压电换能器的高分辨率感测的制作方法

1.本发明涉及一种用于压电换能器或电活性换能器的驱动器电路，并且特别地涉及一种具有用于压电换能器的高分辨率感测的驱动器电路。


背景技术：

2.在使用压电效应的常规触觉反馈系统中，驱动器电路向压电换能器施加高压信号，并且响应于所施加的高压信号，压电换能器产生足以使用户产生触觉感的机械运动。另外，当用户向压电换能器施加力时，感测电路产生感测电压信号，这使得压电换能器能够用作开关。
3.当驱动器电路和感测电路是同一电路时，由于功率设备的互连引起的多个寄生效应，在感测的精度上存在许多限制。这些限制可能会限制感测在许多应用中的可行性。
4.本发明的目的是，通过为诸如压电换能器之类的任何电活性换能器提供更高分辨率感测的驱动器电路来克服现有技术的缺点。


技术实现要素：

5.相应地，本发明涉及一种对具有压电驱动器电路的压电换能器进行操作的方法，该压电驱动器电路包括具有第一寄生传导路径的第一开关，该方法包括：
6.对由施加到第一压电换能器的第一力产生的第一感测电压进行重复感测；
7.每当第一感测电压接近第一寄生传导路径的第一触发电平时，对第一感测电压进行放电，从而产生多个第一电压段；以及
8.根据多个第一段电压确定第一压电换能器上的第一总感测电压。
9.本发明的另一方面涉及一种用于对第一压电换能器进行操作的装置，该装置被配置为耦合至提供输入电压的电压源，并且被配置为在第一压电换能器上传输驱动电压，该装置包括：
10.驱动器电路，其包括包含第一寄生传导路径的第一驱动器电路开关，该第一驱动器电路开关被配置为连接至第一压电换能器，该驱动器电路被配置为接收输入电压并且传输驱动电压以在第一压电换能器上产生力或位移响应；
11.感测电路，其被配置为对由施加到第一压电换能器的第一力产生的第一感测电压进行感测，所述感测电路包括第一感测开关；以及
12.控制器，其被配置为控制第一驱动器开关和第一感测开关，从而每当第一感测电压接近第一寄生传导路径的第一触发电平时，就对第一感测电压进行放电，进而产生多个第一段电压，并且该控制器被配置为根据多个第一段电压确定第一压电换能器上的第一总感测电压。
附图说明
13.将参考表示本发明优选实施方式的随附附图更详细地描述本发明，其中：
14.图1是根据本公开的实施方式的压电换能器系统的示意图；
15.图2a和图2b是根据本公开的实施方式的压电换能器驱动器电路的示意图；
16.图3是根据本发明的实施方式的压电换能器系统的示意图；
17.图4是图3的压电换能器系统在不执行感测/驱动算法的情况下的输出电压对时间的曲线图；
18.图5是图1或图3的压电换能器系统在运行感测/驱动算法时的输出电压对时间的曲线图；
19.图6是用于控制压电换能器的算法的流程图；
20.图7是根据本公开的另一实施方式的多通道压电换能器系统的示意图；
21.图8是用于常规多通道压电换能器系统的压电感测电压的电压对时间的曲线图；以及
22.图9是用于图7的多通道压电换能器系统的压电感测电压的电压对时间的曲线图。
具体实施方式
23.尽管结合各种实施方式和示例描述了本教导，但是并非意在将本教导限于这样的实施方式。相反，本领域技术人员将理解，本教导包含各种替代方案和等同方案。
24.图1示出了压电换能器系统1，其可以使用压电换能器p1或诸如电活性聚合物换能器之类的某种其他形式的换能器，两者均作为用于驱动(例如触觉反馈)的致动器和用于力感测(例如开关或电平控制)的致动器。通常，电路被设计为驱动压电换能器p1或感测施加到压电换能器p1的力。当在同一系统中对两种功能进行组合和/或当同时操作多个压电换能器时，由系统的驱动器部分的输出设备(晶体管)产生的寄生路径会引起复杂情况。诸如ep 3065029(kyocera)中公开的常规系统除了驱动单元和检测单元之外还需要四个或五个开关以在不同模式之间改变并使寄生路径隔离。
25.压电换能器系统1包括压电换能器电路2，该压电换能器电路2包括输入级3、驱动器级4、放大器偏置/开关控制5以及输出级6，该输出级6包括压电换能器p1或一些其他电活性换能器。由于要处理高功率，压电换能器电路2可以在单个芯片中实现或使用分立部件来实现。输入级3可以包括通常介于20v与200v之间的高压电压源v
hv
或连接到通常介于20v与200v之间的高压电压源v
hv
，由此驱动器级4简单地以介于v
hv
与v
ref
之间的值来将期望的驱动器电压v
dr
驱动为在输出节点13处的输出电压v
out
并且驱动到输出级6(例如在压电换能器p1上)，该驱动器电压v
dr
具有与高电压源v
hv
相同的幅值或具有逐步降低的幅值(例如通常介于20v与80v之间)。
26.可替代地，输入级3可以包括低压源v
in
或连接至低压源v
in
，诸如电池，通常介于2v与10v之间，优选地介于3.6v与5v之间，其中驱动器级4还包括功率转换器电路18，该功率转换器电路18用于将输入电压v
in
转换为较高峰值(例如30v
‑
60v)的ac(交流)驱动器电压v
dr
。功率转换器电路18可以包括多个开关(例如功率转换晶体管)和其他电气部件，诸如用于将输入电压v
in
放大到所需的驱动器电压v
dr
的电感器和电容器。
27.驱动器级4可以包括一个或更多个驱动器级开关(例如，第一驱动器晶体管q
dr1
和第二驱动器晶体管q
dr2
)，所述驱动器级开关被配置为以所需的驱动电压v
dr
将输出节点13偏置为输出电压v
out
，以选择性地将驱动电压v
dr
传输到输出级6。第二驱动器晶体管q
dr2
在压电
换能器p1两端的输出节点13与参考节点20之间延伸，第二驱动器晶体管q
dr2
还可以被配置为在驱动器级4致动压电换能器p1以使正常感测继续进行之后使输出节点13放电，例如，回到0v。
28.放大器偏置/开关控制5可以包括控制器50，该控制器50控制驱动器级开关q
dr
(例如，第一开关q
dr1
和第二开关q
dr2
)的偏置，并且如果有必要，则控制功率转换器开关的偏置。存在多种方式来设计放大器偏置/开关控制5以实现期望的系统规范。控制器50还可以连续地感测(例如来自输出节点13的)输出电压v
out
，以确定是否已(例如由用户)向压电换能器p1施加了外力。特别地，控制器50确定外力以及测量为输出电压v
out
的来自压电换能器p1的结果感测电压v
sens
是否超过激活电平，这导致控制器50激活驱动器级4以将驱动器电压v
dr
传输到压电换能器p1来产生触觉响应，例如振动、平移和/或噪音。输出电压v
out
是在输出节点13与参考电压v
ref
之间测量的电压，该输出电压v
out
可以根据压电换能器系统1的当前活动而包括感测电压v
sens
和/或驱动器电压v
dr
。响应于来自外部世界(例如，包含压电换能器系统1的主机电子设备，诸如智能手表、智能电话或平板电脑)的外部指令信号，控制器50还可以激活驱动器级4以将驱动器电压v
dr
传输至压电换能器p1来产生触觉响应。
29.无源滤波器8可以(例如，平行于负载15，诸如一个或更多个压电换能器p1)设置在输出级6中，被配置成对压电换能器电路2的输出(例如，驱动电压信号v
dr
)进行滤波。无源滤波器8是任选的，但可以在不改变系统1的高电平特性的情况下使用。无源滤波器8可以插入在驱动器级4与负载15之间，以去除在到达负载15之前的驱动电压信号v
