DE4129793C2

DE4129793C2 - Trinärsignalansteuerung für digitale Lautsprecheranlagen

Info

Publication number: DE4129793C2
Application number: DE19914129793
Authority: DE
Inventors: Klaus J John
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-09-05
Filing date: 1991-09-05
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2011-09-06
Also published as: DE4129793A1

Description

Eine digitale Lautsprecher-Anlage, die mit digitalen Amplituden angesteuert wird, benötigt dafür digitale Signale. Digitale Signale lassen sich vorzugsweise erzeugen, indem die Übertragungsfunktion durch einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert wird, d. h. es wird der Mittelwert der Steigung in einem Zeitintervall gebildet. Die Übertragungsfunktion wird in dem Analog-Digital-Wandler in einen Binärcode (digitaler Code zur Basis 2) umgewandelt. Eine analoge Amplitude wird solange mit fest definierten Amplituden (zur Basis 2 verglichen, bis anschließend das digitale Äquivalent gebildet worden ist (Binärcode).

Es wird ebenfalls eine geeignete ditigale Ansteuerung gefordert, die einen Lautsprecher mit positivem und negativem Membranhub antreibt.

Unipolare Binärsteuerung

Bei einer Binärsteuerung eines dynamischen Lautsprechers läßt sich anhand seiner Membranauslenkung besonders einfach verstehen, welche Probleme auftreten, um die Lautsprechermembran mit einem definierten Hub in positive/unipolare Amplitudenrichtung schwingen zu lassen. Es genügt dafür zunächst einmal eine Rechteckansteuerung, die die Membran zwischen Null und Eins (0 und 1) schwingen läßt. Da der Lautsprecher von seinem dynamischen Verhalten nicht in der Lage ist, Rechteckfunktionen mit Sprungantworten zu folgen, schwingt er mit einer bedämpften Funktion ein. Die Folge sind Verzerrungen des Ausgangssignals. Durch diese Form der Ansteuerung verzerrt der dynamische Lautsprecher erheblich das zu übertragende Rechtecksignal. Die Probleme des bedämpften Einschwingens lassen sich etwas eliminieren, indem der dynamische Lautsprecher parallel zu seiner Schwingspule mit einem niederohmigen Widerstand bedämpft wird, siehe dazu Abb. 1.1.

Bipolare Binäransteuerung

Bei der Bipolaransteuerung des dynamischen Lautsprechers entsteht an der Stelle von Dezimal Null (0 dez) ein Fehler von ±1 Bit, das entspricht, beispielsweise bei einer 16-Bit-Auflösung, anstelle der hex Zahl 7FFF hex

(0111′1111′1111′1111′ binär)

einer Schwankung zwischen 8000 hex

(1000′0000′0000′0000 binär)

oder 7FFE hex

(0111′1111′1111′1110 binär).

Dieser Fehler ist recht erheblich, da die ganzen Bits in ihrer Wertigkeit von Null auf Eins und umgekehrt umkippen. Hervorgerufen wird dieser Fehler durch einen Analog-Digital- Umsetzer, ein Flattern/Fehler der Membran von ±1 Digit ist ein absolut üblicher Fehler bei Analog-Digital-Umsetzern. Wie lautstärkeintensiv das Flattern sich bemerkbar macht, ist abhängig von der Stelle des Bits im ditigalen Wort. Bei einem 16-Bit-Wort entspräche das an der Stelle des MSB (Most Significant Bit) rechnerisch 6dB*16Bit=96dB, bezogen auf das LSB (Last Significant Bit). Damit wird einleuchtend, daß die digitale Lautsprecher-Anlage nicht bipolar angesteuert werden kann, wenn das LSB eine "hohe" Amplitude besitzt, denn durch den Fehler von ±1 Digit wird das digitale Wort um die gesamten Bits in seiner Wertigkeit gekippt. Dieser Fehler tritt um so häufiger auf, je geringer die digitale Auflösung ist, denn damit steigt die Amplitude vom LSB. Es wird deshalb von der Industrie eine Auflösung für Wandler von 16 bis 20 Bit angestrebt, damit das LSB eine möglichst kleine Amplitude und dadurch bedingten hohen Rauschspannungsabstand erhält. Gleichströme entstehen an der Stelle Null (7FFF hex) für den Lautsprecher, bedingt durch den Binärcode, der folgende Bitkombinationen aufweist: 7FFF hex entspricht Binärcode =

0111′1111′1111′1111.

