TW453045B - Multi-level pulse width modulation device and its control structure - Google Patents

Description

6047twf.doc/006 A7 B7 五、發明說明（/) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明是有關於一種數位類比轉換裝置 (Digital/Analog Converter，DAC)，且特別是有關於一種可同 時提高解析度及維持原來的取樣率之多準位脈衝寬度調變 數位類比轉換裝置。 脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)是將數位 脈衝編碼調變(Pulse Code Modulation，PCM)信號轉換成以不 同的工作週期(duty cycle)來表示。將PCM轉換成PWM之後 可直接推動喇叭產生類比信號輸出，成爲PWM數位類比轉 換器(PWM DAC)。PWM DAC之解析度、取樣率與輸入時脈 頻率具有下列的關係： a. 單端PWM DAC :解析度X取樣率=輸入時脈頻率 b. 雙端PWM DAC :解析度X取樣率=2x輸入時脈頻率 由上述可知，當系統的輸入時脈頻率固定時，解析度 與取樣率是反比關係。也就是說，若要PWM DAC具有高解 析度’則勢必要降低取樣率。反之，若要提高取樣率，則 必須要犧牲解析度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 請參照第1圖，其繪示的是傳統一種PWM DAC的方 塊圖’其中PCM轉換電路接收到PCM信號之後，隨即輸出 P+ 12與p- Η信號至緩衝器16/18,並經由輸出緩衝器丨6/18 輸出驅動信號至輸出裝置20，使輸出裝置20輸出PWM之 信號。 請參照第2圖，其繪示的是傳統一·種PWM DAC的示 意圖。 傳統PWM DAC主要係由輸出緩衝器(ou〖put driver)22 3 本紙張又度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 6047twf, doc/00 6 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（2) 與輸出緩衝器24所組成。輸出緩衝器22之輸入端接收一 輸入信號P+，其輸出端連接至一個揚聲器(speaker)26，之 一輸入端。而輸出緩衝器24之輸入端接收一輸入信號P-， 其輸出端連接至揚聲器26之另一輸入端。揚聲器26藉由 來自輸出緩衝器22與輸出緩衝器24之兩輸入信號，以輸 出一聲音信號至外部。上述輸入信號P+與P-係來自用以將 η位元PCM數値中的n-m個最大位元數値轉換成PWM波形 之轉換電路，其中，η與m爲任意正數，且n>m。 在第1圖之輸出緩衝器22與輸出緩衝器24之PWM輸 出波形只有0與1兩準位的數位波形。由於傳統PWMDAC 是數位式輸出，其最小單位爲1，故只能表示X與X+1、 X+2等整數値。然而，若要進一步表示χ+(1/4) ' X+(l/2)甚 至X+(7/8)的PCM値，則傳統PWM DAC並無法完成。 有鑒於此，本發明提出一種多準位脈衝寬度調變數位 類比轉換器，包括之裝置有：轉換電路、2m個第一輸出緩 衝裝置、2ra個第二輸出緩衝裝置、控制裝置、與輸出裝置。 上述之m階轉換電路，用以將η位元PCM數値中的n-m個最大 位元數値轉換成PWM波形，以輸出第一輸入信號與第二輸 入信號。第一輸出緩衝器用以接收第一輸入信號，且每個 第一輸出緩衝器具有各輸出電流値。第二輸出緩衝器用以 接收第二輸入信號，且每個第二輸出緩衝器具有各輸出電 流値。 以及，控制裝置用以控制第一輸出緩衝器與第二輸出 緩衝器之開關狀態。其中，控制裝置會依據？{：：1^的111個最低 4 本纸張尺度適用_國國家標準（CNS)A4規格（21〇χ297公釐） -----裳--I--^--I I 訂· I — 1 -----線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 453 045 6047twf，d〇c/006 五、發明說明（j) 位元’於每個取樣週期的某一區間內，將數個第一輸出緩 衝器與數個第二輸出緩衝器轉變成高輸出阻抗狀態。