CN1536757A

CN1536757A - 脉宽调变器的输出控制装置

Info

Publication number: CN1536757A
Application number: CNA031105106A
Authority: CN
Inventors: 魏维信; 何昇宜; 张荣麟
Original assignee: Songhan Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Songhan Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2023-04-07
Also published as: CN1251401C

Abstract

本发明涉及一种脉宽调变器的输出控制装置，包含：一控制信号产生器用以产生一数字控制信号；一数模转换器用以根据该数字控制信号输出一预定电平；一输出电路包含一负反馈电路，用以接收该脉宽调变信号以及由该负反馈电路接收该预定电平，并当该脉宽调变信号为逻辑“0”时，该负反馈电路不作用，以将该脉宽调变信号的电平控制在一基础电平；以及当该脉宽调变信号为逻辑“1”时，启动该负反馈电路，以将该脉宽调变信号的电平控制在该预定电平；本发明通过改变输出脉冲的振幅电平来调整音量；在小音量输出时，可以得到较好的音质，因此可以播放出内容更为丰富的声音。

Description

脉宽调变器的输出控制装置

技术领域

本发明涉及一种脉宽调变器的输出控制装置，特别是一种可调整脉宽调变信号的输出振幅的输出控制装置。

背景技术

脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation，PWM；以下简称脉宽调变)的声音输出方式，已经很广泛地被应用在消费品中，特别是应用在便携式的电子产品。在以电池作为能量来源的便携式产品中，功率消耗一直是最重要的考虑因素之一，脉宽调变的输出方式最大的优点就是其高功率效率。

请参阅图1，图1是公知脉宽调变的声音输出装置10的示意图。公知脉宽调变的声音输出装置10包含一数字音量控制器12、一脉冲编码调变至脉冲宽度调变转换器(PCM-to-PWM转换器)14、一脉宽调变输出电路20以及扬声器16。公知应用脉宽调变技术完成的声音输出，若需要调整其音量，传统上如图1所示，会先将其声音来源的声音数据经过脉冲编码调变(Pulse CodeModulation，PCM)后产生的PCM数据传送至数字音量控制器12，并由使用者输入一音量控制信号，使数字音量控制器12根据此信号调整PCM数据的数值大小。

如图1所示，经过数字音量控制器12处理后的PCM数据再送到PCM-to-PWM转换器14，以将PCM数据转成PWM信号，之后再通过PWM输出电路20来推动扬声器16使其发出声音。这是因为传统的PWM输出电路20，仅能输出固定电平，因此需由调整PCM数据的数值大小，来改变PWM信号输出的工作周期(duty)。

请参阅图2，图2是图1中输出电路20及扬声器16的示意图。在公知应用于脉宽调变的输出电路20中，包含了两个反相器22、24以及四个功率晶体管M0、M1、M2、M3。

如图2所示，PI和NI表示输入信号为差动式脉冲宽度调变信号，经过M0-M3等功率晶体管所组成的组合电路，来控制输入信号的输出电平在一固定位。输出端则以PO和NO表示，公知输出电路是按照输入信号并以固定电平来推动扬声器16。功率晶体管M0-M3可视为电路的开关，当输入信号为逻辑“0”时，则功率晶体管M0与M2视为不导通，M1与M3则导通，因此造成此时输出端PO和NO的输出信号的电平接近低电平VSS。当输入信号为逻辑“1”时，则功率晶体管M1与M3视为不导通，M0与M2则导通，因此造成此时输出端PO和NO的输出信号的电平接近高电平VDD。

反向器22、24是为了改变输入信号PI、NI的极性，使得PI/NI和PO/NO同相。PO和NO为0-100％工作周期(duty)的脉冲信号，此脉冲信号的切换频率可能是数十到数百千赫之间。而对于扬声器16之内的线圈而言，在此切换频率的等效阻抗相当高，在线圈内的此频率的电流极低，而消耗功率也就小了。

请参阅图3，图3是图1中输出装置10调整输出音量的信号示意图。图3中显示两组信号群组32、34，公知PWM输出信号如群组32所示，公知缩小1/2音量的PWM输出信号如群组34所示。图3中是以差动的方式描述输出PO及NO的信号，其中Ts为信号周期，而Td则为输出信号每一脉冲的工作周期。如图3所示，在公知技术中，当要缩小输出音量时，是借由将原本PWM输出信号的工作周期缩小，但不改变信号的输出电平。

