JP7139588B2 - 変換装置、電子楽器、情報処理装置、変換方法及びプログラム - Google Patents

変換装置、電子楽器、情報処理装置、変換方法及びプログラム Download PDF

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Description

本発明は、変換装置、電子楽器、情報処理装置、変換方法及びプログラムに関する。
上位システムに容易に搭載でき、しかも装置構成の複雑化を招致せずにジッタの影響を回避するD/A変換装置に関する技術が提案されている。(例えば、特許文献1)
特開2009-239700号公報
前記特許文献1に記載された技術も含めて、SSCG(スペクトラム拡散クロック発振器)を用いたPLL(位相同期回路)のクロックをベースとするΔΣ装置からの信号は、常に信号の変化点が変動しているので、定常的な周期信号である水晶発振器の高い精度の信号に基づいて、そのままラッチし、あるいは論理ゲートを通過させることができない。
また、SSCGのクロックの周期変動によるデジタルオーディオデータの揺らぎを、FIFOメモリ等で吸収する方法も考えられるが、SSCG付きのPLLで発生する中心クロック周波数と、水晶発振器のクロック周波数の関係が整数倍となっている場合でないと、FIFOでデータ溢れやデータの欠損等が発生する虞がある。
さらに、SSCGにおけるモジュレーションタイプで、最高周波数を中心とするダウンスプレッドタイプのSSCG付きのPLLの場合、PLLクロックの中心周波数を水晶発振器の周波数の整数倍に調整することは難しく、モジュレーションの深さと高精度な逓倍数となることが求められている。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、基準となる第1のクロックと、周波数が前記第1のクロックより高い第2のクロックとがどのような周波数の組み合わせとなる場合でも、処理を実行することが可能な変換装置、電子楽器、情報処理装置、変換方法及びプログラムを提供することにある。
本発明の一態様は、第1のクロック信号の周期の整数倍の周期制御信号を出力する信号出力処理と、前記第1のクロック信号の周期より短い周期の第2のクロック信号のカウントに応じて、ΔΣ演算に係る処理の実行状態を遷移させる制御処理と、前記制御処理により遷移する実行状態に従って、入力されるデジタルデータに対する前記ΔΣ演算を実行する実行処理と、前記実行処理での前記ΔΣ演算の実行結果をアナログ信号に変換して出力する出力処理と、を実行し、前記制御処理において、前記信号出力処理により前記制御信号が出力された際に、前記実行状態を開始状態に遷移させ、前記開始状態に遷移した後、前記第2のクロック信号のカウントに応じて前記実行状態を決められた順番で遷移させながら前記ΔΣ演算を実行させ、前記ΔΣ演算が終了した後に、前記実行状態を待機状態に遷移させ、前記待機状態において前記制御信号が出力された場合には前記実行状態を前記開始状態に遷移させるが、前記待機状態ではない状態において前記制御信号が出力された場合には前記実行状態を前記開始状態に遷移させない。
本発明によれば、基準となる第1のクロックと、周波数が前記第1のクロックより高い第2のクロックとがどのような周波数の組み合わせとなる場合でも、処理を実行することが可能となる。
本発明の一実施形態に係るD/A変換装置を用いた電子楽器全体の構成を示すブロック図。 同実施形態に係るD/A変換装置を用いた他の装置の構成を示す変形例のブロック図。 同実施形態に係る各クロックとPWM信号の波形例を示すタイミングチャート。 同実施形態に係る主としてΔΣモジュレータの構成を示すブロック図。 同実施形態に係るΔΣ演算部及び出力部に設けられる、各種タイミング信号を発生するための回路構成を示す図。 同実施形態に係るΔΣ演算部の回路構成を示す図。 同実施形態に係るノイズシェーピング周波数特性を示す図。 同実施形態に係るΔΣ演算部の具体的な演算処理を実行するハードウェア回路の構成を示すブロック図。 同実施形態に係る図8のハードウェア回路で実行される演算処理を示す図。 同実施形態に係る出力(PWM)部の具体的な演算処理を実行するハードウェア回路の構成を示すブロック図。 同実施形態に係る平衡型のPWM信号をアナログ信号化するアナログ化回路の構成を示す図。 同実施形態に係るPWM信号の周期に対応する区間が比較的長い場合の主としてΔΣ演算部内の動作タイミングを例示するタイミングチャート。 同実施形態に係るPWM信号の周期に対応する区間が比較的長い場合の主としてΔΣ演算部内の動作タイミングを例示するタイミングチャート。 同実施形態に係るΔΣ演算からPWM信号の出力に至る連続した動作タイミングを示すタイミングチャート。 同実施形態に係るΔΣモジュレータ前段の音源部が出力するデジタル音声データの1サンプリング周期Fsdが変動する場合を示すタイミングチャート。
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係るD/A変換装置(DAC)を用いた電子楽器全体の構成を示すブロック図である。同図において、例えば鍵盤等で構成される操作部11での操作信号が、LSIチップCH1のCPU12に入力される。前記CPU12は、LSIチップCH1内でバスB1を介して、この電子楽器用の動作プログラムや定型データ等を記憶したROM13、操作された内容に対応したデジタル音声データを発生する音源部14、及びΔΣモジュレータ15と接続される。