此 外’第一輸出緩衝裝置與第二輸出緩衝裝置的個數可以不 同’亦即，可以有2ml個第一輸出緩衝裝置與2m2個第二輸出 緩衝裝置，其中，ml與m2分別爲小於η的正數。 本發明提出之多準位脈衝寬度調變數位類比轉換 器’不但可以提高解析度，並且也可以維持原來的取樣率。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細 說明如下： 圖式之簡單說明： 第1圖繪示的是傳統一種PWM DAC的方塊圖； 第2圖繪示的是傳統一種PWM DAC之裝置的示意 圖； 第3圖繪示的是依照本發明之MPWM DAC的方塊 fcTf · 圖， 第4圖繪示的是依照本發明一較佳實施例的一種雙端 四階MPWM DAC之裝置的示意圖； 第5圖繪示的是依照本發明一較佳實施例的一種 MPWM DAC之控制裝置示意圖； 第6圖繪示的是傳統PWM DAC的輸出波形；以及 第7圖繪示的是本發明MPWM DAC之輸出波形" 圖式之標號說明： 10、28 : PCM轉換電路 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） ml —-------裝· !ll·!— 訂---------線 {請先閱讀背面之注項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局具工消費合作社印製 6047twf，doc/006 _____B7 五、發明說明（Υ) Π、14 ' 30、32 :輸出信號 16 、 18 、 22 、 24 、 38 、 40 、 52a〜52d ' 54a〜54d :輸出緩衝器 20、42 :輸出裝置 26、56 :揚聲器 30、32 :輸入信號 33 :啓動信號 34 :控制裝置 36 :控制信號 58、60、62 :控制器 實施例 如先前所述，傳統PWM之輸出波形只有〇與1兩準 位的數位波形’然而本發明則是將PWM輸出波形變更爲類 比式輸出’在此稱之爲多準位脈衝寬度調變（Multi-levei PWM ’ MPWM)。採用本發明提出之MpwM DAC的方法， 不但可以提高解析度，並且也可以維持原來的取樣率。以 下’將以四階MPWM DAC爲範例，來詳述本發明的實現方 法。 請參照第3圖’其所繪製的是依照本發明之一較佳實 施例的一種MPWM DAC的方塊圖，其中PCM轉換電路28 接收到PCM之信號後’各輸出一個輸入信號MP+ 30、輸入 信號MP- 32、與啓動信號33分別輸出至緩衝裝置38/40與 控制裝置34，而在控制裝置34接收到啓動信號33之時， 則輸出控制信號36到第一輸出緩衝裝置38與第二輸出緩 衝裝置40,而第一輸出緩衝裝置38與第二輸出緩衝裝置40 各接收到輸入信號MP+ 30、輸入信號MP- 32、與控制信號 36’接著各輸出驅動信號到輸出裝置42,用以輸出PWM信 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） '裝- ---„---—訂---------線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 45304 ϋ 6047twf.doc/006 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ί) 號。 請參照第4圖，其繪示的是依照本發明一較佳實施例 的一種MPWM DAC的方塊圖與示意圖。 本發明之MPWM DAC是將第2圖傳統PWM DAC的輸 出緩衝器22與24分別各分成四個小輸出緩衝器52a〜52d與 輸出緩衝器54a〜54d，使每個輸出緩衝器52a〜52d或輸出緩 衝器54a〜54d的輸出電流之總和各爲傳統PWM DAC之輸出 緩衝器12或14之輸出電流値。其中，除52a與54a可以是 一般輸出緩衝器或三態緩衝器(Tri-State Buffer)，而其餘之 輸出緩衝器52b〜52d與54b〜54d是以三態緩衝器來實現之， 而以下所述皆以三態緩衝器爲例來說明。 每個三態緩衝器52a〜52d的輸入端都接收一輸入信號 MP+，且其輸出端E、F、G與Η都連接至揚聲器56之一輸 入端。每個三態緩衝器52a〜52d分別具有一控制端，且這些 控制端分別接收控制信號A、B、C與D，用以控制三態緩 衝器52a〜52d之開關狀態，其中控制信號A、B、C與D係 由第3圖之控制裝置34所產生》同樣地，每個三態緩衝器 54a〜54d的輸入端都接收一輸入信號MP-，且其輸出端I、J、 K與L都連接至揚聲器56之另一輸入端。