然而，PWM输出信号的杂讯大小会随着其输出电平变大而变大，但并不会随工作周期变小而变小。因此，公知缩小音量的方法会将背景杂音突显出来，而使得音质明显变差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点而提供一种脉宽调变器的输出控制装置，以调整PWM输出信号的输出电平，进而改善小音量时音质变差的问题，提高音质。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

本发明是一种输出控制装置，用以将一脉宽调变信号的输出电平控制于一预定电平。该输出控制装置包含一输入端、一预定电平输入端、一基础电平输入端、一高电平输入端、一电平输出端、一开关组合以及一放大器。该输入端用以输入该脉宽调变信号。该预定电平输入端用以提供一预定电平。该基础电平输入端用以提供一基础电平。该高电平输入端用以提供一最高电平。该电平输出端则用以输出该脉宽调变信号的一输出电平。该开关组合包含多个开关，用以连接至该输入端、该基础电平输入端以及该高电平输入端。该放大器组合包含一反相输入端，用以输入该预定电平；一非反相输入端，用以连接至该输出端；以及一放大器输出端，用以连接至该开关组合。

当本发明的输出控制装置接收的该脉宽调变信号为逻辑“0”时，该开关组合将导通该基础电平输入端，并使该放大器组合中每该放大器的该放大器输出端连接至该高电平输入端，进而使得该放大器组合不导通，以将该脉宽调变信号的电平控制于该基础电平。

当本发明的输出控制装置接收的该脉宽调变信号为逻辑“1”时，该开关组合将不导通该基础电平输入端，并使每该放大器的该放大器输出端连接至该电平输出端，使得该放大器组合与该开关组合组成一负反馈电路，以将该脉宽调变信号的电平控制于该预定电平。

本发明的预定电平输入端所输入的预定电平是可由一控制信号产生器与一数模转换器共同产生。该控制信号产生器乃根据使用者控制，产生各种不同的数字控制信号并传送至该数模转换器。该数模转换器则根据接收到的数字控制信号，将其转换为相对应的预定电平而经由预定电平输入端输入至该输出控制装置。

本发明相比现有技术具有如下优点：

本发明借由控制该预定电平，达到调整脉宽调变信号的输出振幅的目的，进而改善公知技术仅能借由改善脉宽调变信号的工作周期来减小输出音量，却造成杂讯扩大的情形。

附图说明

图1是公知脉冲宽度调变的声音输出装置的示意图；

图2是图1中输出电路及扬声器的示意图；

图3是公知调整输出音量的信号示意图；

图4是本发明输出控制装置的应用环境示意图；

图5是图4中输出控制装置的功能框图；

图6是本发明第一实施例的输出电路的示意图；

图7是本发明第二实施例的输出电路的示意图；

图8是4比特结构的控制信号产生器与数模转换器的示意图；及

图9是脉宽调变信号的输出电平示意图。

具体实施方式

本发明提出了一个新的架构，以调整输出脉冲电平的方式来调整音量，来改善小音量音质变差的问题，而达成提升音质的目的。

请参阅图4，图4是本发明输出控制装置40的应用环境示意图。图4所绘是将本发明的输出控制装置40作为音量输出控制之用。声音信号在输出之前，必须先将代表声音信号的脉冲编码调变数据(Pulse Code Modulation data，PCM data)经过脉冲编码转脉宽转换器(PCM-to-PWM转换器)14的处理，将脉冲编码调变数据转换为脉宽调变信号。接着由本发明的输出控制装置40接收此脉宽调变信号，同时并接收外来的音量控制。再通过本发明输出控制装置40的操作，使得脉宽调变信号的输出电平得以根据音量控制而变化，由于推动扬声器16的输出电平随着音量控制而变化，因此扬声器16发出的音量得以受到控制。在此强调一点本发明的输出控制装置40并非借由改变脉宽调变信号的工作周期来达到改变音量的目的，因此本发明没有公知技术遭遇到的问题。

请参阅图5，图5是图4中输出控制装置40的功能框图。本发明的输出控制装置40用以控制一脉宽调变器产生的一脉宽调变信号的电平，其包含一控制信号产生器42、一数模转换器44以及一输出电路50。本发明的输出控制装置40是在同一时间由输出电路50接收一脉宽调变信号，以及由控制信号产生器42接收相对应该脉宽调变信号的音量控制。