さらにLSIチップCH1内には、水晶発振器(Xtal)16及びPLL17が設けられる。水晶発振器16は、LSIチップCH1に外付けされた水晶振動子CU1に一定の電圧を印加して、基準となる第1のクロックであるクロックclk-xtalを発振し、前記LSIチップCH1内の各回路及びPLL17へ供給する。
PLL17は、前記クロックclk-xtalを受けて、より高い周波数の第2のクロックであるクロックclk-pllを発振し、前記LSIチップCH1内の各回路へ供給する。
CPU12は、操作部11から受けた操作信号に応じて音源部14に音程、音量などのパラメータを送信する。これを受けた音源部14が、対応するデジタル音声データをΔΣモジュレータ15へ出力する。
ΔΣモジュレータ15は、本実施形態のD/A変換装置(DAC)の主体となる回路であり、音源部14から入力されたデジタル音声データに応じたPWM信号を発生し、LSIチップCH1外部のローパスフィルタ18へ出力する。
例えば音源部14から入力されたデジタル音声データが32ビットであった場合、ΔΣモジュレータ15では5段階のPWM信号を出力するべく、3ビットのデジタルデータに変換するΔΣ演算処理を実行するものであり、そのためには前記第2のクロックであるクロックclk-pllの15周期分(15ステップ)が必要となる。
ローパスフィルタ18は、例えば図示する如く直列RC回路を用い、与えられたPWM信号をアナログ音声信号に変換してアンプ(amp)19へ出力する。前記アンプ19は、後述するように、差動アンプを用いることが望ましい。
前記アンプ19で適宜増幅率により増幅されたアナログ音声信号により、スピーカ20が拡声駆動されて、放音される。
図2は、前記図1の電子楽器に代えて、本発明のD/A変換装置を用いた他の装置の構成を示す変形例のブロック図である。ここでは、例えば標準的なI2S(Inter-IC Sound)規格に則った、シリアル音声データDATAと、音声信号のLチャンネルとRチャンネルを区別するためのクロックLRCK、及びビットクロックBCKが、LSIチップCH2内のシフトレジスタ(SFR)21に与えられる。前記シフトレジスタ21に保持された音声データは、前記クロックに応じてパラレルデータとしてΔΣモジュレータ22に読出される。
さらにLSIチップCH2内には、水晶発振器(Xtal)23及びPLL24が設けられる。水晶発振器16は、LSIチップCH2に外付けされた水晶振動子CU2に一定の電圧を印加して、基準となる第1のクロックであるクロックclk-xtalを発振し、前記LSIチップCH2内の各回路及びPLL24へ供給する。
PLL24は、前記クロックclk-xtalを受けて、より高い周波数の第2のクロックであるクロックclk-pllを発振し、前記ΔΣモジュレータ22へ供給する。
ΔΣモジュレータ22は、本実施形態のD/A変換装置(DAC)の主体となる回路であり、シフトレジスタ21から読出されてきたデジタル音声データに応じたPWM信号を発生し、LSIチップCH2外部のローパスフィルタ25へ出力する。
ローパスフィルタ25は、例えば図示する如く直列RC回路を用い、与えられたPWM信号をアナログ音声信号に変換してアンプ(amp)26へ出力する。前記アンプ26は、後述するように、差動アンプを用いることが望ましい。
前記アンプ26で適宜増幅率により増幅されたアナログ音声信号により、スピーカ27が拡声駆動されて、放音される。
図3は、前記水晶発振器16(23)が発振する、基準となる第1のクロックであるクロックclk-xtal(図3(B))と、PLL17(24)が発振する、第2のクロックであるクロックclk-pll(図3(A))、及びΔΣモジュレータ15(22)で作成されるPWM信号の関係を例示する図である。
同図では、クロックclk-xtalに比してクロックclk-pllが4倍の周波数に対応するものとなっている。
クロックclk-pllを用いてΔΣモジュレータ15(22)でΔΣ演算を行なって得られるPWM信号を、クロックclk-xtalに基づいてラッチする場合、クロックclk-pllの周波数は、クロックclk-xtalの周波数の整数倍である必要がある。
前記ΔΣモジュレータ15(22)が発生するPWM信号を図3(C)~図3(E)に例示している。
図3(C)は、PWM信号の“H”区間が、クロックclk-xtalの8周期分の時間幅を有する場合を示している。
同様に、図3(D)、図3(E)は、PWM信号の“H”区間が、クロックclk-xtalの6周期分、4周期分の時間幅を有する場合を示している。
これらに示すように、PWM信号の最小変化幅は、そのタッチ上がりタイミング、立下りタイミング共にクロックclk-xtalの1周期分を単位として出力されるものとする。
図4により、主として前記ΔΣモジュレータ15の構成を示すブロック図について説明する。
音源部14の出力するデジタル音声データ(オーディオデータ)は、ΔΣモジュレータ15のローパスフィルタ(LPF)15Aに入力される。前記ローパスフィルタ15Aは、サンプルレートコンバータ(SRC)を用い、PLL17からのクロックclk-pllに基づいて、入力されるデジタル音声データの周波数FsdのM倍(M:整数)の周波数で動作して、ΔΣ演算部15Bへ出力する。
