小於預設門檻值時,PWM訊號處於高電位的時間較短。因此,阻容電路110會將電容116充電較短時間,使得電容116的第一端的電壓(亦即,漣波電壓訊號V1)維持於低於第一參考電壓Vref1。
換言之,當PWM訊號的負載比小於預設門檻值時,漣波電壓訊號V1便會小於第一參考電壓Vref1。一旦漣波電壓訊號V1小於第一參考電壓Vref1,比較電路120會輸出對應於第二參考電壓Vref2的開關訊號Vsw至輸出開關132的控制端,使得輸出開關132關斷。因此,PWM訊號無法傳遞至輸出開關132第二端,但第二參考電壓Vref2會傳遞至第三電阻134的第一端,使得輸出控制電路130輸出的控制信號Vout對應於第二參考電壓Vref2。
於實作上,可藉由調整濾波電路100中的第一電阻112和第二電阻114的電阻值,或是調整電容116的電容值,來決定前述的預設門檻值。
由上述可知,濾波電路100可依據PWM訊號的
負載比來對PWM訊號進行濾波。因此,若有一後端電路(未繪示於圖中)用於依據濾波電路100的輸出訊號Vout進行運作,便可利用調變PWM訊號的負載比,來控制該後端電路的運作狀態。
例如,在某一實施例中,該後端電路可為一燈泡,濾波電路100的預設門檻值為40%。當PWM訊號的負載比小於40%時,濾波電路100會輸出對應於第二參考電壓Vref2的輸出訊號Vout至該燈泡,使得該燈泡處於未點亮狀態。當PWM訊號的負載比為50%時,濾波電路100會輸出對具有50%負載比的輸出訊號Vout至該燈泡,使得該燈泡具有一般亮度。當PWM訊號的負載比為80%時,濾波電路100會輸出具有80%負載比的輸出訊號Vout至該燈泡,使得該燈泡具有高亮度。
第5圖為依據本揭示文件另一實施例的濾波電路500簡化後的功能方塊圖。濾波電路500相似於濾波電路100,差異在於濾波電路500另包含一分壓電路550。分壓電路550包含一第六電阻552和一NPN型電晶體554。第六電阻552具有一第一端用於接收PWM訊號。NPN型電晶體554具有一集極用於接收PWM訊號,具有一射極耦接於輸出控制電路130,以及具有一基極耦接於第六電阻552的一第二端。其中,NPN型電晶體554用於依據PWM訊號產生一降壓後的PWM訊號Vcc,並將降壓後的PWM訊號Vcc自射極輸出至比較電路120的正電源輸入端122、第四電阻142的第一端和輸出開關132的第一端。第四電阻142和第
五電阻144用於對降壓後的PWM訊號Vcc和第二參考電壓Vref2的電壓差進行分壓,以在第四電阻142和第五電阻144之間產生第一參考電壓Vref1。因此,如第6圖所示,第一參考電壓Vref1的電壓大小變化會對應於降壓後的PWM訊號Vcc。
濾波電路500無需使用第2圖中的電源電壓Vdd。因此,相較於濾波電路100,使用濾波電路500的系統電路(未繪示於圖中)可以省略產生電源電壓Vdd的電路,進而降低整體系統電路所需面積。
濾波電路500的運作與濾波電路100的運作相似。亦即,當PWM訊號的負載比大於預設門檻值時,如第6圖所示,漣波電壓訊號V1會大於第一參考電壓Vref1,使得比較電路120輸出的開關訊號Vsw對應於降壓後的PWM訊號Vcc。其中,降壓後的PWM訊號Vcc會隨著PWM訊號高低振盪,所以當PWM訊號的負載比大於預設門檻值時,濾波電路500的輸出開關132會對應於降壓後的PWM訊號Vcc而間歇性地導通或關斷。
具體而言,當降壓後的PWM訊號Vcc處於高電位時,輸出開關132會導通,而使輸出訊號Vout對應於降壓後的PWM訊號Vcc的高電位。當降壓後的PWM訊號Vcc處於低電位時,輸出開關132會關斷,而使輸出訊號Vout對應於具有較低電位的第二參考電壓Vref2。其中,若將第二參考電壓Vref2的大小設置為等於降壓後的PWM訊號Vcc的低電位,便能使輸出訊號Vout的波型相同於降壓後的PWM
訊號Vcc。
另一方面,如第7圖所示,當PWM訊號的負載比小於預設門檻值時,漣波電壓訊號V1會小於第一參考電壓Vref1,使得比較電路120輸出的開關訊號Vsw對應於第二參考電壓Vref2。因此,輸出開關132會處於關斷狀態,使得輸出訊號Vout對應於第二參考電壓Vref2。
第8圖為依據本揭示文件又一實施例的濾波電路800簡化後的功能方塊圖。濾波電路800相似於濾波電路500,差異在於濾波電路800的比較電路820是以正向輸入端耦接於參考電壓產生電路140,以反向輸入端耦接於阻容電路110,並以正電源端822和負電源端824分別接收降壓後的PWM訊號Vcc和第二參考電壓Vref2。另外,輸出控制電路830的輸出開關832被設置為當輸出開關832的控制端接收到低電壓時開啟,當輸出開關832的控制端接收到高電壓時關閉。