dr
中的高频成分。当驱动器级4使用d类放大器拓扑时，无源滤波器8是特别有用的。
30.参考电压v
ref
代表用于负载15(例如，压电换能器p1)的电压参考。参考电压v
ref
可以是系统中的接地电压或任何其他方便的电压(例如v
in
)。
31.高压保护电路9可以包括在放大器偏置/开关控制5中或与放大器偏置/开关控制5分离；高压保护电路9包括电子体系结构，该电子体系结构将来自输出节点13的输出电压v
out
(即，来自负载15的感测电压信号v
sens
和/或来自驱动器级4的驱动器电压v
dr
)调整(adapt)或限制(block)为用于一个或更多个模数转换器adc 17的适当的(例如，安全的)电压电平。一个或更多个adc 17将输出电压v
out
(即，感测电压信号v
sens
和/或驱动电压信号v
dr
)转换为数字表示，并且将感测电压信号v
sens
和/或驱动电压信号v
dr
的幅值的相对应的数字值传送给放大器偏置/开关控制5中的控制器50。
32.感测/驱动算法10可以以计算机硬件或计算机软件的形式储存在非暂时性存储器中，该非暂时性存储器或者作为压电换能器系统1的一部分或者在单独的存储器储存设备中；在各种应用期间，即使当感测电压信号v
sens
会触发直接连接到压电换能器p1中的驱动器晶体管q
dr
(例如，第一开关q
dr1
或第二开关q
dr2
)中的任一驱动器晶体管的寄生传导路径(例如，使体二极管正向偏置)时，感测/驱动算法10也使放大器偏置/开关控制5并且特别是使控制器50能够精确地感测负载(例如，压电换能器p1上的感测电压v
sens
)。例如：在压电换能器p1被致动之后去除压电换能器p1上的力的期间，特别是如果该力和结果感测电压v
sens
足够大以超过激活电平，则可能会产生负电压(例如，
‑
2v)，这在驱动器晶体管q
dr
的至少一个驱动器晶体管(例如，第二开关q
dr2
)中引起寄生泄漏，并且阻止控制器50精确地确定已施加到压电换能器p1的力。
33.因此，可以提供感测开关q
s
以将来自输出节点13的输出电压v
out
(即，感测电压
v
sens
)重复地置零，以使得能够对用于确定实际感测电压v
sens
的电压段进行编译。例如，感测开关(例如，感测晶体管q
s
)可以连接在压电换能器p1(例如，输出节点13)与参考电压(例如v
ref
、v
in
或接地)之间，具有连接到控制器50的控制端子(例如，栅极)，这使得在需要时使压电换能器p1上的感测电压v
sens
归零(即，放电)到参考电压v
ref
，如在下文中详细公开的。第二驱动器开关q
dr
或已经设置在压电换能器系统1中的某个其他合适的开关(例如，晶体管)也可以用作感测开关q
s
。
34.通信接口19使该系统1能够接收和发送如下信号：所述信号与驱动一个或更多个压电换能器p1有关和/或与感测一个或更多个压电换能器p1施加到外部世界(例如，包含压电换能器系统1的主机电子设备，诸如智能手表、智能手机或平板电脑)的力或从外部世界施加到一个或更多个压电换能器p1的力有关。压电换能器p1的激活可以向主机设备提供任何形式的用户输入的指示，例如开/关、调高音量、调低音量、输入(enter)等。
35.图2a和图2b表示针对压电换能器电路2的两个实施方式。驱动器级4可以基于不同的放大器体系结构，例如，a级、ab级、d级等，但从体系结构和组件的角度来看，负载15(例如，一个或更多个电活性换能器或压电换能器p1)连接在输出节点13与参考电压节点v
ref
或节点20之间以用于单极输出(图2a)。对于双极输出(例如，图2b)，负载15的每个端部连接在不同的输出节点13 和13
‑
处。在所有情况下，在输出节点13 和13
‑
处的输出电压v
out
(例如，驱动器电压v
dr
和/或感测电压v
sens
)可以通过一个或更多个开关(例如，晶体管q
dr1
、q
dr1
‑
、q
dr2
和q
dr2
‑
)最低限度地控制，使电流能够在高压电源v
hv
或v
in
(或电流源)与负载15上的参考电压v
ref
(例如，参考节点20)之间流动。
36.图3中示出了一个例外，其示出了如在2019年2月5日以simon chaput的名字发布的美国专利no.10,199,555中所描述的双晶体管体系结构，该美国专利通过引用并入本文。双晶体管驱动器级4使得能够通过第二开关q2在负载15中汲取电流和提供(sourcing)电流。在所有附图中，第一开关q1和第二开关q2的体二极管由二极管符号表示，以明确地示出寄生路径。对于所有晶体管，如果传导端子到传导端子(例如漏极
‑
源极(vds))的电压变得足够负(例如，在连接到负载15的第二开关q2的体二极管的泄漏电压或接通电压以上)，则电流将开始经由体二极管从第一传导端子(例如，源极)流动到第二传导端子(例如，漏极)。电流将开始在二极管中流动的泄漏电压通常根据所使用的半导体技术和确切设备而介于0.2v与0.7v之间。为了简化说明，我们假设使用n型mos晶体管；然而，本领域技术人员将认识到，其他晶体管(例如，p型设备)也会发生类似的情况。
37.压电换能器系统1包括压电换能器电路2，该压电换能器电路2包括输入级3、驱动器级4、放大器偏置/开关控制5以及输出级6。由于要处理高功率，压电换能器系统1可以以单个芯片来实现或使用分立部件来实现。输入级3可以连接到电压源v
in
，诸如电池，其通常具有介于6v与20v之间的输入电压v
in
，优选地具有介于9v与16v之间的输入电压v
in
。驱动器级4可以包括功率转换器电路18，该功率转换器电路18包括产生干净的正弦波形的正向
‑
升压/反向
‑
降压转换器。驱动器级4的功率转换器电路18可以包括连接到电压源v
in
的电感器l1和驱动器级开关(例如，驱动器晶体管q
dr
)，该驱动器级开关包括连接在电感器l1与接地之间的第一低侧开关q1和连接在电感器l1与输出级6之间的第二驱动器开关q2。第一开关q1中的晶体管的控制端子(例如，栅极)可以连接到放大器偏置/开关控制5中的第一栅极驱动器11，并且第二开关q2中的晶体管的控制端子(例如，栅极)可以连接到放大器偏置/开关控
制5中的第二栅极驱动器12。第一栅极驱动器11和第二栅极驱动器12二者都可以连接到控制器50，该控制器50将控制信号发送到第一栅极驱动器11和第二栅极驱动器12，以分别控制第一开关q1和第二开关q2的操作。
38.尽管将上述实施方式描述为用于正弦波形，但是本领域普通技术人员将理解，本文中描述的实施方式可以对任意的和复杂的模拟波形(例如，正方形的、三角形的、am调制的、fm调制的)进行操作，而不限于对正弦波形进行操作。
39.输入级3可以包括连接在低压源v
in
与接地之间的滤波电容器(c
vin
)和连接在低压源v
in
与单个电感器l1之间的感测电阻器(r
s
)。单个电感器l1可以连接在感测电阻器r
s
与驱动器级4的开关节点sw之间。可以包括在放大器偏置/开关控制5中的电流感测器7可以连接在感测电阻器r
s