ΔΣ演算部15Bは、後述する出力部15Cから入力される、PWM信号の周期に同期した信号syncのタイミングに従って、前記周波数FsdのN倍(N:任意の数、ダイナミックに変動)の周波数でローパスフィルタ15Aの出力をサンプリングする。
前記Nの値は動的に整数でない値で変化させても良く、前記PLL17で用いるスペクトラム拡散クロック発振器(SSCG)のクロックで駆動するものとしてもよい。但し、ノイズシェーピングの性能や必要な周波数帯域に応じておおよその範囲で設定されるべきものであり、通常は16以上の値が選定される。
ΔΣ演算部15Bは、クロックclk-pllに基づいて、前記クロックclk-xtalに従った周期Fspで高速にΔΣ演算を実行して、デジタル音声データに対応した量子化値の信号を出力部15Cへ出力する。
出力部15Cは、前記水晶発振器16から与えられるクロックclk-xtalに従った周期Fspで、ΔΣ演算部15Bからの量子化信号に応じたPWM信号を発生して、次段のローパスフィルタ18へ出力する一方で、前記ΔΣ演算部15Bに対して入力タイミングを制御するための信号syncを出力する。
図5は、前記ΔΣ演算部15B及び出力部15Cに設けられる、各種タイミング信号を発生するための回路を示す図である。出力部15Cは、カウンタ31及び多入力アンド回路32を有する。カウンタ31は、前記クロックclk-xtalをカウントするもので、そのカウント値の各ビットが“H”レベルとなった場合、すなわち1サンプル当たりの処理期間の開始タイミング毎に、多入力アンド回路32の出力として前記信号syncを出力する。
ΔΣ演算部15Bは、2段のフリップフロップ(FF)33,34及びアンド回路35を有し、前記出力部15Cからの信号syncが1段目のフリップフロップ33に入力される。フリップフロップ33,34はいずれも前記クロックclk-pllにより動作し、1段目のフリップフロップ33のシフト出力ff1が、2段目のフリップフロップ34に入力されると共に、反転されて前記アンド回路35に入力される。
2段目のフリップフロップ34のシフト出力である信号clr_enが、アンド回路35に入力される。そして、アンド回路35の論理和出力が、後述するΔΣ演算の実行を開始するためのタイミング信号sg_startとして使用される。
図6は、前記ΔΣ演算部15Bでの具体的な演算回路の構成を示す図である。同図でΔΣ演算部15Bは、減算器(-)41、加算器(+)42,44,46,47,51、遅延器(Z-1)43,48,52,54、乗算器45,49,50、及び量子化器53を含む。
前段のローパスフィルタ15Aから入力されるデジタル音声データは、減算器41で量子化器53の出力を遅延する遅延器54の出力分だけ減算されて、その差分が加算器42へ出力される。加算器42は、自身の出力を遅延させる遅延器43の出力z0を加算して、その和を同遅延器43、加算器44、及び乗算器45へ出力する。
乗算器45は、加算器42の出力を係数k0と乗算してその積を加算器46へ出力する。加算器46は、乗算器45の出力と乗算器49の出力とを加算して、その和を加算器47へ出力する。
加算器47は、加算器46の出力と、自身の出力を遅延させる遅延器48の出力z1とを加算し、その和を同遅延器48、前記加算器44、及び乗算器50へ出力する。乗算器50は、加算器47の出力を係数k1と乗算してその積を加算器51へ出力する。
加算器51は、乗算器50の出力と、自身の出力を遅延させる遅延器52の出力z2とを加算し、その和を同遅延器52、前記加算器44、及び前記乗算器49へ出力する。乗算器49は、加算器51の出力を係数a0と乗算してその積を加算器51へ出力する。
前記加算器44は、加算器42,47,51の各出力を加算し、その和を量子化器53へ出力して、量子化させる。そして、量子化器53の出力が、前記ΔΣ演算部15Bの出力として次段の出力部15Cへ出力されると共に、前記遅延器54へ出力される。遅延器54は、量子化器53の出力を遅延してその出力z3を前記減算器41に減数として与えることで、入力に対するネガティブフィードバックをかける。
eを量子化ノイズとした場合、量子化器53の出力yにおける量子化eの特性は以下の式に示すようになる。
Figure 0007139588000001
図7は、前記式のe(ノイズ)をグラフ化したノイズシェーピング周波数特性を示す図である。同図では横軸が角速度、縦軸がノイズの信号レベル(Quantization Noise)[dB]である。同図中、必要なノイズシェーピング量を-100[dB]とした場合、可聴帯域は角速度0.06(=1/16)程度の範囲となる。
すなわち、デジタル音声データのサンプリング周波数Fsdに対し、ノイズシェーパーのサンプリングレートFspは約16倍程度必要となる。
図8は、前記図6で示した演算処理を、具体的なハードウェア回路で実行する場合を例示するブロック図である。
前記図4、図5で示した信号sync及びクロックclk-pllが制御部61に入力される。前記制御部61は、内部にクロックclk-pllをカウントするためのmカウンタ(mcnt)61Aを備えており、以下の各回路の制御、具体的にはレジスタのラッチイネーブル、セレクタの選択、パラメータの選択を行なう。
mカウンタ61Aのカウント値は、前記信号syncを内部で遅延させて発生させた信号clr_enによりリセットされて、クロックclk-pllをカウントする。
