JP3214981B2 - Delta-sigma A / D converter with AGC function - Google Patents
Delta-sigma A / D converter with AGC functionInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、デジタルオーディオ・
マルチメディア等の分野において、オーディオまたは音
声等のアナログ信号をデジタル信号に変換するためのA
GC(自動利得制御)機能付きA/D変換器に関し、さ
らに詳しくは、アナログ信号の信号振幅レベルが変化し
ても、デジタル信号が所定の信号振幅レベルを維持する
AGC機能付きデルタシグマ型A/D変換器に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention
In the field of multimedia and the like, an A for converting an analog signal such as audio or voice into a digital signal.
More specifically, the present invention relates to an A / D converter with an automatic gain control (GC) function, and more specifically, a delta-sigma A / A converter with an AGC function that maintains a predetermined signal amplitude level of a digital signal even when the signal amplitude level of an analog signal changes. It relates to a D converter.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来方式1 図1は、デジタルオーディオの分野で用いられている従
来のAGC機能付きA/D変換器の一例を示す。 Conventionally scheme 1 Figure 1 shows an example of a conventional AGC function A / D converter which is used in the field of digital audio.
【0003】図1において、オーディオ入力信号は、外
部制御により増幅率が変化する可変増幅器10で増幅さ
れ、その出力はハイパスフィルタ11に入力される。ハ
イパスフィルタ11は可変増幅器10の出力信号に含ま
れるDC成分を除去するためにあり、一般的に、カット
オフ周波数は10Hz程度であって、容量と抵抗で構成
される1次のCRフィルタで実現される。[0003] In FIG. 1, an audio input signal is amplified by a variable amplifier 10 whose amplification rate changes by external control, and an output thereof is input to a high-pass filter 11. The high-pass filter 11 is for removing a DC component included in the output signal of the variable amplifier 10, and generally has a cut-off frequency of about 10 Hz and is realized by a first-order CR filter including a capacitor and a resistor. Is done.
【0004】ハイパスフィルタ11の出力は、ピーク検
出器12により最大振幅レベル(ピークレベル)が検出
される。検出されたピークレベルは、比較器13によっ
て基準データと比較され、その比較結果に応じて可変増
幅器10の増幅率を制御する。かかる構成により、ピー
クレベルが基準データと等しくなるように働くAGCル
ープが作られる。このAGCループにより、オーディオ
入力信号のAC信号振幅レベルが変化しても、可変増幅
器10からのAC信号のピークレベルは所定のレベルに
保持される。この所定のレベルは、AGC出力レベルと
呼ばれる。デジタルオーディオ用途では、信号のAC成
分のみが重要となるので、このようなAGC方式が適し
ている。The maximum amplitude level (peak level) of the output of the high-pass filter 11 is detected by a peak detector 12. The detected peak level is compared with reference data by the comparator 13, and the gain of the variable amplifier 10 is controlled according to the comparison result. With this configuration, an AGC loop that works so that the peak level becomes equal to the reference data is created. By this AGC loop, even if the AC signal amplitude level of the audio input signal changes, the peak level of the AC signal from the variable amplifier 10 is maintained at a predetermined level. This predetermined level is called an AGC output level. In digital audio applications, only the AC component of the signal is important, so such an AGC method is suitable.
【0005】可変増幅器10の出力は、AGCループ内
のハイパスフィルタ11と共に、折り返し防止フィルタ
14にも入力される。この折り返し防止フィルタ14
は、A/D変換をする前に可変増幅器10の出力の信号
周波数成分を、A/D変換器のサンプリング周波数(f
s)の半分以下に帯域制限するためにある。連続したア
ナログ信号をサンプリングする時に、ナイキストの定理
により、fs/2以上の周波数成分が全てDCとfs/
2の間に現れる。これを折り返しと言う。折り返し防止
フィルタ14は、この折り返しの影響をなくすためのロ
ーパスフィルタである。[0005] The output of the variable amplifier 10 is input to an anti-aliasing filter 14 together with the high-pass filter 11 in the AGC loop. This anti-aliasing filter 14
Converts the signal frequency component of the output of the variable amplifier 10 before the A / D conversion into a sampling frequency (f
This is to limit the band to less than half of s). When sampling a continuous analog signal, according to the Nyquist theorem, all frequency components of fs / 2 or more are DC and fs /
Appears between two. This is called folding. The anti-aliasing filter 14 is a low-pass filter for eliminating the influence of the aliasing.
【0006】デジタルオーディオ用途では、fs=48
kHzに対して必要周波数帯域(パスバンド)は20k
Hz程度なので、折り返しを防止するためには、20k
Hzと24kHzとの間で急峻に利得が減衰するローパ
ス特性を持たなければならない。For digital audio applications, fs = 48
Required frequency band (pass band) is 20k for kHz
Hz, so to prevent aliasing, 20k
It must have a low-pass characteristic in which the gain is sharply attenuated between Hz and 24 kHz.
【0007】折り返し防止フィルタ14の出力は、A/
D変換器15によりサンプリング周波数fsのデジタル
出力(A/D出力)に変換される。オーディオ用途で
は、16ビット相当のダイナミックレンジが必要となる
ので、ここでは、16ビットのA/D変換器が用いられ
ている。The output of the anti-aliasing filter 14 is A /
The signal is converted into a digital output (A / D output) having a sampling frequency fs by the D converter 15. A 16-bit A / D converter is used here because a 16-bit dynamic range is required for audio applications.
【0008】上記のように図1では、AC信号成分のピ
ークレベルをAGC出力レベルに保持した可変増幅器1
0の出力を、折り返し防止フィルタ14で帯域制限し、
16ビットのA/D変換器15でデジタル信号に変換す
ることにより、AGC機能付きA/D変換器を実現して
いる。As described above, in FIG. 1, the variable amplifier 1 which holds the peak level of the AC signal component at the AGC output level
0 is band-limited by the anti-aliasing filter 14,
The conversion into a digital signal by the 16-bit A / D converter 15 realizes an A / D converter with an AGC function.
【0009】しかし、この従来方式では、ピーク検出器
12および比較器13がアナログ回路で実現されること
から、検出結果および比較結果に誤差が生じ、AGC出
力レベルがずれるという欠点がある。However, in this conventional system, since the peak detector 12 and the comparator 13 are realized by analog circuits, there is a disadvantage that an error occurs in the detection result and the comparison result, and the AGC output level shifts.
【0010】一般的なピーク検出器は、整流器と前回ま
でのピークレベルを保持するホールド回路とから構成さ
れる。A general peak detector is composed of a rectifier and a hold circuit for holding the previous peak level.
【0011】また比較器には、ピークレベルと基準デー
タの大小を判断するアナログ式のコンパレータが用いら
れる。しかも、それぞれの回路はアナログ回路なので、
ノイズとオフセットの影響を受けることになる。As the comparator, an analog comparator for judging the magnitude of the peak level and the reference data is used. And each circuit is an analog circuit,
It will be affected by noise and offset.
【0012】従来方式2 図2は、従来方式1の欠点を解決したAGC機能付きA
/D変換器の例を示す。従来方式1と比べて最も大きな
違いは、16ビットA/D変換器22がAGCループ内
に位置することである。可変増幅器21の出力は、16
ビットのA/D変換器22でfs=48kHzの16ビ
ットデジタル出力(A/D出力)に変換されるので、ハ
イパスフィルタ23とピーク検出器24と比較器25は
デジタル回路によって実現することが可能となる。 Conventional system 2 FIG. 2 shows A with AGC function which has solved the disadvantages of conventional system 1.
4 shows an example of a / D converter. The biggest difference from the conventional method 1 is that the 16-bit A / D converter 22 is located in the AGC loop. The output of the variable amplifier 21 is 16
Since the data is converted into a 16-bit digital output (A / D output) of fs = 48 kHz by the bit A / D converter 22, the high-pass filter 23, the peak detector 24, and the comparator 25 can be realized by a digital circuit. Becomes
【0013】よって、ピーク検出および基準データとの
比較は、従来方式1のようにアナログ的なノイズやオフ
セットの影響を受けない。その結果、AGC出力レベル
の正確なAGC機能付きA/D変換器を実現することが
できる。Therefore, the peak detection and comparison with the reference data are not affected by analog noise or offset unlike the conventional method 1. As a result, an A / D converter with an AGC function with an accurate AGC output level can be realized.
【0014】従来方式1との他の違いとして、折り返し
防止フィルタ20が可変増幅器21の前に位置してい
る。従来方式1の説明で述べたように、折り返し防止に
必要なローパス特性は急峻である。一般的に、このよう
なローパスフィルタは、9次以上と次数が多くなり、か
つ、各次のQ値が高くなる。従って、パスバンド内の、
周波数に対する利得変動(リップル)が(+/−)0.
5dB程度と大きくなる。Another difference from the conventional system 1 is that the anti-aliasing filter 20 is located before the variable amplifier 21. As described in the description of the conventional method 1, the low-pass characteristics necessary for preventing aliasing are steep. In general, such a low-pass filter has a large number of orders, such as ninth and higher, and has a high Q value for each order. Therefore, in the passband,
The gain variation (ripple) with respect to frequency is (+/-) 0.
