1、0一个非线性电谐振器作为一个简单的触摸感应开关与记忆存储器 摘要我们介绍了一个新的切换机构，它依赖于一个简单的非线性电谐振器，其中包括一个变容二极管作为其电容元件的双稳态的切换动作，开关动作可以快速和自包含在电路中。不同于一个触发器的翻转，其状态是通过施加一个 TTL脉冲翻转，这种非线性开关可以通过磁，电感性或电容性耦合被接合到外部电路，在这种方式中，开关变为本质触摸敏感。 另外，开关动作也可以使用频移键控（FSK）调制，实现有记忆状态的快速操作的承诺。 我们通过构建一个触摸感应的 LED 点阵证明这些想法的潜在应用。关键词：非线性开关;电气谐振器的双稳态特性;触摸灵敏度1.介绍在数字电子技术
2、，可以在两个状态之间进行切换的典型的存储元件， 当然是触发器。SR 触发器无处不在，例如，它包含两个交叉的 NOR（或 NAND）门。当无信号时，触发器的状态保持在其以前的配置，并以它翻转到另一种状态的简要电压信号（TTL 脉冲）被施加到相应的输入。 在这里，我们提出了一个非线性电谐振器，在某些方面的作用就像一个触发器。正如我们表明，它的两个状态之间的切换是通过驱动频率协议（FSK 调制）来实现，或通过将一个磁铁或到附近的谐振器的电感器来完成的，它也可以通过电容耦合被切换。 设置完成后，系统会记住它的状态，直到另一个开关动作。 然而，不像一般的触发器，该元件可被诱导以从电路的外面进行切换。 另
3、外，频率调制方案可以快速切换。 最后，我们将通过构建一个可控的 LED阵列展示这一理念的应用程序。 由于开关动作可以出现在响应触摸（通过改变电容）或靠近磁铁或电感器，这种谐振就像触摸感应开关， 这也许会让人联想到一个“触摸灯” 。当这种灯的金属外壳被触摸时，它的有效电容增加。有那么多的方式来电容转换为数字输出1 。即使是最简单的方案采用了数字集成电路元件： 一个固定幅度的交流电压驱动器充电和放电的住房，并在接触充电电流增加，进一步电路检测这1种增强的电流和开关一个触发器。 相反，我们的非线性谐振器，不需要任何进一步的固态电子像一个开关，不需要使用任何比较器或触发器。最近，在电容耦合和传感领域已
4、经取得了巨大的进步，这也导致触摸敏感的液晶屏幕的发展。这里再次指出，控制器和微型处理器的并入是计算在屏幕上触摸的位置2,3。刚提出的非线性谐振器阵列的电源（见讨论的原型）是没有这样的过程，开关动作主要依靠双稳性的非线性谐振器。另外，快速开关可以通过完成驱动系统在一个恒定的频率快速切换，然后在很短的时间间隔（FSK 调制脉冲宽度）切换到附近的频率。我们证明该脉冲宽度可以小到两个振荡周期。在这里所使用的谐振器中，最短的开关脉冲为7S，但在原则上，通过降低电感值或采用较低的有效电容的变容二极管，这段时间可以大大地重新缩短。毫无疑问，开关速度通过改变扩展组件的属性和增强的共振频率进而达到千兆赫兹范围内
5、。当然，利用这种共振双稳态的想法，在大量物理系统中已提出和实现，如在光学腔4,5，在自旋系统6，和测微机械振荡器。 在这里7,8，利用于类似的原则，我们提出了一个简单的电子振荡器。2.谐振电路 图1 描绘了基本的非线性振荡器。它是由简单的电感和变容二极管并联组成。因为跨越电荷存储的 pn 结耗尽层，所以后者是一个电容元件， 。由于电压依赖性，耗尽层的宽度，是二极管的有效电容。此外，二极管也允许电流流过它（在一个方向上） ，并可以被建模为一个电阻性元件，具有电压依赖性电阻。从平行9电路的角度可以被视为容性和电阻特性的二极管。在这里,我们选择径向引线的电感 L = 330 mH。 NTE-618的
6、二极管，其特征在于，在零偏置电压时，有效的电容约800 pF，相当于一个电压灵敏度较大电容;当反向偏压二极管的电容值减小。 线性谐振频率被计算为 。HZLCf31021为了激发该谐振器，我们将其结合到一个信号发生器，通过一个相当大的电阻器 R 1 = 10千瓦。 请注意，以这种方式，可以驱动该谐振器的多个副本。较大的驱动振幅的谐振曲线如图2（a）所示。对于低振幅（图中未示出） ，2谐振频率和轮廓接近线性的共振，即分布在洛伦兹所预期的310千赫的附近。曲线的宽度大约为30千赫，这产生一个相对低的品质因数 Q。现在，让我们专注于高振幅的跟踪。在 A = 3.3 V，驱动是强大到足以推动谐振器到完全