每個三態緩衝器 54a〜54d分別具有一控制端，且這些控制端分別接收上述控 制信號A、B ' C舆D，用以控制三態緩衝器54a~54d之開 關狀態。上述輸入信號MP+與MP-係來自用以將η位元PCM 數値中的n-m個最大位元數値轉換成PWM波形之m階轉換 電路，其中，η與m爲任意正數，且n>m。 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱) ' - ----------i I I l· I I 訂1!1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 4 53 04 5 6047twf.d〇c/〇〇e 五、發明說明（Ο 雖然MPWM DAC的每個輸出緩衝器52a〜52d或輸出 緩衝器54a〜54d的最大輸出電流之總和才是傳統PWM DAC 的電流値，但由於四個輸出緩衝器52a〜52d或輸出緩衝器 54a〜54d的動作完全相同，所以其結果與傳統pwm DAC等 效。 若要進一步表示X+(Q/P)的PCM値則傳統PWM DAC 無法完成，其中P表示輸出緩衝器52a〜52d或輸出緩衝器 54a〜54d的最大輸出電流之總和，而Q則表示控制裝置所啓 動之三態緩衝器之各個電流總和値，因爲傳統PWM DAC 是數位式輸出，最小單位爲1，故只能表示X與X+1、X+2 等整數値，而由於本發明之四階MPWM DAC每個輸出緩衝 器52a〜52d與輸出緩衝器54a〜54d的均有其最大輸出電流， 藉由這四個輸出緩衝器52a〜52d或輸出緩衝器54a~54d的巧 妙搭配，可以將最小單位縮小爲Q/P，進而表示X+(Q/P)的 PCM 値。 請同時參照第4圖與第7圖。第7圖所示爲本發明 MPWM DAC之輸出波形》 在時間X與X+1之間，每一個保持低電位的輸出緩衝 器代表將輸出値加上其輸出之最大電流，並且在這段期 間，不是低電位的輸出緩衝器必須變成高輸出阻抗狀態。 在時間X+1之後至該取樣週期結束爲止，所有輸出緩衝器 均輸出高電位。 舉例來說，在第一個取樣週期期間，一開始時，輸出 緩衝器52a〜52d與輸出緩衝器54a~54d之輸入信號MP+與 8 1 — — 11!11 — ! --I l· I I I 訂-! tt — — ·· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210* 297公釐） 453 6047twf.doc/006 A7 B7 五、發明說明（7 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) MP-分別爲高準位與低準位，而輸入信號MP-會維持低準位 狀態直到時間X+1後才變爲高準位狀態。此外，控制信號 A、B、C與D都爲高準位，此時輸出緩衝器52a〜52d與輸 出緩衝器54a〜54d之輸出信號E、F、G與Η以及I、〗、K 與L分別處在高準位與低準位。 在時間X之後，控制信號Β、C與D會變爲低準位， 使得輸出信號F、G與Η會從高準位狀態下降一定準位，並 且輸出信號J、Κ與L會從低準位狀態上升一定準位。接 著，在時間Χ+1之後，控制信號Β、C與D會再變爲高準 位，使得輸出信號F、G與Η再變爲高準位狀態，而輸出信 號j、Κ與L會完全上升至高準位狀態，並且輸出信號j、 Κ與L會維持在高準位狀態直到此第一個取樣週期結束後 才變爲低準位狀態。 在第二個取樣週期期間，輸出緩衝器52a〜52d與 54a~54d之輸入信號MP+與MP-的準位狀態變化如先前第一 個取樣週期所述^'而控制信號A、B、C與D都爲高準位， 此時輸出緩衝器52a〜52d與輸出緩衝器54a~54d之輸出信號 E、F、G與Η以及I、〗、K與L分別處在高準位與低準位。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在時間X之後，控制信號C與D會變爲低準位，使得 輸出信號G與Η會從高準位狀態下降-定準位，並且輸出 信號Κ與L會從低準位狀態上升一定準位。接著，在時間 Χ+1之後，控制信號C與D會再變爲高準位，使得輸出信 號G與Η再變爲高準位狀態，而輸出信號κ與L會完全上 升至高準位狀態，且輸出信號I與J會變爲高準位並且輸出 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 〇3〇<. A7 6047twf, doc/006 ______B7____ 五、發明說明（& ) 信號K與L會維持在高準位狀態，直到此第二個取樣週期 結束後輸出信號I、]、K與L才都變爲低準位狀態。