Способ усиления цифровых сигналов и цифровой усилитель (варианты)

Изобретение относится к усилительной технике и главным образом предназначено для использования в цифровых звуковоспроизводящих трактах, функционирующих с цифровыми источниками сигналов, и позволяет усиливать сигналы, полученные непосредственно с цифрового носителя без предварительного их преобразования в аналоговую форму. Технический результат заключается в снижении искажений выходного сигнала за счет сохранения требуемой разрешающей способности, определяемой разрядностью исходного цифрового кода. Способ заключается в том, что многоразрядный цифровой код, соответствующий отсчету аналогового сигнала, делят на несколько частей, формируя таким образом парциальные цифровые сигналы пониженной разрядности, затем усиливают и преобразуют после усиления в аналоговую форму, с последующим объединением. Основу цифрового усилителя составляют преобразователи цифрового кода в импульсную последовательность, усилители импульсов и устройство суммирования аналоговых сигналов. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к усилительной технике и главным образом предназначено для использования в цифровых звуковоспроизводящих трактах, функционирующих с цифровыми источниками сигналов, например с проигрывателями Audio-CD, DVD-Audio и др. Изобретение позволяет усиливать сигналы, полученные непосредственно с цифрового носителя без предварительного их преобразования в аналоговую форму.

Усиление сигналов, представленных в виде модулированной по одному из временных параметров импульсной последовательности, позволяет использовать непосредственно для увеличения амплитуды и мощности сигналов каскады, работающие в режиме класса D, характеризующемся тем, что транзисторы находятся либо в состоянии насыщения, либо отсечки. Указанное обеспечивает достаточно высокий коэффициент полезного действия усилителей, недостижимый для схем класса В. Наиболее распространенным видом модуляции в усилителях класса D является широтно-импульсная модуляция (ШИМ), встречаются также усилители с частотно-импульсной модуляцией, реже с комбинацией нескольких видов модуляции. Демодуляция ШИМ-последовательности осуществляется достаточно просто фильтрами нижних частот (ФНЧ), часто роль которых выполняет частотно-избирательная нагрузка.

Классический способ усиления сигналов посредством их преобразования в импульсную последовательность состоит в том, что усиливаемый аналоговый сигнал преобразуют в ШИМ-последовательность, используя его как модулирующий, далее импульсы ШИМ-последовательности усиливают, после чего ШИМ-последовательность демодулируют, выделяя, таким образом, усиленный аналоговый сигнал [Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. М.: Мир, 1991, стр.226-227; Controller class-D audio amplifier TDA 8929T. Philips Semiconductors, 2001].

Способ используют для усиления сигналов, полученных от аналоговых источников. В то же время значительная часть современных носителей информации содержит информацию, представленную в цифровом виде. В этих случаях на вход усилителя целесообразно подавать цифровой код, как первичный сигнал, без преобразования его в аналоговую форму. Такой способ также известен, мало отличается от первого и состоит в следующем.

Способ (прототип) усиления сигналов, представленных в цифровой форме, состоит в том, что N-разрядный цифровой код преобразуют в последовательность широтно-модулированных импульсов, которые усиливают, а после усиления ШИМ-последовательность демодулируют, преобразуя таким образом исходный цифровой сигнал в аналоговый [TAS 5001 digital audio PWM processor. Texas Instruments, 2001].

Цифровой усилитель, реализующий способ-прототип, содержит преобразователь цифрового кода (сигнала с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ)) в ШИМ-последовательность, усилитель импульсов и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход которого соединен с выходом преобразователя, вход которого служит входом цифрового усилителя, выходом которого является выход фильтра [TAS 5001 digital audio PWM processor. Texas Instruments, 2001; TAS 5100A PWM power output stage. Texas Instruments, 2002].