请参阅图6，图6是本发明第一具体实施例的输出电路50的示意图。输出电路50包含一输入端VI、一预定电平输入端DAO、一基础电平输入端VSS、一高电平输入端VDD、一电平输出端VO、一开关组合52以及一放大器54。输入端VI用以输入该脉宽调变信号。预定电平输入端DAO用以提供一预定电平。基础电平输入端VSS用以提供一基础电平。高电平输入端VDD用以提供一最高电平。电平输出端VO则用以输出该脉宽调变信号的一输出电平。

开关组合52包含多个开关，在图6的具体实施例中，是以功率晶体管做为开关，并以三个开关S1、S2、S3组成开关组合52。如图6所示，开关S1用以连接至输出端VO、基础电平输入端VSS以及输入端VI；开关S2用以连接至放大器输出端、高电平输入端VDD以及输出端VO；开关S3则用以连接至高电平输入端VDD、输入端VI以及放大器输出端。本发明是借由三个开关S1、S2、S3的协同运作，控制各元件之间是通路或断路。其中，扬声器16在图6中绘示另连接一接地端，然于实际应用中，亦可通过电路设计连接至高电平输入端VDD或基础电平输入端VSS而视为接地。

放大器54，包含一反相输入端一、一非反相输入端+以及一放大器输出端。反相输入端-用以连接至预定电平输入端DAO以输入该预定电平。非反相输入端+用以连接至输出端VO。放大器输出端则用以连接至开关S1和开关S3。

本发明的关键在于如何控制并调整脉宽调变信号的输出电平。如图6所示，当输入至输入端VI的脉宽调变信号为逻辑“0”时，晶体管开关S3会和晶体管开关S2合作将放大器输出端和高电平输入端VDD相连，使得不导通。而晶体管开关S1会将输出端VO连接至基础电平输入端VSS，以使输出端输出一基础电平，在这个状态，和公知脉宽调变装置的输出电路得到相同的结果。

当输入至输入端VI的脉宽调变信号为逻辑“1”时，晶体管开关S1关闭不导通，输出端VO于是被晶体管开关S2连接至放大器输出端。此时，由放大器54和晶体管开关S1所构成的负反馈电路46(显示于图5)，会使得输出端VO的信号输出电平约等于预定电平输入端DAO的预定电平。因此，借由改变预定电平输入端DAO的电压，即可调整输出端VO在逻辑“1”时的输出电平。

由于业界公知的脉宽调变信号是以差动方式输入至输出电路，因此本发明的输出电路50亦可设计成配合差动模式的输出电路。请参阅图7，图7是本发明第二具体实施例的输出电路60示意图。图7与图6的最大差别，在于图7的输入端是以差动方式输入脉宽调变信号，应此共需两组如图6般的设计。由于元件的功效大致相同，因此不再赘述。

如图7所示，当输入至差动输入端NI/PI的脉宽调变信号为逻辑“0”时，差动输出端NO/PO是由晶体管开关M1/M3连接到基础电平电平输入端VSS。但在输入至差动输入端NI/PI的脉宽调变信号为逻辑“1”时，晶体管开关MO/M2会受到运算放大器62、64所组成的负反馈电路46控制(参见图5)，将差动输出端NO/PO限制在约等于预定电平输入端DAO的值。因此，可由外部音量控制来调整预定电平输入端DAO的预定电平大小，而达成调整音量的目的。

如图5所示，此处所指的音量控制，是指如音量控制转盘或音量控制按键等可由一使用者加以操作的使用介面，该使用介面会将使用者将欲使用的音量转换成相对应的控制信号。该音量控制是由控制信号产生器42加以接收，并据以产生一数字控制信号。在此强调一点，使用者所操作的使用介面亦可同时整合至控制信号产生器42中，亦即使用者可以直接通过控制信号产生器42的操作介面加以控制音量，控制信号产生器42则根据使用者的操作而产生用以控制音量的数字控制信号。控制信号产生器42的设计是一N位元的结构，共可产生2^N种数字控制信号。数模转换器44则和控制信号产生器42配合，以根据数字控制信号输出2^N种不同的预定电平至预定电平输入端DAO。

请参阅图8，图8是4位元结构的控制信号产生器42与数模转换器44的示意图。若假设N＝4，可得如图8的数模转换器44。本发明的数模转换器44包含一解码器82、多个模拟开关84以及多个电阻86。如图8所示，由控制信号产生器产生的四位元数字控制信号VC<3：0>，先经过一解码器82，在此实施例中为4-16数字解码器，得到16条的电平控制信号S<15：0>。请参阅表一，表一是数字控制信号与电平控制信号的对照表。16条电平控制信号S<15：0>是用来控制16个模拟开关84。预定电平输入端DAO的输出电平由VC<3：0>和16个电阻86的电平值所决定。此16个电阻值并不一定要相等，可依实际应用所须的音量电平，来计算出所需的电阻值。比方说，常用音量调整间距是以dB值来看，那么就可搭配适当的电阻值，得到以等dB值为间距的输出电压值。

