NL8003027A - Signaal-bestuurbare verzwakker met een digitaal/- analoogomvormer. - Google Patents

Description

*#- N.O. 29.120 -1- 'r

Signaal-bestuurbare verzwakker met een digitaal/analoog-omvormer.

De uitvinding heeft betrekking op bestuurbare verzwakkingsin-richtingen zoals toegepast kunnen worden voor het besturen van het volumeniveau van een audiosignaal. Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op variabele verzwakkingsinrichtingen waarin 5 gebruik wordt gemaakt van een digitaal/analoog-omvormer.

Variabele verzwakkingsinrichtingen worden al jaren lang in talrijke toepassingen gebruikt. Een bekende toepassing ligt op het terrein van de geluidsreproduktie waar het gewenst is om het geluidsniveau zodanig te regelen dat de meest gewenste luisteromstandighe-10 den ontstaan. Een dergelijke regeling kan eenvoudig worden uitgevoerd door gebruik te maken van een conventionele potentiometer zoals bij de gebruikelijke volumeregelelementen. Sinds kort echter is het wenselijk gebleken om dergelijke afregelingen uit te voeren vanaf een verwijderde plaats bijvoorbeeld door middel van een elektrisch 15 signaal en dit resultaat kan niet ekonomisch worden bereikt met conventionele volumeregelinrichtingen.

Er is al gesuggereerd dat een digitaal/analoog-omvormer kan worden toegepast voor het regelen van het niveau van een audiosignaal.

Een dergelijk voorstel is bijvoorbeeld gegeven in het artikel "Get 20 Wide-Range Digitally Controlled Attenuation with a Companding D/A" door Walter Jung en Will Ritmanich, verschenen in Electronic Design 23* november 8, 1978. Dit voorstel echter heeft te lijden van een aantal nadelen* in het bijzonder het feit dat een relatief complexe en derhalve kostbare schakelingsconfiguratie nodig is.

25 In een voorkeurs-uitvoeringsvorm van de uitvinding die in het volgende nog in detail wordt beschreven wordt een signaal-gestuurde verzwakker verschaft gebruik makend van een vermenigvuldigende digitaal/analoog-omvormer van het type dat voorzien is van een R/2R laddernetwerk. In een dergelijk netwerk verschilt de verzwakking die 30 door een willekeurige trap geleverd wordt van de verzwakking die door de aangrenzende trap wordt geleverd met 6 dB (in werkelijkheid 6,0206 dB); dat wil zeggen de shuntstromen verhouden zich als 2 :1 in de opeenvolgende sporten van de ladder. Door telkens één trap in te schakelen kan dus in sequentiële progressie de door de ladder-33 schakeling vertegenwoordigde verzwakking in stappen van 6 dB worden gevarieerd.

Stappen van 6 dB leveren voor vele toepassingen zoals de ver-zwakking van een audiosignaal geen voldoend fijne resolutie. Om dit l 800 3 0 27

V

-2- probleem op te lossen is de hierin beschreven digitaal/analoog-ver-zwakker voorzien van middelen voor het besturen van een reeks opeenvolgende laddertrappen van een voldoend aantal om de gevraagde resolutie te verkrijgen. In de geïllustreerde uitvoeringsvorm is de no-5 minale ontwerpresolutie 1,5 dB per stap. Voor dit doel worden vier opeenvolgende stappen bestuurd door een 4-bit-codesignaal met vier verschillende codes hetgeen een keuzemogelijkheid biedt uit 0, 1,5, 3,0 en 4,5 dB. De volgende stap naar 6,0 dB wordt verkregen door het verschuiven van het 4-bit-codesignaal over één positie (naar een 10 grotere verzwakking) naar de volgende groep van vier laddertrappen en het terugkeren van de 4-bit-code naar de oorspronkelijke 0 dB co-deïnstelling. Omdat het laddernetwerk 6 dB per trap levert draagt een verschuiving over één ladderpositie een verdere 6 dB bij aan de verzwakking die wordt bepaald door de 4-bit-code. Door dus de code 15 terug te stellen op de'0 dB-instelling zal een verschuiving over één positie resulteren in een gewenste nettoverzwakking van 6 dB als volgende stap na 4,5 dB.