的任一侧并连接到控制器50以测量进入电感器l1和驱动器级4的电流和/或电压。电流感测器7在操作期间的所有可能开关条件(例如，临界传导模式、不连续传导模式和连续传导模式)下提供双向电流感测。电流反馈感测器7确保第一开关q1和第二开关q2在正确的时间接通/关断以避免开关节点sw处的高开关损耗。
40.第二开关q2可以是n型晶体管，该n型晶体管包括：连接到开关节点sw并参考开关节点电压v
sw
的第一传导端子(例如，源极)、连接到负载15的第二传导端子(例如，漏极)以及连接到控制器50的第三控制端子(例如，栅极)。为了适当地控制控制端子，电平移位块14(可以包括在放大器偏置/开关控制5中)将来自控制器50的、参考接地的控制信号转化为参考浮置开关节点sw处的开关节点电压v
sw
的信号。在第一实施方式下，电平移位块14使得能够将数字控制信号幅度从数字逻辑电平缩放至适合于第二开关q2的更高幅度，例如，从1.8v缩放至5v。
41.电平移位块14可以将用于驱动电压信号v
dr
的参考电压v
ref
(即，参考节点20)从接地改变为任意浮置节点，在这种情况下为开关节点sw。尽管图3示出了用于第一开关q1和第二开关q2的n型晶体管，但是在替代实施方式中，对于电平移位块，可以使用具有类似要求的不同类型的开关(例如，p型晶体管)。对于p型开关晶体管，电平移位块14可以使用浮置自举电源(未示出)来为电平移位块14的输出提供期望的电平。
42.尽管期望差分驱动电压信号(v
dr
‑
v
in
)非常干净，但是输出节点13处的输出电压v
out
(例如，驱动电压信号v
dr
或感测电压v
sens
)不必参考接地。高压保护电路9可以包括差分放大器16，该差分放大器16连续地测量在参考电压v
in
与输出节点13处的输出电压v
out
(即，驱动电压v
dr
和/或感测电压v
sens
)之间的差分驱动电压，并将差值转换为馈送到模数转换器(adc)17的单端信号，该模数转换器(adc)17向控制器50提供输出电压v
out
的数字表示(即，驱动电压信号v
dr
和/或感测电压v
sens
)。
43.通信接口19可以包括串行外围接口(spi)，该串行外围接口实现如下通信协议，该通信协议使外部微控制器(或其他设备，例如，计算机)能够经由控制器50向压电换能器电路2发送信息/从压电换能器电路2接收信息，诸如用于特定实现方式的参考波形和内部设置。应当注意，spi是可以被实现以与控制器50接口的几种数字通信协议中的一种协议的示例。通信接口的其他示例包括但不限于i2c、tdm和i2s。
44.电感器l1可以是10μh电感器。可以选择电感器l1值以便：(1)实现目标失真，例如，较低的电感会增大开关频率并降低失真/thd n，和/或(2)使开关频率最小化，例如通常，较低的开关频率对应于较低的功耗。
45.尽管可以使用具有混合开关的实施方式，但是第一开关q1和第二开关q2可以是相同的类型，这对于集成电路(ic)实现而言可能是最实际的选择。在其他可能的开关之中，第一开关q1和第二开关q2可以包括例如gan、pmos。
46.输出级6可以参考输入电压v
in
而不是gnd。输出级6可以包括滤波器8(例如，电容器c
hv
)和负载15(例如，压电换能器p1中的一个或更多个压电换能器)。因此，为了获得p1上的0v差分，驱动电压v
dr
和输入电压v
in
可以相等。可以通过驱动器级4的功率转换器电路18来提供将负载15上的驱动电压v
dr
增大到输入电压v
in
以上。
47.在图3所示的压电换能器系统1中，对于来自例如3.6
‑
5v
dc
的输入电压v
in
的50至120v
ac
的驱动电压v
dr
，功率转换电路18的转换比(例如，电压放大率)可以大于10倍，并且优选地介于10倍与20倍之间。最初，控制器50使第一开关q1接通，并且连接到参考节点20(例如，接地)的电感器l1中的电流线性地倾斜上升。当控制器50使第一开关q1关断时，开关节点sw处的电压v
sw
使驱动电压v
dr
增大到期望的输出电压v
out
值，并且电流从电感器l1流过第二二极管q2以使输出电压v
out
增加。在此，第二开关q2的体二极管可以接通或第二开关q2可以接通，从而将开关节点sw连接到负载15并且对负载15(例如，压电体p1)进行充电。当电感器l1电流达到0时，第二开关q2被关断，并且开关节点电压v
sw
返回到0v。控制器50交替改变第一开关q1和第二开关q2的状态，以控制从负载15发送或提取的能量的量。在驱动器级4的功率转换器电路18中，由于升压转换器电压增益大部分时间都大于2，因此开关节点电压v
sw
可能会降低到小于0v的一点并且使第一开关q1的体二极管接通。于是，第一开关q1在零电压开关条件(zvs)下再次被接通，从而减小了与开关节点sw处的与寄生电容相关的开关损耗。
48.当第二开关q2关断时，第一开关q1在zvs条件下接通。然后，第一开关q1保持接通，直到电感器l1累加足够的能量以将开关节点电压v
sw
充电至驱动电压v
dr
。当第一开关q1关断时，开关节点电压v
sw
响应于(ring to)v
dr
，并且第二开关q2在zvs条件下被接通，从而减小了开关损耗。
49.压电换能器系统1的一个问题是不能精确地感测压电换能器p1上的负电压，该负电压受到驱动开关q
dr
中的至少一个驱动开关(例如，第二开关q2)的寄生传导路径(例如，体二极管)的泄露电压或接通电压v
to
(例如，
‑
0.3v)的限制。当压电换能器p1上的感测电压v
sens
使v
sens
‑
v
sw
变得小于由驱动开关q
dr
(第二开关q2)中的体二极管的泄漏设置的接通电压v
to
时，因为由压电换能器p1产生的所有其他电荷都被限制电压变化的体二极管传导取代，所以由控制器50读取的输出电压v
out
被大约限制在该接通电压v
to
。
50.参考图4，初始施加在压电体p1上的力会导致在压电体p1上产生逐渐增大的(例如，正)感测电压v
sens
，并且之后由控制器50读取的输出电压v
out
随着感测电压v
sens
逐渐增大，即，从0增加到最大电压(例如，2.0v)。当感测电压v
sens
达到激活电平(例如，1.8v)时，在压电换能器p1上强加驱动电压v
dr
，以产生触觉反馈事件，以通过驱动电压v
dr
使输出电压v
out
增大到例如50v以上。通过将p1上的电压设置为0v而使触觉事件终止。但是，释放压电体p1上的力或压力现在会产生逐渐减小的感测电压v
sens
和输出电压v
out
，这可能会使负电压变为比驱动开关q
dr
中的一个驱动开关(例如，第二开关q2)的体二极管的接通电压v
to
(例如，
‑
0.3v)小。不幸的是，在较低的电压(即，较大的负电压)下，因为由压电体p1产生的所有其他电荷都被限制测得的输出电压v
out
的变化的体二极管传导取代，所以压电p1上的感测电压v
sens
变得比由第二开关q2中的体二极管的泄漏电压或接通电压v
to
设置的上限小，并且由控制器50
读取的输出电压v
out
被限制为该上限电压。
51.图5示出了相对于基本体系结构的触觉系统的典型用例，其中增加了感测开关(例如，感测晶体管)q
s
，其可以是现有的驱动器级开关(例如，q
dr2
)(图1)、增加的感测开关q
s
(图1)或第三开关(例如，晶体管)q3(图3)的形式，以使感测/驱动算法10能够由控制器50执行。当用户在压电换能器p1上施加力时，负载15(例如，压电换能器p1)上的感测电压信号v
