JPH05335852A - デジタル振幅調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的廉価なデジタル振幅調整装置を提供す
る。 【構成】 電流により変化する抵抗を有する２端子非線
形素子の増分抵抗の変化により利得を制御するためにパ
ルス幅変調を利用した音量制御などに使用されるデジタ
ル振幅調整装置。デューティサイクル可変のパルス列
は、フィルタされて準連続可変直流（ＤＣ）電圧を発生
する。このＤＣ電圧でダイオードの伝達特性を調整する
ことにより増幅器の利得を調整する。マイクロプロセッ
サを使用するシステムにおいては、デューティサイクル
はソフトウェア制御により決定し、単一のラッチ可能な
出力ピンから出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、デジタル制御される可
変利得増幅器に係り、特にデジタル音量制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】今日の消費者用及び業務用の電子装置に
おけるより高い機能性に対する要求により、現代の回路
から更に大きな複雑性が要求され続けている。これらの
製品が、より低い価格で入手可能となるべきだとの別の
要求では、できるだけ多くの構成要素の再使用又は多数
機能の使用が要求されている。電話、デジタル同調ラジ
オ、ゲーム及びファクシミリ装置のようなマイクロプロ
セッサを主体とする多くの製品は、信号を発生し、伝送
するが、その振幅は調整されなければならない。

【０００３】一般的に、この調整方法は、直接的な顧客
による制御で、即ち、音量制御などとして行われるが、
この調整を自動的に行う装置もある。今日、ボタン及び
このボタンの状態を検出する回路を物理的に提供するこ
とが低価格で可能なために、押しボタン制御方法への傾
向が増大している。しかし、このボタンの状態に応答す
るデジタル制御調整器の価格はかなり増大し続けてい
る。従来のデジタル制御装置は、マイクロプロセッサの
多数の専用ピン、即ち、音量レベルを設定するラッチ出
力ポートの専用ピンを必要とした。

【０００４】これらの制御システムは、一般に、２進数
の入力から、所定の組の電圧振幅のうち相当する電圧振
幅を得る何らかの種類のデジタルーアナログ（Ｄ／Ａ）
変換器を利用する。この電圧振幅は、電圧制御増幅器の
利得の決定に使用される。

【０００５】また、多数の分路抵抗、直列抵抗のような
構成要素が、増幅段の利得を設定するために使用されて
いる。価格を低減するためには、構成要素の数、すなわ
ち利得設定の数は限られ、振幅レベル間が著しく不連続
となる。しかし、これらの従来の利得調整システムに
は、単純かつ簡単にソフトウェアを開発、実行できると
いう利点があった。

【０００６】米国特許第４，８６８，５１９号に開示さ
れた他の従来技術の利得調整システムは、マイクロプロ
セッサ制御を利用して可変デューティサイクル波形を発
生する。この可変デューティサイクル波形は、間接的に
ＦＥＴのドレインーソース抵抗を制御し、このＦＥＴ
は、フィードバックループを介して絶えず監視されて二
段増幅器の利得を調整する。米国特許第４、４６８、６
３１号に開示されたような他の利得調整装置は、振幅制
御装置で使用されるＦＥＴ又はフォトレジスタ及びフォ
トトランジスタの使用を示唆している。これらのシステ
ムは、その複雑さのために、実施するには比較的費用が
掛かる。付加費用は、一般的には、間接制御を導入する
非重要要素の導入により掛かるが、非常に目だつのは、
利得制御因子又は利得制御機構の実際の値を監視するた
めのフィードバックの使用に費用が掛かることである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、比較的廉価なデジタル振幅調整装置を提供
することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】音量制御装置などのよう
なデジタル振幅調整装置の従来の難点は、本発明の態様
によれば、電流に対して変化する抵抗を有する２端子非
線形素子、例えば、ダイオード又はダイオードに似た素
子の増分抵抗の変化により利得を制御するためのパルス
幅変調を利用することにより回避される。デューティサ
イクルが可変でデジタル制御されるパルス列は、準連続
可変直流（ＤＣ）電圧を発生するためにフィルタを通さ
れる。

【０００９】直接的又はＤＣ電流を提供することによ
り、そのＤＣ電圧は、ダイオードの導電特性を制御する
ことによって増幅器の利得を制御する。マイクロプロセ
ッサ又はマイクロコンピュータを既に使用しているシス
テムにおいて低価格でこれを実施するためには、デュー
ティサイクルは、ソフトウェア制御で決定することがで
き、そして、単一のラッチ可能な出力ピンから出力とし
て供給することができる。