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在第三個取樣週期期間，輸出緩衝器52a〜52d與輸出 緩衝器54a〜54d之輸入信號1\^十與]\/^-的準位狀態變化如先 前第一個取樣週期所述。而控制信號A、B、C與D都爲高 準位，此時輸出緩衝器52a〜52d與輸出緩衝器54a〜54d之輸 出信號E、F、G與Η以及I、〗、K與L分別處在高準位與 低準位。 在時間X之後，控制信號D會變爲低準位，使得輸出 信號Η會從高準位狀態下降一定準位，並且輸出信號L會 從低準位狀態上升一定準位。接著，在時間Χ+1之後，控 制信號D會再變爲高準位，使得輸出信號Η再變爲高準位 狀態，而輸出信號L會完全上升至高準位狀態，且輸出信 號I、J與Κ會變爲高準位，直到此第三個取樣週期結束後 輸出信號I、〗、Κ與L才都變爲低準位狀態。 接著，取樣週期之波形再回到如第一個取樣週期所 示，並依序循環操作。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其中，揚聲器56所輸出之MPWM DAC可依輸出緩衝 器52a~52d與輸出緩衝器54a〜54d之輸出電流不同加以變 化，舉例來說，輸出緩衝器52a〜52d與輸出緩衝器54a〜54d 之輸出電流各爲MP+與MP-之1/8、1/8、1/4、1/2，並且經 由上述之運作方法，並由第3圖之34控制裝置選擇輸出緩 衝器52a〜52d與輸出緩衝器54a~54d之輸出狀況，由此，用 以操控揚聲器56之輸出情形。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 4 A7 B7 6047twf.doc/006 五、發明說明（γ) 請參照第5圖，其繪示的是依照本發明一較佳實施例 的一種MPWM DAC控制器裝置之示意圖，其中B1與B0爲 PCM之最低位元，其輸入用以操作控制器58/60/62之啓動 與否，並且，由A、B、C、與D輸出控制信號，用以控制 第4圖之輸出緩衝器52a〜52d與輸出緩衝器54a~54d輸出之 狀態。 此處，本實施例係以四階MPWM DAC爲範例，當然 也可以八階MPWM DAC或更多，例如2n，其中η可以是任 意正數値。舉例來說，若η = 1，則解析度可多出1位元，若 n=2，則解析度可多出2位元，若n=3，則解析度可多出3 位元。 此外，必須注意的是，第一輸出緩衝裝置與第二輸出 緩衝裝置的個數可以不同。也就是，可以有2ml個第一輸出 緩衝裝置與2m2個第二輸出緩衝裝置，而其中ml與m2分別 爲小於η的正數。 綜上所述，依照本發明之MPWM DAC，不僅可提高解 析度，同時也可維持原來的取樣率。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐） 1!!裝 il_l·--—^ — — — — —線 (請先閱續背面之注意事項再填窝本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

Claims (1)

1. 4 A8 53〇4 ：： 6047twf.doc/006 六、申請專利範圍 1. 一種多準位脈衝寬度之調變裝置，用以接收一 PCM 信號，並且輸出一 PWM信號，包括： 一轉換電路，用以接收η位元之該PCM信號，將n-m之 位元數値轉換成PWM波形，其中m係爲該PCM信號中的最低 位元信號之數目，並且n>m，接著，該轉換電路輸出一第一 輸出信號，一第二輸出信號，與一啓動信號； 一控制裝置，用以接收該啓動信號，並且產生一控制 信號： 一第一輸出緩衝裝置，具有2ml個輸出緩衝器（其中， ml<n)，用以接收該第一輸出信號與該控制信號，並且輸出 一第一驅動信號； 一第二輸出緩衝裝置，具有2ra2個輸出緩衝器（其中， m2<n)，用以接收該第二輸出信號與該控制信號，並且輸出 一第二驅動信號；以及 一輸出裝置，接收該第一驅動信號與該第二驅動信 號，並輸出該PWM信號； 其中該控制裝置會依據PCM的最低位元信號，於每個 取樣週期的某一區間內，選擇並關閉使得該第一輸出緩衝 裝置之該些輸出緩衝器與該第二輸出緩衝裝置之該些輸出 緩衝器形成高輸出阻抗狀態，用以控制該第一輸出緩衝裝 置與該第二輸出緩衝裝置之輸出情況。 