请参阅图9，图9是脉宽调变信号的输出电平示意图。为了详细说明本发明所提的概念，如图9所示。PI/NI为公知的差动式脉宽调变信号90，其脉冲的周期固定为Ts，电平固定为A，而脉冲宽度会随信号不同而改变。若假设，要将音量调小为1/2，则传统方式的输出91就直接把所有的脉冲宽度(工作周期)Td调小为1/2。因脉冲电平A不变，所以杂讯也和调整前相当。相对之下，杂讯听起来感觉较明显，音质因而较差。本发明方式92是利用调整输出电平为原来1/2，使得杂讯和音量一起变小，来保持较好的音质。

表一

数字控制信号	电平控制信号
数字控制信号	电平控制信号	0000	0000_0000_0000_0001
0001	0000_0000_0000_0010	0000	0000_0000_0000_0001
0001	0000_0000_0000_0010	0010	0000_0000_0000_0100
0011	0000_0000_0000_1000	0010	0000_0000_0000_0100
0011	0000_0000_0000_1000	0100	0000_0000_0001_0000
0101	0000_0000_0010_0000	0100	0000_0000_0001_0000
0101	0000_0000_0010_0000	0110	0000_0000_0100_0000
0111	0000_0000_1000_0000	0110	0000_0000_0100_0000
0111	0000_0000_1000_0000	1000	0000_0001_0000_0000
1001	0000_0010_0000_0000	1000	0000_0001_0000_0000
1001	0000_0010_0000_0000	1010	0000_0100_0000_0000
1011	0000_1000_0000_0000	1010	0000_0100_0000_0000
1011	0000_1000_0000_0000	1100	0001_0000_0000_0000
1101	0010_0000_0000_0000	1100	0001_0000_0000_0000
1101	0010_0000_0000_0000	1110	0100_0000_0000_0000
1111	1000_0000_0000_0000	1110	0100_0000_0000_0000

综合以上所述，本发明是将公知的借由调整脉宽调变信号的脉冲宽度来调整音量的方法，改进为借由调整脉宽调变信号的输出电平来调整音量。因此利用本发明控制音量，可以避免公知技术造成杂讯比扩大的缺点，达到提升音质的目的。

Claims

1、一种脉宽调变器的输出控制装置，用以控制一脉宽调变器产生的一脉宽调变信号的电平，该装置包含：

一控制信号产生器，用以产生一数字控制信号；

一数模转换器，用以根据该数字控制信号输出一预定电平；以及

一输出电路，包含一负反馈电路，用以接收该脉宽调变信号以及由该负反馈电路接收该预定电平；

当该脉宽调变信号为逻辑“0”时，该负反馈电路不作用，以将该脉宽调变信号的电平控制于一基础电平；以及

当该脉宽调变信号为逻辑“1”时，启动该负反馈电路，以将该脉宽调变信号的电平控制于该预定电平。

2、如权利要求1所述的脉宽调变器的输出控制装置，其特征在于，所述的控制信号产生器是N比特结构，以产生2^N种不同的数字控制信号。

3、如权利要求2所述的脉宽调变器的输出控制装置，其特征在于，所述的数摸转换器根据该2^N种不同的数字控制信号，产生2^N种不同的预定电平。

4、如权利要求1所述的脉宽调变器的输出控制装置，其特征在于，所述的数模转换器还包含：

一解码器，用以使该数字控制信号转换为相对应的电平控制信号；

多个模拟开关，用以根据该电平控制信号决定上述多个模拟开关的开启或关闭；以及

多个电阻，连接至一电源，用以根据上述模拟开关的配置，决定该预定电平。

5、如权利要求1所述的脉宽调变器的输出控制装置，其特征在于，所述的输出电路还包含一接收元件，用以接收该脉宽调变信号，并判断该脉宽调变信号是逻辑“0”或逻辑“1”。