Недостатком как способа-прототипа, так и устройств, его реализующих, является невысокая точность передачи формы сигнала. Искажения в выходном сигнале возникают по причине сложности преобразования многоразрядного цифрового кода в импульсы соответствующей ширины (длительности), т.е. не удается преобразовать цифровой код в ШИМ-последовательность с требуемым разрешением. Если входной N-разрядный код обеспечивает потенциальное разрешение, равное (2^N-1)^-1, то, по крайней мере, такую же разрешающую способность должен иметь и преобразователь ИКМ-ШИМ. При небольших N (примерно до 10) получить требуемое разрешение преобразователя еще можно, но для больших N сделать это крайне сложно. Широко применяемый в настоящее время стандарт аудиозаписи 16 бит/44,1 кГц (не говоря уже о входящем в права стандарте 24 бит/96 кГц) требует формирования на выходе преобразователя ИКМ-ШИМ импульсов, ширина которых должна принимать одно из 65535 значений при частоте следования 300-500 (кГц). Сведений о такой разрешающей способности в вышеприведенных библиографических источниках не найдено. Несложно подсчитать, что если в классическом случае при отсутствии входного сигнала на выходе преобразователя ИКМ-ШИМ присутствует меандр, то при частоте в 400 кГц ширина импульса максимально может изменяться в пределах от 1,25 мкс до 2,5 мкс. Следовательно, в диапазоне 1,25 мкс необходимо разместить 65535 значений, для чего потребуется формировать импульсы, длительности которых отличаются всего на 19 пс. Создать такой цифровой преобразователь на существующей элементной базе сложно даже для лабораторных исследований.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в снижении искажений выходного сигнала за счет сохранения требуемой разрешающей способности, определяемой разрядностью исходного цифрового кода.

Технический результат достигается тем, что в способе усиления сигналов, представленных в цифровой форме, согласно изобретению N-разрядный цифровой код, соответствующий отсчету аналогового сигнала, делят на К групп разрядов, формируя таким образом К парциальных цифровых сигналов пониженной разрядности, каждый из полученных К цифровых сигналов усиливают и преобразуют после усиления в аналоговую форму, после чего К аналоговых сигналов объединяют в единый выходной сигнал с учетом весов разрядов исходного N-разрядного кода.

Парциальные цифровые сигналы можно усиливать путем преобразования в последовательность широтно-модулированных импульсов и усиления непосредственно полученных импульсов.

Технический результат по первому варианту достигается тем, что в цифровой усилитель, включающий в себя канал, содержащий преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов, модулированных по временному параметру, усилитель импульсов и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход которого соединен с выходом преобразователя, вход которого служит входом канала, согласно изобретению дополнительно введены (К-1) каналов и аналоговый K-входовый сумматор, выход которого является выходом цифрового усилителя, N-разрядным входом цифрового усилителя (N>К) служит совокупность входов всех К каналов, коэффициенты усиления усилителей импульсов в которых выбирают из множества {2⁰, 2¹, 2²,..., 2^N-1}.

Технический результат по второму варианту достигается тем, что в цифровой усилитель, включающий в себя канал, содержащий преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов, модулированных по временному параметру, усилитель импульсов и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход которого соединен с выходом преобразователя, вход которого служит входом канала, согласно изобретению дополнительно введены (К-1) каналов и аналоговый К-входовый взвешивающий сумматор, веса входов которого выбирают из множества {2⁰, 2¹, 2²,..., 2^N-1}, выход сумматора является выходом цифрового усилителя, N-разрядным входом которого (N>К) служит совокупность входов всех К каналов.

Технический результат по третьему варианту достигается тем, что в цифровой усилитель, включающий в себя канал, содержащий преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов, модулированных по временному параметру, усилитель импульсов и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход которого соединен с выходом преобразователя, вход которого служит входом канала, согласно изобретению дополнительно введен второй канал, напряжение на выходе которого имеет полярность, противоположную полярности напряжения на выходе первого канала, выходом цифрового усилителя служат выходы каналов, напряжение между выходам которых служит для подачи на нагрузку цифрового усилителя, входом которого является N-разрядный вход, представляющий собой совокупность -разрядного входа первого канала и -разрядного входа второго канала, отношение коэффициентов усиления усилителей импульсов второго и первого каналов составляет , при этом группа разрядов, относящихся ко входу первого канала, является группой младших разрядов N-разрядного входа цифрового усилителя, а группа разрядов, относящихся ко входу второго канала, является группой старших разрядов входа цифрового усилителя.