Zusätzlich schwankt der Code noch um ±1 Bit, was günstigstenfalls bei 8000 hex die beste Bitkombination ergeben würde, da nur das MSB auf high und die anderen Bits auf low gesetzt sind. Grundsätzlich liegt das Problem des Null-Codes darin, daß die Lautsprecher bei Null (7FFF hex) einen Gleichstrom führen. Lautsprecher vertragen auf lange Zeit keine Gleichströme, denn sie erzeugen in den Schwingspulen eine hohe Wärme, die schlecht abgeführt werden kann und führen schließlich zur Zerstörung der Schwingspulen. Siehe Abb. 1.2.

Binär- in Trinärumwandlung

Um die Probleme der Binäransteuerung zu lösen, muß ein Code gefunden werden, der die folgenden Probleme löst:

- die der Unipolaransteuerung,
- des Flatterns,
- des Gleichstroms und
- des Verzichts auf Schalter zur Polaritätsumschaltung.

Die geeignete Lösung ergibt sich aus der Trinäransteuerung, sie kennt drei Zustände, bezogen auf den Lautsprecherhub. Hub in Richtung positive Amplitude, was dem Dezimalwert +1 entspricht; kein Hub, was dem Dezimalwert 0 entspricht und Hub in Richtung negative Amplitude, was dem Dezimalwert -1 entspricht. Der Trinärcode wird am einfachsten durch Umrechnen von Binärcode in Trinärcode erzeugt. Es gibt Möglichkeiten, den Code durch das Umschalten einer positiven und einer negativen Spannungsquelle zu erzeugen. Diese Beschaltung hat aber den Nachteil, daß ein großer elektronischer Aufwand zur Umschaltung durch Transistor-Schalter benötigt wird. Außerdem ist die Art der Spannungsumschaltung des Lautsprechers von der Firma Philips patentiert worden unter der Nummer European Patent Specification 0 137 550 B1. Eine geeignete Codeumwandlung läßt sich durch eine EPROM oder einen Mikroprozessor durch entsprechende Software erreichen. Die einfachste und schnellste Möglichkeit läßt sich durch das EPROM in der Form erzeugen, daß eine Adresse mit dem digitalen Binärwort am EPROM anliegt und der dazugehörende Trinärcode aus dem EPROM gelesen wird und anschließend die digitalen Lautsprecher ansteuert. Das EPROM erzeugt eine Verzögerungszeit von ca. 200ns und ein schneller Mikroprozessor liegt bei entsprechendem Algorithmus um den Faktor 10 höher. Siehe dazu Formel 1.3.

Mathematik zur Trinäransteuerung

Es wird die Trinärzahl 34 (81 dez) in Tripel zerlegt. Zusätzlich wird jedem Tripel ein Strom für die Lautsprecheransteuerung zugeordnet. Es läßt sich am Beispiel Abb. 1.4 erkennen, daß 34 in drei Tripel/Teilintervalle zerlegt wird und jedes Intervall einen Wert von (-1,0, +1) zugeordnet bekommt. Jedes Tripel/Teilintervall wird wiederum in drei Tripel/Teilintervalle zerlegt, bis endlich das Intervall mit der Wertigkeit von 3 erreicht ist. Das letzte Intervall nach der Zerlegung in Teilintervalle entspricht der Basis von 3 und bekommt ebenfalls die Werte 1 dez={-1}, 2 dez={±0} und 3 dez={+1} zugeordnet. Die Anzahl der Intervalle (Anzahl der Bits) von 34, ergibt sich aus der Wortlänge nach der Formel 1.3, also 4fache Zerlegung und damit ist auch die trinäre Wortlänge (Anzahl der Bits) festgelegt. Null ergibt für sich selbst Null, also 0 dez. Somit ist 0 dez redundant mit dem mittleren Tripel/Intervall (z. B. 54 . . . 28 usw.). Abb. 1.5 dient zum besseren Verständnis der Ansteuerung der Lautsprecheransteuerung.