sens
通常在正方向上增大，直到感测电压v
sens
达到为设置为发起触觉影响激活电平为止。当达到激活电平时，不同的驱动器级开关q
dr
(例如，第一开关q1和第二开关q2)被控制器50偏置以在压电换能器p1上产生高压驱动电压信号v
dr
。压电换能器p1将驱动电压信号v
dr
变换为经由压电换能器p1的用户感觉到的位移或力。使用驱动器级开关中的至少一个驱动器级开关(例如，q2)，在触觉影响结束时将压电换能器p1上的感测电压信号v
sens
驱动回到0。然后，当用户从压电换能器p1移除力时，压电换能器p1上的感测电压信号v
sens
变为负。因此，可以由控制器50使用感测/驱动算法10以获得总感测电压v
senst
的精确表示(例如，数字值)，该总感测电压v
senst
由输出电压信号v
out
(例如，感测电压v
sens
)的段拼凑而成，该输出电压信号v
out
被连续感测(例如1ks/s
‑
10ks/s)，在每个采样处提供当前的临时数字表示，然后每当输出电压(即，感测电压v
sens
)接近寄生传导路径的接通电压时，例如每2
‑
4ms，由感测开关q
s
重复放电，从而为每次放电提供完整的段数字表示。尽管在图5中未描绘，但是一旦感测电压信号v
sens
或v
senst
达到激活电平，例如，小于
‑
1.8v，或者达到比激活电平值的幅值(绝对值)大的幅值(绝对值)，就可能会触发下面的触觉影响。
52.包括第三开关q3的感测开关(例如，感测晶体管)q
s
可以连接在压电换能器p1与参考电压(例如，v
ref
、v
in
或接地)之间，具有连接到控制器50的控制端子(例如，栅极)，这使得在需要时将压电换能器p1上的输出电压v
out
(例如，感测电压v
sens
)归零，即，放电到参考电压。因此，每当输出电压v
out
接近寄生传导路径的触发电平(例如，第二开关q2的体二极管的接通电压(
‑
0.3v))时，第三开关q3就可以由控制器50激活以使压电换能器p1上的输出电压v
out
(例如，感测电压v
sens
)归零。结果，每当基于v
sens
的输出电压v
out
达到阈值电压v
th
(例如，
‑
0.25v)时，在大于负接通电压(或小于正接通电压)的某个电平处，会产生完整的电压段，并由控制器50将该完整的电压段转换为数字值，增加到累加的感测电压值v
acc
，然后通过激活感测开关q
s
来进行放电。多个电压段(例如，其幅值与阈值电压(0.25v)大致相同，但通常取决于采样率而更大)被依次产生然后被放电。由控制器50执行的感测/驱动算法10可以根据多个电压段来确定例如提供压电换能器p1上的感测电压v
sens
的重构(数字)，并且在精确度至关重要时，根据当前感测电压v
sens
确定临时数字表示，从而形成代表总累加感测电压v
senst
的数字值。例如：由控制器50执行的感测/驱动算法可以将输出电压v
out
的不同电压段(参见图5)相加(以数字方式)，或者可以将输出电压v
out
在0与阈值电压v
th
之间移动的次数相加(以数字方式)，从而为压电换能器p1上的负电压提供了更好的感测性能。因此，控制器50可能能够确定用户何时已完全释放了压电换能器p1和/或设置了用于对施加在压电换能器p1上的次级力进行重置和确定的更精确的最小负电压(例如，幅值大于激活电平)。虽然图3中的体系结构要求增加感测开关q
s
(例如，第三开关q3)以能够实现感测/驱动算法10，但一些体系结构可能不需要增加额外的部件(例如，开关)以实施该方法，而是利用现有部件(例如，开关)改变控制算法可能就足够了。
53.参考图6，控制器50可以以下方式执行感测/驱动算法10。在正常操作期间，控制器
50正在执行包括感测步骤101的感测回路，优选地以介于每秒一千个采样与每秒一万个采样(1ks/s与10ks/s)之间的典型速率执行，以用于人机交互中的应用，从而产生当前感测电压v
sens
的临时数字表示。在进入感测回路之前，第一压电换能器p1在驱动器级开关q
dr
和感测开关q
s
关断的一侧(例如，v
in
)连接到参考电压v
ref
，从而创建高阻抗节点13，并使控制器50能够连续确定仅包括感测电压v
sens
的输出电压v
out
，即，用于感测施加在压电换能器p1上的力。在步骤101中，感测p1上的感测电压v
sens
(v
out
‑
v
ref
)。累加电压v
acc
的值最初被设置为0v，并且控制器50以上述采样率(例如每0.1到1毫秒)来感测并接收感测电压v
sens
的临时数字表示。
54.在决策步骤102中，控制器50通过以下方式确定压电换能器p1上的电压是否接近电路中的寄生路径中的任一寄生路径的触发电平：例如，确定感测电压v
sens
是否高于阈值电压v
th
或介于阈值电压v
th
与某些寄生路径或所有寄生路径的接通电压v
to
之间。如图5所示，当压电体p1上的感测电压v
sens
变得足够负时，在图3的实现方式中存在单个寄生路径。然而，图1和图8示出了其中压电体p1上的感测电压v
sens
的上界和下界可能触发寄生路径的情况。因此，决策步骤102验证是否通过压电体p1上的当前感测电压v
sens
来触发寄生路径。尽管该决策显示单个条件，但在实际应用中，可以测试多个条件。如果没有一个条件为真，即，压电体p1上的感测电压v
sens
不接近于触发寄生路径，则算法10进行到总计步骤103，在该步骤中，按照当前采样(即，临时数字表示)，总感测电压v
senst
等于累加电压v
acc
(如下文所述的累加步骤105的结果，或者如果先前没有触发寄生路径，则为0v)的电流值加上压电体p1上的感测电压v
sens
测量的电流的和。然后感测回路进行到比较步骤104，在该步骤中，将感测电压v
sens
或总累加感测电压v
senst
的值与(一个或更多个)任意激活电平进行比较。如下所述，在驱动步骤107中，取决于比较步骤104的结果，算法10可以在感测回路中继续，直到总累加感测电压v
sent
达到激活电平，或算法10退出感测回路以对驱动器级4和压电体p1进行驱动。
55.在算法10通过感测回路循环时，在决策步骤102处的条件中的一个条件(即，触发寄生路径)2可能变为真。当发生这种情况时，算法10将进行到累加步骤105。累加电压v
acc
的值将作为v
acc
被更新为基于当前采样(当前临时数字表示)在压电体p1上测得的当前感测电压v
sens
(或v
out
‑
v
ref
)与基于先前放电的感测电压v
sens
的数量(电压段的数字表示)的累加电压v
acc
的当前值之和。当算法10进入感测回路时，累加电压v
acc
的值总是为0，并且每当其经过累加步骤105时其值就被更新，使得控制器50可以确定由压电换能器p1产生的总累加感测电压v
senst
，如图5和图9所示。累加步骤105是一种特殊情况，其中总累加感测电压v
senst
等于新的累加电压v
acc
。然后在放电步骤106中，感测开关(例如，q
dr
或q
s
)用于将压电体p1上的电压放电至0v。感测开关q
s
接通的时间足够长，以确保可以实施利用滤波器正确放电。在比较步骤104中，在每个采样之后，当控制器50感测到总累加感测电压v