7、非线性的制度。因此，我们可以清楚地看到，谐振器的特点是柔软的非线性共振曲线偏向较低的频率（左） 。 更重要的是，我们观察到的一般特征：更重要的是，我们观察到滞后于该配置文件的通用功能取决于频率扫描方向。黑色的轨迹对应向上扫描的频率，而红色迹线对应于向下扫描。我们看到的痕迹，除了在一个狭窄的频率窗口彼此都十分接近。在这个窗口内，从大约 f = 247千赫到 f = 258千赫，有两个稳定的解决方案。实际上，其中是由哪一个系统实现依赖于初始条件，或在这种情况下，它的系统状态。将两种溶液在 255千赫的驱动频率，在 图2（b） 中的时域 （见虚线 所示线在上面板） 。 3图1：谐振电路的基本组成是一
8、个电感和一个变容二极管。 该二极管具有有效的电容并引入到非线性的系统中。谐振器在 P 点测量电压响应。图2：（a）频率扫描显示双稳态。黑色缓缓下降的迹线是谐振器的响应频率，而红色的跟踪，它被清扫;（b）在255千赫，显示出了谐振器的两个状态中的时间响应。低幅度的解决方案是对称的振幅刚刚超过0.5 V，没有太多的电流流过二极管的正向。 然而高振幅的解决方案是非常非对称，当反向偏置时，电压可以高达至1.67 V，而在正方向，电压不能超过0.64 V;超出此值，流经二极管的电流变大。这双稳态之间的小振幅、高振幅的解决方案基于该谐振器上触敏开关的应用。为了证明这个应用程序，我们使用该电路驱动一个 LE
9、D，如在 图3 中示出。谐振器的响应是连接一个 NPN 晶体管的基极来控制通过 LED 的电流的流动。在这种方式中，如果实现了低振幅的状态，LED 在周期内的任何部分都不亮。这是导致该晶体管的基极-发射极电压，永远不会超过必要的阈值，并且从集电极到发射极没有电流流过。相反，当高振幅的状态被选择，在部分周期期间，该晶体管导通时，允许电流流过 LED。 3.非线性电路作为一个触摸感应开关现在的问题是如何在双稳区切换两者之间的系统状态。当然，做到这一点的方法之一是遵循的驱动频率协议，或 FSK 调制。在下一节中更详细解释，例如，打开 LED，瞬间移动到一个更高的频率。快速的开关时间取决于一个大的共振
10、频率的组合和高 Q 因子。除了频率控制计划，实际上还存在更直接的机制。开关操作可能依赖于另一个有趣的效果，当磁铁接近此电路，其有效电感下降。其原因是，其核心有一个顺磁性的材料，铁素体，它是一个饱和的外部磁场。4图3：非线性谐振器可用于控制一个简单的晶体管电路的 LED。现在，当交流磁场被叠加在这强直流电场，结果是一个低电感。这种效应可以很容易观察到定性产生光谱像图2（a）中的一个，同时带来了磁铁电感器周边的整个频谱，然后向右移动。为了获得定量数据，可以使用此效果绘制线性共振频率 ，对 B 场，如图4中所示。当然这个数据也可以，作为计算磁f0场强度函数的有效电感。 图4 的主要内容是大约100
11、mT 的一个字段是足以切换 LED 从“开”到“关”的状态。这样很容易转移共振曲线向右移动的，最低限度所需10千赫，使得驱动在255千赫是没有位于的双稳性的区域，但激发了较低幅度的模式。移开磁铁后，低振幅的状态保持。因此，LED 保持关机状态，即使当磁场可以回到零。怎样才能 LED 再次开启呢？很显然，我们需要增加的电感的效果，从而转移到左边的谐振曲线。一个增加有效电感的直观的方式是通过一个外部电感与电路电感接触（或近距离接触） 。通过互感的组合有效地提高了电感，很容易转移谐振曲线向左至少10千赫。这种转变，反过来，恢复的高振幅的状态和LED 背上的开关状态。保持 LED 的外部电感被除去。物
12、理上另一个直接方法是进行切换电感进行调制，而不是在电路中的电容。这是最容易实现的，例如，通过驱动一谐振器替代电阻性电容器，当该电容器的值被改变时，反过来，共振频率被改变。例如，我们发现，当电容从580 pF变化为680 pF（保持所有其他组件相同的） ，这非线性共振曲线的变化从320千赫到306 千赫兹，移位大于10千赫。因此，如果我们将非线性谐振电路的电容器（在触摸敏感电阻的地方）的开关动作通过百分之15的电容的增加来实现的，在电容的这种变化是很容易实现的，例如，电容式压力传感器10。 5图4：电感头的磁场强度的依赖关系的线性谐振频率，对我们而言，为100 mT 字段是足够的。4.快速切换在