ΔΣ演算部15Bは、前記制御部61の他に、レジスタ62,63、セレクタ64~66、乗算器(MUL)67、加算器(ADD)68、パラメータ定数発生器69、量子化器70、及び遅延用のレジスタ71A~71Dを有している。
前段のローパスフィルタ15Aの出力であるデジタル音声データが、セレクタ66に入力される。前記セレクタ66にはまた、セレクタ65、乗算器67の各出力が入力され、前記制御部61に従って選択した1つの値を加算器68へ出力する。
加算器68にはまた、レジスタ(AC)62の保持値が入力され、制御部61に従って加算した和を、前記図6の遅延器43,48,52,54で用いるレジスタ(z0~z3)71A~71D、及びセレクタ64へ出力する。
レジスタ71A~71Dの保持値はセレクタ65に入力される。セレクタ65は、レジスタ71A~71Dの各保持値中から一つを制御部61に従って選択し、選択した値をセレクタ66及び乗算器67へ出力する。
乗算器67は、セレクタ65の出力と、パラメータ定数発生器69から与えられる、パラメータ定数k0,k1,a0のいずれかを乗算し、その積を前記セレクタ66へ出力する。
前記セレクタ64は、加算器68の出力と量子化器70(53)の出力の一方を、制御部61に従って選択し、レジスタ(AC)62に保持させる。前記レジスタ62の保持値は、前記量子化器70及び加算器68に読出される。
そして、量子化器70の出力する、前記ΔΣ演算部15Bの演算結果が、前記セレクタ64へ送られる一方で、レジスタ(DR)63に保持され、その保持値が読出されて次段の出力部15Cへ出力される。
図9は、このように図8のハードウェア回路で実行される演算処理の内容を、制御部61のmカウンタ61Aのカウント値と対応付けて示す。mカウンタ61AはΔΣ演算部15Bの動作を制御する基本カウンタであり、「0」~「16」のカウント値を採り得る。
すなわち、mカウンタ61Aは、前記出力部15Cからの信号syncによりリセットされて「0」となり、以後クロックclk-pllにより「+1」ずつカウントアップして、最上値「16」となった後は、リセットされるまでの間、カウント値「16」を保持する。
前記mカウンタ61Aのカウント値が「16」である間は、前記信号syncによるリセット動作の待機状態となる。
簡単に、mカウンタ61Aのカウント値「0」~「15」に対応した、ΔΣ演算部15B内での制御部61による演算内容を説明する。
0:信号syncによりmカウンタ61Aをリセットして「0」とすると、レジスタ71Dの保持する遅延値z3をセレクタ65で選択させ、前記セレクタ65の選択結果とローパスフィルタ15Aからの入力データとを順次セレクタ66で選択させる。各選択結果を加算器68で加算させ、その和出力をセレクタ64で選択させて、レジスタ62に保持させる。
1:レジスタ71Aの保持する遅延値z0をセレクタ65で選択させ、前記セレクタ65の選択結果をセレクタ66で選択させる。加算器68でセレクタ66の選択結果とレジスタ62の保持値を加算させ、その和出力を前記レジスタ71Aに保持させる。
2:レジスタ71Cの保持する遅延値z2をセレクタ65で選択させると共に、パラメータ定数発生器69にパラメータ定数a0を出力させて、それら2つの値を乗算器67で乗算させる。得られる積をセレクタ66、加算器68、セレクタ64を介して前記レジスタ62に保持させる。
3:レジスタ71Aの保持する遅延値z0をセレクタ65で選択させると共に、パラメータ定数発生器69にパラメータ定数k0を出力させて、それら2つの値を乗算器67で乗算させる。得られる積をセレクタ66で選択させると共に、レジスタ62の保持値を読出して加算器68へ出力させる。加算器68でこれら2つの値を加算させ、その和をセレクタ64を介してあらためて前記レジスタ62に保持させる。
4:レジスタ71Bの保持する遅延値z1をセレクタ65,66で選択させて加算器68へ出力させると共に、レジスタ62の保持値を読出して加算器68へ出力させる。加算器68でこれら2つの値を加算させ、その和をあらためてレジスタ71Bに保持させる。
5:レジスタ71Bの保持する遅延値z1をセレクタ65で選択させると共に、パラメータ定数発生器69にパラメータ定数k1を出力させて、それら2つの値を乗算器67で乗算させる。得られる積をセレクタ66、加算器68、セレクタ64を介して前記レジスタ62に保持させる。
6:レジスタ71Cの保持する遅延値z2をセレクタ65,66で選択させて加算器68へ出力させると共に、レジスタ62の保持値を読出して加算器68へ出力させる。加算器68でこれら2つの値を加算させ、その和をあらためてレジスタ71Cに保持させる。
7:レジスタ71A~71Cの保持する遅延値z0~z2を順次セレクタ65,66で選択させて、シリアルに加算器68へ出力させる。加算器68でこれら3つの値を加算させ、その和をセレクタ64を介してレジスタ62に保持させる。
8:レジスタ62の保持値を読出して量子化器70へ出力して量子化処理させ、その出力をレジスタ63を介して次段の出力部15Cへ出力させる。
9:量子化器70の出力を、セレクタ64、レジスタ62、加算器68を介してレジスタ71Dに保持させる。
10~15:何もせずに待期する。
このように、PWM周期(Fsp)毎に発生される信号syncに同期し、クロックclk-pllによりカウント動作する前記mカウンタ61Aのカウント値mcntに応じて、上述したようにΔΣ演算処理が実行される。