Verdere stappen in de progressie worden op vergelijkbare wijze gebaseerd op dit principe uitgevoerd. Een praktische inrichting ge-20 construeerd in overeenstemming met de uitvinding en gebruik makend van een 17-bit digitaal/analoog-omvormer levert een totaal verzwak-kingsgebied van 88,5 dB in stappen van 1,5 dB.

De uitvinding heeft derhalve ten doel een verbeterde signaal-gestuurde verzwakkingsinrichting te verschaffen. Meer in het bijzon-25 der heeft de uitvinding ten doel een dergelijke inrichting te verschaffen met uitstekende eigenschappen welke relatief goedkoop kan worden vervaardigd. Verdere doelstellingen, voordelen en kenmerken van de uitvinding zullen duidelijk worden aan de hand van de in het volgende gegeven beschrijving van de in de figuren weergegeven uit-30 voeringsvoorbeelden.

Fig. 1 toont een blokschema van een uitvoeringsvorm van de uitvinding.

De fig. 2A en 2B tonen samen een gedetailleerd schema van een voorkeurs-uitvoeringsvorm van de uitvinding.

35 De in fig. 1 in blokschema getoonde inrichting is voorzien van een conventionele meertraps vermenigvuldigende digitaal/analoog-omvormer 10 (kortweg aangeduid met DAC) van het type waarin gebruik wordt gemaakt van een H/2R laddernetwerk voor het instellen van de

Obitgewichten in binaire opeenvolging. De te verzwakken ingangsspan-4o ning wordt aangeboden aan de referentiespanningsaansluiting 12 van \ 800 30 27 % -3- ? de DAC en het digitale ingangssignaal voor het besturen van de verzwakking wordt geleverd via een reeks van digitale leidingen 14 aangesloten op de respectievelijke schakelaarstuuraansluitingen 16, In de getoonde uitvoeringsvorm heeft de DAC 10 een 17-bit resolutie 5 zodat er in het totaal 17 digitale leidingen 14 aanwezig zijn.

Een uitgangssignaalstroom wordt geleverd aan de uitgang van de DAC, de aansluiting 18, in overeenstemming met het logische patroon (dat wil zeggen de enen en nullen) van het aangeboden digitale signaal via de digitale leidingen 14·. Deze uitgangsstroom wordt toege-10 voerd aan een operationele versterker 20 voorzien van een terugkop-pelweerstand B^ teneinde een corresponderende uitgangsspanning te leveren aan de uitgangsaansluiting 22 van de versterker.

Het resterende gedeelte van de schakeling uit fig. 1 bevat de stuurinrichting, in zijn algemeenheid aangeduid met 30, waarmee 15 wordt bepaald welke van de digitale ingangsleidingen 14 van de DAC 10 zal worden geactiveerd op een 6-bit-instruktiesignaal aangeboden aan een groep van zes ingangsaansluitingen 32. Over het algemeen wordt dit instruktiesignaal gegenereerd op afstand van de verzwakkingsin-richting. Het 6-bit digitale instruktiesignaal bevat twee afzonder-20 lijke signaalgroepen met verschillende funkties. De eerste signaal-• groep 34 beslaat de twee minst significante bits (0, 1) van het 6-bit-signaal en de tweede signaalgroep 36 beslaat de vier resterende bits (de nummers 2-5).

De eerste signaalgroep 34 van het 6-bit-instruktiesignaal wordt 25 toegevoerd aan de ingang van een codegeneratorschakeling welke (althans in de uitvoeringsvorm van fig. 1) bestaat uit een bekend uit-leesgeheugen (BOM) 38, welk geheugen op zijn uitgangsleidingen 40 een 4-bit-code produceert corresponderend met de betreffende toestand van de twee bits van de aangeboden signaalgroep 34. De tweede 30 signaalgroep) 36 wordt toegevoerd aan een conventionele 4/16 lijnde-codeereenheid 42 welke één van zijn zestien uitgangsleidingen 44 in overeenstemming met de 4-bit-signaalgroep 36 activeert.

