DE2547327A1

DE2547327A1 - Nichtlinearer digital-analog-umsetzer

Info

Publication number: DE2547327A1
Application number: DE19752547327
Authority: DE
Inventors: Yasuo Nagahama
Original assignee: Nippon Gakki Co Ltd
Current assignee: Nippon Gakki Co Ltd
Priority date: 1974-10-24
Filing date: 1975-10-22
Publication date: 1976-05-13
Also published as: GB1505688A; JPS5148960A; US4062013A; DE2547327B2; JPS5435914B2

Description

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NIPPON GAKKI SEIZO KABUSHIKI KAISHA, Hamamatsu-Shi,Japan

Nichtlinearer Digital-Analog-Umsetzer

Die Erfindung bezieht sich auf einen nichtlinearen «Digital-Analog-Umsetzer entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Solche nichtlineare Digital-Analog-Umsetzer werden beispielsweise in elektronischen Musikinstrumenten, die als Tongeneratoren spannungsgesteuerte Oszillatoren'enthalten, zum Erzeugen von Spannungssignalen benutzt, die die Tonhöhe bestimmen. Daneben gibt es zahlreiche andere Am*endungsgebiete für Digital-Analog-Umsetzer der beschriebenen Art.

Bei einem elektronischen Musikinstrument mit einem spannungsgesteuerten Oszillator als Tongenerator ist es beispielsweise erforderlich, den spannungsgesteuerten Oszillator mit einem eine Exponentialfunktion darstellenden Ausgangssignal anzusteuern, um die Spannungssignale zu gewinnen, die die Tonhöhe bestimmen. Für diese Zwecke ist ein in der Fig. 1 dargestellter Digital-Analog-Umsetzer bekannt. In diesem üblichen Digital-Analog-Umsetzer wird ein binärcodiertes Eingangssignal, das von einer niedrigstwertigen

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Ziffer a_o bis zu einer höchstwertigen Ziffer a_TO _Λ reicht

U UI"" I

(dies ist die Tasteninformation, beispielsweise m = 6 für 61 Tasten), durch eine Digital-Analog-Umsetzerschaltung D/A in ein analoges Signal e umgesetzt, und das auf diese Weise gev/onnene analoge Signal wird über einen Exponentialverstärker A einem spannungsgesteuerten Oszillator zugeführt. Das analoge Signal e kann in diesem Fall durch die folgende Beziehung dargestellt werden:

e₀ β M₁ (a₀ χ 2° + B₁ χ 2¹ + a^ χ 2^m~¹). Das

Ausgangssignal E des Verstärkers A lautet wie folgt: E = M₂(M^x e°), In diesen Gleichungen sind M₁, Mp und M-* Schaltungskonstanten.

Der dargestellte bekannte Digital-Analog-Umsetzer weist die folgenden Nachteile auf:

(1) Da die Genauigkeit des niedrigstwertigen Bit in der Umsetzerschaltung +50% beträgt, nimmt der Umsetzungsfehler des Umsetzers zu, wenn die Anzahl der Bits klein ist, obgleich die Umsetzungsgenauigkeit bei vollem Bereich hoch ist.

(2) Die Kennlinie der Exponentialfunktion wird in dem Exponentialverstärker A im allgemeinen durch einen Transistor oder eine Diode erzeugt. Dadurch wird nicht nur die Betriebsgenauigkeit, sondern auch die Betriebsgeschwindigkeit beeinträchtigt, die nicht so hoch ist, wie man es erwartet. Diese Unzulänglichkeit ist auf die thermischen Eigenschaften der Schaltungselemente, beispielsweise der genannten Bauelemente, und auf ein darin erzeugtes Rauschsignal in der Größenordnung von 10 /UV zurückzuführen. Infolge der begrenzten Betriebseigenschaften des Verstärkers bzw. des Transistors oder der Diode treten somit die genannten Schwierigkeiten auf.