6、如权利要求1所述的脉宽调变器的输出控制装置，其特征在于，所述的输出电路还包含一基础电平输入端，用以提供该基础电平。

7、如权利要求6所述的脉宽调变器的输出控制装置，其特征在于，所述的输出电路还包含多个开关元件，用以

当该脉宽调变信号为逻辑“0”时，不导通该负反馈电路，且同时导通该基础电平输入端以将该脉宽调变信号的电平控制在该基础电平；以及

当该脉宽调变信号为逻辑“1”时，导通该负反馈电路，以将该脉宽调变信号的电平控制在该预定电平。

8、如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的负反馈电路还包含一放大器组合，用以接收该预定电平，并当该负反馈电路被导通时，令该脉宽调变信号的电平等于该预定电平。

9、一种输出控制装置，用以将一脉宽调变信号的输出电平控制在一预定电平，该输出控制装置包含：

一输入端，用以输入该脉宽调变信号；

一预定电平输入端，用以提供一预定电平；

一基础电平输入端，用以提供一基础电平；

一高电平输入端，用以提供一最高电平；

一电平输出端，用以输出该脉宽调变信号的一输出电平；

一开关组合，包含多个开关，用以连接至该输入端、该基础电平输入端以及该高电平输入端；以及

一放大器，包含：

一反相输入端，用以输入该预定电平；

一非反相输入端，用以连接至该电平输出端；以及

一放大器输出端，用以连接至该开关组合；

其中，当该脉宽调变信号为逻辑“0”时，该开关组合将导通该基础电平输入端，并使该放大器输出端连接至该高电平输入端，使得该放大器不导通，以将该脉宽调变信号的电平控制于该基础电平；以及

当该脉宽调变信号为逻辑“1”时，该开关组合将不导通该基础电平输入端，并使该放大器输出端连接至该电平输出端，使得该放大器组合与该开关组合组成一负反馈电路，以将该脉宽调变信号的电平控制于该预定电平。

10、如权利要求9所述的输出控制装置，其特征在于，还包含一控制信号产生器，用以产生一数字控制信号。

11、如权利要求10所述的输出控制装置，其特征在于，还包含一数模转换器，用以接收该数字控制信号并据以输出该预定电平至该预定电平输入端；其中，该预定电平是由该数字控制信号决定。

12、如权利要求11所述的输出控制装置，其特征在于，所述的控制信号产生器是N比特结构，以产生2^N种不同的数字控制信号。

13、如权利要求11所述的输出控制装置，其特征在于，所述的数模转换器还包含：

多个模拟开关，用以根据该电平控制信号决定该等模拟开关的开启或关闭；以及

多个电阻，连接至一电源，用以根据该等模拟开关的配置，决定该预定电平。

14、如权利要求12所述的输出控制装置，其特征在于，所述的数摸转换器是根据该2^N种不同的数字控制信号，产生2^N种不同的预定电平。

15、一种输出控制装置，用以将一脉宽调变信号的输出电平控制于一预定电平，该输出控制装置包含：

一组差动输入端，用以差动输入该脉宽调变信号；

一预定电平输入端，用以提供一预定电平；

一组基础电平输入端，用以提供一基础电平；

一组高电平输入端，用以提供一最高电平；

一组差动化准输出端，用以差动输出该脉宽调变信号的一输出电平；

一开关组合，包含多个开关，用以连接至该组差动输入端、该组基础电平输入端以及该组高电平输入端；以及

一放大器组合，包含多个放大器，每一放大器是对应该组差动输入端中一差动输入端、该组基础电平输入端中一基础电平输入端、该组高电平输入端中一高电平输入端以及该组差动电平输出端中一差动电平输出端，每该放大器包含：

一反相输入端，用以输入该预定电平；

一非反相输入端，用以连接至该差动化准输出端；以及

一放大器输出端，用以连接至该开关组合；

16、如权利要求15所述的输出控制装置，其特征在于还包含一控制信号产生器，用以产生一数字控制信号。

17、如权利要求16所述的输出控制装置，其特征在于还包含一数模转换器，用以接收该数字控制信号并据以输出该预定电平至该预定电平输入端；其中，该预定电平是由该数字控制信号决定。

18、如权利要求17所述的输出控制装置，其特征在于，所述的控制信号产生器是N比特结构，以产生2^N种不同的数字控制信号。

19、如权利要求17所述的输出控制装置，其特征在于，所述的数值模拟转换器还包含：

多个电阻，连接至一电源，用以根据上述多个模拟开关的配置，决定该预定电平。

20、如权利要求18所述的输出控制装置，其特征在于，所述的数摸转换器是根据该2^N种不同的数字控制信号，产生2^N种不同的预定电平。