При этом, входящий в состав каждого канала преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов может быть выполнен в виде устройства, преобразующего входной цифровой сигнал в последовательность широтно-модулированных импульсов.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг.1 показана временная диаграмма, иллюстрирующая способ усиления цифровых сигналов, на фиг.2 - функциональная схема (пример реализации) цифрового усилителя по п.3 формулы изобретения, на фиг.3 - функциональная схема (пример реализации) цифрового усилителя по п.7 формулы изобретения, на фиг.4 - функциональная схема одного из вариантов построения преобразователя цифрового кода в последовательность импульсов.

Временная диаграмма (фиг.1) содержит:

- сигнал u₁(t), представляющий собой результат демодуляции ШИМ-последовательности (преобразования в аналоговую форму) группы младших разрядов;

- сигнал u₂(t), представляющий собой результат демодуляции ШИМ-последовательности группы старших разрядов;

- результирующий сигнал u_S(t), представляющий собой сумму напряжений u₁(t) и u₂(t).

Функциональная схема цифрового усилителя по фиг.2 содержит два 4-разрядных преобразователя ИКМ-ШИМ 1, 2, два усилителя 3, 4 импульсов, два ФНЧ 5, 6 и сумматор 7. Выход сумматора 7 является выходом цифрового усилителя, 8-разрядным входом которого служат входы преобразователей 1 и 2, выходы которых подключены ко входам усилителей 3 и 4 импульсов соответственно, выходы которых в свою очередь подключены ко входам ФНЧ 5 и 6 соответственно, выходы которых подключены ко входам сумматора 7.

Функциональная схема цифрового усилителя по фиг.3 содержит два 4-разрядных преобразователя ИКМ-ШИМ 8, 9, два усилителя 10, 11 импульсов с разнополярными выходами, два ФНЧ 12, 13 и нагрузку усилителя сопротивлением R_L. Нагрузка цифрового усилителя подключена между входами ФНЧ 12 и 13, 8-разрядным входом цифрового усилителя служат входы преобразователей 8 и 9, выходы которых подключены ко входам усилителей 10 и 11 импульсов соответственно, выходы которых в свою очередь подключены ко входам ФНЧ 12 и 13 соответственно.

Функциональная схема (фиг.4) преобразователя ИКМ-ШИМ содержит элемент И 14, счетчик 15, цифровой компаратор 16, триггер 17, дискриминатор 18 передних фронтов и элемент ИЛИ 19. Информационным входом РСМ преобразователя является первый многоразрядный вход компаратора 16, второй многоразрядный вход которого соединен с выходом счетчика 15, суммирующий вход которого соединен с выходом элемента И 14, первый вход которого служит первым тактовым входом CLK1 преобразователя, вторым тактовым входом CLK2 которого служат объединенные обнуляющий вход счетчика 15 и вход дискриминатора 18, выход которого соединен с установочным входом триггера 17, обнуляющий вход которого соединен с выходом компаратора 16, к выходу триггера 17 подключены второй вход элемента И 14 и первый вход элемента ИЛИ 19, выход которого является выходом PWM преобразователя, второй вход элемента ИЛИ 19 подключен ко входу CLK2 преобразователя.

Идея, лежащая в основе изобретения, заключается в следующем.

Известно, что число U - отсчет аналогового сигнала - в позиционном счислении с основанием 2 выражается в виде ряда

U=a_N-12^N-1+a_N-22^N-2+...+a₂2²+a₁2¹+a₀2⁰,

где N - число разрядов (позиций) выбранной системы счисления, в данном случае равно числу разрядов двоичного кода U(n)=(a_N-1, a_N-2,..., a₁, a₀);

a_n - значение n-го разряда (n=0, 1, 2,... N-1);

2ⁿ - вес n-го разряда.