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Es besteht somit ein Bedürfnis nach einem nichtlinearen Digital-Analog-Umsetzer, "bei dem die beschriebenen Mängel nicht vorhanden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen nichtlinearen Digital-Analog-Umsetzer zu schaffen, der ohne die Verwendung eines Exponentialverstärkers auskommt.

Diese Aufgabe wird bei einem nichtlinearen Analog-Digital-Umsetzer der beschriebenen Art durch die Maßnahmen im Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst.

Nach der Erfindung wird somit ein nichtlinearer Digital-Analog-Umsetzer mit einem Decodierer, mit von den Ausgangssignalen des Decodierers angesteuerten Steuerschaltkreisen und mit einer Exponentialfunktionsgeneratorschaltung geschaffen, deren analoge Ausgangssignale aufgrund der Ansteuerung durch die Steuerschaltkreise selektiv als ein eine Exponentialfunktion darstellendes Ausgangssignal gewonnen werden, dessen Exponent Analogdaten sind, die Digitaldaten entsprechen, die durch ein digitales Eingangssignal gegeben sind.

Der Erfindungsgegenstand bietet den Vorteil, daß er eine hohe Genauigkeit und eine hohe Betriebsgeschwindigkeit aufweist. Darüberhinaus zeichnet er sich durch ein geringes Rauschverhalten aus. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß selbst bei einem großen Eingangssignal der Verzerrungsfaktor niedrig ist.

Die Erfindung wird an Hand einer Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

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Fig. 1 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Digital-Analog-Umsetzers zum Erzeugen von Exponentialfunktionen,

Fig. 2 ein Schaltbild, das die theoretische Ausgestaltung einer nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung zum Erzeugen einer Exponentialfunktion darstellt,

Fig. 3 ein Schaltbild von einem Ausführungsbeispiel eines nichtlinearen Digital-Analog-Umsetzers zum Erzeugen von exponent!alfunktionellen Ausgängen,

Fig. 4 ein Schaltbild von einer Abwandlung des nach der Erfindung ausgebildeten Digital-Analog-Umsetzers und

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines elektronischen Musikinstruments mit einem erfindungsgemäßen Digital-Analog-. Umsetzer.

Ein Beispiel einer nach der Erfindung benutzten Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Exponentialfunktion ist in der Fig. 2 dargestellt.

Diese Schaltung wird aus Widerständen R^, Rp und R, gebildet, die in Form einer leiterförmigen Anordnung nach der Fig. 2 an eine Gleichspannungsquelle mit einer konstanten Spannung E_r angeschlossen sind. Die Exponentialfunktionsgeneratorschaltung ist im einzelnen wie folgt ausgebildet: An die Verbindungspunkte n-1, n-2, .... 3, 2 und 1 einer aus den Widerständen R,, gebildeten Reihenschaltung ist jeweils einer der Widerstände Rp angeschlossen. Das freie Ende der Widerstände Rp ist mit Masse verbunden. Das freie Ende des Widerstands R.. am einen Ende der Reihenschaltung ist an den als Verbindungspunkt η bezeichneten positiven Anschluß der Gleichspannungsquelle mit der Spannung E_r angeschlossen. Der negative Anschluß der Gleich-

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spannungsquelle ist mit Masse verbunden. Das freie Ende des Widerstands R₁ am anderen Ende der Reihenschaltung ist mit dem als Verbindungspunkt O bezeichneten einen Ende des Widerstands R-, verbunden. Das andere Ende des Widerstands R, ist an Masse angeschlossen.

Die Exponentialfunktionsgeneratorschaltung weist somit die Verbindungspunkte 0 bis η auf, an denen gegenüber Masse Ausgangsspannungen auftreten, die entsprechend den Verbindungspunkten 0 bis η mit E bis E bezeichnet sind.