De codeleidingen 40 en de uitgangslijnen 44- van de decodeereen-heid zijn gekoppeld met een verschuivingsmatrix, in zijn algemeen-35 heid aangeduid met 50, teneinde deze verschuivingsmatrix samen te besturen. Deze verschuivingsmatrix (waarvan details zijn getoond in fig. 2A) doet op bekende wijze dienst voor het overdragen van de 4— bit-code op de vier leidingen 40 naar vier corresponderende opeen-/j volgende leidingen van de digitale leidingen 14 naar de DAC 10. 7/el- f4 40 ke groep van vier leidingen 40 door de verschuivingsmatrix wordt ge- I 800 3 0 27 -4- 'i selecteerd wordt bepaald door welke van de decodeerleidingen 44 geactiveerd is.

Als bijvoorbeeld de meest linker leiding 44a is geactiveerd dan wordt de 4-bit-code van de ROM 38 overgedragen naar de vier meest 5 linkse digitale leidingen 14a, 14b, 14c, I4d. Als de volgende deco-deereenheidleiding 44b is geactiveerd dan wordt de 4-bit-code van de ROM over één stap naar rechts verschoven en dus toegevoerd aan de volgende groep van opeenvolgende digitale leidingen 14b, 14c, l4d, 14e. Het 4-bit-codesignaal wordt dus in feite via een 4-bit brede 10 "vensteropening" toegevoerd aan de 17 schakelaarstuuraansluitingen 16 van de DAC, waarbij het venster wordt geplaatst op de array van stuuraansluitingen in overeenstemming met de toestand van de 4-bit-signaalgroep 36.

In een vereenvoudigde versie van de verzwakker volgens de uit-15 vinding is de ROM 38 vervangen door een buffer/invertorschakeling 60 (zie fig. 2A, 2B) die reageert op de twee bits van de instruktie-signaalgroep 34. De buitenste codeleidingen 40a, 40d worden voor alle codes op aardpotentiaal gehandhaafd. Zoals getoond is in fig.-2A zijn de vier codeleidingen gekoppeld met respectievelijke groepen 20 van FET-doorlaatpoorten 62, 64, 66, 68 welke in groepen van vier geactiveerd kunnen worden door één van de zestien decodeereenheiduit-gangsleidingen 44a, 44b, enz. Elke groep van vier poorten geeft op zijn beurt verbinding met vier corresponderende leidingen van de digitale DAC-leidingen 14 voor het daaraan toevoeren van de 4-bit-eode 25 wanneer de betreffende poorten worden geactiveerd door de corresponderende decodeereenheidleidingen 44a, enz.

In de hierin beschreven specifieke uitvoeringsvorm zijn de vier verschillende 4-bit-codes voor het besturen van de ingangen van de poorten 62 - 68 als volgt geselecteerd: 30 Stap Code Verzwakking (dB) 1. 1111 0 2. . 1101 1,5 3. 1011 3,0 04. 1001 4,5.

35 Als de eerste code (1111) wordt toegevoerd aan de vier meest % linker digitale leidingen 14a, 14b, 14c, l4d dan worden de eerste % vier DAC-schakelaars 70a, 70b, 70c, 70d gesloten. Er loopt dan stroom van de ingangsaansluiting 12 van de DAC via de shuntelemen-ten 72a, 72b, 72c en 72d van de R/2R ladder 74 naar de uitgangsaan-40 sluiting 18. Aannemend dat de ingangsspanning gelijk is aan 12 volt 800 3 0 27 v -5- en dat de shuntweerstanden een waarde hebben van 24 kfi. (waarbij de serieweerstanden een waarde hebben van 12 kil) zal de stroom door de eerste trap van de ladder gelijk zijn aan 0,5 mA en zullen de stromen door de drie opeenvolgende trappen gelijk zijn aan 0,25 mA, 5 0,125 mA en 0,0625 mA in overeenstemming met de binaire standaardbeweging. De totale uitgangsstroorn zal derhalve gelijk zijn aan 0,9375 mA. Deze stroom wordt toegevoerd aan de operationele versterker 20 welke met een 12,8 kjl. terugkoppelweerstand Bf een uitgangs-spanning van 12 volt zal produceren corresponderend met een verzwak-10 king van 0 dB.