【００１０】実施例では、ＤＣ電圧とこれに対応する電
流が、２段受動フィルタにより可変デューティサイクル
パルスに応答して発生される。このＤＣ電流は、ダイオ
ードの小信号モデルに従って動作される通常のシリコン
ダイオードの増分抵抗を制御するために使用される。こ
のダイオードは、基本的な反転構成の演算増幅器の入力
抵抗の代わりとなり、かくして、その入力抵抗に従って
変化する演算増幅器の利得を直接決定する。

【００１１】このシステムの１つの利点は、合理的に高
負荷のマイクロプロセッサが発生することができる多数
の離散的なデューティサイクルに結合された本システム
の基本的動作原理に固有の自然なフィルタ作用のため
に、レベル間の移行がユーザには連続して見えるという
ことである。更に、本発明の他の態様によれば、エネル
ギー貯蔵型のフィルタの使用により、可変のデューティ
サイクルパルスの流れが瞬間的に遮断されて、そのパル
スを供給するために使用されるピンが、認識されたボリ
ュームレベルに影響せずに別の機能の実施に使用するこ
とができるということである。

【００１２】かくして、例えば、このピンは、ボタンの
押し下げ用のキーパッドを走査するパルスを供給する出
力として使用することもできる。本発明の更に他の利点
は、単一の電源のみをもつシステムで本発明を容易に実
施することができるということである。

【００１３】

【実施例】図１は、一定周波数の可変幅パルス、即ち、
可変デューティサイクルパルスをマイクロコンピュータ
１２によるソフトウエア制御で発生する実施例を示す。
マイクロコンピュータ１２は、例えば、モトローラコー
ポレーション製ＭＣ６８ＨＣ０５Ｃ４のような８ビット
マイクロコンピュータである。

【００１４】パルスを発生し、そのデューティサイクル
をデジタル制御するには、公知の技術を使用すればよ
い。この実施例では、マイクロコンピュータ１２のソフ
トウェアは、キーボード又は直列メッセージシステム
（図示せず）に応答してある瞬間に使用されるべき実際
のデューティサイクルを決定する。多数の信号の振幅
が、単一のマイクロプロセッサにより独立制御されるべ
き場合、各独立の制御にはそれ自体のラッチ可能出力ピ
ンと、これに対応する回路とが必要となる。

【００１５】ピン１３から供給されるマイクロコンピュ
ータ１２からのパルスは、２段受動フィルタによりフィ
ルタリングされる。この２段受動フィルタでは、第１段
が抵抗１４とキャパシタ１６から構成され、第２段が抵
抗１８とキャパシタ２０から構成されている。この可変
幅パルスのフィルタリングの結果は、ノード２２におけ
るＤＣ電圧となり、その振幅は基準信号として使用され
る。ノード２２における電圧振幅は、パルスのデューテ
ィサイクルに比例し、かつ直接的に変化する。

【００１６】このデューティサイクルの変化は、基準信
号、例えば、電圧振幅の対応変化により追跡される。抵
抗１４、１８とキャパシタ１６、２０は、ノード２２に
維持されるＤＣ電圧がどの特定のデューティサイクルに
も安定であり、しかも、ユーザの認識として不適当な時
間がこのＤＣ電圧の必要な変化を生じさせるに必要とな
らないように選択される。

【００１７】この実施例では、マイクロコンピュータ１
２は、０％から１００％までのどこにでも変化すること
ができるデューティサイクルを有する５ボルトのピーク
の振幅でパルス幅変調信号を提供する。かくして、ノー
ド２２における電圧は、０％のデューティサイクルのほ
ぼ０ボルトから１００％のデューティサイクルのほぼ５
ボルトまで変化し、対応的に比例する電圧が対応するデ
ューティサイクルで発生される。

【００１８】任意取り付けの抵抗２４は、ノード２２に
おける電圧パルスのデューティサイクルに対する依存比
を変えるために使用することができる。かくして、抵抗
２４は、デューティサイクルの大きな変化を電圧振幅の
より小さな変化に変換することを可能にするために使用
される。この結果は、抵抗１４と２４との間の分圧作用
による。

【００１９】演算増幅器２６は基本的な反転増幅器とし
て接続されている。非反転入力端子２８は、信号接地
点、即ち、一定の予め決められたＤＣ電圧に接続されて
いる。このＤＣ電圧は、その選択された演算増幅器２６
の最大の無歪出力電圧の振れを可能にするように選択さ
れている。簡単化のために、信号接地点の振幅は、最小
値より小さくはなく、即ち、可変のデューティサイクル
パルスが直接供給できる最大電圧よりも大きくなっては
ならない。