13、这里，我们展示了这个简单的非线性谐振器作为一种快速记忆开关的潜力。比方说，该系统双稳区和低振幅的状态驱动的实现。如何快速的使系统切换到高振幅的状态？正如图5中所示，频率急剧变化期间从 fd= 257千赫到290千赫的脉冲的时间长短不一（黑色线） ，之后的脉冲的频率返回到原始值。这种类型的数字频率调制也被称为作为 FSK 调制。蓝色迹线示出了振荡器的响应，需要注意的是在260 kHz，周期为3.8毫秒。一个 FSK 脉冲的持续时间为5毫秒是不太足够长以允许的状态迁移到的高振幅。然而，如果脉冲宽度被延长至7毫秒，然后切换完成。图5：该系统的响应是 FSK 调制。脉冲表示驱动频率，脉冲外，内部的驱动
14、频率 fd= 257千赫，290千赫。 （a）本开关不足以开启的 t=5毫秒的脉冲宽度;（b）对于 T =7毫秒，勉强完成状态改变（c）T=10毫秒之间轻松推动系统高振幅的状态。6因此，只需要大约两个时期的振荡脉冲宽度。这些结果表明了一种方式，以提高开关速度进一步扩大频率。反过来，这可以通过使用较小的电感器来实现，通过选择较小的有效电容值的变容二极管（但有足够的非线性） 。为了达到行业标准，市售的快速触发器（CMOS） ，现拥有最大时钟速度80 - 200兆赫，这里的共振频率会增加1000倍。由于目前我们的测试电路采用了相当大的电感和电容值，我们预计日是可以实现的，同时辅助谐振器的小型化的目标
15、。5、原型系统所有的碎片现在构造一个原型系统包括一个数字可控的 LED。为了演示概念的可行性，我们选择了建立一个33 LED 点阵，如在图6中示出，每个 LED控制其自身的谐振电路。图中还示出一个双面笔。它由尖端的一侧上，和一个电感器的另一磁性。通过这种方式，触摸此数组中的一个特定的电感器，其各自的 LED 可以被打开和关闭。即使被放置在一个塑料盖阵列（尽管它不能超过一定的厚度，否则互感变得太小） ，效果依然强劲。LED 阵列的设计中的一个重要的考虑是组分的均匀性。市售的电感器通常有一个或许5的容差。这种差异太大，所以后选择电感器是必要的。如果不这样做，一个单一的驱动器频率不会落入谐振器双稳态
16、的所有谐振器窗口。需要注意的是，任何图案的光可以在物理上以直接的方式在此 LED 阵列诱导，而不使用微处理器。要删除一个模式，并把所有的指示灯都熄灭，需要驱动器频率暂时的下降。如果所有的 LED 都被点亮，将完成迅速转移到更大的频率。这样一来，这个交换计划产生一种直接方式的灵活性和外部控制。 图6：33阵列的可控 LED，通过触摸笔在上面是用来切换的 LED。6.结论7我们已经证明了一个简单的基于非线性电谐振器的触摸感应开关。该电路稳定和滞后特性提供了新颖的多模式的切换的功能，这取决于磁，感性或容性的输入。该电路使用了最少的电子元件，并且不需要广泛的可编程逻辑控制系统的固有当前的触摸感应解决方
17、案。这种经济的设计，具有出色的是响应时间，以及其他流动触摸敏感的解决方案。此外，开关时间是谐振电路特性的直接函数，这意味着谐振器元件可用于一个简单的选择“调整”在一个范围内的电路的响应时间。多模式开关特性进一步增加这些新的应用程序的适用范围扩大到主机的开关电路的尺寸。这项工作可能的应用更普遍的一类文献中描述的非线性谐振网络的前奏。这些拓扑重复的网络允许廉价的组件，而“聪明”的电路设计，不使用数字可编程组件。例如，一个简单的本地输入使电路的谐振特性到在该网络中的一个节点可以移动两个特定的节点之间移动的能量。这可以是很容易实现的各种电源任意的能量转移的应用中，并不限定于电动。我们目前这个通用类非线
18、性谐振电路照明，标牌，记忆存储功能，以及气候控制应用中的几个应用程序原型。 7.致谢L.Q.E.支持 NSF PFI/ ITN 种子的援助赠款4437-DC-NSF-7466。参考文献：1 M.山田和 K.渡边， “电容式压力传感器接口使用过采样的 Delta-Sigma调制技术， ”IEEE 仪器仪表和测量。46，第 1 号，1997 年，第 37 页。 DOI：10.1109/19.5521482M.李， “电容式传感的艺术， ”电子工程专辑（安 UBM 电子出版） ，地球模拟增刊，2006。3J.Schning 等， “多点触摸表面：A 技术指南” ， “技术报告TUMI0833，200
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