It becomes as large as about 5 dB.
【0015】AGCループは、A/D出力のピークレベ
ルをAGC出力レベルに維持するように働く。従って、
リップル特性の悪いローパスフィルタがAGCループ内
に存在すると、オーディオ入力の主周波数成分が変化し
た時、すなわち、ピークレベルに最も影響する周波数が
変化した時に、リップル特性に応じて可変増幅器21の
増幅率が変化することになる。[0015] The AGC loop works to maintain the peak level of the A / D output at the AGC output level. Therefore,
If a low-pass filter having poor ripple characteristics is present in the AGC loop, when the main frequency component of the audio input changes, that is, when the frequency that most affects the peak level changes, the amplification factor of the variable amplifier 21 according to the ripple characteristics changes. Will change.
【0016】このような増幅率の周波数依存性は、A/
D出力では歪として現れる。この歪は、デジタルオーデ
ィオでは問題となる。そのために、図2の従来例では、
折り返し防止フィルタ20は可変増幅器21の前に位置
することになる。その結果、可変増幅器21の出力はロ
ーパスされないので、可変増幅器21が発生するノイズ
は全てfs/2の周波数以下に折り返す。例えば、可変
増幅器21のノイズ帯域がfsの50倍とすると、fs
/2以下の帯域に存在する可変増幅器21のノイズは、
従来方式1に比べて100倍になる。The frequency dependence of the amplification factor is expressed by A /
It appears as distortion at the D output. This distortion is a problem in digital audio. Therefore, in the conventional example of FIG.
The anti-aliasing filter 20 will be located before the variable amplifier 21. As a result, since the output of the variable amplifier 21 is not low-passed, all the noise generated by the variable amplifier 21 is turned back to a frequency of fs / 2 or less. For example, if the noise band of the variable amplifier 21 is 50 times fs, fs
The noise of the variable amplifier 21 existing in the band equal to or less than / 2 is
It is 100 times larger than that of the conventional method 1.
【0017】可変増幅器21が発生するノイズは増幅率
と共に増加するので、特にオーディオ入力の振幅レベル
が小さい時に、ノイズの影響はより顕著に現れる。この
ように、可変増幅器21が発生するノイズの影響が大き
いと言うことが図2の方式の欠点の一つである。Since the noise generated by the variable amplifier 21 increases with the amplification factor, the effect of the noise appears more remarkably especially when the amplitude level of the audio input is small. As described above, one of the drawbacks of the system shown in FIG. 2 is that the influence of noise generated by the variable amplifier 21 is large.
【0018】また、図2の方式と従来方式1の共通の欠
点として、折り返しを防止するローパスフィルタの次数
が多いために、回路規模が大きくなり、ローパスフィル
タ自体のノイズが大きいと言うことがある。さらに、多
次で且つ各次のQ値が高いために、群遅延特性が悪いと
いうことが、共通の欠点としてある。Further, as a common drawback between the system shown in FIG. 2 and the conventional system 1, since the order of the low-pass filter for preventing aliasing is large, the circuit scale becomes large, and the noise of the low-pass filter itself is large. . In addition, a common drawback is that the group delay characteristics are poor because of the multi-order and high Q value of each order.
【0019】図2の方式の他の欠点として、デジタル回
路で実現するハイパスフィルタ23の回路規模が大きい
と言うことがある。ここで必要とされるフィルタは、カ
ットオフ周波数が10Hzで次数が1次から2次の簡単
なハイパス特性である。デジタル信号処理でフィルタを
実現するための基本回路として、乗算器とレジスタと演
算係数ROMが必要である。上記の簡単なハイパス特性
では、レジスタ数と演算係数ROMのワード数は少な
い。しかし、乗算器は小さくならない。Another disadvantage of the method shown in FIG. 2 is that the circuit size of the high-pass filter 23 realized by a digital circuit is large. The filter required here has a simple high-pass characteristic with a cutoff frequency of 10 Hz and an order of 1st to 2nd order. As a basic circuit for realizing a filter by digital signal processing, a multiplier, a register, and an operation coefficient ROM are required. With the simple high-pass characteristics described above, the number of registers and the number of words in the operation coefficient ROM are small. However, the multiplier does not get smaller.
【0020】乗算器の回路規模は、乗算するデータのビ
ット長で決まる。ここでは、A/D変換器22のA/D
出力と、ハイパスフィルタに必要な係数ROMのビット
長で決まる。係数ROMのビット長はカットオフ周波数
の精度に依存するが、A/D出力は16ビットと大きい
ので、乗算器は小さくならない。このように、ここで
は、ハイパスフィルタ23を実現するためだけに、大規
模な乗算器を持つことになり、回路規模を考えると非効
率的である。The circuit scale of the multiplier is determined by the bit length of the data to be multiplied. Here, the A / D of the A / D converter 22
It is determined by the output and the bit length of the coefficient ROM required for the high-pass filter. The bit length of the coefficient ROM depends on the precision of the cutoff frequency. However, since the A / D output is as large as 16 bits, the multiplier does not become small. Thus, here, a large-scale multiplier is provided only to realize the high-pass filter 23, which is inefficient when considering the circuit scale.
【0021】[0021]
【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来方
式1では、AGC出力レベルを正確に制御することがで
きないという欠点があった。また、従来方式2では、可
変増幅器のノイズの影響を大きく受け、振幅レベル検出
に必要なハイパスフィルタの回路規模を小さくすること
ができないという欠点があった。As described above, the conventional system 1 has a disadvantage that the AGC output level cannot be accurately controlled. Further, the conventional system 2 has a disadvantage that the circuit scale of the high-pass filter required for amplitude level detection cannot be reduced due to the influence of the noise of the variable amplifier.
【0022】よって、本発明の目的は、従来技術のかか
る欠点に鑑みて、AGC出力レベルを正確に保持し、可
変増幅器のノイズの影響を軽減すると共に、振幅レベル
検出に必要なハイパスフィルタの回路規模を縮小するこ
とのできる、AGC機能付きのデルタシグマ型A/D変
換器を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a high-pass filter circuit required for accurately maintaining an AGC output level, reducing the influence of noise of a variable amplifier, and detecting an amplitude level, in view of the above-mentioned drawbacks of the prior art. An object of the present invention is to provide a delta-sigma A / D converter with an AGC function, which can be reduced in scale.
【0023】[0023]
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明は、アナログ入力信号の振幅レベルが変動
した際にも、A/D変換出力信号の振幅を所定のレベル
に保持するAGC(自動利得制御)機能を有するA/D
変換器において、アナログ信号の入出力振幅比を可変設
定できる可変増幅器と、前記可変増幅器で増幅されたア
ナログ信号を、最終的に必要なサンプリング周波数より
も高い周波数でオーバーサンプリングし、1ビットまた
は多ビットの量子化データに変換するデルタシグマ変調
器と、前記量子化データを入力して、デシメーション処
理および周波数帯域制限処理を施し、最終的に必要なサ
ンプリング周波数および分解能のA/D変換出力に変換
するデジタルフィルタ部と、前記デジタルフィルタ部が
発生したデジタル信号の振幅レベルを検出するレベル検
出手段と、前記レベル検出手段の検出結果に応じて、前
記可変増幅器の入出力振幅比を設定するための増幅率を
制御する増幅率制御手段とを具備したものである。In order to achieve the above object, the present invention maintains the amplitude of an A / D conversion output signal at a predetermined level even when the amplitude level of an analog input signal fluctuates. A / D with AGC (automatic gain control) function
In the converter, a variable amplifier capable of variably setting the input / output amplitude ratio of the analog signal, and oversampling the analog signal amplified by the variable amplifier at a frequency higher than a finally required sampling frequency to obtain 1 bit or multiple bits. A delta-sigma modulator for converting to bit quantized data, and inputting the quantized data, performing decimation processing and frequency band limiting processing, and finally converting the data to an A / D conversion output having a required sampling frequency and resolution A digital filter section, a level detection section for detecting an amplitude level of a digital signal generated by the digital filter section, and an input / output amplitude ratio of the variable amplifier according to a detection result of the level detection section. Gain control means for controlling the gain.
【0024】ここで、折り返し防止のために、ローパス
フィルタをデルタシグマ変調器と可変増幅器との間に挿
入することは好適である。この時、ローパスフィルタの
カットオフ周波数を、A/D変換出力のサンプリング周
波数に応じて切り替えることも可能である。さらに、デ
ジタルフィルタ部がハイパスの信号周波数特性を有する
ことも好適である。Here, to prevent aliasing, it is preferable to insert a low-pass filter between the delta-sigma modulator and the variable amplifier. At this time, the cutoff frequency of the low-pass filter can be switched according to the sampling frequency of the A / D conversion output. Further, it is preferable that the digital filter section has a high-pass signal frequency characteristic.