senst
(其可以是累加电压v
acc
当前感测电压v
sens
)时，即，其临时数字表示大于激活电平，即，施加在压电体p1上的力具有足够大的幅值，或者当在决策步骤102处从主机发送外部提示时，控制器50会切换到驱动步骤107。
56.在驱动器步骤107中，控制器50可以在驱动器级开关q
dr
和感测开关q
s
适当偏置的情况下激活驱动电压v
dr
，以响应于施加在压电体p1上的力或其他通知而产生触觉响应。在驱动步骤107期间，驱动器级开关q
dr
(例如，第一开关q1和第二开关q2)以及感测开关qs(第三开关q3)由控制器50适当地偏置以驱动第一压电换能器p1来产生对用户(例如，来自设备
的某种形式的通知，诸如施加在压电体p1上的力或响应外部通知，例如电话呼叫)的触觉响应。参考重复步骤108，在触觉影响结束时，如果例如来自主机设备的外部提示需要另一触觉响应或可以复原回到感测回路并且等待用户或设备的输入，则感测/驱动算法10可以重复驱动步骤107。在步骤101处返回到感测回路之前，控制器50可以通过首先接通感测开关q
s
和/或驱动器级开关q
dr
以使压电体p1上的输出电压v
out
放电(例如，到0v)(步骤109)，然后通过在复位步骤110处关断驱动器级开关q
dr
和感测开关q
s
以使由压电体p1产生的电荷能够积聚(或耗尽)并使在输出节点13(v
out
)与参考电压v
ref
(例如，v
in
)之间的电压改变，来执行第一复位步骤109和/或第二复位步骤110，使得控制器50精确地接收指示第一压电体p1上的感测电压信号v
sens
的输出电压v
out
。
57.为了避免寄生泄漏，对于连接到压电体p1的每个开关(例如晶体管，例如驱动器级开关q
dr
)，控制器50可以确定输出电压v
out
何时介于阈值电压v
th
与接通电压v
to
之间。例如，对于负电压，控制器50可以确定输出电压v
out
何时小于阈值电压v
th
。对于正电压，控制器50可以确定输出电压v
out
何时大于阈值电压v
th
。可替代地，控制器50可以确定输出电压
│
v
out
‑
v
ref
│
的幅值(或绝对值)何时大于阈值电压
│
v
th
│
的幅值(或绝对值)。参考图3，阈值电压v
th
(例如，
‑
0.25v)对应于比第二开关q2的接通电压v
to
(例如，
‑
0.3v)大的电压。
58.参考图1，针对所有驱动开关q
dr
或它们中的至少一些驱动开关，例如，直接连接到压电体p1的驱动开关(q
dr1
、q
dr2
、q2)或接通电压v
th
具有最低幅值或最高值的驱动开关q
dr
，可以向决策步骤102施加适当的阈值电压v
th
和接通电压v
to
。更一般地，决策步骤102询问输出电压v
out
值是否接近将触发压电换能器电路2中的现有寄生路径的值。压电换能器电路2中的寄生路径的数量可以变化。在图1的实施方式中有2个路径，例如q
dr1
和q
dr2
；在图2b的实施方式中有4个寄生路径，例如，q
dr1
、q
dr1
‑
、q
dr2
和q
dr2
‑
；并且在图3的实施方式中有1个寄生路径，例如，q2。
59.当对于至少一个测试的寄生路径的决策步骤102的答案为“是”时，在累加步骤105处控制器50将累加电压v
acc
计算为先前累加电压v
acc(i
‑
1)
加上当前电压段(即，(v
out
–
v
ref
)
i
)的和，每个电压段可以近似等于或略大于阈值电压v
th
的幅值。每个电压段被转换成数字表示，由控制器50将其相加。在这种情况下，总的重构电压v
senst
可以等于电压段的数字表示加上当前电压段的数字表示的和，v
sens
或(v
out
‑
v
ref
)。
60.每当感测电压v
sens
(v
out
‑
v
ref
)达到决策步骤102中的寄生条件并且执行累加步骤105时，控制器50就可以执行放电步骤106，在此期间，控制器50接通感测开关q
s
中的至少一个感测开关(例如，第二驱动器开关q
dr2
或第三开关q3)，并且通过其将输出电压v
out
–
v
ref
归零(例如，放电)至0v。然后，感测/驱动算法10继续以比通常在几毫秒内发生的第一压电体p1上的力的变化快的重复速率重复决策步骤102。因此，在数字系统中，可以每100μs至1ms重复感测回路，获得新的采样的感测电压v
sens
以及新的临时数字表示和新的总感测电压v
senst
，以在人机交互中得到良好的感测性能。
61.当对于所有寄生路径或至少一个或更多个经测试的寄生路径的决策步骤102的答案为否时(例如，在接通电压v
to
具有最小幅值或最大值的情况下)，在确定步骤103期间控制器50将重构电压或总累加感测电压v
senst
计算为感测电压v
sens
的当前电压段(即，(v
out
–
v
ref
))与累加电压v
acc
的和。如果在驱动器级4中不存在寄生路径，则总累加感测电压v
senst
的值表示在输出节点13处的输出电压v
out
处的电压。
62.感测/驱动算法10的特定示例包括感测回路，其中压电体p1继续感测力的施加，直到决策步骤104确定总累加感测电压v
senst
是否大于激活电平或主机设备发送外部提示，这将导致控制器50激活驱动级4(步骤107)，例如，使驱动器级开关q1和q2偏置，以产生驱动器电压v
dr
并将其传输到压电体p1。在施加到压电体p1上的电压波形结束时，例如频率为200hz且幅值为50v的正弦波形的单个周期，然后该系统返回到感测回路。在步骤109处，驱动器级开关q
dr
或感测开关q
s
中的一者可以接通足够长的时间以使压电体p1放电(例如，放电到0v)，以及在步骤110处，然后可以关断驱动器级开关q
dr
(例如，第一开关q1和第二开关q2)，以使由压电体p1生的电荷能够积聚，从而使在输出电压v
out
与参考电压v
ref
之间的电压随着施加在压电体p1上的力而增大和/或减小。
63.当原始力的施加继续时，例如在释放力期间，或在第二次连续力的施加期间，控制器50确定输出电压v
out
，(即，输出电压v
out
减去感测电压v
sens
，代表参考电压v
ref
)是否接近步骤102中的寄生泄漏条件。换句话说，输出电压v
out
是否为足够大的负电压以克服驱动器级开关q
dr
中的一个驱动器级开关(例如，第二开关q2)中的体二极管的泄漏电压或接通电压v
to
，是通过确定输出电压v
out
是否大于驱动器级开关q
dr
中的至少一个驱动器级开关(例如，第二开关q2)中的预定阈值电压v
th
(其小于泄漏电压v
to
)进行的。如果感测电压v
sens
且因此输出电压v
out
达到阈值电压v
th
(例如，
‑
0.5v)，则(步骤105)控制器50将输出电压v
out
的介于0与近于阈值电压v
th
之间的电压段(通常刚好高于阈值电压v
th
)增加到步骤105中的累加电压v
acc
。控制器50将感测开关q
s
(例如，第三开关q3)接通一段时间(步骤106)，该时间长到足以使第一压电体p1放电到0v。可以以比第一压电体p1上的力的变化快的速率重复该累加过程(步骤105)，该变化通常会发生在几毫秒内，例如每秒1000个采样(1ks/s)到每秒10000个采样(10ks/s)。在每个采样期间，如果未满足阈值电压v