Elektronik zur Trinäransteuerung

Das Trinärsignal kennt drei Zustände {-1, ±0, +1}, doch wie werden sie am besten realisiert:

- für die positiven und negativen Signalzustände werden zwei Spannungsquellen verwendet, eine mit positivem Potential und eine mit negativem Potential oder
- eine Brückenschaltung, die durch geschickte Anordnung gleichzeitig die Lautsprecherspule durch einen Widerstand bedämpft, und um
- einen möglichst kleinen Energieverbrauch der Brückenschaltung zu erreichen.

Die Trinäransteuerung mit zwei Spannungsquellen ist sehr kompliziert, da zwei gleiche Spannungsquellen geregelt werden müssen. Der negative und positive Hub eines Lautsprechers muß auf gleichem Niveau bei unterschiedlichem Vorzeichen gehalten werden, damit die Linearität der digitalen Stufungen erhalten bleibt. Dazu wird eine Steuerelektronik benötigt.

Die eleganteste Lösung ist die der Brückenschaltung, da gleichzeitig die Lautsprecherspulen durch geschickte Anordnung bedämpft werden und nur eine Stromquelle benötigt wird. Der Lautsprecher liegt in der Mitte der Brückenschaltung. Jeder Brückenzweig wird durch ein TTL- Pulldown-Gatter, bei gesetztem Eingangssignal/HIGH, niederohmig gegen Masse/GND geschaltet (Gatter leitend) und bei nicht gesetztem Eingangssignal/LOW, hochohmig gegen Masse geschaltet (Gatter gesperrt). Der Signalzustand {-1} wird erreicht, indem der Strom von der Spannungsquelle +U_q durch den Widerstand R₃ fließt, durch den Lautsprecher von Minus in Richtung Plus fließt, durch den Widerstand R₂ und durch das Gatter des Bits n gegen Masse fließt. Der Signalzustand {+1} wird erreicht, indem der Strom von der Spannungsquelle +U_q durch den Widerstand R₁ fließt, durch den Lautsprecher von Plus in Richtung Minus fließt, durch den Widerstand R₄ und durch das Gatter des Bits n+1 gegen Masse fließt, also spiegelbildlich. Der Signalzustand {±0} wird erreicht, indem beide Gatter gesetzt oder nicht gesetzt sind, da sich dann zwischen den Brückenzweigen eine Differenz von Null ergibt und in der Lautsprecherspule kein Querstrom fließt. Der Signalzustand beide Gattereingänge gesetzt/HIGH oder nicht gesetzt/LOW ist redundant, es kann somit zur Erzeugung von Null, als Membranhub, ein Signalzustand beliebig gewählt werden. Bei dem Signalzustand Eins auf beiden Gattern in der Brücke, müssen beide Brückenzweige wie nach der Wheatstonschen Meßbrücke abgeglichen sein, damit durch den Lautsprecher kein Querstrom fließt. Zusätzlich wird viel Energie verbraucht und der Innenwiderstand der Brücke wird bei Fremdinduktion des Lautsprechers (Hubanregung durch einen anderen Lautsprecher in der Kammer) nicht geändert. Werden die beiden Gatter auf Null gesetzt, so fließt kein Querstrom zwischen den Brückenzweigen und die Brücke muß nicht auf Null abgeglichen werden. Der Lautsprecher selber wird bei Fremdinduktion über die Widerstände R₁=R₃ bedämpft. Wenn bei Eins-Beschaltung beide Gatter die Brückenzweige gegen Masse geschaltet haben und kein Querstrom fließen soll, müssen alle Widerstände in der Brücke spiegelsymmetrisch die gleichen Widerstandswerte besitzen. Dies läßt sich erreichen, indem Widerstände aus derselben Serie verwendet werden. Die Toleranzen müssen sehr viel kleiner als der kleinste Bitfehler sein. Siehe Abb. 1.6.

