JP3044846B2 - Ｄ／ａ変換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ディジタルオーディ
オディスク（ＣＤ）やサンプリング音源等に用いられる
Ｄ／Ａ変換器に関し、特に、低レベル信号時のノイズ低
減に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＤやサンプリング音源では楽音信号等
の波形データをＰＣＭデータで記憶している。この波形
データをアナログの楽音信号に変換するのがＤ／Ａ変換
器である。現在一般的なＰＣＭフォーマットでは１６ビ
ット程度の中央値(0000000000000000)を０とし、最上位
ビットが０範囲を正領域，最上位ビットが１の範囲を負
領域とする２の補数方式で記録されている。

【０００３】また、近年１ビットＤＡＣが実用化されて
いるが、この方式では、負領域のフルスケールが出力
０、正領域のフルスケールが最大出力（常時“１”出
力）である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このようにＤ／Ａ変換
器では、無信号や微小レベルの信号のとき、正領域の最
大値の約半分の出力となる。１ビットＤＡＣの場合に
は、最低値（負領域の最大値）の場合には常時０でビッ
ト反転がなく、最大値の場合には常時１でビット反転が
ないが、無信号や微小レベル信号のときはその丁度中間
であるため最もビット反転が頻繁である。また、マルチ
ビットＤＡＣの場合には、２の補数系またはオフセット
バイナリ方式で符号化されたＰＣＭデータをアナログ信
号（電流値または電圧値）に変換するが、０レベル付近
は正負領域の境界であるためデータの取りえる範囲の中
心に当たり、最も非線型性が大きくオフセットが大きい
部分である。これを従来のマルチビットＤＡＣでアナロ
グ変換した場合、振幅の小さい微小信号の波形が最も非
線型歪みが大きくなってしまう。

【０００５】このように、従来のＤ／Ａ変換器では、信
号レベルが最も小さいところで、最も大きい歪みが生じ
る特性になっており、特性の改善が望まれていた。

【０００６】この発明は、正負領域を分割してＤ／Ａ変
換することにより、上記課題を解決したＤ／Ａ変換器を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、サンプリン
グタイミング毎に量子化され、正領域，負領域を通じて
割り当てられた一連の数値に符号化された波形データを
アナログ波形信号に変換するＤ／Ａ変換器であって、前
記波形データを正領域と負領域とに分割する分割手段
と、前記正領域，負領域に分割された波形データをそれ
ぞれ別に、０レベル付近を０出力とするアナログ波形信
号に変換する変換手段と、変換された正領域，負領域の
アナログ波形信号を合成する手段と、を備えたことを特
徴とする。

【０００８】

【作用】この発明は、正，負領域を一連の数値に符号化
された波形データ（たとえばＰＣＭデータ）をアナログ
波形信号に変換するＤ／Ａ変換器に関するものである。

【０００９】この発明の構成を図１に示す。入力された
波形データを正領域の波形データと負領域の波形データ
とを分割手段（正波形分割手段１，負波形分割手段２）
によって分割する。つぎに、この信号をそれぞれ独立し
た変換手段（正波形変換手段３，負波形変換手段４）に
よって０レベル付近を０出力とするアナログ信号に変換
する。これによって、最も信号レベルの小さい０レベル
付近の出力がほぼ０となるため、Ｄ／Ａ変換されるディ
ジタルデータが微小信号レベルであるとき１ビットＤＡ
Ｃの場合にはビット反転による再量子化ノイズが少な
く、マルチビットＤＡＣの場合には最上位ビット（符号
ビット）の反転による歪みも発生しない。変換された信
号は合成手段５により正負波形を合成したアナログ信号
とする。これによって、低レベル信号の再現性が良くな
る。

【００１０】

【実施例】図２はこの発明の実施例であるＤ／Ａ変換器
の構成を示す図である。このＤ／Ａ変換器は、入力され
るＰＣＭデータの正領域と負領域とを分割してそれぞれ
別の１ビットＤＡＣでＤ／Ａ変換するものである。