Wenn die Werte der Widerstände R.,, R₂ und R,, die in der Exponentialfunktionsgeneratorschaltung benutzt werden, derart ausgewählt sind, daß sie der Gleichung R₂ = R_L (1 + R₁ZR₂) genügen, kann man, da E_n = E , an irgendeiner Stufe der Schaltung, also zwischen irgendeinem der Verbindungspunkte und Masse eine Spannung E^ abnehmen, die durch die folgende Gleichung gegeben ist:

«L

^Ek = ^Er

dabei ist k eine ganze Zahl mit einem Wert von 0 bis n.

Somit erhält man an den Verbindungspunkten 0 bis η Spannungen, die sich um zunehmende Schritte voneinander unterscheiden. Das bedeutet, die Spannung am Verbindungspunkt 1 ist größer als die Spannung am Verbindungspunkt 0, die Spannung am Verbindungspunkt 2 ist größer als die Spannung am Verbindungspunkt 1 usw.

Wenn die in der Fig. 2 dargestellte Schaltung in einem Beispiel der Erfindung benutzt wird, stellen die Verbindungspunkte 0 bis η die Ausgangspunkte dar. Ihre Anzahl

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ist gleich einem Wert, den man dadurch erhält, daß die Basis eines binärcodierten Signals oder eines digitalen Eingangssignals (im Falle einer Binärzahl ist die Basis 2) mit der Anzahl (m) von Bits in dem binärcodierten Signal potenziert wird. Bei Verwendung einer Binärzahl ist daher die Anzahl der Verbindungspunkte gleich 2^m. Die Spannungen E bis E , die man an den Verbindungspunkten erhält, stei:
dar.

stellen somit 2^m schrittweise unterschiedliche Spannungen

In der Fig. 3 ist ein Beispiel eines nichtlinearen Digital-Analog-Umsetzers nach der Erfindung dargestellt, der von einer leiterförmigen Funktionsgeneratorschaltung nach der Fig. 2 Gebrauch macht.

Der nichtlineare Digital-Analog-Umsetzer enthält: einen Decodierer 11, der in der Lage ist, ein binärcodiertes Eingangssignal zu empfangen, dessen Digitaldaten von der niedrigstwertigen Ziffer a_Q bis zur höchstwertigen Ziffer a ^ reichen, und 2^m (n+1 = 2^m) Steuerausgänge zu erzeugen, und zwar durch Decodieren des binärcodierten Eingangssignals, und eine leiterförmige Funktionsgeneratorschaltung 14 entsprechend der Darstellung nach der Fig. 2. Die vom Decodierer 11 erzeugten Steuerausgänge werden über Tortreiberschaltungen 12-0 bis 12-n den Steueranschlüssen von Steuerschalteinrichtungen zugeführt, d.h. den Gatts von Feldeffekttransistoren 13-0 bis 13n. Die Feldeffekttransistoren sind mit den Ausgangspunkten 0 bis η der Funktionsgeneratorschaltung 14 verbunden und erzeugen an ihrem gemeinsamen Ausgangsanschluß aufgrund der von den Tor- oder Gatttreiberschaltungen erzeugten Gatteingangssignale ein Ausgangssignal E(out). Wenn beispielsweise die Steuerschalteinrichtung 13-n im leitenden Zustand ist, tritt am gemeinsamen Ausgangsanschluß ein Ausgangssignal E(out) = E auf.

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— 1 -

Im Falle der Exponentialfunktionsgeneratorschaltung nach der Fig. 2 kann das Ausgangssignal E(out) durch die folgende Gleichung (1) wiedergegeben werden:

E(out) -

Wenn man zur Vereinfachung der Gleichung (1) R^/(R^ gleich K setzt (1^/(1^+1^) = K), geht die Gleichung (1) in die folgende Gleichung (2) über:

E(out) = E_r χ BT'^mii ⁺ '" ^+€*1" ^+a0^ ^J (2)

Man erhält somit ein exponentialfunktionelles Ausgangssignal, dessen Exponent Analogdaten sind, die Digitaldaten entsprechen. Die Digitaldaten sind durch ein digitales Eingangssignal gegeben. Der nach der Erfindung ausgebildete nichtlineare Digital-Analog-Umsetzer kann daher anstelle des Digital-Analog-Umsetzers nach der Fig. 1 verwendet werden, um in einem elektronischen Musikinstrument den spannungsgesteuerten Oszillator wirksam anzusteuern.