【００２０】もしも信号接地点の振幅が、最小値より小
さく、叉は、その可変デューティサイクルパルスが直接
供給できる最大電圧よりも大きい場合、何等かのレベル
シフトが、可変デューティサイクルパルスについて行わ
なければならない。レベルシフトは、当業界で公知であ
る。出力端子３０は、フィードバック抵抗（抵抗値Ｒ
ｆ）３２及び任意取り付けのキャパシタ３４の並列接続
を介してノード３６において演算増幅器２６の反転入力
端子にフィードバックされる。任意取り付けのフィード
バックキャパシタ３４は、所望ならば、高周波ロールオ
フを提供するために使用される。

【００２１】フィードバック抵抗３２の値は、演算増幅
器２６の入力抵抗に関連して全利得を決定する。このフ
ィードバックループを閉じることにより、演算増幅器２
６の反転入力端子、即ち、ノード３６は仮想接地とな
る。キャパシタ３８は、ＤＣの成分伝達を阻止するが、
交流（ＡＣ）信号には短絡回路として作用する。かくし
て、このＡＣ仮想接地点は、反転入力端子から余、ノー
ド４０に現れるように拡張される。

【００２２】調整されるべき振幅を持つ信号源からの入
力信号は、抵抗４２に供給される。後述するように、フ
ィードバック抵抗３２と関連して、抵抗４２は、本シス
テムの最大利得を決定する。入力信号は、一定の予め決
められた固定のＤＣ成分を有している。例えば、この入
力信号のＤＣ成分の大きさは、信号接地点に使用される
ＤＣ電圧の大きさに等しくなるように選ばれる。任意取
り付けの抵抗４４が回路に存在せず、キャパシタ３８
が、演算増幅器２６へのＤＣ成分の伝達を阻止する場
合、ＤＣ分圧器は、ノード２２及び信号入力点に存在す
るＤＣ電圧どうしの間に形成される。

【００２３】可変のデューティサイクルパルスのデュー
ティサイクルが、ノード２２における電圧が入力信号の
ＤＣ電圧成分以下である限り、ダイオード４６は非導通
状態である。それゆえ、入力信号のＡＣ成分はノード４
０又は演算増幅器２６には到達しない。可変デューティ
サイクルパルスのデューティサイクルが、増大されるに
従って、ノード２２における基準電圧の振幅は、入力信
号のＤＣ電圧成分よりも大きい振幅まで増大する。

【００２４】ダイオード４６が導通状態となり、ＤＣ電
流が抵抗４８、ダイオード４６及び抵抗４２を介して流
れる。このＤＣ電流はＩｄであり、ダイオード４６のバ
イアス電流である。Ｉｄの振幅は、ノード２２の基準電
圧の振幅により直接的に変化する。任意の瞬間に、そし
て、値とデューティサイクルの任意の選択的な組合せの
場合にも、Ｉｄの振幅の値は、当業者に公知の技術を用
いて計算することができる。抵抗４８の値は、Ｉｄの値
の振幅が比較的小さく維持されるように、そして更に、
ノード２２の電圧の小さな変動が、ユーザに認識不能と
なるＩｄの小さな変化のみを生じさせるように、比較的
大きく選ばれている。

【００２５】通常のシリコンダイオードのダイオードの
信号モデルの増分抵抗は次のごとく与えられる、 Ｒｄ＝ｎＶｔ／Ｉｄ ここでＲｄはそのダイオードの小信号抵抗であり、ｎは
ダイオードの物理的な構造に基づくパラメータで、その
選ばれたダイオードに特有のものであり、そして、Ｉｄ
は時間の特定の瞬間においてそのダイオードを流れるバ
イアス電流である。ＶｔはＶｔ＝ＫＴ／ｑである。

【００２６】この場合、Ｋはボルツマン定数、Ｔは度ケ
ルビンで示した絶対温度、ｑは電荷の大きさである。室
温（２２℃）では、Ｖｔの値は２５ｍＶである。従っ
て、特定のダイオードに関する一定温度では、増大する
Ｉｄは、小信号抵抗を減少させ、そして、対応的に、減
少するＩｄは、小信号抵抗を増大させる。

【００２７】反転構成の演算増幅器２６の利得は、式Ｇ
＝−（Ｒｆ／Ｒｉ）（ここでＧは利得、Ｒｆは一定の予
め決められたフィードバック抵抗値、Ｒｉは入力抵抗値
である）に従って入力抵抗に反比例する。この実施例で
は、抵抗３２は一定のフィードバック抵抗Ｒｆであり、
入力抵抗Ｒｉは抵抗４２とダイオード４６の増分抵抗と
の直列接続である。かくして、Ｒｉがダイオード抵抗を
減少させることによって小さくされると、利得は増大す
る。