【0025】また、デジタルフィルタ部が2段以上のフ
ィルタ段の従属接続で構成され、レベル検出手段の入力
となるデジタル信号を出力するフィルタ段と、A/D変
換出力を出力するフィルタ段を異ならせることも可能で
ある。Further, the digital filter section is composed of a cascade connection of two or more filter stages, and the filter stage for outputting a digital signal to be input to the level detecting means is different from the filter stage for outputting an A / D conversion output. It is also possible to make it.
【0026】また、デルタシグマ変調器の入力振幅を、
AGC機能付きデルタシグマ型A/D変換器のフルスケ
ールアナログ入力レベルよりも大きく設定したリミッタ
レベル以下に振幅制限するリミッタ手段を有することも
可能である。Also, the input amplitude of the delta-sigma modulator is
It is also possible to have limiter means for limiting the amplitude below a limiter level set higher than the full-scale analog input level of the delta-sigma A / D converter with AGC function.
【0027】また、増幅率制御手段が、レベル検出手段
の検出結果を基準デジタルデータと比較し、大小または
差を表すデジタル信号を出力する比較手段と、比較手段
の出力に依存したアナログレベルを発生するD/A変換
部と、D/A変換部の出力が変化する時定数を制御して
増幅率制御信号を発生するような時定数制御手段とで構
成され、可変増幅器の増幅率が、増幅率制御信号に応じ
て線形に変化する構成とすることも可能である。この場
合、時定数制御手段の時定数を、比較手段の出力に依存
して切り替えることも可能である。The amplification factor control means compares the detection result of the level detection means with the reference digital data, and outputs a digital signal indicating a magnitude or a difference, and generates an analog level dependent on the output of the comparison means. And a time constant control means for generating a gain control signal by controlling a time constant at which the output of the D / A converter changes. It is also possible to adopt a configuration that changes linearly according to the rate control signal. In this case, it is possible to switch the time constant of the time constant control means depending on the output of the comparison means.
【0028】[0028]
1) 本発明に係るデルタシグマ型A/D変換器によれ
ば、デルタシグマ変調器は最終的に必要なA/D変換出
力のサンプリング周波数に比べて十分高い周波数で可変
増幅器の出力をオーバーサンプリングするので、パスバ
ンドリップルの少ない簡単な折り返し防止フィルタを可
変増幅器の後に挿入することが可能である。従って、折
り返しによる可変増幅器のノイズの影響はなくなる。ま
た折り返し防止フィルタ自体のノイズも小さくなる。1) According to the delta-sigma A / D converter according to the present invention, the delta-sigma modulator oversamples the output of the variable amplifier at a frequency sufficiently higher than the finally required sampling frequency of the A / D conversion output. Therefore, it is possible to insert a simple anti-aliasing filter having less pass band ripple after the variable amplifier. Therefore, the influence of the noise of the variable amplifier due to the folding is eliminated. Also, noise of the anti-aliasing filter itself is reduced.
【0029】2) また本発明では、元々デジタルフィ
ルタ部は、デルタシグマ変調器が発生する高周波数域の
量子化ノイズを除去するために、急峻なローパスフィル
タ特性を有しているので、デジタル演算をするためのレ
ジスタ、乗算器、演算係数ROMなどの基本回路を備え
ている。よって、付加的なフィルタリング処理、例えば
ピーク検出のためのハイパスフィルタ処理を行うための
回路規模の増大は小さい。さらに、デジタルフィルタ部
を多段構成にすることにより、AGC動作に影響を与え
ずに、付加的デジタル処理機能を小さい回路規模の増大
で実現することが可能である。2) In the present invention, the digital filter section originally has a steep low-pass filter characteristic in order to remove quantization noise in a high frequency range generated by the delta-sigma modulator. And a basic circuit such as a register, a multiplier, and a calculation coefficient ROM. Therefore, an increase in the circuit size for performing additional filtering processing, for example, high-pass filtering for peak detection is small. Further, by using a multi-stage configuration of the digital filter unit, it is possible to realize an additional digital processing function with a small increase in circuit scale without affecting the AGC operation.
【0030】3) さらに本発明によれば、デルタシグ
マ変調器の入力の振幅を制限することにより、可変増幅
器の入力振幅が急激に増大しても、デルタシグマ変調器
の安定性を保つことが可能である。3) Further, according to the present invention, by limiting the input amplitude of the delta-sigma modulator, it is possible to maintain the stability of the delta-sigma modulator even if the input amplitude of the variable amplifier increases rapidly. It is possible.
【0031】4) さらに本発明によれば、ピークレベ
ルと基準データとの比較結果をD/A変換し、D/A変
換出力が変化する時定数を制御することにより、時間に
対して線形に可変増幅器の増幅率を変化させるので、増
幅率の変化が聴感上問題とならない。4) Further, according to the present invention, the comparison result between the peak level and the reference data is D / A converted, and the time constant at which the D / A conversion output changes is controlled, so that the time constant is linear with respect to time. Since the gain of the variable amplifier is changed, the change in the gain does not cause a problem in hearing.
【0032】[0032]
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の各実施例を
詳細に説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【0033】実施例1 図3は、本発明をデジタルオーディオ用途に適用した一
実施例を示す。 Embodiment 1 FIG. 3 shows an embodiment in which the present invention is applied to digital audio applications.
【0034】本実施例において、オーディオ入力信号は
可変増幅器30で増幅され、折り返し防止フィルタ31
に入力される。折り返し防止フィルタ31の出力は、4
次のデルタシグマ変調器32により、最終的なサンプリ
ング周波数(fs)=48kHzの64倍のオーバーサ
ンプリング周波数(64fs)でサンプリングされ、1
ビットの量子化データに変換される。In this embodiment, the audio input signal is amplified by the variable amplifier 30 and the anti-aliasing filter 31
Is input to The output of the anti-aliasing filter 31 is 4
The next delta-sigma modulator 32 performs sampling at an oversampling frequency (64 fs) that is 64 times the final sampling frequency (fs) = 48 kHz.
It is converted to bit quantized data.
【0035】第1のデジタルフィルタ33は1ビットの
量子化データを20kHzのパスバンドに帯域制限し、
fsレートの16ビットデジタル出力(A/D出力)を
発生する。第2のデジタルフィルタ34は、A/D出力
のDC成分を除去するために、カットオフ周波数=10
Hzのハイパス特性を有する。The first digital filter 33 limits the band of the 1-bit quantized data to a pass band of 20 kHz.
Generate a 16-bit digital output (A / D output) at the fs rate. The second digital filter 34 has a cut-off frequency of 10 to remove the DC component of the A / D output.
Hz high-pass characteristics.
【0036】ピーク検出器35は、第2のデジタルフィ
ルタ34の出力のピークレベルを検出する。比較器36
は、ピークレベルと基準デジタルデータを比較し、比較
結果に応じて可変増幅器30の増幅率を制御する。The peak detector 35 detects the peak level of the output of the second digital filter 34. Comparator 36
Compares the peak level with the reference digital data, and controls the amplification factor of the variable amplifier 30 according to the comparison result.
【0037】上記構成により、オーディオ入力を、20
kHzパスバンドに帯域制限された48kHzサンプリ
ングレートの16ビットA/D出力に変換する。また、
AGCループはピーク検出器35の出力と基準デジタル
データが等しくなるように働くので、オーディオ入力の
振幅レベルが変動してもA/D出力の振幅レベルが変動
しない、AGC機能付きA/D変換器を実現することが
できる。With the above configuration, the audio input is set to 20
It is converted to a 16-bit A / D output with a sampling rate of 48 kHz band-limited to a kHz pass band. Also,
Since the AGC loop works so that the output of the peak detector 35 and the reference digital data become equal, the A / D converter with the AGC function does not change even if the amplitude level of the audio input changes. Can be realized.
【0038】図3に示した本実施例と従来方式2との根
本的な違いは、A/D変換器がナイキストサンプリング
型ではなく、オーバーサンプリング型の一つであるデル
タシグマ型A/D変換器であると言うことである。デル
タシグマ型のA/D変換方式は、微細化プロセスを用い
てCMOS LSI化する場合には、広いダイナミック
レンジを安価なコストで達成する方式として、近年、デ
ジタルオーディオ用途のA/D変換では主流となってい
る。The fundamental difference between the present embodiment shown in FIG. 3 and the conventional method 2 is that the A / D converter is not a Nyquist sampling type but is a delta sigma type A / D converter which is one of oversampling types. It is a vessel. The delta-sigma A / D conversion method is a method for achieving a wide dynamic range at a low cost when a CMOS LSI is formed using a miniaturization process. It has become.
【0039】ここでは、16ビット分解能相当のダイナ
ミックレンジを実現するために、4次ノイズシェイピン
グ、64倍オーバーサンプリングのデルタシグマ変調器
を用いている。また、回路はCMOSでの集積化が容易
なスイッチトキャパシタ回路で実現している。Here, in order to realize a dynamic range equivalent to 16-bit resolution, a delta-sigma modulator of fourth-order noise shaping and 64 times oversampling is used. The circuit is realized by a switched capacitor circuit that can be easily integrated in CMOS.