Eine Abwandlung des in der Fig. 3 dargestellten Umsetzers ist in der Fig. 4 dargestellt. Der Umsetzer nach der Fig. 4 ist bezüglich des Signalübertragungsverhaltens dem Umsetzer nach der Fig. 3 ähnlich, unterscheidet sich gegenüber diesem aber darin, daß der Decoder und die Ausgangssignale des Decoders in mehrere Gruppen (bei der Darstellung nach der Fig. 4 in zwei Gruppen) aufgeteilt sind, um bei einer Erhöhung der Anzahl der Ausgangssignale der leiterförmigen Funktionsgeneratorschaltung die Komplexität der Schaltungsanordnung zu verringern.

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Der in der Fig. 4 dargestellte Digital-Analog-Umsetzer enthält zwei Decodierer 11a und 11b sowie zwei Funktionsgeneratorschaltungen 14a und 14b. Ein über die Steuerschalteinrichtungen 13-0 bis 13-(k-1) aus der Funktionsgeneratorschaltung 14b ausgelesenes Ausgangssignal wird über einen Pufferverstärker 15 der Funktionsgeneratorschaltung 14a zugeführt.

Der Decodierer 11a empfängt ein binärcodiertes Eingangssignal, das von der niedrigstwertigen Ziffer a_n bis

i zur iten Ziffer a. ₁ reicht, und erzeugt 2 Ausgangssignale, die geeignet sind, um über Gatttreiberschaltungen (Verstärker) 12-k bis 12-n die Steuerschalteinrichtungen 13-k bis 13-n anzusteuern. Der Decodierer 11b empfängt ein binärcodiertes Eingangssignal, das von der Ziffer a^ bis zur höchstwertigen Ziffer a <j reicht, um Ausgangssignale zu ,erzeugen, die über Gatttreiberschaltungen 12-0 bis 12-(k-1) die Steuerschalteinrichtungen 13-0 bis 13-(k-1) ansteuern.

Beim Betrieb wird von jedem der Decodierer 11a und 11b ein Ausgangssignal erzeugt, so daß eine Steuerschalteinrichtung der Funktionsgeneratorschaltung 14a und eine St euer schalteinrichtung der Funktionsgeneratorschaltung 14b leitend sind und daher am gemeinsamen Ausgangsanschluß ein Ausgangssignal E(out) auftritt.

Wenn bei der Schaltungsanordnung nach der Fig. 4 die Werte der Widerstände R^, Rp und R-, sowie der Widerstände r.j, r₂ und r, derart gewählt sind, daß sie den folgenden Gleichungen genügen:

^R2 =V^{(1 +}^T ^} ^ ^r2 ^{= r}L ° ⁺?7 >'

kann man das Ausgangssignal E(out) durch die folgende Gleichung (3) wiedergeben:

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χ K⁽ⁿ"^k+1) - Ca_1-1 Xa¹^a_1-2XZ¹-²+...+ a₀x2°> (3)

Dabei gilt: K = RjV(R₁ +

+ r_L) und

K «

Die Gleichung (3) kann man in die folgende Gleichung (4) umschreiben:

E(out) = E_r χ Kⁿ

_r
+....+ a₀ χ 2°) (4)

Die Gleichung (4) entspricht der oben angegebenen Gleichung (2). Hieraus folgt, daß das Signalübertragungsverhalten des in der Fig. 4 dargestellten Umsetzers dem Signalübertragungsverhalten des in der Fig. 3 dargestellten Umsetzers entspricht.