【００２８】本実施例によれば、Ｒｉはパルスのデュー
ティサイクルを増大することによって減少され、かくし
て、基準電圧の振幅とＩｄはより大きくされ、それによ
り、ダイオード抵抗が減少され利得が増大される。同様
に、本実施例によれば、Ｒｉがダイオード抵抗を増大さ
せ、これに伴って、パルスのデューティサイクル、及び
対応して基準電圧及びＩｄが減少されると、利得が減少
する。

【００２９】尚、演算増幅器の利得を確立するために使
用されるフィードバックは、利得制御因子又は利得制御
機構の実際の値を監視するために以前の装置で使用され
た上記フィードバックとは同じではない。利得の式にお
けるマイナスの符号は、演算増幅器の出力が、その入力
と位相が１８０゜ずれているということを示す。

【００３０】この実施例の利点は、ダイオードの増分抵
抗が減少されるに従って、ＡＣ入力信号が、抵抗４２と
ダイオード４６の間のＡＣ電圧分圧作用のために、ダイ
オード４６に小さくなって現れるということである。こ
の分圧作用により、ダイオード４６は広範囲の入力信号
にわたって線形領域において動作することができる。こ
の実施例の他の利点は、演算抵抗４４の組み込みによっ
て０以外の値に最小利得を設定することができるという
ことである。全入力抵抗 、従って、利得は、抵抗４４
とダイオード４６の増分抵抗との並列接続と抵抗４２の
和により決定される。

【００３１】当然本発明の他の実施例も考えることがで
きる。これらの実施例では、ダイオードのカソード電圧
を制御するための基準信号を使用することにより又は直
列モードよりもむしろ分路モードでダイオードを使用す
ることによって、ダイオードの増分抵抗を調整するよう
にしているが、これには限定されない。

【００３２】図１には、ユーザにより音量の増大又は減
少の選択のための例示的な取り付け任意の小キーボード
が示してある。このキーボード及び関連する回路は、押
しボタンスイッチ７８、８０、プルダウン抵抗８２、８
４及び絶縁抵抗８６を有している。マイクロコンュータ
５２のピン８８と９０は、入力ポートとして形成されて
いる。キーボード走査技術は当業者に公知であるが、そ
れらは、この可変デューティサイクルの発生と組み合わ
されなければならない。キーボードは、所定の間隔で走
査するだけでよく、マイクロコンピュータ５２の常時動
作を必要としない。

【００３３】キーボードからの信号が、マイクロコンピ
ュータ１２により入力されてないときに、ピン１３に供
給される信号は、キーボード走査プロセスにより無視さ
れる。スイッチの閉成をキーボードについてチェックす
るための適当なときに、可変デューティサイクルパルス
の一部としてピン１３に供給される値は、一時的に除去
される。一般的には、この値は、マイクロコンピュータ
１２のレジスタに既に記憶されており、コピーされて、
ピン１３に供給される。更に、可変幅パルス用に出力さ
れる値は、一般的には、タイマのタイムアウトを介して
開始される割り込みルーチンにより決定され、そして、
キーボード走査中は実際には変化してもよい。

【００３４】この簡単な実施例におけるキーボード走査
プロセスは、ピン１３へ論理１を書き込み、そして、ピ
ン８８と９０に現れる論理レベルをラッチすることによ
り開始される。この可変デューティサイクルパルス用の
適当な値は、あたかもキーボードの走査が起こらなかっ
たかのごとく上記レジスタに現在記憶されている値をコ
ピーすることにより、ピン１３において置き換えられ
る。音量の増大を合図するスイッチ７８と音量の減少を
合図するスイッチ８０を考慮すると、ピン８８に現れる
論理１は、ユーザがスイッチ７８を閉じ、そして、音量
の増大を合図しているということを示し、一方、論理０
は、スイッチ７８が開かれているということを示す。同
様に、ピン９０に現れる論理１は、ユーザがスイッチ８
０を閉じて音量の減少を合図しているということを示
し、一方、論理０はスイッチ８０が開かれているという
ことを示す。

【００３５】キーボードは、数サイクルにわたってデバ
ウンスされる。もしも音量増大が合図されると、可変の
デューティサイクルパルスのデューティサイクルは、１
単位だけ増大される。もしも音量減少が合図されると、
この可変デューティサイクルパルスのデューティサイク
ルは、１単位だけ減少される。音量の増大と減少の両方
が同時に合図されると、ボタンの押し下げは無視され、
そして、現在のデューティサイクルが維持される。