【0040】AGCループでは、ピーク検出器35およ
び比較器36はデジタル回路で実現されるので、従来方
式1とは違い、アナログ的なノイズやオフセットの影響
を受けずに、正確にAGC出力レベルを保持することが
できる。In the AGC loop, since the peak detector 35 and the comparator 36 are realized by digital circuits, unlike the conventional method 1, the AGC output level can be accurately adjusted without being affected by analog noise or offset. Can be held.
【0041】また、図3に示した本実施例と従来方式2
との他の違いとして、可変増幅器30の後に折り返し防
止フィルタ31を位置できることがある。デルタシグマ
変調器32は64fsでオーバーサンプリングするの
で、折り返し防止フィルタ31はパスバンド周波数と
(64fs−パスバンド周波数)との間、すなわち20
kHzと3.052MHzとの間で減衰するローパス特
性であれば良い。また、20kHz以上の必要のない周
波数成分は第1のデジタルフィルタ33で除去されるの
で、カットオフ周波数はパスバンドから十分離すことが
可能である。The present embodiment shown in FIG.
Another difference is that the anti-aliasing filter 31 can be located after the variable amplifier 30. Since the delta sigma modulator 32 oversamples at 64 fs, the anti-aliasing filter 31 has a frequency between the pass band frequency and (64 fs−pass band frequency), that is, 20 fs.
Any low-pass characteristic that attenuates between kHz and 3.052 MHz may be used. In addition, unnecessary frequency components of 20 kHz or more are removed by the first digital filter 33, so that the cutoff frequency can be sufficiently separated from the pass band.
【0042】従って、折り返し防止フィルタ31は、カ
ットオフ周波数が50kHz程度の1次のフィルタで十
分である。ここでは、最も簡単で回路規模の小さい、抵
抗と容量の1次のRCフィルタを用いている。1次のR
Cフィルタにはパスバンドリップルが存在しないので、
AGCループ内に位置しても、従来方式2で記述した歪
の原因にはならない。Accordingly, a primary filter having a cutoff frequency of about 50 kHz is sufficient for the anti-aliasing filter 31. Here, the simplest and small-scale RC filter of the first order of resistance and capacitance is used. Primary R
Since there is no passband ripple in the C filter,
Even if it is located in the AGC loop, it does not cause the distortion described in the conventional method 2.
【0043】また、カットオフ周波数はパスバンドに比
べて十分に高く、20kHz近傍の利得のドループがな
いので、AGC出力レベルのパスバンド内での周波数依
存性を完全になくすことができる。Further, since the cutoff frequency is sufficiently higher than the passband and there is no droop with a gain near 20 kHz, the frequency dependency of the AGC output level in the passband can be completely eliminated.
【0044】このように、デルタシグマ変調器32がオ
ーバーサンプリングすることによって、リップル特性の
良い利得のドループも問題とならない折り返し防止フィ
ルタ31を、可変増幅器30とデルタシグマ変調器32
の間に挿入することが可能となる。As described above, since the delta-sigma modulator 32 performs oversampling, the anti-aliasing filter 31 that does not cause a problem of droop of gain having good ripple characteristics can be replaced with the variable amplifier 30 and the delta-sigma modulator 32.
It becomes possible to insert between.
【0045】その結果、折り返しによる可変増幅器30
のノイズの影響は排除することができる。また、ここで
用いるRCフィルタは回路規模が小さく、自身もノイズ
源とはならない。さらに、折り返し防止フィルタ31を
挿入しなくても、従来方式2に比べて可変増幅器30の
ノイズの影響は小さい。デルタシグマ変調器32は64
fsでオーバーサンプリングするので、この場合、可変
増幅器30のノイズは32fs=1.536MHz以下
に折り返す。これはパスバンド内のノイズを考えた時
に、従来技術2に比べて約1/32である。As a result, the variable amplifier 30 by folding back
Can be eliminated. The RC filter used here has a small circuit scale, and does not itself become a noise source. Further, even if the anti-aliasing filter 31 is not inserted, the influence of the noise of the variable amplifier 30 is smaller than that of the conventional system 2. The delta-sigma modulator 32 has 64
Since oversampling is performed at fs, in this case, the noise of the variable amplifier 30 returns to 32 fs = 1.536 MHz or less. This is about 1/32 compared to the prior art 2 when considering the noise in the pass band.
【0046】上述のように、図3に示した本実施例と従
来方式2との大きな違いとして、A/D変換がデルタシ
グマ変調器とデジタルフィルタ部を用いて行われると言
うことが挙げられる。ここでは、デジタルフィルタ部は
第1のデジタルフィルタ33と第2のデジタルフィルタ
34の2段構成になっている。第1のデジタルフィルタ
33は、デルタシグマ変調器32の出力する64fsの
量子化データに含まれるパスバンド外の量子化ノイズを
除去し、fsにデシメーションされた16ビットのA/
D出力を発生する。第2のデジタルフィルタ34は、第
2のデジタルフィルタ33の出力のうちDC成分を除去
するカットオフ周波数10Hzのハイパスフィルタであ
る。ここでは、ハイパスフィルタはピーク検出器35だ
けのために必要なので、デジタルフィルタ部を2段構成
にし、1段目の第1のデジタルフィルタ33の出力をA
/D出力としている。As described above, a major difference between the present embodiment shown in FIG. 3 and the conventional system 2 is that A / D conversion is performed using a delta-sigma modulator and a digital filter unit. . Here, the digital filter section has a two-stage configuration of a first digital filter 33 and a second digital filter 34. The first digital filter 33 removes quantization noise outside the pass band included in the 64 fs quantized data output from the delta-sigma modulator 32, and removes the 16-bit A / D signal decimated to fs.
Generate a D output. The second digital filter 34 is a high-pass filter with a cutoff frequency of 10 Hz for removing a DC component from the output of the second digital filter 33. Here, since the high-pass filter is necessary only for the peak detector 35, the digital filter unit has a two-stage configuration, and the output of the first digital filter 33 in the first stage is A
/ D output.
【0047】第1のデジタルフィルタ33は、急峻なロ
ーパス特性を実現するために、FIR型デジタルフィル
タで構成され、大規模なレジスタと演算係数ROMと乗
算器を有している。第2のデジタルフィルタ34は、1
次のIIR型デジタルフィルタ構成なので、演算係数R
OMとレジスタはわずかで済む。また、第2のデジタル
フィルタ34は、乗算器を第1のデジタルフィルタ33
と時分割で兼用することができる。さらに、演算係数R
OMに関しては、ROM制御部を兼用している。このよ
うに、図3の構成では、ピーク検出に必要なハイパスフ
ィルタを実現するための回路規模の増加は、従来方式2
の場合に比べて小さくて済む。The first digital filter 33 is constituted by an FIR type digital filter in order to realize a steep low-pass characteristic, and has a large-scale register, an operation coefficient ROM, and a multiplier. The second digital filter 34 includes 1
Since the following IIR digital filter configuration is used, the operation coefficient R
Only a few OMs and registers are needed. Further, the second digital filter 34 includes a multiplier as the first digital filter 33.
And time sharing. Further, the operation coefficient R
As for OM, it also serves as a ROM control unit. As described above, in the configuration shown in FIG.
Smaller than in the case of
【0048】上述のように、図3のような実施例を構成
することにより、可変増幅器ノイズの折り返しの影響が
排除された、そして、ピークレベル検出に必要なハイパ
スフィルタの回路規模が小さい、デジタルオーディオ用
AGC機能付きA/D変換器の実現が可能である。As described above, by configuring the embodiment as shown in FIG. 3, the influence of the return of the variable amplifier noise is eliminated, and the circuit size of the high-pass filter required for peak level detection is small. An A / D converter with an AGC function for audio can be realized.
【0049】なお、本実施例では、4次ノイズシェイピ
ング、1ビット量子化のデルタシグマ変調器を用いた
が、他のノイズシェピング次数や、多ビット量子化のデ
ルタシグマ変調器でも、本発明の実施が可能である。ま
た本実施例では、デジタル信号の振幅レベルを検出する
のに、ピークレベルを検出する方法を用いたが、実効値
検出等、他の検出手段でも差し支えない。In this embodiment, the fourth-order noise shaping and the 1-bit quantization delta-sigma modulator are used. However, the present invention can be applied to other noise-shaping orders and multi-bit quantization delta-sigma modulators. Can be implemented. In this embodiment, the method of detecting the peak level is used to detect the amplitude level of the digital signal. However, other detection means such as effective value detection may be used.
【0050】実施例2 図4は、マルチメディア用パーソナルコンピュータで用
いられる、マイクからの音声入力を対象としたAGC機
能付きA/D変換器をLSI化するのに好適な、本発明
の一実施例を示す。 Embodiment 2 FIG. 4 shows an embodiment of the present invention suitable for making an A / D converter with an AGC function for audio input from a microphone used in a multimedia personal computer into an LSI. Here is an example.