Der in der Fig. 4 dargestellte Umsetzer bietet den Vorteil, daß die Schaltungsausgestaltung pro Decodierer und pro Funktionsgeneratorschaltung gegenüber dem in der Fig. 3 dargestellten Umsetzer vereinfacht werden kann.

Unter Bezugnahme auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele bietet der nach der Erfindung ausgebildete Umsetzer die folgenden Vorteile:

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(1) Ohne die Verwendung eines Exponential Verstärkers ist der erfindungsgemäße Umsetzer in der Lage, ein Exponentialfunktionsausgangssignal zu liefern, dessen Exponent analoge Daten sind, die digitalen Eingangsdaten entsprechen.

(2) Da der erfindungsgemäße Umsetzer ohne 'eine lineare Umsetzerschaltung und ohne einen Exponentialverstärker auskommt, werden eine hohe Genauigkeit (Ο,15ό mit der minimalen Anzahl von Bits) und eine hohe Operationsgeschwindigkeit erzielt.

(3) Mit dem erfindungsgemäßen Umsetzer kann man durch digitale Ansteuerung ein genaues Dämpfungsverhältnis erzielen. Der Umsetzer kann daher auch als Dämpfungseinrichtung eingesetzt werden.

(4) Von den Ausgangspunkten der leiterförmigen Funktionsgenerator her gesehen sind die Impedanzen gleich, so daß Pe gel Schwankungen den absoluten Wert des eingangsseitigen Wärmerauschens nicht verändern. Der nach der Erfindung ausgebildete Umsetzer weist daher geringe Rauscheigenschaften auf.

(5) Der in dem erfindungsgemäßen Umsetzer als Steuerschalteinrichtung verwendete Feldeffekttransistor wird im Ein-Aus-Schaltmodus betrieben. Selbst wenn man daher dem Umsetzer ein großes Eingangssignal zuführt, weist das resultierende Ausgangssignal einen geringen Verzerrungsfaktor auf.

Den nach der Erfindung ausgebildeten Digital-Analog-Umsetzer kann man entsprechend der Darstellung nach der Fig. 5 in einem synthetisierenden elektronischen Musikinstrument verwenden. Mit einem Tastenfeld werden die digitalcodierten Signale erzeugt, die die Tastennamen darstellen. Die übrigen Teile der in der Fig. 5 gezeigten Anordnung sind allgemein bekannt.

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Claims

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Patentansprüche

I Nichtlinearer Digital-Analog-Umsetzer zum Gewinnen eines eine Exponent!alfunktion wiedergebenden Ausgangssignals, dessen durch Analogdaten dargestellter Exponent mit Digitaldaten übereinstimmt, die durch ein zugeführtes digitales Eingangssignal gegeben sind, gekennzeichnet durch

(a) eine Decodiereinrichtung (11; 11a, 11b) zum Decodieren des digitalen Eingangssignals,

(b) eine Exponentialfunktionsgeneratoreinrichtung (14; 14a, 14b) mit einer der Anzahl der von der Decodiereinrichtung erzeugten Steuerausgangssignale entsprechenden Anzahl von Ausgangsanschlußpunkten, an denen analoge Ausgangssignale mit schrittweise unterschiedlichen Werten auf-

«treten und

(c) Steuerschalteinrichtungen mit mehreren Steuerschaltkreisen (13-0 bis 13-n; 13-0 bis 13-(k-1), 13-k bis 13-n), die derart an die Ausgangsanschlußpunkte der Exponentialfunktionsgeneratoreinrichtung angeschlossen sind, daß die an den Ausgangsanschlußpunkten der Exponentialfunktionsgeneratoreinrichtung auftretenden analogen Ausgangssignale aufgrund der von der Decodiereinrichtung erzeugten Steuerausgangssignale selektiv an einen gemeinsamen Ausgangsanschluß gelegt werden.
2. Umsetzer nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Exponentialfunktionsgeneratoreinrichtung eine leiterförmige Exponentialfunktionsgeneratorschaltung (R., R_2> R₁)