【００１１】ＰＣＭ波形データは、まずオーバーサンプ
リングフィルタ２０に入力される。

【００１２】このフィルタは、ＰＣＭデータをそのサン
プリング周波数の２〜８倍の周波数で再量子化するもの
であり、量子化による折返し雑音を低減するものであ
る。このオーバーサンプリングフィルタ２０の出力は正
波形抽出器２１および負波形抽出器２２に接続されてい
る。ＰＣＭデータは、正負領域を１連の数値（２の補数
系の２進数）で符号化しているが、正波形抽出器２１
は、このうち正領域のデータのみを抽出（分割）して取
り出し、０レベル付近を０とする数値データに変換する
回路である。同様に、負波形抽出器２２は、ＰＣＭデー
タのうち負領域のデータのみを抽出して０レベル付近を
０とする数値データに変換する。これら正波形抽出器２
１，負波形抽出器２２の構成は図３，図４に示す。正波
形抽出器２１，負波形抽出器２２にはそれぞれ１ビット
ＤＡＣ本体２３，２４が接続されている。１ビットＤＡ
Ｃ本体２３，２４はそれぞれ正波形，負波形のみを電流
信号に変換する。これら１ビットＤＡＣ本体２３，２４
の出力はオペアンプ２５に入力される。オペアンプ２５
はこれらの信号を減算合成し電圧信号に変換する。この
のちこの信号はローパスフィルタ２６によって高域のノ
イズ成分をカットされて出力される。

【００１３】図３は整流型の正波形抽出器および負波形
抽出器を示す図である。同図（Ａ）は正波形抽出器の構
成を示している。これは１６ビットの２入力セレクタで
構成されている。セレクト信号の１／０で何れか一方の
入力が出力側に与えられる。

【００１４】０側入力端子にはＰＣＭデータが入力さ
れ、１側入力端子にはオール“０”データが入力され
る。一方、セレクト信号端子にはＰＣＭデータの最上位
ビットがセレクト信号として入力される。これにより、
ＰＣＭデータの最上位ビットが０（正領域のデータ）の
ときにはＰＣＭデータがそのまま通過し、最上位ビット
が１（負領域のデータ）のときにはオール“０”データ
が出力される。これによって、正領域のデータはそのま
ま出力されるが、負領域（最上位ビット＝１）のデータ
は遮断される。

【００１５】一方、同図（Ｂ）に示す負波形抽出器の場
合には、最上位ビットが１の場合のみＰＣＭデータが出
力されるようになっている。すなわち、ＰＣＭデータの
最上位ビットがセレクト信号として与えられ、１側入力
端子にＰＣＭデータが入力される。ただし、ＰＣＭデー
タはビット反転回路によって全ビット反転すなわち正負
が反転されたのち１側入力端子に入力される。これによ
り、１ビットＤＡＣ２４においてはこの負波形を正数デ
ータとして処理することができる。なお、１ビットＤＡ
Ｃ２４の出力はオペアンプ２５の反転入力端子に入力さ
れている。これによってこの波形データが負側に反転さ
れ正波形データと正しく合成される。

【００１６】さらに、図４は図３の整流方式の改良版の
変換方式の正負波形抽出器の変換特性を示す図である。
図３の整流方式のように０点で完全にカットオフしてし
まうと合成時に不整合によるノイズが発生するおそれが
ある。これを解消するため、０点付近から反対側の領域
にむけてリモートな特性にし急激なカットオフをさけて
いる。この変換方式はこのような関数テーブルをＲＯＭ
に記憶しておき、入力値をアドレスとして変換データを
出力するようにしてもよく、関数演算を行う演算回路で
実現することもできる。このように変換された正波形デ
ータ，負波形データは同図（Ｃ）のように合成されるた
め、リモートな特性を持たせた結果含まれることになっ
た反対領域のデータを正負領域で相殺して正確な直線特
性を実現している。

【００１７】図５は前記１ビットＤＡＣ本体の構成を示
す図である。この１ビットＤＡＣは２次ノイズシェーピ
ング方式（ΔΣ変調方式）の一般的な１ビットＤＡＣで
あり、サンプリング周波数fsの２５６倍の周波数で動作
する。回路は２段の積分回路（加算器３１，ディレイ３
２で構成されるものおよび加算器３３，ディレイ３４，
アンプ３８で構成されるもの）とコンパレータである量
子化器３５さらに遅延回路３６からなっている。２次ノ
イズシェーピングとしたことにより、可聴周波数におけ
るノイズを低減することができる。

【００１８】なお、この１ビットＤＡＣ本体は入力され
る数値データが０のときには出力も０であるため、０レ
ベルに対応するデータを０とすることにより、通常の出
力を０とすることができＤＡＣ出力部のスイッチング回
路が減少し消費電流を小さくすることができる。