次に図10により、ΔΣ演算部15Bの後段に位置する出力(PWM)部15Cの具体的なハードウェア回路の構成を説明する。
出力部15Cは、クロックclk-xtalによりカウント動作するnカウンタ81、前記nカウンタ81のカウント値をデコードするデコーダ82,83,85A~85Eと、レジスタ(PR)84、セレクタ86、及びフリップフロップ(DFF)87,88を用いる。
デコーダ82は、nカウンタ81の値が「0」である状態を検知して、前記信号syncを発生させる。またデコーダ83は、nカウンタ81の値が「15」である状態を検知して、レジスタ84にラッチイネーブル信号LEを出力する。
レジスタ84は、デコーダ83からのラッチイネーブル信号LEに応じて、前段の前記ΔΣ演算部15Bのレジスタ(DR)63から出力される、量子化された結果をラッチし、その値をセレクタ86へ出力する。
デコーダ85A~85Eは、nカウンタ81のカウント値に基づいてそれぞれパルス幅が0[%]、25[%]、50[%]、75[%]、100[%]のパルス信号をセレクタ86に出力する。
セレクタ86は、レジスタ84から得られる量子化信号に応じて前記デコーダ85A~85Eの出力するパルス信号のいずれかを選択し、その正転信号をフリップフロップ87に、反転信号をフリップフロップ88に出力する。
フリップフロップ87,88は、平衡型の出力を得るべく2段化されたものであり、共に前記クロックclk-xtalでセレクタ86の出力をラッチし、正極信号及び負極信号として出力する。
図11は、前記図10に示すような平衡型のPWM信号をアナログ信号化するアナログ化回路90を例示する図である。前記図1のローパスフィルタ18及びアンプ19に相当する。
同図で、前記フリップフロップ87の出力する正極信号は、抵抗R11及びコンデンサC11による直列RC回路を介して差動アンプ(op.amp.)91の+入力に与えられる。
一方、前記フリップフロップ88の出力する負極信号は、抵抗R12及びコンデンサC12による直列RC回路を介して前記差動アンプ91の-入力に与えられる。
差動アンプ91の出力及び+入力間に抵抗R13が接続されることで、正帰還がかけられている。そして、差動アンプ91の出力がアナログ化された音声信号として、前記図1のスピーカ20等で放音される。
次に前記実施形態の動作について説明する。
図12は、比較的PWM信号の周期に対応する区間が長い場合の、主としてΔΣ演算部15B内の動作タイミングを例示するタイミングチャートである。
図12(B)に示す信号syncは、前記図5、図10でも説明したように、図12(A)に示すクロックclk-xtalの整数倍周期毎に発生される。PWM周期も同様であり、クロックclk-xtalの整数倍周期となる。
前記信号syncは、ΔΣ演算部15Bでの演算の開始を支持する信号となっている。ΔΣ演算部15Bが実行するΔΣ演算自体は、クロックclk-xtalより高速、且つクロックclk-xtalとは非同期の、図12(F)に示すクロックclk-pllを基準として実行するものとしている。
信号syncを受信したΔΣ演算部15Bでは、シンクロナイザ動作を実現するため、2段化したフリップフロップ33,34により、図12(C)に示す遅延信号ff1、及びさらに遅延した信号clr_enを発生している。
前記信号clr_enにより、ΔΣ演算の基本動作カウンタである、図12(G)にカウント値を示すmカウンタ61Aのクリアイネーブル信号として、図中のタイミングt14で「0」にリセットさせ、以後ΔΣ演算を開始して、前記図8、図9で説明した如くΔΣ演算を実行させる。図12(H)が前記ΔΣ演算の実行帰還を示している。
さらに図12(I)に示すように、ΔΣ演算部15Bの出力段に設けたレジスタ(DR)63での記憶期間が設定されており、その間に次のΔΣ演算を開始するべく演算回路側が待期状態となっている。
この間、出力部15C側のレジスタ(PR)84で演算結果を受け取る期間となって、セットアップ時間Ts、及びホールド時間Thが十分にあるため、非同期の受け渡しであるにも拘わらず、シンクロナイザ無しでのデータの受け渡しが可能となる。
また前記時間Ts,Thは、クロックclk-xtalとクロックclk-pllとの周波数の関係により定まるが、演算結果を保持するレジスタ(DR)63の保持時間が比較的長く、前記時間Ts,Thが補償される範囲内で、クロックclk-xtalとクロックclk-pllの周波数を広い範囲内で選択することが可能となる。
図13は、比較的PWM信号の周期に対応する区間が短い場合の、主としてΔΣ演算部15B内の動作タイミングを例示するタイミングチャートである。ここでは、クロックclk-pllに対して、相対的にクロックclk-xtalの周期が短くなり、結果としてΔΣ演算中にも拘わらず、図13(B)に示すように続く信号syncが発生している。
しかしながら、ΔΣ演算の実行中で、mカウンタ61Aのカウント値が「0」~「15」である間は、信号syncの受信を受付けないようにしているため、ΔΣ演算を中断せずに続行するものとしている。
前記ΔΣ演算による結果は図13(I)に示すようにレジスタ(DR)63に保持されるが、ここでも周期Fspが短いため、出力(PWM)部15Cでは、短周期で入力される信号syncに応じて、レジスタ(PR)84が2度続けて同じ演算結果を読出して保持し、同じPWM信号が発生されることもあり得るが、性能上は問題を生じない。