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3. Umsetzer nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die leiterförmige Exponentialfunktionsgeneratorschaltung enthält:

eine Gleichspannungsquelle (E_r), deren einer Anschluß mit Masse verbunden ist,

eine aus gleich großen ersten Widerständen (R₁) gebildete Reihenschaltung, deren eines Ende mit dem anderen Anschluß der Gleichspannungsquelle verbunden ist,

gleich große zweite Widerstände (R?) > ^von denen jeweils einer von jedem Verbindungspunkt zwischen den ersten Widerständen der Reihenschaltung zur Masse führt, und

einen dritten Widerstand (Rt), der zwischen das andere Ende der Reihenschaltung und Masse geschaltet ist,

wobei die ersten und die zweiten Widerstände sowie der dritte Widerstand derart gewählt sind, daß sie der folgenden Gleichung genügen:

R₂ · R₂ = R_L ( 1 + -£— ).
4. Umsetzer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltkreise Feldeffekttransistoren sind.
5. Umsetzer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Steuerschaltkreise und die Decodiereinrichtung Tortreiberschaltungen (12-0 bis 12-n; 12-0 bis 12-(k-1, 12-k bis 12-n) geschaltet sind, denen die von der Decodiereinrichtung erzeugten Steuerausgangssignale zugeführt werden und die aufgrund dieser empfangenen Steuerausgangssignale die Steuerschaltkreise ansteuern.

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6. Umsetzer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Decodiereinrichtung wenigstens zwei Decodierer (11a, 11b) aufweist, von denen der erste einen Teil des digitalen Eingangssignals und der zweite den übrigen Teil des digitalen Eingangssignals decodiert, daß die Exponentialfunktionsgeneratoreinrichtung wenigstens zwei Exponentialfunktionsgeneratorschaltungen (14a, 14b) enthält, daß die erste der beiden Exponentialfunktionsgeneratorschaltungen eine der Anzahl der von dem ersten Decodierer erzeugten Steuerausgangssignale entsprechende Anzahl von Ausgangsanschlußpunkten aufweist, an denen analoge Ausgangssignale mit schrittweise unterschiedlichem Wert auftreten, daß die zweite Exponentialfunktionsgeneratorschaltung eine dsr Anzahl der vom zweiten Decodierer erzeugten Steuerausgangssignale entsprechende Anzahl von Ausgangsanschlußpunkten aufweist, an denen analoge Ausgangssignale mit schrittweise unterschiedlichem Wert auftreten, daß die Steuerschalteinrichtung wenigstens eine erste und eine zweite Gruppe von Steuerschaltkreisen (13-0 bis 13-(k-1), 13-k bis 13-n) enthält, daß die Steuerschaltkreise der ersten Gruppe mit den Ausgangsanschlußpunkten der ersten Exponentialfunktionsgeneratorschaltung derart verbunden sind, daß die an den Ausgangsanschlußpunkten der ersten Exponentialfunktionsgeneratorschaltung auftretenden analogen Ausgangssignale aufgrund der Steuerausgangssignale des ersten Decodierers selektiv der zweiten Exponentialfunktionsgeneratorschaltung zugeführt werden, und daß die Steuerschaltkreise der zweiten Gruppe mit den Ausgangsanschlußpunkten der zweiten Exponentialfunktionsgeneratorschaltung derart verbunden sind, daß die an den Ausgangsanschlußpunkten der zweiten Exponentialfunktionsgeneratorschaltung auftretenden analogen Ausgangssignale aufgrund der Steuerausgangssignale des zweiten Decodierers selektiv einem gemeinsamen Ausgangsanschluß zugeführt werden.

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7. Umsetzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten und der zweiten Exponentialfunktionsgeneratorschaltung ein Pufferverstärker (15) angeordnet ist, der der zweiten Exponentialfunktionsgeneratorschaltung ein von der ersten Exponentialfunktionsgeneratorschaltung geliefertes analoges Ausgangssignal zuführt.

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