具體而言,如第9圖所示,當PWM訊號的負載比大於預設門檻值,使得漣波電壓訊號V1大於第一參考電壓Vref1時,比較電路820會輸出對應於第二參考電壓Vref2的開關訊號Vsw。因此,輸出開關832會導通,使得輸出控制電路830輸出對應於降壓後的PWM訊號Vcc的輸出訊號Vout。
另一方面,如第10圖所示,當PWM訊號的負載比小於預設門檻值時,比較電路820會輸出對應於降壓後的PWM訊號Vcc的開關訊號Vsw,使得輸出開關832間歇性
地導通或關斷。具體而言,當降壓後的PWM訊號Vcc處於高電位時,輸出開關832會處於關斷狀態,使得輸出訊號Vout對應於具有較低電位的第二參考電壓Vref2。當降壓後的PWM訊號Vcc處於低電位時,輸出開關832會處於導通狀態,使得輸出訊號Vout對應於降壓後的PWM訊號Vcc的低電位。
因此,當PWM訊號的負載比小於預設門檻值時,就算輸出開關832間歇性地導通或關斷,輸出訊號Vout仍會維持於低電位,而不會隨著PWM訊號產生高低變化。
第11圖為依據本揭示文件一實施例的控制系統1100簡化後的功能方塊圖。控制系統1100是一種一對多控制系統,運用前述的PWM訊號濾波電路100、500或800,即可實現單一控制暨多組控制輸出的系統。控制系統1100具有一控制裝置1110、多個濾波電路1120a、1120b~1120n,和多個輸出裝置1130a、1130b~1130n。濾波電路1120a、1120b~1120n共同耦接於控制裝置1110,輸出裝置1130a、1130b~1130n分別對應耦接於濾波電路1120a、1120b~1120n。其中,濾波電路1120a、1120b~1120n各自可以是前述的濾波電路100、500或800。
請注意,本揭示文件和圖式使用的元件標號中的小寫英文索引a~n,只是為了方便指稱個別的元件,並非有意將前述元件的數量侷限在特定數目。
控制裝置1110用於產生PWM訊號,以及調變PWM訊號的負載比。多個濾波電路1120a、1120b~1120n
用於接收並過濾PWM訊號。輸出裝置1130a、1130b~1130n則依據接收到的PWM訊號進行運作。
具體而言,濾波電路1120a、1120b~1120n各自具有一預設門檻值,當濾波電路1120a、1120b~1120n中的一濾波電路1120接收到的PWM訊號的負載比大於其預設門檻值時,濾波電路1120會將PWM訊號輸出至所對應耦接的輸出裝置1130。當濾波電路1120接收到的PWM訊號的負載比小於其預設門檻值時,濾波電路1120則不會將PWM訊號輸出至所對應耦接的輸出裝置1130。因此,控制系統1100可以藉由調變PWM訊號的負載比,來控制輸出裝置1130a、1130b~1130n的運作狀態。
例如,在某一實施例中,輸出裝置1130a可為一第一檯燈,輸出裝置1130b可為一直流馬達、輸出裝置1130n可為一第二檯燈。濾波電路1120a、1120b和1120n分別可為濾波電路100、500和800。濾波電路100耦接於第一檯燈1130a,濾波電路500耦接於直流馬達1130b,濾波電路800耦接於第二檯燈1120n,且濾波電路100、500和800的預設門檻值分別為20%、40%和60%。當控制裝置1110輸出的PWM訊號的負載比為30%時,第一檯燈1130a具有些微亮度,直流馬達1130b處於非運作狀態且第二檯燈1130n處於未點亮狀態。接著,當控制裝置1110輸出的PWM訊號的負載比為50%時,第一檯燈1130a具有一般亮度,直流馬達1130b處於運作狀態,第二檯燈1130n則處於非點亮狀態。而當控制裝置1110輸出的PWM訊號的負載比為70%
時,第一檯燈1130a和第二檯燈1130n具有高亮度,直流馬達1130b處於高速運作狀態。
由上述可知,濾波電路100、500和800以及控制系統1100無需使用控制晶片,以簡單的電路便能依據PWM訊號的負載比對PWM訊號進行濾波。
另外,濾波電路100、500和800以及控制系統1100解決了傳統濾波電路無法分辨不同負載比的PWM訊號的問題,增加了PWM訊號的使用彈性。