すなわち、セットアップ時間Ts、及びホールド時間Thが共に極端に短い時間とクロックclk-xtalとクロックclk-pllの周波数の倍率以外では、クロックclk-xtalとクロックclk-pllの周波数の比率は広い範囲で選択することができ、また連続的なモジュレーションに対しても対応することが可能となる。
図14は、前記図12、図13に対応した、ΔΣ演算部15BでのΔΣ演算と、ΔΣ演算部15B及び出力部15C間での演算結果の送受、及び出力部15CでのPWM信号の出力タイミングを示すタイミングチャートである。
図14(A)に示すように、ΔΣ演算部15Bでは、信号syncのタイミングt31から信号clr_en間での第1待期時間aを空けて第1のΔΣ演算がタイミングt32となるまで実行される。
前記タイミングt32から、次の信号syncによるタイミングt33間での第1待期時間bと、前記タイミングt33から次のΔΣ演算が開始されるまでの時間の遅延分とを含んで、第2のΔΣ演算が実行される間も、図14(B)に示すようにΔΣ演算部15Bの出力側のレジスタ(DR)63には十分な時間幅でΔΣ演算の演算結果が保持される。
したがって、図14(C)に示すように出力部15Cでは、PWM周期を有効に使用して、十分余裕を持って対応する周期中、PWM信号を出力し、後段のローパスフィルタでアナログ化して出力させることが可能となる。
図15は、ΔΣモジュレータ15の前段の音源部14が出力するデジタル音声データの1サンプリング周期Fsdが、変動する場合を示している。
例えばPLL17のSSCGやジッタ等に起因して、デジタル音声データの1サンプリング周期Fsdが長い場合(図15(A))、標準の場合(図15(B))、短い場(図15(C))のように、図中で示すような揺らぎFを発生している場合を考える。
図15(D)に示すΔΣ演算の周期、すなわちΔΣモジュレータ15のΔΣ演算部15B及び出力部15Cの処理は、周期が変化しないクロックclk-xtalをベースとしたPWM周期で動作しているが、上述した如くΔΣ演算部15B、及び出力部15C間でのΔΣ演算の送受により、前記揺らぎFによる変動分を吸収して、出力精度を悪化させることなく、D/A変換を実行することが可能となる。
以上詳述した如く本実施形態によれば、基準となる水晶発振の第1のクロックと、周波数が前記第1のクロックより高いPLLによる第2のクロックとがどのような周波数の組み合わせとなる場合でも、処理を実行することが可能となる。
また、前記実施形態では、PLL17がSSCG(スペクトラム拡散クロック発振器)を用いるものとしたので、放射電磁ノイズを大幅に削減することができる。
さらに前記実施形態では、出力段でPWM信号から得たアナログ信号を差動増幅器により増幅するものとしたので、一般のデジタル処理や配線伝送路で発生する双極性のノイズを除去して、さらにノイズを低減させることができる。
上述したようなD/A変換回路を用いる音源を各種電子楽器やパーソナルコンピュータ等の情報処理装置に内蔵するものとすれば、広いダイナミックレンジと低いノイズ性を両立した高音質の音声出力を実現できる。
その他、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、前記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[請求項1]
第1のクロック信号の整数倍の周期毎に制御信号を出力する信号出力処理と、
クロック周波数が前記第1のクロック信号より高い第2のクロック信号をカウントし、そのカウント値に応じてΔΣ演算が実行中であるか否かを判別する判別処理と、
前記信号出力処理により前記制御信号が出力された際に、前記判別処理により前記ΔΣ演算が実行中ではないと判別された場合、入力されるデジタルデータに対して、前記第2のクロック信号に基づく前記ΔΣ演算を開始するΔΣ演算処理と、
前記判別処理で前記ΔΣ演算が実行中であると判別された場合に、入力されるデジタルデータに対して、前記第2のクロック信号に基づく前記ΔΣ演算を開始しないように制御する制御処理と、
前記ΔΣ演算処理での演算結果をPWM信号に変換して出力する出力処理と、
を実行するD/A変換装置。
[請求項2]
前記第1のクロック信号から前記第2のクロック信号を発生する、スペクトラム拡散クロック発振器を用いた位相同期処理をさらに実行する、請求項1記載のD/A変換装置。
[請求項3]
前記出力処理で出力したPWM信号から得たアナログ連続量を差動増幅する増幅処理をさらに実行する、請求項1または2記載のD/A変換装置。
[請求項4]
前記請求項1乃至3いずれか記載のD/A変換装置を用いた音源部を備える電子楽器。
[請求項5]
前記請求項1乃至3いずれか記載のD/A変換装置を用いた音源部を備える情報処理装置。
[請求項6]
第1のクロック信号の整数倍の周期毎に制御信号を出力する信号出力工程と、
クロック周波数が前記第1のクロック信号より高い第2のクロック信号をカウントし、そのカウント値に応じてΔΣ演算が実行中であるか否かを判別する判別工程と、
前記信号出力工程により前記制御信号が出力された際に、前記判別工程により前記ΔΣ演算が実行中ではないと判別された場合、入力されるデジタルデータに対して、前記第2のクロック信号に基づく前記ΔΣ演算を開始するΔΣ演算工程と、