【0051】図4において、マイクからの音声入力(マ
イク入力)信号は、外部電圧制御により増幅率が変化す
る可変増幅器40で増幅される。可変増幅器40の出力
は、リミッタ回路41において振幅が制限され、折り返
し防止フィルタ42に入力される。In FIG. 4, a voice input (microphone input) signal from a microphone is amplified by a variable amplifier 40 whose amplification factor changes by external voltage control. The output of the variable amplifier 40 is limited in amplitude in a limiter circuit 41 and is input to an anti-aliasing filter 42.
【0052】折り返し防止フィルタ42の出力は、4次
のデルタシグマ変調器43において、最終的に必要なデ
ジタル出力(A/D出力)のサンプリング周波数(f
s)の64倍(64fs)でオーバーサンプリングさ
れ、64fsレートの1ビット量子化データに変換され
る。The output of the anti-aliasing filter 42 is supplied to the fourth-order delta-sigma modulator 43 at the sampling frequency (f / F) of the digital output (A / D output) finally required.
s) is oversampled at 64 times (64 fs), and is converted into 1-bit quantized data at a rate of 64 fs.
【0053】第1のデジタルフィルタ44は、1ビット
量子化データを、8分の1の周波数(8fs)にデシメ
ーションされた18ビットのデジタル信号に変換する。
第2のデジタルフィルタ45はハイパス特性を有し、第
1のデジタルフィルタ44の出力のDC成分を除去した
8fsレートの18ビットデジタル信号を発生する。第
2のデジタルフィルタ45の出力は、ピーク検出器47
および第3のデジタルフィルタ46の両方に入力され
る。The first digital filter 44 converts the 1-bit quantized data into an 18-bit digital signal decimated to a 1/8 frequency (8 fs).
The second digital filter 45 has a high-pass characteristic and generates an 8 fs rate 18-bit digital signal from which the DC component of the output of the first digital filter 44 has been removed. The output of the second digital filter 45 is a peak detector 47
And the third digital filter 46.
【0054】第3のデジタルフィルタ46は、入力信号
をfsの10分の4(0.4fs)のパスバンドに帯域
制限し、さらに8分の1にデシメーションして、fsレ
ートの16ビットA/D出力に変換する。また、第3の
デジタルフィルタ46は外部制御の減衰量制御信号によ
り、信号振幅の減衰量が変化する減衰器機能を有する。The third digital filter 46 band-limits the input signal to a pass band of 4/10 (0.4 fs) of fs, further decimates by 1/8, and outputs a 16-bit A / F signal of fs rate. Convert to D output. Further, the third digital filter 46 has an attenuator function in which the amount of attenuation of the signal amplitude changes according to an externally controlled attenuation amount control signal.
【0055】ピーク検出器47は、第2のデジタルフィ
ルタ45の出力振幅のピークレベルを検出する。The peak detector 47 detects the peak level of the output amplitude of the second digital filter 45.
【0056】比較器48はピークレベルと基準デジタル
データを比較し、大小を1ビットの極性データとして出
力する。The comparator 48 compares the peak level with the reference digital data, and outputs the magnitude as 1-bit polarity data.
【0057】1ビットD/A変換器49は、比較器48
の出力の極性データに応じて2つのアナログ電圧の何れ
かを出力する。この1ビットD/A変換器49の出力
は、抵抗と容量からなる時定数回路50に入力され、変
化するスピードが制御される。可変増幅器40の増幅率
は、時定数回路50の出力電圧に応じて変化する。The 1-bit D / A converter 49 includes a comparator 48
Outputs one of the two analog voltages according to the polarity data of the output. The output of the 1-bit D / A converter 49 is input to a time constant circuit 50 composed of a resistor and a capacitor, and the changing speed is controlled. The amplification factor of the variable amplifier 40 changes according to the output voltage of the time constant circuit 50.
【0058】上記構成により、マイク入力を、0.4f
sに帯域制限されたfsレートの16ビットA/D出力
に変換し、第3のデジタルフィルタ46の出力に発生す
るA/D変換器を実現している。また、第2のデジタル
フィルタ45の出力が、ピーク検出器47、比較器4
8、1ビットD/A変換器49および時定数回路50を
介して、可変増幅器40の増幅率を制御するAGCルー
プが構成されているので、マイク入力の振幅レベルが変
動してもA/D出力の振幅レベルが変動しないAGC機
能付きのA/D変換器を実現している。With the above configuration, the microphone input is set to 0.4 f
An A / D converter that converts the data into a 16-bit A / D output with an fs rate band-limited to s and generates an output from the third digital filter 46 is realized. The output of the second digital filter 45 is the peak detector 47 and the comparator 4
Since an AGC loop for controlling the amplification factor of the variable amplifier 40 is configured via the 8-bit and 1-bit D / A converter 49 and the time constant circuit 50, even if the amplitude level of the microphone input fluctuates, the A / D An A / D converter with an AGC function in which the output amplitude level does not change is realized.
【0059】図4は、実施例1で説明した、本発明の利
点を生かした構成になっている。さらに、マルチメディ
ア用途を考慮して、実施例1とは異なるいくつかの工夫
がなされている。以下、それぞれの工夫および利点に関
して詳述していく。FIG. 4 shows a configuration utilizing the advantages of the present invention described in the first embodiment. Further, several measures different from those of the first embodiment are devised in consideration of multimedia applications. Hereinafter, each device and advantage will be described in detail.
【0060】マルチメディア用途とオーディオ用途で
は、AGCレンジに大きな違いがある。AGCレンジと
は、A/D出力の振幅レベルをAGC出力レベルに保つ
必要のある入力振幅レベルの最小と最大の比で、オーデ
ィオ用途では10dBから20dB、マルチメディア用
途では30dBから40dBである。There is a great difference in the AGC range between multimedia use and audio use. The AGC range is a ratio between a minimum and a maximum of the input amplitude level that is required to keep the amplitude level of the A / D output at the AGC output level, and is 10 dB to 20 dB for audio applications and 30 dB to 40 dB for multimedia applications.
【0061】図5に、図4に示したAGC機能付きA/
D変換器のDC入出力特性を示す。この図5は、AGC
ループが、マイク入力の振幅が10mVppから320
mVppの範囲で、A/D出力の振幅をAGC出力レベ
ルに保持するように働くことを示している。A/D出力
は実際にはデジタルコードであるが、フルスケールデジ
タル出力を2.8Vppとして、デジタルコードを正規
化している。FIG. 5 shows the A / A with AGC function shown in FIG.
4 shows the DC input / output characteristics of the D converter. This FIG.
When the loop has a microphone input amplitude of 10 mVpp to 320
This shows that the A / D output operates so as to be maintained at the AGC output level within the range of mVpp. Although the A / D output is actually a digital code, the digital code is normalized by setting the full-scale digital output to 2.8 Vpp.
【0062】ここでは、AGC出力レベルは2Vppで
あり、フルスケール電圧より約3dB低いレベルに設定
している。Here, the AGC output level is 2 Vpp, which is set to a level about 3 dB lower than the full scale voltage.
【0063】可変増幅器40の最大/最小の増幅率は4
6dB/16dBなので、AGCレンジは30dBであ
る。このように、マイク入力を対象としたマルチメディ
ア用途では、AGCレンジが広いので、本実施例れはい
くつかの工夫が施されている。The maximum / minimum gain of the variable amplifier 40 is 4
Since it is 6 dB / 16 dB, the AGC range is 30 dB. As described above, in multimedia applications for microphone input, the AGC range is wide, and therefore, some measures are taken in this embodiment.
【0064】その一つとして、可変増幅器40に外部制
御電圧に応じて線形に増幅率が変化する電圧制御型可変
増幅器(VGA)を用いている。一般的に、デジタル的
にピーク検出を行って増幅率を制御する場合は、抵抗等
の切り替えによるいくつかの増幅率設定から、デジタル
的に増幅率を選択する方式が用いられる。As one of them, a voltage-controlled variable amplifier (VGA) whose amplification factor changes linearly according to an external control voltage is used for the variable amplifier 40. Generally, when controlling the gain by digitally detecting the peak, a method of digitally selecting the gain from several gain settings by switching resistance or the like is used.
【0065】しかし、AGCレンジが広い場合には、増
幅率の切り替え時に聴感上問題とならない程度に、増幅
率の設定の間隔を小さくするためには、回路規模が大き
くなってしまう。VGAでは、外部制御電圧(VGA制
御電圧)が線形に変化すれば、増幅率は線形に変化する
ので、聴感上問題にならない。However, when the AGC range is wide, the circuit scale becomes large in order to reduce the interval of setting the gain so as not to cause a problem in hearing when switching the gain. In the VGA, if the external control voltage (VGA control voltage) changes linearly, the amplification factor changes linearly, so that there is no problem in hearing.
【0066】VGA制御電圧を線形に変化させる方法は
下記で詳述する。ここではVGAを用いたが、電流制御
等他の線形に増幅率を制御する手段でも良い。The method of linearly changing the VGA control voltage will be described in detail below. Although the VGA is used here, other means for linearly controlling the amplification factor such as current control may be used.