th
，则控制器50可以将总感测电压v
senst
计算为(步骤103)累加电压v
acc
加上当前参考电压段值v
sens
(即，v
out
减去参考电压v
ref
)，其可以为0(对于接地)。
64.参考图7，可以利用单个驱动器电路来独立地驱动多个负载15，每个负载包括多个压电换能器，例如在所示实施方式中的p1和p2。压电换能器系统21包括压电换能器电路2，该压电换能器电路2包括输入级3、驱动器级4(其可以包括功率转换器电路)、放大器偏置/开关控制5以及输出级6。由于要处理高功率，压电换能器系统21可以以单个芯片实现或使用分立部件来实现。输入级3可以连接到电压源(诸如电池)，该电压源通常产生介于2v至10v之间的输入电压v
in
，优选地介于3.6v至5v之间的输入电压v
in
。如前所述，驱动器级4可以是如前所述的产生干净的正弦波形的正向
‑
升压/反向
‑
降压转换器。驱动器级4可以包括连接到电压源v
in
的电感器l1和一个或更多个驱动器级开关q
dr
(例如，连接在电感器l1与接地之间的第一低侧开关q1和连接在电感器l1与输出级6之间的第二开关q2)。第一开关q1中的晶体管的控制端子(例如，栅极)可以连接到第一栅极驱动器11，并且第二开关q2中的晶体管的控制端子(例如，栅极)可以连接到第二栅极驱动器12。第一栅极驱动器11和第二栅极驱动器12都可以连接到控制器50，该控制器50将控制信号发送到第一栅极驱动器11和第二栅极驱动器12，以控制驱动器或功率转换器开关q
dr
的操作，例如分别控制第一开关q1和第二开关q2的操作，如前所述。
65.输入级3可以包括连接在低压源v
in
和高压波形v
hv
两端的滤波电容器(c
hv
)以及连接在低压源v
in
与单个电感器l1之间的感测电阻器(r
s
)。单个电感器l1可以连接在感测电阻
器r
s
与驱动器级4的功率转换器电路的开关节点sw之间。如上所述，电流感测器7可以连接在感测电阻器r
s
的两侧并且连接到控制器50以测量进入驱动器级4的功率转换器电路和电感器l1的电流和/或电压。
66.一个或更多个驱动器级开关q
dr
可以包括：连接在第二开关q2与第一压电体p1之间的第四(或第一压电选择)开关q4，该开关q4可以由控制器50激活以独立地控制第一压电体p1的充电/放电；以及连接在第二开关q2与第二压电体p2之间的第五(或第二压电选择)开关q5，该开关q5可以由控制器50激活以在其触觉驱动期间分别独立地控制第一压电换能器p1和第二压电换能器p2的充电/放电。可以提供零功率唤醒感测机构zps1和zps2，如在2018年9月20日以boreas technologies,inc.的名义提交的美国专利申请no.16/136,347中公开的那样(其以引用的方式并入本文)，以基于施加到第一压电换能器p1或第二压电换能器p2的力以及从第一压电换能器p1或第二压电换能器p2接收的结果电压信号，来唤醒压电换能器系统21，特别是唤醒第一压电换能器p1或第二压电换能器p2。
67.由第一压电换能器p1和/或第二压电换能器p2分别产生的感测电压v
sens1
或v
sens2
可能经常超过驱动器级开关q
dr
或感测开关q
s
的体二极管的接通电压电平。由于经由驱动器级开关q
dr
(例如，第四开关q4和第五开关q5和/或感测开关q3和q6)的寄生路径，当在压电换能器p1和p2上发生力的变化时，每个压电换能器p1和p2的两端之间的电压差将增大。当代表感测电压v
sens1
或v
sens2
的输出电压v
out1
或v
out2
超过驱动器级开关q
dr
或感测开关q
s
中的一个或更多个开关的寄生二极管的泄漏电压或接通电压时，电流将开始在驱动器级开关q
dr
和/或感测开关q
s
的二极管中流动，这将基于来自压电换能器p1或p2的感测电压v
sens1
或v
sens2
来限制可用于控制器50的输出电压信号v
out
，以测量施加到其上的力的变化。例如，任何时候输出电压(或感测电压v
sens1
或v
sens2
)：
68.(v
out1
或v
out2
)
‑
v
hv
>v
to
(～0.3v)，例如，对于驱动器级开关q4和q5，或
69.(v
out1
或v
out2
)
–
v
ref
<v
to
(～
‑
0.3v)，例如，对于感测开关q3和q6，可能会触发寄生路径。当这发生时有很多种情况，例如驱动器级4可以在第二压电换能器p2上驱动0v，而第一压电换能器p1正在感测施加的力，从而产生高于0.3v的第一感测电压信号v
sens1
，这将触发驱动器级开关q4中的寄生路径。
70.图8使用图7的简单情况说明了该问题。当第一压电换能器p1上的力的变化在压电换能器p1上产生具有足够高以触发驱动开关qdr中的一个驱动开关(例如，q4或q5)中的两个寄生二极管中的一个生二极管的幅值的第一感测电压v
sens1
时，则基于第一压电换能器p1上的第一感测电压v
sens1
的第一输出电压v
out1
在驱动开关qdr中的一个驱动开关的接通电压v
to
附近饱和，而不是与施加在第一驱动器p1上的力成比例。简而言之，一旦驱动开关qdr中的一个驱动开关的寄生二极管基于第一感测电压v
sens1
使第一输出电压v
out1
饱和，则第一压电换能器p1对于在相同方向上的力的另外的变化变得不敏感。
71.例如，参考图8，对于常规的多压电系统，在第一压电换能器p1上施加初始力的期间，正感测电压v
sens1
将在out1与v
ref
之间的第一压电体p1上产生。假设驱动器级4不驱动任何信号，则如图5所示，感测电压v
sens1
将响应于力的施加而正常产生。但是，如果碰巧同时在第二压电换能器p2上施加了第二驱动电压信号v
dr2
，则由于驱动开关q
dr
中的一个或更多个驱动开关(例如，q4)中的体二极管，第一压电换能器p1上的第一感测电压信号v
sens1
将基于第二压电换能器p2上的第二驱动电压v
dr2
(例如，在高电压节点v
hv
处)而在各种电压下饱和。
因此，当驱动电压(例如v
dr1
或v
dr2
)经由高压节点v
hv
被发送到第一压电换能器p1和第二压电换能器p2中的任一者时，无法读取在此多通道体系结构中精确地施加在第一压电换能器p1或第二压电换能器p2上的力。
72.感测开关q
s
可以包括：第三开关q3，该第三开关q3可以连接在第一压电换能器p1与参考电压v
ref
之间，具有连接到控制器50的控制端子(例如，栅极)；以及第六开关q6，该第六开关q6可以连接在第二压电换能器p2与参考电压v
ref
之间，具有连接到控制器50的栅极，提供与图3中的第三开关q3相似的功能，即，使控制器50能够在所有情况下独立地控制第一压电换能器p1和第二压电换能器p2彼此独立地放电。因此，分别基于第一压电换能器p1上的第一感测电压v
sens1
或第二压电换能器p2上的第二感测电压v
sens2
，控制器50可以分别激活第三开关q3和第六开关q6，以使第一输出电压v
out1
或第二输出电压v
out2
归零，每当第一输出电压v
out1
或第二输出电压v
out2
接近驱动器级开关q
dr
或感测开关q
s
(例如，q4、q5、q3或q6)的体二极管的接通电压(例如，0.3v)时，即，每当输出电压v