前記判別工程で前記ΔΣ演算が実行中であると判別された場合に、入力されるデジタルデータに対して、前記第2のクロック信号に基づく前記ΔΣ演算を開始しないように制御する制御工程と、
前記ΔΣ演算工程での演算結果をPWM信号に変換して出力する出力工程と、
を有するD/A変換方法。
[請求項7]
コンピュータに実行させるプログラムであって、前記コンピュータに、
第1のクロック信号の整数倍の周期毎に制御信号を出力する信号出力処理と、
クロック周波数が前記第1のクロック信号より高い第2のクロック信号をカウントし、そのカウント値に応じてΔΣ演算が実行中であるか否かを判別する判別処理と、
前記信号出力処理により前記制御信号が出力された際に、前記判別処理により前記ΔΣ演算が実行中ではないと判別された場合、入力されるデジタルデータに対して、前記第2のクロック信号に基づく前記ΔΣ演算を開始するΔΣ演算処理と、
前記判別処理で前記ΔΣ演算が実行中であると判別された場合に、入力されるデジタルデータに対して、前記第2のクロック信号に基づく前記ΔΣ演算を開始しないように制御する制御処理と、
前記ΔΣ演算処理での演算結果をPWM信号に変換して出力する出力処理と、
を実行させるプログラム。
11…操作部
12…CPU
13…ROM
14…音源部
15…ΔΣモジュレータ(DAC)
15A…ローパスフィルタ(LPF)(SRC)
15B…ΔΣ演算部
15C…出力部(PWM)
16…水晶発振器
17…PLL
18…ローパスフィルタ
19…アンプ(amp.)
20…スピーカ
21…シフトレジスタ(SFR)
22…ΔΣモジュレータ(DAC)
23…水晶発振器
24…PLL
25…ローパスフィルタ
26…アンプ(amp.)
31…カウンタ
32…多入力アンド回路
33,34…フリップフロップ(FF)
35…アンド回路
41…減算器
42…加算器
43…遅延器
44…加算器
45…乗算器
46,47…加算器
48…遅延器
49,50…乗算器
51…加算器
52…遅延器
53…量子化器
54…遅延器
61…制御部
61A…mカウンタ(mcnt)
62…レジスタ(AC)
63…レジスタ(DR)
64~66…セレクタ
67…乗算器
68…加算器
69…パラメータ定数発生器
70…量子化器
81…nカウンタ(ncnt)
82,83…デコーダ
84…レジスタ(PR)
85A~85E…(パルス)デコーダ
86…セレクタ
87,88…フリップフロップ(DFF)
90…アナログ化回路
91…差動アンプ(op.amp.)

Claims (14)

  1. 第1のクロック信号の周期の整数倍の周期制御信号を出力する信号出力処理と、
    前記第1のクロック信号の周期より短い周期の第2のクロック信号のカウントに応じて、ΔΣ演算に係る処理の実行状態を遷移させる制御処理と、
    前記制御処理により遷移する実行状態に従って、入力されるデジタルデータに対する前記ΔΣ演算を実行する実行処理と、
    前記実行処理での前記ΔΣ演算の実行結果をアナログ信号に変換して出力する出力処理と、
    を実行し、
    前記制御処理において、
    前記信号出力処理により前記制御信号が出力された際に、前記実行状態を開始状態に遷移させ、
    前記開始状態に遷移した後、前記第2のクロック信号のカウントに応じて前記実行状態を決められた順番で遷移させながら前記ΔΣ演算を実行させ、
    前記ΔΣ演算が終了した後に、前記実行状態を待機状態に遷移させ、
    前記待機状態において前記制御信号が出力された場合には前記実行状態を前記開始状態に遷移させるが、前記待機状態ではない状態において前記制御信号が出力された場合には前記実行状態を前記開始状態に遷移させない、
    変換装置。
  2. 前記制御処理において、
    前記開始状態に遷移した後、前記第2のクロック信号のカウントに応じて前記実行状態を複数段階で遷移させながら前記ΔΣ演算を実行させ、
    前記ΔΣ演算が終了した際に、前記実行状態を何もしない状態に遷移させ、前記何もしない状態で前記第2のクロック信号を決められた回数カウントした後に、前記実行状態を前記制御信号の出力を待機する前記待機状態に遷移させる、
    請求項1記載の変換装置。
  3. 前記制御処理において、
    前記第2のクロック信号のカウントに応じて前記実行状態を複数段階で遷移させながら前記ΔΣ演算を実行させる場合に、前記ΔΣ演算に係るデータの選択、加算、保持、出力を含む複数の処理の処理段階を順番に遷移させていく、
    請求項2記載の変換装置。
  4. 前記変換装置は、入力されるデジタルデータに対するD/A変換を行うD/A変換装置であり、
    前記実行処理は、前記第2のクロック信号のカウントに応じて前記入力されるデジタルデータに対する前記ΔΣ演算を実行して量子化値を出力する処理を含み、
    前記出力処理は、前記第1のクロック信号のカウントに応じて前記実行処理で出力された前記量子化値をPWM信号に変換して出力する処理を含む、
    請求項1乃至3のいずれか一項に記載の変換装置。
  5. 前記デジタルデータは、楽音のデジタルデータであり、
    前記出力処理は、前記デジタルデータが示す楽音に対応するアナログ信号を出力する、
    請求項1乃至3のいずれか一項に記載の変換装置。