De vier 4-bit-codes op de codeleidingen 40 zijn ontworpen voor het leveren van een nominale verzwakking in stappen van 1,5 dB. De vierde stap in de cyclus van deze codes zal een nominale verzwakking, produceren van 4,5 dB. Voor de volgende stap naar 6 dB keert de 4-15 bit-code terug naar zijn oorspronkelijke nultoestand (1111), en de gehele groep van codesignalen wordt over één positie naar rechts gesloten zodat de volgende groep van corresponderende ladderschakelaars 70b, 70c, 70d, 70e wordt gesloten.

Voor illustratieve doeleinden geeft de tabel details omtrent de 20 stromen en de uitgangsniveau's voor de eerste acht verzwakkingsstap-pen. Het zal uit deze gegevens duidelijk zijn dat de verzwakkings-stappen niet exakt elk 1,5 dB bedragen; in de praktijk zal echter de verzwakking van audiosignalen geen hoge precisie vereisen. Als een grotere precisie nodig is, bijvoorbeeld in andere toepassingen, dan 25 kan extra resolutie worden verkregen door het gebruik van codesignalen met een groter veranderlijkheidsgebied en/of door het gebruiken van een groter codesignaal (van bijvoorbeeld 5, 6 of 7 bits) voor het besturen van meer trappen van de DAC met elke groep van codesignalen. Een voorbeeld van een 5-bit-codeconfiguratie bestemd om te 30 worden geleverd door de BOM 38 wordt in het onderstaande gegeven:

Stap Code Verzwakking (dB) 1. 11011 0 2. 10111 1,5 3. 10011 ’ 3,0 35 4. 10000 ' 4,5.

€

Met betrekking tot de gedetailleerde schakeling getoond in de | fig. 2A en 2B blijkt verder uit het diagram dat de voorkeurs-uitvoe- f ringsvorm geïmplementeerd is gebruik makend van bekende CMOS-techno- - logie. Het digitale signaal op één van de leidingen 44a, enz., wordt 40 dus toegevoerd aan één van vier paren van in serie aangesloten ele- 8003027 -6- menten 80a, 82a; 80b, 82b; enz., waarbij de gemeenschappelijke aansluiting tussen deze elementen een logisch signaal (een nul of een één) genereert voor het corresponderende bit van de DAC 10. Dit logische signaal wordt door de respectievelijke digitale leiding 14a, 5 14b, enz., toegevoerd aan een reeks van buffer/invertoren 84a, 84b, enz., welke op zijn beurt differentieel de respectievelijke N-kanaal-uitgangsschakelaars 70a, 70b, enz. besturen. Wanneer een codebit op één van de codeleidingen 40 een "1" is dan wordt de corresponderende schakelaar 70 geconditioneerd voor het sturen van een bitstroom naar 10 de uitgangsaansluiting 18.

De leidingdecodeereenheid 42 kan geheel van conventioneel ontwerp zijn gebruik makend van bekende logische poortconfiguraties zoals ook in het schema is aangegeven. De beschreven inrichting is verder voorzien van extra stuurelementen in de vorm van een schakeling 15 die in zijn algemeenheid aangeduid is met 90 en dienst doet voor een zogenaamde "loudness"-regeling voor de in het bovenstaande genoemde audiotoepassing, maar deze schakeling vormt op zichzelf geen deel van de uitvinding.