【００３６】以上の説明は、本発明の一実施例に関する
もので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例を考え得るが、それらは何れも本発明の技術的
範囲に包含される。

【００３７】

【発明の効果】 以上述べたごとく、本発明によれば、
簡単な回路構成により連続した可変利得を得ることが可
能なデジタル振幅調整装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。

【符号の説明】

１２ マイクロコンピュータ １４ 抵抗 １６ キャパシタ １８ 抵抗 ２０ キャパシタ ２６ 演算増幅器 ２８ 信号接地点 ３２ 抵抗 ３８ キャパシタ ４２ 抵抗 ４６ ダイオード ４８ 抵抗

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウォルター ジー． カトザビッチ アメリカ合衆国 07728 ニュージャージ ィ、フリーホールド、イーグル ネスト ロード 60 (72)発明者 ユージン ジェイ． ローゼンタール アメリカ合衆国 08904 ニュージャージ ィ、ハイランド パーク、サウス フィフ ス アベニュー 416

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 デューティサイクル可変のパルス列を発
   生する手段と、 このパルスのデューティサイクルを制御する手段と、 前記発生されたデューティサイクル可変のパルス列を供
   給する手段と、 前記パルス列のデューティサイクルに比例する振幅を有
   する基準信号を発生する為に、前記デューティサイクル
   可変のパルス列をフィルタリングする手段と、 流れる電流に従って抵抗値が変化する２端子非線形素子
   と、 入力信号を供給する入力信号源と、 前記基準信号の振幅に応答して２端子非線形素子の瞬間
   的な動作抵抗を変える手段と、 入力信号源からの入力信号を増幅する２端子非線形素子
   の瞬間的な動作抵抗に応答する可変利得を持つ増幅手段
   とを有するデジタル振幅調整装置。
2. 【請求項２】 デューティサイクル可変のパルス列を発
   生する手段が、デジタル的であることを特徴とする請求
   項１記載の装置。
3. 【請求項３】 入力信号源からの入力信号が、電流と共
   に変化する抵抗を有する２端子非線形素子を通ることを
   特徴とする請求項１記載の装置。
4. 【請求項４】 基準信号が、電圧であることを特徴とす
   る請求項１記載の装置。
5. 【請求項５】 基準信号が、電流であることを特徴とす
   る請求項１記載の装置。
6. 【請求項６】 ２端子非線形素子が、ダイオードである
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 【請求項７】 基準信号が、電流と共に変化する抵抗を
   有する２端子非線形素子を通ることを特徴とする請求項
   １記載の装置。
8. 【請求項８】 デューティサイクル可変のパルス列を発
   生する手段及びパルスのデューティサイクルを制御する
   手段が、マイクロプロセッサを有することを特徴とする
   請求項１記載の装置。
9. 【請求項９】 出力振幅の増加を示す信号を受信する手
   段と、出力振幅の減少を示す信号を受信する手段を有
   し、パルスのデューティサイクルを制御する手段が、信
   号を受信する手段によって受信された信号に応答してこ
   の信号に従ってデューティサイクルを増加又は減少して
   出力振幅を対応的に調節することを特徴とする請求項１
   記載の装置。
10. 【請求項１０】 デューティサイクルを制御する手段
    が、０％と１００％の間でデューティサイクルを変える
    手段を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
11. 【請求項１１】 可変のデューティサイクルパルス列を
    供給する手段がデューティサイクル可変のパルス列の外
    に他の信号を供給するように、このデューティサイクル
    可変のパルス列を供給する手段を多重化する手段を有す
    ることを特徴とする請求項１記載の装置。
12. 【請求項１２】 周期信号を発生する手段と、この周期
    信号に応答して出力振幅の増加を示す第１の出力を発生
    する手段と、周期信号に応答して出力振幅の減少を示す
    第２の出力を発生する手段とを有し、デューティサイク
    ル可変のパルス列を供給する手段が、多重化方式で周期
    信号を供給し、デューティサイクル可変のパルス列を制
    御する手段が、第１と第２の出力に応答してデューティ
    サイクルを適切に決定することを特徴とする請求項１１
    記載の装置。
13. 【請求項１３】 周期信号を発生する手段及び汎用の少
    なくとも一つのスイッチ手段を有し、この各スイッチ手
    段が少なくとも１つの状態を有し、この各スイッチ手段
    がこの各スイッチ手段の状態を示す出力を発生するよう
    に周期信号に応答し、デューティサイクル可変のパルス
    列を供給する手段が周期信号を供給することを特徴とす
    る請求項１１記載の装置。