【0067】二つ目の工夫として、可変増幅器40の後
にリミッタ回路41を挿入している。AGCレンジが広
いと言うことは、マイク入力の振幅レベルが最小の時
は、可変増幅器40の増幅率が大きく維持されているこ
とを意味している。As a second contrivance, a limiter circuit 41 is inserted after the variable amplifier 40. The fact that the AGC range is wide means that the amplification factor of the variable amplifier 40 is kept large when the amplitude level of the microphone input is minimum.
【0068】図5では、マイク入力が10mVpp以下
で増幅率は最大の46dBである。増幅率が大きい状態
でマイク入力振幅が急激に大きくなると、デルタシグマ
変調器43の入力振幅も急激に増大する。一般的に、2
次以上のデルタシグマ変調器は条件付きの安定で、限ら
れた入力範囲でしか安定動作を維持できない。In FIG. 5, when the microphone input is 10 mVpp or less, the amplification factor is the maximum of 46 dB. When the microphone input amplitude suddenly increases in a state where the amplification factor is large, the input amplitude of the delta-sigma modulator 43 also rapidly increases. Generally, 2
Delta-sigma modulators above are conditionally stable and can only maintain stable operation over a limited input range.
【0069】従って、入力が急激に増大すると、AGC
ループの働きで増幅率が小さくなる前に、デルタシグマ
変調器43が不安定動作状態に入り、発振やS/Nの劣
化などの不具合が生じる。不安定動作を防ぐためには、
デルタシグマ変調器43の入力の振幅を制限するリミッ
タ回路41の挿入が有効である。Therefore, when the input increases sharply, the AGC
Before the gain becomes small due to the function of the loop, the delta-sigma modulator 43 enters an unstable operation state, causing problems such as oscillation and deterioration of S / N. To prevent unstable operation,
It is effective to insert a limiter circuit 41 for limiting the input amplitude of the delta-sigma modulator 43.
【0070】マイク入力の振幅が急激に増大した後に、
増幅率が減少するまでの期間は、A/D変換動作として
は、A/D出力がフルスケールデジタル出力であれば良
い。従って、リミッタ回路41のリミッタレベルが、フ
ルスケールデジタル出力に対応するフルスケール電圧
(+/−)1.4Vよりも大きければ、A/D変換の動
作に影響を与えずに、デルタシグマ変調器43の安定性
を保つことができる。ここでは、リミッタレベルは(+
/−)1.5Vにしている。After the amplitude of the microphone input sharply increases,
During the period until the amplification rate decreases, the A / D conversion operation may be performed as long as the A / D output is a full-scale digital output. Therefore, if the limiter level of the limiter circuit 41 is larger than the full-scale voltage (+/-) 1.4 V corresponding to the full-scale digital output, the A / D conversion operation is not affected and the delta-sigma modulator is not affected. 43 can be kept stable. Here, the limiter level is (+
/-) 1.5V.
【0071】図4では、リミッタ回路41は可変増幅器
40と折り返し防止フィルタ42の間に位置している
が、デルタシグマ変調器43の入力振幅を制限できれば
他の位置でも良い。また、可変増幅器40や折り返し防
止フィルタ42がリミッタ機能を備えることも可能であ
る。さらに、フルスケール電圧をLSIの電源電圧に近
いレベルにし、電源電圧により、可変増幅器40で自然
に振幅が制限されるようにすることも可能である。In FIG. 4, the limiter circuit 41 is located between the variable amplifier 40 and the anti-aliasing filter 42, but may be located at any other position as long as the input amplitude of the delta-sigma modulator 43 can be limited. Further, the variable amplifier 40 and the anti-aliasing filter 42 may have a limiter function. Further, the full-scale voltage can be set to a level close to the power supply voltage of the LSI, and the amplitude can be naturally limited by the variable amplifier 40 by the power supply voltage.
【0072】マルチメディア用途のオーディオ用途との
他の違いとして、fsが固定でないと言うことが挙げら
れる。オーディオ用途では、fsは48kHzまたは4
4.1kHzのどちらかに固定であるが、マルチメディ
ア用途では、5.5kHzから44.1kHzの間で変
化する。Another difference between the multimedia application and the audio application is that fs is not fixed. For audio applications, fs is 48 kHz or 4
It is fixed at either 4.1 kHz, but varies between 5.5 kHz and 44.1 kHz for multimedia applications.
【0073】デジタルフィルタやデルタシグマ変調器
は、サンプリング動作を行う標本化回路なので、信号周
波数特性はfsに連動して変化する。しかし、線形回路
である折り返し防止フィルタのカットオフ周波数は、抵
抗や容量等の線形素子で決まるので、fsと連動しな
い。この問題を解決するために、折り返し防止フィルタ
42は抵抗R1と容量C1による一次のRCフィルタと
し、C1はLSIの外部に接続する。上記カットオフ周
波数fcは、Since the digital filter and the delta-sigma modulator are sampling circuits that perform a sampling operation, the signal frequency characteristics change in conjunction with fs. However, the cutoff frequency of the anti-aliasing filter, which is a linear circuit, is determined by linear elements such as a resistor and a capacitor, and is not linked to fs. In order to solve this problem, the anti-aliasing filter 42 is a primary RC filter including a resistor R1 and a capacitor C1, and C1 is connected to the outside of the LSI. The cutoff frequency fc is
【0074】[0074]
【数1】 fc=1/(2π・R1・C1) …(1) で与えられる。従って、C1を外部で変えることにより
自由にカットオフ周波数を制御できるので、fsが変化
しても可変増幅器40のノイズの折り返しの影響を有効
になくすことができる。ここでは、カットオフ周波数を
決める線形素子を外部接続にすることにより可変可能と
したが、他に、fsの変化をLSI内部で自動的に検出
して、カットオフ周波数を切り替えることも可能であ
る。Fc = 1 / (2π · R1 · C1) (1) Therefore, since the cutoff frequency can be freely controlled by changing C1 externally, the influence of the aliasing of the noise of the variable amplifier 40 can be effectively eliminated even if fs changes. Here, the cutoff frequency can be varied by externally connecting a linear element that determines the cutoff frequency. Alternatively, the cutoff frequency can be switched by automatically detecting a change in fs inside the LSI. .
【0075】本実施例では、デジタルフィルタ部は3段
構成に成っている。先に述べた実施例1との違いは、パ
スバンドに帯域制限するフィルタリングと、デシメーシ
ョンを行うデジタルフィルタ処理が第1のデジタルフィ
ルタ44と第3のデジタルフィルタ46の2段に分かれ
ていることである。In this embodiment, the digital filter section has a three-stage configuration. The difference from the first embodiment described above is that the filtering for limiting the band to the pass band and the digital filter processing for performing the decimation are divided into two stages of a first digital filter 44 and a third digital filter 46. is there.
【0076】マルチメディア用途では、マイク入力の他
に、CDROMやFM音源など様々な入力媒体が存在す
る。そのため、様々な媒体からの信号をミキシングする
ことを考慮して、それぞれの媒体からの信号の減衰量を
独立に制御する必要がある。これは、マイク信号を入力
とするAGC機能付きA/D変換器では、AGCループ
とは独立して動作する減衰器機能の必要性を意味してい
る。For multimedia applications, there are various input media such as CDROM and FM sound source in addition to microphone input. Therefore, in consideration of mixing signals from various media, it is necessary to independently control the amount of attenuation of signals from each medium. This means that an A / D converter with an AGC function that receives a microphone signal as input receives an attenuator function that operates independently of the AGC loop.
【0077】ここでは、フィルタリングおよびデシメー
ション処理を2段で行い、前段の第1のデジタルフィル
タ44のみをAGCループ内に位置させ、後段の第3の
デジタルフィルタ46に減衰器機能を持たせている。こ
の構成により、AGCループの動作に影響を与えず、A
/D出力の減衰量を制御できる。第3のデジタルフィル
タ46での減衰器機能は、デジタル演算に用いられる係
数ROMを可変にすることにより実現できる。Here, filtering and decimation processing are performed in two stages, only the first digital filter 44 in the former stage is positioned in the AGC loop, and the third digital filter 46 in the latter stage has an attenuator function. . This configuration does not affect the operation of the AGC loop,
/ D output attenuation can be controlled. The attenuator function in the third digital filter 46 can be realized by making the coefficient ROM used for digital operation variable.
【0078】従って、回路規模の増加は、A/D変換器
と独立して減衰器を持つ場合に比べて小さくなる。例え
ば、6dBステップで減衰量を制御する場合には、係数
ROMのビットシフトだけで済む。このように、本発明
を利用すると、元々デジタル演算を行うデジタルフィル
タが存在するので、マルチメディア用途に必要な減衰器
機能を付加することによる回路規模の増大は、従来技術
に比べて小さくなる。Therefore, the increase in the circuit scale is smaller than when the attenuator is provided independently of the A / D converter. For example, when controlling the attenuation amount in 6 dB steps, only the bit shift of the coefficient ROM is required. As described above, when the present invention is used, since a digital filter for performing a digital operation is originally present, the increase in the circuit scale due to the addition of the attenuator function required for multimedia use is smaller than that of the related art.