Bedämpfung des Lautsprechers

Bei Signalansteuerung des Lautsprechers durch Rechtecksignale schwingt der Lautsprecher bedämpft auf den jeweiligen Amplitudenwert ein. Die oberen Widerstände in der Brücke R₁=R₃ sind zur Bedämpfung des Über- und Unterschwingens vorhanden, um somit einen genaueren Signalverlauf zu erhalten. Der Lautsprecher benötigt grundsätzlich zur Ansteuerung eine Spannungsquelle. Übliche Werte liegen zwischen 0,1 Ω und 10 Ω, und die Widerstände sind parallel zur Spannungsersatzquelle zu betrachten. Die Spannung (U_i) wird durch das Über- und Unterschwingen des Lautsprechers induziert oder durch Fremdinduktion. Siehe Abb. 1.7. Die Widerstände R_n und R_n′ sind gleich große Widerstände zur Stromsteuerung des digitalen Membranhubs in der Brückenschaltung. Die Werte der Widerstände zur Stromsteuerung in der Brücke liegen jeweils um den Faktor drei höher als bei der vorherigen Brücke. Die genauen Werte werden nach der Formel 1.8 berechnet.

Trinäransteuerung

E soll eine elektronische Anlage geschützt werden, die einen Binärcode mit 2n Bits, wobei n der Anzahl der Bits im Binärwort entspricht, in einen Trinärcode mit 3m Bits umsetzt und m die umgerechnete Wortlänge für den Binärcode im Trinärcode darstellt. Eine geeignete Elektronik, in der die Umrechnung stattfindet, bietet sich durch eine Logikschaltung, einen Mikroprozessor, einen Mikrokontroller oder ein EPROM an.

Eine geeignete Elektronik für das Beschalten der Lautsprecher läßt sich durch eine Brückenschaltung realisieren. Die Brückenschaltung hat die Aufgabe, durch geschickte Anordnung der Widerstände in den Brückenzweigen den Strom für den Amplitudenhub der Lautsprecher digital abzustufen und den Lautsprecher zu bedämpfen. Die Brückenzweige selbst werden durch elektronische Schalter oder Gatter entsprechend dem digitalen Zustand geschaltet.

Bei der Umrechnung von Binärcode in Trinärcode läßt sich zusätzlich die Anzahl der digitalen Komponenten verringern, da bezogen auf die Anzahl der Lautsprecher bei n Bit binär (2n Kombinationen, 2¹⁶=65′000 Kombinationen) noch n Lautsprecher zum Codedarstellen verwendet werden müßten. Bei 3m Bit trinär (3m Kombinationen, 3¹¹≈177′000 Kombinationen) würden sich zudem d (5=16-11) Lautsprecher einsparen lassen, da sich mit m Lautsprechern trinär ein vergleichbarer Code binär darstellen läßt. Dieses Verhältnis läßt sich nach folgendem Algorithmus berechnen.

n = WORTLÄNGE (BASIS[2])
m = WORTLÄNGE (BASIS[3])
d = WORTLÄNGE (BASIS[3])-WORTLÄNGE (BASIS[2])

Die eben dargestellte Ansteuerung ist nicht nur für die erfindungsgemäße Codeumsetzung bedeutsam, sondern auch allgemein. Sie kann also auch in zahlreichen anderen Fällen Verwendung finden.

Claims

1. Trinärsignalansteuerung, bei der die Erregerspule eines Lautsprechers von digitalen Signalen angesteuert wird, die vorzugsweise aus einem analogen Schallsignal erzeugt worden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Binärcode in einen Trinärcode umgewandelt wird.

2. Trinärsignalansteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trinärcode über eine Brückenschaltung die drei Signalzustände auf einen Lautsprecher überträgt.

3. Trinärsignalansteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Umrechnung auf den Trinärcode weniger elektronische Komponenten für dieselbe Auflösung im Binärcode benötigt werden.