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，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7μS ，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。
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HZ LC
f 310121===π。 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），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）。
图1：谐振电路的基本组成是一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LED，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。