Er kunnen natuurlijk nog verdere kenmerken worden toegevoegd 20 voor bepaalde toepassingen. Het instruktiesignaal kan bijvoorbeeld lokaal worden gegenereerd door een heen en weer tellende teller die bestuurd wordt door klokpulsen afkomstig van een verwijderde plaats. Het van een afstand afkomstige signaal behoeft dan alleen de indika-ties "heen tellen" of "terug tellen" te bevatten. De toestand van 25 het instruktiesignaal kan indien gewenst op elk willekeurig tijdstip worden uitgelezen voor indikatiedoeleinden of anderzins.

Alhoewel een bepaalde voorkeurs-uitvoeringsvorm van de uitvinding in detail is beschreven zal het duidelijk zijn dat deze uitvoeringsvorm slechts ter wille van de illustratie van de principes van 30 de uitvinding is gegeven en dat het kader van de uitvinding daartoe niet is beperkt.

800 3 0 27 -» -7- © Η ^ λ m ö Τ5 •Η ν—'

S

ο &0 Öfi •Η ΙΑΟΆΛΙΙ^ΚΙ-ί-ί

Ö,ü (\J^OOAI(\IOO

>(d ooooooooo s -P « 0 © Ê4 > bQ Φ fl 44 ·Η _ n^s! r •Η ,ϋ j-(TsiA(\JU)rlA4·

H ctf CMVD-iO0J[N-d-O

Q) «5 /-> rrrrr^··*· 44 N pq o<-c\l-d-OlNcoOr\j 5h Tl v~ ^ © © w

"S > bO

. Ö Ö vo ΙΛ ΓΛ O O

Hcö-H Ο'Λ'ΛΟ ΓΛ M3 O

© hD> O CO 1NVO LT\ 4- ΙΛ ΙΛ Λ1 o 40 \ ·****·*>·'*··'*'«''

CÖ-HO r-OOOOOOOO

B &>

S

1 o

+s o Lf\ Lf\ LA IA IN

rl !-h 1Γ\ 1Λ ΙΓ\ 1Λ Al f- (\l ΙΛ 3 -P ^-Γϋ^ΛΙοΟ'^ΐΛΓ-.ί·

IhCQ lArcOVO^Od-«lA

©IQ Ο'ΟΟ'ΦΙΛ-ί-ί'ΑΑΙΑΙ

Tl 3 ooooooooo cö (Ö tA fao ©

© Tl •H O

-p © ra W

•Hl -p +> ra -p Λ Λ o ·η ra o o

Pi£> 44 © © «hi ö^sshssifc

•rl -d- -rt I I

3 H r- CM

r-3 Ö 0 (Ö «0 >

•P

•rl© t-^r*r-r-r-r-r-r- · CQ Tl r-Or-O^-Ov-O^- IO τ-νΟΟτ-^- 00«~ J-Ov-T-T-T-r-r-r-vr- r

bO

Ö •rl © 44 H 44 ΙΛΟΙΛΟΙΑΟΙΛΟ··· <ti cö

Ö 5 «-> 0r-tA-4-M3INCr\0<\l · · S

i rl O © r- r* · · © 11 S U Tl O © w

Si > 800 3 0 27

Claims (6)