out1
或v
out2
达到阈值电压v
th1
或v
th2
(例如， /
‑
0.25v)时，其小于驱动开关q
dr
和/或感测开关q
s
(例如，q4、q5、q3或q6)中的一个或更多个开关的体二极管的接通电压v
to
。可以为每个驱动器级开关(例如，q4和q5)设置不同的第一阈值电压v
th1
，并且可以为每个感测开关q3和q6设置不同的第二阈值电压v
th2
，或者可以为压电选择开关中的一些或全部电压选择开关以及为感测开关中的一些或全部感测开关设置单个阈值电压v
th1
。
73.通常，当在第一压电体p1上进行感测时，同时正在发生另一种动作，例如，驱动第二压电体p2或继续对第一压电体p1或第二压电进行感测，基于节点v
hv
处的、引起寄生触发的第二驱动器电压v
dr2
为驱动器级开关q4设置第一(上)阈值电压v
to1
(约0.2v至0.4v)，并且根据基于引起寄生触发的感测电压v
sens2
的输出电压v
out
为感测开关q3设置第二(下)阈值电压v
to2
(
‑
0.2v至
‑
0.4v)。针对第二压电体p2也是如此，即(v
out
)
–
v
hv
>v
to1
(～0.3v)，例如对于开关q4和q5，或(v
out
)
–
v
ref
<v
to2
(～
‑
0.3v)，例如对于开关q3和q6。
74.由控制器50执行的算法10可以以数字方式重构第一压电换能器p1和/或第二压电换能器p2上的实际累加感测电压v
senst1
或v
senst2
，这是通过如下方式实现的：将在0与适当的阈值电压v
th1
或v
th2
之间移动的输出电压v
out
的不同段相加，即，小于对应的驱动开关q
dr
或对应的感测开关q
s
中的一个或更多个开关(例如，q4、q5、q3或q6)的体二极管的接通电压v
to
，从而为第一压电换能器p1和第二压电换能器p2上的感测电压v
sens1
和v
sens2
提供了更好的感测性能，这通常对应于触摸界面中的释放或者同时或一致地驱动和/或感测第一压电换能器p1和第二压电换能器p2。
75.为了能够在所有通道(例如，第一压电换能器p1和第二压电换能器p2)上独立地精确感测，可以独立于其他通道上的驱动活动而激活归零或感测开关q3和q6。因此，当将力施加到第一压电体p1，而将驱动信号v
dr2
施加到第二压电换能器p2时，在基于第一压电体p1的第一感测电压v
sens1
的输出电压信号v
out1
达到阈值电压v
to1
或v
to2
(例如， /
‑
0.25v)，接近(小于)第四开关q4或第三开关q3的体二极管分别开始通过电流时的泄漏电压或接通电压v
to1
或v
to2
(例如， /
‑
0.3v)时，第三开关q3用于使第一压电换能器p1放电(参见图8的左侧)。控制器50可以从介于0v与对应的阈值电压v
th1
和v
th2
(例如，一个负和一个正)之间的小段以数字方式确定第一压电换能器p1的第一总累加感测电压信号v
senst1
，以提供来自第一压电换能器p1的实际感测电压信号v
senst1
的精确表示，如上面参考图1和图2所述。
76.图9示出了图6中描述的方法的结果。当处于感测模式时，控制器50分别监测第一压电换能器p1和第二压电换能器p2上的感测电压v
sens1
和v
sens2
(即，输出电压v
out1
和v
out2
)，连续地用于模拟实现或以比用于数字实现的测量信号快的速率实施。在人机界面的情况下，力的变化通常会在几毫秒内发生，因此介于1ks/s与10ks/s之间的采样率足以获得感测电压信号v
sens1
和v
sens2
的良好表示。
77.参考图9的左侧，当第二压电换能器p2由控制器50主动地驱动，并且同时将力施加到第一压电换能器p1时，由此在第一压电换能器p1上的感测电压信号v
sens1
接近驱动开关q
dr
或感测开关q
s
(例如，第三开关q3或第四开关q4)中的寄生二极管中的一个寄生二极管的接通电压或泄漏电压，第三开关q3被接通以将与第一压电换能器p1的第一感测电压v
sens1
相对应的第一输出电压v
out
放电至v
ref
(例如，vdd)。第三开关q3接通的时间长度将取决于几个因素，诸如第一压电换能器p1的电容、第三开关q3的传导通道电阻r
dson
和滤波器8的存在。第三开关q3应该被接通足够长的时间，以使第一压电换能器p1从阈值电压基本放电到0v。对于示例性实施方式，时间可介于在100us与1ms之间。在刚好接通第三开关q3之前，测量第一输出电压v
out1
并将其作为当前感测电压v
sens
增加到在控制器50中或连接到控制器50的累加器，以将每个参考电压段增加到累加电压v
acc
中。如果在功率转换器级的开关(晶体管)中不存在寄生路径，则累加器使控制器50能够跟踪在压电换能器p1或p2上出现的实际的第一感测电压v
sens1
和第二感测电压v
sens2
。
78.对于相同的情况，即，在将驱动电压信号v
dr2
施加到第二压电换能器p2的情况下，当从第一压电换能器p1释放力时，会产生与上面参考图4和图5详述的相同问题。
79.因此，每当第一输出电压v
out1
接近例如第四开关q4的体二极管的接通电压v
to1
(例如0.3v)和/或第三开关q3的接通电压v
to2
时，即，每当第一输出电压v
out1
达到阈值电压v
th1
和/或v
th2
(例如， /
‑
0.25v)，小于接通电压v
to
时，第三开关q3就可以由控制器50激活以使在第一压电换能器p1上测得的第一输出电压v
out1
或第一感测电压v
sens1
归零。由控制器50执行的算法10可以以数字方式重构第一压电换能器p1上的实际总感测电压v
senst1
，这是通过如下方式实现的：将当前感测电压v
sens
(即，其临时数字表示)与来自输出电压v
out1
的不同段(参见图8的右侧)的累加电压v
acc
相加，该输出电压v
out1
表示在0与刚好高于对应的阈值电压v
to1
或v
to2
之间移动的感测电压v
sens
，即，小于第三开关q3和第四开关q4的体二极管的接通电压，从而为第一压电换能器p1上的负电压提供了更好的感测性能。
80.电压多路复用器40可以被连接在感测开关q
s
(例如，第三开关q3和第六开关q6)与控制器50之间。电压多路复用器40可以提供两种功能：1)将来自不同通道(例如，第一压电换能器p1和第二压电换能器p2)的输出电压信号(例如，v
out
1和v
out2
)多路复用到针对小输入范围(例如，100uv至100mv/比特)进行优化的放大器41，该放大器可以非常精确地读取来自多个压电换能器(例如，p1至p
n
)的输出电压(例如，v
out1
至v
outn
)，并实现高灵敏度；以及2)提供高压输入设备，以在多个压电换能器p1至p
n
被驱动时，保护低压电子设备免受多个压电换能器p1至p
n
上的高压致动器信号(例如，50v)的影响。
81.电压多路复用器40可以包括多个输入，每个输入来自每个压电换能器(例如，p0至p
n
)。每个输入连接到高压开关q
0h
至q
nh
和低压开关q
0l
至q
nl
。相应的电平移位器s0至s
n
连接在高压开关q
0h
至q
nh
和低压开关q
0l
至q
nl