  6. 前記出力処理は、前記ΔΣ演算の結果をPWM信号に変換し、変換された前記PWM信号に基づいて、前記デジタルデータが示す楽音のアナログ信号を出力する、請求項5に記載の変換装置。
  7. 前記出力処理は、変換された前記PWM信号から得たアナログ連続量を差動増幅する増幅処理をさらに実行して前記アナログ信号を出力する、請求項6に記載の変換装置。
  8. 演奏操作子と、
    前記演奏操作子の操作に応じて、前記出力処理によりアナログ信号に変換された楽音を出力するスピーカと、
    を更に備える、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の変換装置。
  9. 前記第1のクロック信号から前記第2のクロック信号を発生する、スペクトラム拡散クロック発振器を用いた位相同期処理をさらに実行する、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の変換装置。
  10. 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の変換装置を用いた音源部を備える電子楽器。
  11. 請求項1乃至のいずれか一項に記載の変換装置を用いた音源部を備える情報処理装置。
  12. 装置が、
    第1のクロック信号の周期の整数倍の周期制御信号を出力する信号出力処理と、
    前記第1のクロック信号の周期より短い周期の第2のクロック信号のカウントに応じて、ΔΣ演算に係る処理の実行状態を遷移させる制御処理と、
    前記制御処理により遷移する実行状態に従って、入力されるデジタルデータに対する前記ΔΣ演算を実行する実行処理と、
    前記実行処理での前記ΔΣ演算の実行結果をアナログ信号に変換して出力する出力処理と、
    を実行し、
    前記制御処理において、
    前記信号出力処理により前記制御信号が出力された際に、前記実行状態を開始状態に遷移させ、
    前記開始状態に遷移した後、前記第2のクロック信号のカウントに応じて前記実行状態を決められた順番で遷移させながら前記ΔΣ演算を実行させ、
    前記ΔΣ演算が終了した後に、前記実行状態を待機状態に遷移させ、
    前記待機状態において前記制御信号が出力された場合には前記実行状態を前記開始状態に遷移させるが、前記待機状態ではない状態において前記制御信号が出力された場合には前記実行状態を前記開始状態に遷移させない、
    変換方法。
  13. コンピュータに、
    第1のクロック信号の周期の整数倍の周期制御信号を出力する信号出力処理と、
    前記第1のクロック信号の周期より短い周期の第2のクロック信号のカウントに応じて、ΔΣ演算に係る処理の実行状態を遷移させる制御処理と、
    前記制御処理により遷移する実行状態に従って、入力されるデジタルデータに対する前記ΔΣ演算を実行する実行処理と、
    前記実行処理での前記ΔΣ演算の実行結果をアナログ信号に変換して出力する出力処理と、
    を実行させ、
    前記制御処理において、
    前記信号出力処理により前記制御信号が出力された際に、前記実行状態を開始状態に遷移させ、
    前記開始状態に遷移した後、前記第2のクロック信号のカウントに応じて前記実行状態を決められた順番で遷移させながら前記ΔΣ演算を実行させ、
    前記ΔΣ演算が終了した後に、前記実行状態を待機状態に遷移させ、
    前記待機状態において前記制御信号が出力された場合には前記実行状態を前記開始状態に遷移させるが、前記待機状態ではない状態において前記制御信号が出力された場合には前記実行状態を前記開始状態に遷移させない、プログラム。
  14. 演奏操作子と、
    入力されたデジタル信号が示す楽音のデジタルデータをアナログ信号に変換するデジタル―アナログ変換装置と、
    前記演奏操作子の操作に応じて、前記デジタル―アナログ変換装置により前記アナログ信号に変換された楽音を出力するスピーカと、
    を含み、
    前記デジタル―アナログ変換装置は、
    第1のクロック信号の周期の整数倍の周期制御信号を出力する信号出力処理と、
    前記第1のクロック信号の周期より短い周期の第2のクロック信号のカウントに応じて、ΔΣ演算に係る処理の実行状態を遷移させる制御処理と、
    前記制御処理により遷移する実行状態に従って、入力されるデジタルデータに対する前記ΔΣ演算を実行する実行処理と、
    前記実行処理での前記ΔΣ演算の実行結果をアナログ信号に変換して出力する出力処理と、
    を実行し、
    前記制御処理において、
    前記信号出力処理により前記制御信号が出力された際に、前記実行状態を開始状態に遷移させ、
    前記開始状態に遷移した後、前記第2のクロック信号のカウントに応じて前記実行状態を決められた順番で遷移させながら前記ΔΣ演算を実行させ、
    前記ΔΣ演算が終了した後に、前記実行状態を待機状態に遷移させ、
    前記待機状態において前記制御信号が出力された場合には前記実行状態を前記開始状態に遷移させるが、前記待機状態ではない状態において前記制御信号が出力された場合には前記実行状態を前記開始状態に遷移させない、
    電子楽器。
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