【0079】また、図4のようなデジタルフィルタ部の
多段構成により、ピーク検出器47の周波数特性もキャ
ンセルすることも可能である。ピーク検出器47の周波
数特性と理想特性の差を第1のデジタルフィルタ44が
補正し、第3のデジタルフィルタ46がその補正分を打
ち消せば、A/D出力にも、AGCループ動作にも、ピ
ーク検出器47の周波数特性は影響しない。このデジタ
ル処理の付加は、第1のデジタルフィルタ44と第3の
デジタルフィルタ46の係数ROMの変更だけなので、
回路規模は増加しない。Further, the frequency characteristic of the peak detector 47 can be canceled by the multi-stage configuration of the digital filter section as shown in FIG. If the difference between the frequency characteristic and the ideal characteristic of the peak detector 47 is corrected by the first digital filter 44 and the third digital filter 46 cancels the correction, the A / D output and the AGC loop operation can be performed. , The frequency characteristics of the peak detector 47 have no effect. Since the addition of the digital processing is only the change of the coefficient ROM of the first digital filter 44 and the third digital filter 46,
The circuit scale does not increase.
【0080】前述の説明では、線形に変化する電圧でV
GAを制御すれば、増幅率の変化は聴感上問題とならな
いと述べた。本実施例では、このようなVGA制御電圧
を、小さい回路規模で発生するために、1ビットD/A
変換器49と時定数回路50との組み合わせを用いてい
る。In the above description, it is assumed that V
He stated that if the GA is controlled, the change in the amplification rate will not cause a problem in hearing. In this embodiment, in order to generate such a VGA control voltage on a small circuit scale, 1-bit D / A
A combination of the converter 49 and the time constant circuit 50 is used.
【0081】1ビットD/A変換器49は、比較器48
の出力の1ビットの極性データに応じて、2つのスイッ
チを切り替えて、VdaまたはGNDどちらかのアナロ
グ電圧を出力する。このままでは、1ビットD/A変換
器49の出力は方形波である。そこで、時定数回路50
を介し、時間的な変化を決められた時定数の過渡応答に
制限して、VGA制御電圧としている。時定数回路50
は、2つの抵抗R10,R11と容量C10とで構成さ
れている。時定数は抵抗と容量の積なので、Vda方向
に変化する時はR10とC10、GND方向に変化する
時はR11とC10で決まる。The 1-bit D / A converter 49 includes a comparator 48
The two switches are switched according to the one-bit polarity data of the output of (1) to output an analog voltage of either Vda or GND. In this state, the output of the 1-bit D / A converter 49 is a square wave. Therefore, the time constant circuit 50
, The temporal change is limited to a transient response with a predetermined time constant, and the VGA control voltage is used. Time constant circuit 50
Is composed of two resistors R10 and R11 and a capacitor C10. Since the time constant is the product of the resistance and the capacitance, when changing in the Vda direction, it is determined by R10 and C10, and when changing in the GND direction, it is determined by R11 and C10.
【0082】この時定数が十分大きければ(一般的に2
0msec以上)、VGA制御電圧の変化による増幅率
の変化は聴感上問題とならない。1ビットD/A変換器
49の変換周期は1/8fsで、上記時定数に比べて十
分小さい。従って、マイク入力の振幅が一定の場合、V
GA制御電圧は、AGC出力レベルを維持するための増
幅率に対応する制御電圧を中心として、極小振幅ののこ
ぎり波となる。また、マイク入力の振幅が変化した場
合、VGA制御電圧は時定数回路50の時定数で滑らか
に変化する。If this time constant is sufficiently large (generally 2
0 msec or more), the change in the amplification factor due to the change in the VGA control voltage does not cause a problem in hearing. The conversion cycle of the 1-bit D / A converter 49 is 1/8 fs, which is sufficiently smaller than the above time constant. Therefore, when the microphone input amplitude is constant, V
The GA control voltage is a sawtooth wave having a minimum amplitude around a control voltage corresponding to an amplification factor for maintaining an AGC output level. When the amplitude of the microphone input changes, the VGA control voltage changes smoothly with the time constant of the time constant circuit 50.
【0083】このように、図4の構成により、デジタル
処理でピークレベルと基準デジタルデータの比較を行っ
ても、時間に対して線形に変化するVGA制御電圧を発
生することが可能になる。ここでは、回路規模を小さく
するために、1ビット出力の比較器48と1ビットD/
A変換器49を用いたが、多ビット出力の比較器と多ビ
ットのD/A変換器でも同じ効果が得られる。As described above, according to the configuration of FIG. 4, even when the peak level and the reference digital data are compared by digital processing, a VGA control voltage that changes linearly with time can be generated. Here, in order to reduce the circuit scale, the comparator 48 having a 1-bit output and the 1-bit D / D
Although the A converter 49 is used, the same effect can be obtained by using a multi-bit output comparator and a multi-bit D / A converter.
【0084】マルチメディア用途を対象とした場合に必
要な他の工夫として、時定数回路50のR10とR11
を別の抵抗値にして、比較器48の出力の極性データに
応じて時定数を変えている。これは、マイク入力の振幅
が急激に増大した時と、振幅が急激に減少した時とで、
可変増幅器40の増幅率が変化する時定数を切り替える
ことを目的としている。As another contrivance necessary for multimedia use, R10 and R11 of the time constant circuit 50 are used.
Are different resistance values, and the time constant is changed according to the polarity data of the output of the comparator 48. This is when the amplitude of the microphone input suddenly increases and when the amplitude suddenly decreases.
The purpose is to switch the time constant at which the amplification factor of the variable amplifier 40 changes.
【0085】入力振幅が急激に増大して、増幅率を小さ
くするようにAGCループが働く状態をアタック状態と
言い、入力振幅が急激に減少して、増幅率を大きくする
ようにAGCループが働く状態をディケイ状態と言う。
マイクの音声入力を対象とした時、AGC動作が聴感上
不自然とならないためには、一般的に、ディケイ状態は
アタック状態に比べて、増幅率が変化する時定数を10
倍以上大きくする必要がある。そのために本実施例で
は、R10とR11をそれぞれ470キロオームと47
キロオームにしている。C10は共通で1μFなので、
ディケイ状態の時定数Tdcyは、A state in which the AGC loop operates so that the input amplitude sharply increases to reduce the amplification factor is called an attack state. The AGC loop operates so that the input amplitude decreases rapidly and the amplification factor increases. The state is called a decay state.
In order to prevent the AGC operation from becoming unnatural when listening to a microphone voice input, the decay state generally has a time constant at which the amplification factor changes by 10 compared to the attack state.
Must be at least twice as large. Therefore, in this embodiment, R10 and R11 are set to 470 kΩ and 47 kΩ, respectively.
Kiloohms. Since C10 is 1μF in common,
The time constant Tdcy in the decay state is
【0086】[0086]
【数2】 Tdcy=R10・C10=470[msec] …(2) で与えられ、アタック状態の時定数Tatkは、Tdcy = R10 · C10 = 470 [msec] (2) where the time constant Tatk in the attack state is
【0087】[0087]
【数3】 Tatk=R11・C10=47[msec] …(3) で与えられ、TdcyはTatkの10倍になってい
る。## EQU3 ## The following equation is obtained: Tdcy = R11 · C10 = 47 [msec] (3), and Tdcy is ten times as large as Tatk.
【0088】図6は、ディケイ状態でのトランジェント
動作を示す(但し、描画技術のうえから、包絡線のみを
示し、信号部分については省略してある。)。マイク入
力の周波数は1kHzで、振幅が320mVppから1
0mVppに急激に減少した場合のA/D出力を示す。
図6でも、図5と同じように、A/D出力のデジタルコ
ードとしてフルスケール電圧を2.8Vppとして正規
化している。ディケイ状態では比較器48の極性データ
“0”が連続するので、VGA制御電圧が変化する時定
数はTdcyに固定される。FIG. 6 shows the transient operation in the decay state (however, only the envelope is shown and the signal portion is omitted from the drawing technique). The frequency of the microphone input is 1 kHz, and the amplitude is 320 mVpp to 1
The A / D output when the voltage suddenly decreases to 0 mVpp is shown.
In FIG. 6, as in FIG. 5, the full scale voltage is normalized to 2.8 Vpp as the digital code of the A / D output. In the decay state, since the polarity data “0” of the comparator 48 continues, the time constant at which the VGA control voltage changes is fixed to Tdcy.