【００１９】図６はのこの発明の他の実施例のＤ／Ａ変
換器を示す図である。図２の実施例と同様の構成の部分
は同一番号を付して説明を省略する。このＤ／Ａ変換器
では、負波形抽出器２８を負の数値データを出力する回
路として構成した。すなわち、図７に示すように負領域
の波形データを負値を示す（最上位ビットが１）の数値
データとして出力ようにした。したがって、１ビットＤ
ＡＣ本体２９も負値データをアナログ変換する回路とし
た。これにより、オペアンプ２５において減算合成の代
わりに加算合成を行う。

【００２０】なお、図７は上記実施例に用いられる負波
形抽出器の構成を示す図である。同図（Ａ）は整流方式
の負波形抽出器である。これは、上記図３のものに比し
て全ビット反転器が備えられていない。負値データはそ
のまま負値データとして出力するためである。一方、同
図（Ｂ）は変換方式の変換特性を示す図である。この方
式ではビットを反転しないで負領域のデータを負値のま
ま変換している。

【００２１】図８は上記Ｄ／Ａ変換器が用いられる電子
楽器の構成を示す図である。この電子楽器はＰＣＭ音源
４３を備えている。この音源４３にはマイコン４２が接
続されており、マイコン４２は演奏操作子４１の操作に
基づいて楽音形成のため楽音の音高，音色，発音，消音
等を指示するデータを生成する。このデータが音源４３
に入力されたとき、ＰＣＭデータからなる楽音信号を形
成する。このＰＣＭデータは前記ＤＡＣ（Ｄ／Ａ変換
器）１０に入力されアナログの楽音信号に変換される。
この楽音信号はサウンドシステム４４に入力される。サ
ウンドシステム４４においてこの楽音信号は増幅されス
ピーカ等から出力される。

【００２２】本発明により、微小信号レベルでの歪が改
善されたため、複数の電子楽器のアナログ出力混合時の
全体としての歪レベルが改善され、多くの電子楽器をノ
イズの増加を気にせずに混合して使用できるようになっ
た。

【００２３】図９はマルチビットＤＡＣにこの発明を適
用した場合の特性を示す図である。

【００２４】マルチビットＤＡＣの場合には、上述した
ように０レベル付近で最も非線型性が大きく振幅の小さ
い微小信号の波形がその影響をもろに受け非線型歪みが
増加し、聴感上も歪を多く感じる。そこで、波形データ
を０レベルを含ませて正波形と負波形とに分割し（図４
参照）、正波形，負波形を別々にＤ／Ａ変換するように
した。これにより、微小信号の歪みを小さく抑えること
ができる。

【００２５】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、微小な
レベルの信号に対してノイズや歪みを最も小さくするこ
とができるため、Ｄ／Ａ変換器の特性を向上することが
できる。また、無信号や微小レベル信号の場合の出力を
０とすることができるため、Ｄ／Ａ変換器の消費電流を
少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の構成を示す図

【図２】この発明の実施例であるＤ／Ａ変換器のブロッ
ク図

【図３】同Ｄ／Ａ変換器に用いられる整流型正負波形抽
出器の構成を示す図

【図４】同Ｄ／Ａ変換器に用いられる変換型正負波形抽
出器の変換特性を示す図

【図５】同Ｄ／Ａ変換器に用いられる１ビットＤＡＣ本
体を示す図

【図６】この発明の他の実施例であるＤ／Ａ変換器のブ
ロック図

【図７】同Ｄ／Ａ変換器に用いられる変換型負波形抽出
器の変換特性を示す図

【図８】上記Ｄ／Ａ変換器が用いられる電子楽器の構成
を示す図

【図９】この発明をマルチビットＤＡＣに適用した場合
の変換特性を示す図

【符号の説明】

２１−正波形抽出器、２２−負波形抽出器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サンプリングタイミング毎に量子化さ
   れ、正領域，負領域を通じて割り当てられた一連の数値
   に符号化された波形データをアナログ波形信号に変換す
   るＤ／Ａ変換器であって、 前記波形データを正領域と負領域とに分割する分割手段
   と、 前記正領域，負領域に分割された波形データをそれぞれ
   別に、０レベル付近を０出力とするアナログ波形信号に
   変換する変換手段と、 変換された正領域，負領域のアナログ波形信号を合成す
   る手段と、 からなるＤ／Ａ変換器。