在說明書及申請專利範圍中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。然而,所屬技術領域中具有通常知識者應可理解,同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異做為區分元件的方式,而是以元件在功能上的差異來做為區分的基準。在說明書及申請專利範圍所提及的「包含」為開放式的用語,故應解釋成「包含但不限定於」。另外,「耦接」在此包含任何直接及間接的連接手段。因此,若文中描述第一元件耦接於第二元件,則代表第一元件可通過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等信號連接方式而直接地連接於第二元件,或者通過其他元件或連接手段間接地電性或信號連接至該第二元件。
以上僅為本發明的較佳實施例,凡依本發明請求項所做的均等變化與修飾,皆應屬本發明的涵蓋範圍。
Claims (8)
- 一種濾波電路,用於過濾一脈衝寬度調變(PWM)訊號,該濾波電路包含:一阻容電路,用於依據該PWM訊號產生一漣波電壓訊號;一參考電壓產生電路,用於接收該PWM訊號,且用於根據該PWM訊號產生一第一參考電壓,其中該第一參考電壓的電壓大小變化對應於該PWM訊號的電壓大小變化;一比較電路,耦接於該阻容電路,用於比較該漣波電壓訊號和該第一參考電壓,並用於依據一比較結果輸出一開關訊號;以及一輸出控制電路,耦接於該比較電路和該阻容電路,用於依據該開關訊號和該PWM訊號產生一輸出訊號;其中,當該PWM訊號的一負載比大於一預設門檻值時,該輸出訊號的波形對應於該PWM訊號,當該PWM訊號的該負載比小於該預設門檻值時,該輸出訊號的波形不對應於該PWM訊號。
- 如請求項1的濾波電路,其中,該阻容電路包含:一第一電阻,具有一第一端用於接收該PWM訊號,以及具有一第二端;一第二電阻,具有一第一端耦接於該第一電阻的該第二端,以及具有一第二端用於接收一第二參考電壓;以及一電容,具有一第一端耦接於該第一電阻的該第二端和該比較電路,以及具有一第二端用於接收該第二參考電壓。
- 如請求項1的濾波電路,其中,該輸出控制電路包含:一輸出開關,具有一第一端、一第二端以及一控制端,該第一端用於接收該PWM訊號,該第二端用於產生該輸出訊號,該控制端用於接收該開關訊號;以及一第三電阻,具有一第一端耦接於該輸出開關的該第二端,以及具有一第二端用於接收該第二參考電壓。
- 如請求項3的濾波電路,其中,該比較電路的一正向輸入端用於接收該漣波電壓訊號,該比較電路的一反向輸入端用於接收該第一參考電壓,當該漣波電壓訊號大於該第一參考電壓時,該輸出開關切換至導通狀態。
- 如請求項3的濾波電路,其中,該比較電路的一正向輸入端用於接收該第一參考電壓,該比較電路的一反向輸入端用於接收該漣波電壓訊號,當該漣波電壓訊號大於該第一參考電壓時,該輸出開關切換至導通狀態。
- 如請求項1的濾波電路,更包含:一分壓電路,用於對該PWM訊號進行降壓,以產生降壓後的該PWM訊號,並將該降壓後的該PWM訊號輸出至該輸出控制電路;其中,該輸出控制電路用於依據該開關訊號和該降壓後的該PWM訊號產生該輸出訊號。
- 如請求項6的濾波電路,其中,該比較電路具有一正工作電源輸入端耦接於該分壓電路,用於接收該降壓後的該PWM訊號,具有一負工作電源輸入端,用於接收一第二參考電壓。
- 一種控制系統,包含:一控制裝置,用於產生一脈衝寬度調變(PWM)訊號;多個濾波電路,皆耦接於該控制裝置,分別用於接收且過濾該PWM訊號;以及多個輸出裝置,分別對應耦接於該多個濾波電路,用於依據該PWM訊號進行運作;其中,每個濾波電路包含:一阻容電路,用於依據該PWM訊號產生一漣波電壓訊號;一參考電壓產生電路,用於接收該PWM訊號,且用於根據該PWM訊號產生一第一參考電壓,其中該第一參考電壓的電壓大小變化對應於該PWM訊號的電壓大小變化;一比較電路,耦接於該阻容電路,用於比較該漣波電壓訊號和該第一參考電壓,並用於依據一比較結果輸出一開關訊號;以及一輸出控制電路,耦接於該比較電路和該阻容電路,用於依據該開關訊號和該PWM訊號產生一輸出訊號;其中,每一該些濾波電路具有各自所依據的一預設門檻值,當該PWM訊號的一負載比大於所依據的該預設門檻值時,該輸出訊號的波形對應於該PWM訊號,當該PWM訊號的該負載比小於所依據的該預設門檻值時,該輸出訊號的波形不對應於該PWM訊號。
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