2. 如申請專利範圍第1項所述之多準位脈衝寬度之調 變裝置，其中該第一輸出緩衝裝置之該些輸出緩衝器，係 指三態緩衝器。 -------II — 晒 · I J i 1 1 1 — Θ — , (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 涇齊SVi曰遙讨i笱員I消費合阼；±1印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 4 53 04 A8 B8 6047twf. doc/ 0 0 6 Uo 六、申請專利範圍 3_如申請專利範圍第1項所述之多準位脈衝寬度之調 變裝置’其中該第二輸出緩衝裝置之該些輸出緩衝器，係 指三態緩衝器。 4. 如申請專利範圍第1項所述之多準位脈衝寬度之調 變裝置，該第一輸出緩衝裝置之該些輸出緩衝器，其中一 輸出緩衝器爲輸出緩衝器。 5. 如申請專利範圍第1項所述之多準位脈衝寬度之調 變裝置，該第二輸出緩衝裝置之該些輸出緩衝器，其中一 輸出緩衝器爲輸出緩衝器。 6. 如申請專利範圍第1項所述之多準位脈衝寬度之調 變裝置，其中該控制裝置具有複數個控制器，該些控制器 用以接收該轉換電路之該啓動信號，該啓動信號係爲該 PCM信號之該些最低位元信號，判別該第一輸出緩衝裝置 之該些輸出緩衝器與該第二輸出緩衝裝置之該些輸出緩衝 器之啓動與否。 7. 如申請專利範圍第1項所述之多準位脈衝寬度之調 變裝置，其中該輸出裝置係爲一揚聲器。 8. —種具有多重位準之數位類比調變裝置，用以接收 一數位信號，該數位信號具有至少一調變位元與至少一位 準位元，並且輸出一類比調變信號，該具有多位準之數位 類比調變裝置包括： --轉換電路，用以接收該數位信號，並且，將該數位 信號之該調變位元轉換成一第一輸出信號與一第二輸出信 號，接著，該轉換電路輸出該第一輸出信號，該第二輸出 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · I -----訂--------. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A8B8C8D8 ^3 0 4 6047twf.doc/006 六、申請專利範圍 信號，以及該數位信號之該位準位元： 一控制裝置，用以接收該數位信號之該位準位元，並 且產生一控制信號； 複數個第一輸出緩衝器，用以接收該第一輸出信號與 該控制信號，並且輸出一第一驅動信號； 複數個第二輸出緩衝器，用以接收該第二輸出信號與 該控制信號，並且輸出一第二驅動信號；以及 一輸出裝置，接收該第一驅動信號與該第二驅動信 號，用以輸出該類比調變信號； 9.如申請專利範圍第8項所述之具有多重位準之數位 類比調變裝置，其中該控制裝置會依據該位準位元，於每 個取樣週期的某一區間內，選擇並關閉使得該些第一輸出 緩衝器與該些第二輸出緩衝器形成高輸出阻抗狀態，用以 控制該些第一輸出緩衝器與該些第二輸出緩衝器之輸出情 況。 10·如申請專利範圍第8項所述之具有多重位準之數位 類比調變裝置，其中該些第一輸出緩衝器係指三態緩衝 器。 11.如申請專利範圍第8項所述之具有多重位準之數位: 類比調變裝置，其中該些第二輸出緩衝器係指三態緩衝 器。 12_如申請專利範圍第8項所述之具有多重位準之數位 類比調變裝置，其中該些第一輸出緩衝器中有一爲輸出緩 衝器。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----!丨—訂 ----I 1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 4 ο 3 5 4 A8B8C8D8 六、申請專利範圍 13. 如申請專利範圍第8項所述之具有多重位準之數位 類比調變裝置，其中該些第二輸出緩衝器中有一爲輸出緩 衝器。 14. 如申請專利範圍第8項所述之具有多重位準之數位 類比調變裝置，其中該控制裝置具有複數個控制器，該些 控制器用以接收該轉換電路之該位準位元，用以判別該些 第一輸出緩衝器與該些第二輸出緩衝器之啓動與否。 15. 如申請專利範圍第8項所述之具有多重位準之數位 類比調變裝置，其中該輸出裝置係爲一揚聲器。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ------I I " I I------"5^