的栅极与控制器50之间，当正在测量压电体p0至p
n
中的一者的感测电压时，该控制器50激活高压开关q
0h
至q
nh
和低压开关q
0l
至q
nl
中的相应一个
开关。高压开关保护低压电路免受可能损坏低压电路的任何信号的影响(取决于所使用的确切设备，通常为高于1.8v与5v的范围的任何信号)。
82.将电压(正和负)限制在阈值电压v
th
以下的方法，在该阈值电压v
th
点处，电流开始在连接到压电换能器的开关(例如，晶体管)的体二极管中泄漏，所述开关例如为驱动开关(晶体管)q
dr
或感测开关qs，诸如第三开关q3、第四开关q4、第五开关q5和第六开关q6。使用感测开关(例如第三开关q3和第六开关q6)，使来自多个压电换能器的感测电压v
sens1
至v
sensn
能够被精确且独立地读取，同时为ic的驱动器功能共享相同的功率晶体管。控制器50中的数字算法10使来自第一压电体p1和/或第二压电体p2的感测电压信号(例如v
sens1
和v
sens2
)能够被精确地以数字方式重构，就好像不存在寄生路径一样。基于该经重构的信号，压电换能器系统1可以用于精确地使用多个压电换能器作为感测器并在其上播放触觉波形。
83.控制器50中提供的感测算法显示出以下特征：1)提供对压电换能器p1和p2上压力的增大和减小的精确感测；2)与多通道体系结构兼容；3)每个感测通道可能仅需要单个晶体管，例如q3或q6；4)能够在一个通道(例如，压电体p1)上驱动触觉响应，同时感测施加在不同通道(例如，压电体p2)上的力；5)感测多个压电换能器上的正负电压的能力；6)在感测多个换能器时避免串扰或耦合效应；7)在高压节点处直接感测低压信号实现了高灵敏度；8)可配置的“复位”阈值，以使该方法适应系统中存在的实际寄生路径；以及9)除了用于驱动之外，可以不需要用于感测的额外组件。
84.用于控制压电换能器电路2的控制器50(例如，数字控制器)可以是计算机。控制器50可以包含处理器、储存设备、储存有限定上述功能的软件的存储器、输入和输出(i/o)设备(或外围设备)以及允许在控制器50内进行通信的本地总线或本地接口。如本领域中已知的，本地接口可以是例如但不限于一个或更多个总线或其他有线连接或无线连接。本地接口可以具有附加元件，该附加元件为了简单起见而被省略，诸如控制器、缓冲器(高速缓存)、驱动器、中继器和接收器，以实现通信。此外，本地接口可以包括地址、控制和/或数据连接，以使得能够在前述组件之间进行适当的通信。
85.处理器可以是用于执行软件、特别是执行储存在存储器中的软件的硬件设备。处理器可以是任何定制的或在市场上可买到的单核或多核处理器、中央处理单元(cpu)、与本控制器50相关联的若干理器之中的辅助处理器、基于半导体的微处理器(例如，呈微芯片或芯片组的形式)、宏处理器或用于执行软件指令的基本上任何设备。
86.存储器可以包括易失性存储元件和非易失性存储元件中的任一者或组合，该易失性存储元件例如为随机存取存储器(ram，诸如dram、sram、sdram等)，该非易失性存储元件例如为rom、硬盘驱动器、磁带、cdrom等。此外，存储器可以包含电子、磁性、光学和/或其他类型的储存介质。注意，存储器可以具有分布式体系结构，其中各种组件彼此远离地定位，但是可以由处理器访问。
87.根据本发明，软件可以限定由控制器50执行的功能。存储器中的软件可以包括一个或更多个单独的程序，这些程序中的每个程序包含用于实现控制器50的逻辑功能的可执行指令的有序列表，如下所述。存储器可以包含操作系统(o/s)。操作系统实质上控制在控制器50内的程序的执行，并提供调度、输入输出控制、文件和数据管理、存储器管理以及通信控制和相关服务。
88.i/o设备可以包括输入设备，例如但不限于键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等。此外，i/
o设备还可以包括输出设备，例如但不限于打印机、显示器等。最后，i/o设备还可以包括经由输入和输出两者进行通信的设备，例如但不限于调制器/解调器(调制解调器；用于访问另一设备、系统或网络)、射频(rf)或其他收发器、电话接口、网桥、路由器或其他设备。
89.如上所述，当控制器50处于操作中时，处理器可以被配置为执行储存在存储器中的软件，以与存储器进行数据通信，并且通常依照软件来控制控制器的操作。
90.当控制器50的功能处于操作中时，处理器可以被配置为执行储存在存储器中的软件，以与存储器进行数据通信，并且通常依照软件来控制控制器的操作。操作系统可以被处理器读取，可能在处理器内被缓冲，然后被执行。
91.当控制器50以软件实现时，应注意的是，用于实现控制器50的指令可以被储存在任何计算机可读介质上，以供任何与计算机相关的设备、系统或方法使用或与其结合使用。在一些实施方式中，这样的计算机可读介质可以对应于存储器或储存设备之一或两者。在本文的上下文中，计算机可读介质是电子、磁性、光学或其他物理设备或器件，其可以包含或储存计算机程序以供与计算机相关的设备、系统或方法使用或与其结合使用。用于实现该系统的指令可以体现在任何计算机可读介质中，以供处理器或其他此类指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用。尽管通过示例的方式提到了处理器，但是在某些实施方式中，这种指令执行系统、装置或设备可以是任何基于计算机的系统、包含处理器的系统或者可以从指令执行系统、装置或设备获取指令并执行指令的其他系统。在本文的上下文中，“计算机可读介质”可以是可以对程序进行储存、通信、传播或传输以供处理器或其他此类指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的任何器件。
92.这样的计算机可读介质可以是，例如但不限于，电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、装置、设备或传播介质。计算机可读介质的更具体的示例(即，非详尽列表)将包括以下内容：具有一根或更多根线的电连接(电子)、便携式计算机软磁盘(磁性)、随机存取存储器(ram)(电子)、只读存储器(rom)(电子)、可擦可编程只读存储器(eprom、eeprom或快闪存储器)(电子)、光导纤维(光学)和便携式光盘只读存储器(cdrom)(光学)。注意，计算机可读介质甚至可以是纸张或其他适合打印程序的介质，因为可以经由例如纸或其他介质的光学扫描来以电子的方式捕获程序，然后如果必要，以适当的方式对其进行编译、解释或其他处理，然后将其储存在计算机存储器中。
93.在替代实施方式中，其中控制器50以硬件实现，控制器50可以通过以下本领域中众所周知的技术中的任一种或组合来实现：具有用于对数据信号实施逻辑功能的逻辑门的(一个或更多个)分立逻辑电路，具有适当组合的逻辑门的专用集成电路(asic)、(一个或更多个)可编程门阵列(pga)、现场可编程门阵列(fpga)等。
94.为了说明和描述的目的，已经给出了本发明的一个或更多个实施方式的前述描述。并不旨在穷举本发明或将本发明限制为所公开的精确形式。鉴于以上教导，许多修改和变化是可能的。意图是，本发明的范围不由该详细描述限制，而是由所附权利要求书限制。