1. Schakeling voor het verzwakken van een ingangssignaal» g e-kenmerkt door een digitaal/analoog-omvormer voor het leveren van ee'n verzwakkingsfaktor die varieert in overeenstemming met een 3 niet-lineaire funktie en voorzien is van- een weerstandsnetwerk met ingangs- en uitgangsaansluitingen, welk weerstandsnetwerk voorzien is van een aantal N opeenvolgende trappen met progressief verschillende verzwakkingswaarden elk zodanig gerangschikt dat ze al dan niet in de schakeling kan worden opgenomen teneinde de totale ver-10 zwakking tussen de genoemde ingangs- en uitgangsaansluitingen te besturen, schakelmiddelen voor elk van de genoemde netwerktrappen voor het al dan niet opnemen van de corresponderende trap in het genoemde weerstandsnetwerk; een array van N opeenvolgende schakelaarstuur-aansluitingen voor de respectievelijke schakelaarmiddelen waarbij 13 elke aansluiting bestemd is voor ontvangst van een corresponderend logisch schakelaarstuursignaal voor het bedrijven van de corresponderende schakelaarmiddelen; middelen voor ontvangst van een digitaal verzwakkingsstuursignaal bestaande uit een eerste en een tweede groep van digitale signalen; stuursignaal-genererende middelen rea-20 gerend op de eerste groep van digitale signalen en bestemd voor het genereren van een corresponderende groep van logische signalen voor het definiëren van een n-bit-code waarin n kleiner is dan N, en schuifpositiestuurmiddelen reagerend op de genoemde tweede groep van digitale signalen voor het toevoeren van de respectievelijke indivi-25 duele binaire signalen uit het n-bit-codesignaal gedefinieerd door de groep van logische signalen aan n opeenvolgende van de genoemde schakelaarstuuraansluitingen, waarbij de sequentiële groep van n-schakelaarstuuraansluitingen wordt gekozen uit de totale array van N opeenvolgende schakelaarstuuraansluitingen in overeenstemming met 30 de genoemde tweede groep van digitale signalen, waarbij‘het n-bit-codesignaal wordt toegevoerd aan de groep van n-schakelaarstuuraan-sluitingen voor het besturen van de aan-/uit-toestand van de bijbehorende groep van n opeenvolgende schakelaarmiddelen teneinde het verzwakkingsniveau te produceren dat door het digitale ingangssig-35 naai wordt geïnstrueerd.

2, Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, .dat het genoemde weerstandsnetwerk voorzien is van een R/2R ladder- netwerk met serie-elementen en shuntelementen voor het verschaffen van een logaritmische variatie in de verzwakkingsfaktor. H hO 3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenm’erk, ' 800 30 27 -9- dat de genoemde schakelaarmiddelen in serie geplaatst zijn met de shuntelementen van het genoemde laddernetwerk teneinde de shuntstroom ofwel naar de uitgang van de ladder toe te voeren ofwel naar de aard-aansluiting. 5 , 4·. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat alle schakelaarmiddelen geopend blijven met uitzondering van de genoemde groep van n opeenvolgende schakelaarmiddelen die worden gestuurd door het genoemde n-bit-codesignaal.

5. Inrichting volgens conclusie h, gekenmerkt door 10 een operationele versterker waarvan de ingang gekoppeld is met de uitgangsaansluiting van het netwerk alsmede een terugkoppelweerstand bij de genoemde versterker waarvan de weerstandswaarde dusdanig is gekozen dat een uitgangssignaal wordt geproduceerd corresponderend met een nul-verzwakking wanneer de n-bitcode al de n-schakelaarmid-15 delen sluit van een groep beginnend bij de trap van hoogste orde.

6. Werkwijze voor het verzwakken van een elektrisch signaal, gekenmerkt door de volgende stappen: het aanbieden van het genoemde elektrische signaal aan de analoge ingang van een vermenigvuldigende digitaal/analoog-omvormer met een bit-wegend weerstands- 20 netwerk met N afzonderlijke trappen welke door middel van schakelaars kunnen worden bestuurd zodanig dat ze al dan niet in het netwerk tussen de ingang en de uitgang daarvan worden opgenomen; het besturen van het schakelen van n opeenvolgende trappen van het genoemde weerstandsnetwerk in overeenstemming met een eerste stuursignaal 25 en het selecteren van n opeenvolgende trappen uit het totale aantal van N-trappen in overeenstemming met een tweede stuursignaal.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de eerste en tweede stuursignalen deel uitmaken van een digitaal instruktiesignaal.

8. Werkwijze volgens conclusie 7» met het kenmerk, dat de genoemde eerste en tweede stuursignalen worden gebruikt om samen een verschuivingsmatrix te besturen voor het verschuiven van een n-bit-codesignaal langs de array van digitale convertor-ingangsaan-sluitingen naar een schuifpositie die wordt bepaald door het genoem-35 de tweede stuursignaal. ****** o \ 800 30 27