【0089】図6の状態では、増幅率はAGCレンジの
端から端まで変化することになるので、A/D出力の振
幅がAGCレベル(2Vpp)の10%から90%まで
変化する時間は、In the state shown in FIG. 6, since the amplification factor changes from one end of the AGC range to the other end, the time for the amplitude of the A / D output to change from 10% to 90% of the AGC level (2 Vpp) is:
【0090】[0090]
【数4】 Tdcy・(ln0.9−ln0.1)=1.03[sec] …(4) で与えられる。Tdcy · (ln0.9−ln0.1) = 1.03 [sec] (4)
【0091】図7は、アタック状態でのトランジェント
動作を示す(但し、図6と同じく包絡線のみを示し、細
かな信号部分については省略してある。)。ここでもマ
イク入力周波数は同じく1kHzであり、振幅が10m
Vppから320mVppに急激に増大した場合を示
す。この場合は、VGA制御電圧が変化する時定数はT
atkに固定である。増幅率が小さくなるまでの期間
は、A/D出力の振幅はフルスケール電圧に制限され
る。このように、本実施例で用いたVGA制御電圧の発
生方法を用いれば、2種類の抵抗を切り替えるだけで、
簡単にアタック状態とディケイ状態での時定数を変える
ことが可能である。FIG. 7 shows the transient operation in the attack state (however, only the envelope is shown as in FIG. 6, and the detailed signal portion is omitted). Here, the microphone input frequency is also 1 kHz, and the amplitude is 10 m.
This shows a case where the voltage suddenly increases from Vpp to 320 mVpp. In this case, the time constant at which the VGA control voltage changes is T
Fixed to atk. During the period until the amplification rate decreases, the amplitude of the A / D output is limited to the full-scale voltage. As described above, if the method of generating the VGA control voltage used in the present embodiment is used, only two types of resistors are switched,
It is possible to easily change the time constant between the attack state and the decay state.
【0092】[0092]
【発明の効果】以上説明したとおり本発明によれば、従
来技術では実現できなかった、AGC出力レベルを正確
に制御し、なおかつ、可変増幅器のノイズの影響を軽減
することが可能になる。As described above, according to the present invention, it is possible to accurately control the AGC output level and reduce the influence of noise of the variable amplifier, which cannot be realized by the prior art.
【0093】また、ピーク検出のハイパスフィルタ等の
デジタル演算処理を付加するための回路規模の増大は、
従来技術に比べて小さくなる。Further, an increase in the circuit scale for adding digital arithmetic processing such as a high-pass filter for peak detection is
It is smaller than the prior art.
【0094】さらに、AGCレンジが広い場合でも、聴
感上問題とならないように可変増幅器の増幅率を制御す
ることが可能になる。Further, even when the AGC range is wide, the gain of the variable amplifier can be controlled so as not to cause a problem in audibility.
【図1】従来から知られているデジタルオーディオ用A
GC機能付きA/D変換器(従来方式1)を示すブロッ
ク図である。FIG. 1 A for digital audio conventionally known
It is a block diagram which shows the A / D converter with a GC function (conventional method 1).
【図2】従来から知られているデジタルオーディオ用A
GC機能付きA/D変換器(従来方式2)を示すブロッ
ク図である。FIG. 2 shows a conventionally known digital audio A.
It is a block diagram which shows the A / D converter with a GC function (conventional system 2).
【図3】本発明の一実施例によるデジタルオーディオ用
AGC機能付きデルタシグマ型A/D変換器を示すブロ
ック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a delta-sigma A / D converter with an AGC function for digital audio according to an embodiment of the present invention.
【図4】本発明のその他の実施例によるマルチメディア
用AGC機能付きデルタシグマ型A/D変換器を示すブ
ロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing a delta-sigma A / D converter with an AGC function for multimedia according to another embodiment of the present invention.
【図5】図4におけるDC入出力特性を示した線図であ
る。FIG. 5 is a diagram showing DC input / output characteristics in FIG. 4;
【図6】図4におけるディケイ状態でのトランジェント
動作を示す線図である。FIG. 6 is a diagram showing a transient operation in a decay state in FIG. 4;
【図7】図4におけるアタック状態でのトランジェント
動作を示す線図である。FIG. 7 is a diagram showing a transient operation in an attack state in FIG. 4;
30 可変増幅器 31 折り返しフィルタ 32 ΔΣ変調器 33,34 デジタルフィルタ 35 ピーク検出器 36 比較器 Reference Signs List 30 variable amplifier 31 folding filter 32 Δ modulator 33, 34 digital filter 35 peak detector 36 comparator
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03M 3/04 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H03M 3/04
Claims (8)
た際にも、A/D変換出力信号の振幅を所定のレベルに
保持するAGC(自動利得制御)機能を有するA/D変
換器において、 アナログ信号の入出力振幅比を可変設定できる可変増幅
器と、 前記可変増幅器で増幅されたアナログ信号を、最終的に
必要なサンプリング周波数よりも高い周波数でオーバー
サンプリングし、1ビットまたは多ビットの量子化デー
タに変換するデルタシグマ変調器と、 前記量子化データを入力して、デシメーション処理およ
び周波数帯域制限処理を施し、最終的に必要なサンプリ
ング周波数および分解能のA/D変換出力に変換するデ
ジタルフィルタ部と、 前記デジタルフィルタ部が発生したデジタル信号の振幅
レベルを検出するレベル検出手段と、 前記レベル検出手段の検出結果に応じて、前記可変増幅
器の入出力振幅比を設定するための増幅率を制御する増
幅率制御手段とを具備したことを特徴とするAGC機能
付きデルタシグマ型A/D変換器。An A / D converter having an AGC (automatic gain control) function for holding the amplitude of an A / D conversion output signal at a predetermined level even when the amplitude level of an analog input signal fluctuates. A variable amplifier capable of variably setting a signal input / output amplitude ratio, and over-sampling an analog signal amplified by the variable amplifier at a frequency higher than a finally required sampling frequency to obtain 1-bit or multi-bit quantized data. A delta-sigma modulator that converts the input data into a digital signal; a digital filter unit that receives the quantized data, performs decimation processing and frequency band limiting processing, and finally converts the input data into an A / D conversion output having a required sampling frequency and resolution. Level detecting means for detecting an amplitude level of a digital signal generated by the digital filter section; And a gain control means for controlling a gain for setting an input / output amplitude ratio of the variable amplifier in accordance with a detection result of the variable detector. converter.
号周波数特性を有することを特徴とする請求項1に記載
のAGC機能付きデルタシグマ型A/D変換器。2. The delta-sigma A / D converter with an AGC function according to claim 1, wherein said digital filter section has a high-pass signal frequency characteristic.
タを、前記デルタシグマ変調器と前記可変増幅器との間
に挿入することを特徴とする請求項1に記載のAGC機
能付きデルタシグマ型A/D変換器。3. The delta-sigma A / D with AGC function according to claim 1, wherein a low-pass filter is inserted between the delta-sigma modulator and the variable amplifier to prevent aliasing. converter.
数を、前記A/D変換出力のサンプリング周波数に応じ
て切り替える手段を有することを特徴とする請求項3に
記載のAGC機能付きデルタシグマ型A/D変換器。4. The delta-sigma A / D with AGC function according to claim 3, further comprising means for switching a cutoff frequency of said low-pass filter in accordance with a sampling frequency of said A / D conversion output. converter.
ィルタ段の従属接続で構成され、前記レベル検出手段の
入力となるデジタル信号を出力するフィルタ段と、前記
A/D変換出力を出力するフィルタ段とが異なることを
特徴とする請求項1に記載のAGC機能付きデルタシグ
マ型A/D変換器。5. A digital filter unit comprising a cascade connection of two or more filter stages, a filter stage for outputting a digital signal to be input to the level detecting means, and a filter for outputting the A / D conversion output. 2. The delta-sigma A / D converter with AGC function according to claim 1, wherein the stages are different.
当該AGC機能付きデルタシグマ型A/D変換器のフル
スケールアナログ入力レベルよりも大きく設定したリミ
ッタレベル以下に、振幅制限するリミッタ手段を有する
ことを特徴とする請求項1に記載のAGC機能付きデル
タシグマ型A/D変換器。6. An input amplitude of the delta-sigma modulator,
2. The delta with AGC function according to claim 1, further comprising limiter means for limiting the amplitude below a limiter level set higher than a full-scale analog input level of the delta-sigma A / D converter with AGC function. Sigma type A / D converter.
比較し、大小または差を表すデジタル信号を出力する比
較手段と、 前記比較手段の出力に依存したアナログレベルを発生す
るD/A変換部と、 前記D/A変換部の出力が変化する時、定数を制御して
増幅率制御信号を発生する時定数制御手段とで構成さ
れ、 前記可変増幅器の増幅率が、前記増幅率制御信号に応じ
て線形に変化することを特徴とする請求項1に記載のA
GC機能付きデルタシグマ型A/D変換器。7. The amplification factor control unit compares the detection result of the level detection unit with reference digital data, and outputs a digital signal indicating a magnitude or a difference, and an analog depending on an output of the comparison unit. A D / A converter for generating a level; and a time constant controller for generating a gain control signal by controlling a constant when the output of the D / A converter changes. 2. A according to claim 1, wherein the rate changes linearly in response to the gain control signal.
Delta-sigma A / D converter with GC function.
較手段の出力に依存して切り替えることを特徴とする請
求項7に記載のAGC機能付きデルタシグマ型A/D変
換器。8. The delta-sigma A / D converter with an AGC function according to claim 7, wherein a time constant of said time constant control means is switched depending on an output of said comparison means.
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JP14917694A JP3214981B2 (en) | 1994-06-30 | 1994-06-30 | Delta-sigma A / D converter with AGC function |
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