Представленное выражение любой разрядности (если N - конечное число) можно преобразовать, используя свойство дистрибутивности и получить в результате взвешенную сумму нескольких групп. В качестве иллюстрации приведем отсчет U, описываемый восьмиразрядным двоичным кодом.

U=2⁴(a₇2³+a₆2²+a₅2¹+a₄2⁰)+a₃2³+a₂2²+a₁2¹+a₀2⁰

В данном примере имеем две четырехразрядные группы: первая заключена в скобки и является группой старших разрядов с общим весовым коэффициентом 2⁴, а вторая группа - это группа младших разрядов, представленная четырьмя первыми членами справа. Из приведенной записи видно, что группа разрядов, обозначенная скобками, имеет те же веса разрядов, что и группа младших четырех разрядов. Следовательно, можно считать, что восьмиразрядное двоичное число u_S(n)=(a₇, a₆,..., a₁, a₀) у нас представлено в виде суммы двух четырехразрядных чисел u₁(n)=(a₃, a₂, a₁, a₀) и u₂(n)=(a₇, a₆, a₅, a₄), последнее из которых участвует в сложении с весовым коэффициентом. Для наглядности на фиг.1 показаны два аналоговых сигнала u₁(t) и u₂(t), каждое значение которых было получено путем преобразования из четырехразрядных двоичных кодов u₁(n) и u₂(n) соответственно. Коды пониженной разрядности u₁(n) и u₂(n) были получены вышеуказанным образом из восьмиразрядного кода u_S(n), описывающего синусоидальный сигнал u_S(t). Взвешенная сумма двух аналоговых сигналов u₁(t) и u₂(t) и дает исходный сигнал u_S(t) (разумеется с погрешностями дискретизации и квантования)

u_S(t)=2⁴u₂(t)+u₁(t).

Таким образом, для усиления сигнала, представленного в восьмиразрядном двоичном коде u_S(n), его следует разбить на два сигнала пониженной разрядности и усилить каждый из них. Для цифрового усиления полученных парциальных сигналов можно использовать известных прием: преобразование сигналов с ИКМ в ШИМ-последовательность, усиление непосредственно импульсов ШИМ-последовательности и демодуляция. Полученные после демодуляции аналоговые сигналы u₁(t) и u₂(t) складывают с учетом весовых коэффициентов.

Восьмиразрядный цифровой усилитель с преобразованием в ШИМ-последовательность показан на фиг.2. Усилитель является двухканальным, т.к. исходный восьмиразрядный код разделен на две четырехразрядные группы (К=2). Четырехразрядный вход преобразователя 1 служит для приема кода группы младших разрядов, а аналогичный вход преобразователя 2 служит для приема кода группы старших разрядов. Усиление парциальных ШИМ-последовательностей происходит в усилителях, работающих в режиме класса D. Взвешивающее суммирование осуществляется за счет выбора коэффициентов усиления K_U1 и K_U2 усилителей 3 и 4 соответственно таким образом, чтобы выполнялось условие (K_U2/K_U1)=2⁴.

В схеме двухканального усиления можно обойтись и без сумматора 7 как отдельного функционального узла. Такое решение показано на фиг.3. Отличие от предыдущей схемы состоит главным образом в том, что усилители 10 и 11 выдают разнополярные по отношению друг к другу импульсы. Следовательно, при подключении нагрузки R_L между выходами усилителей (через фильтры 12, 13) к нагрузке будет прикладываться разность потенциалов, определяемая суммой модулей u₁(t) и u₂(t).

В общем случае при делении N-разрядного двоичного кода на две равные группы группе старших разрядов присваивают общий весовой коэффициент, равный , представляя исходный отсчет U в виде:

и формируют для дальнейших преобразований и усиления два -разрядных кода

и

Количество К групп разрядов так же, как и их разрядность, могут быть произвольными. Должно лишь выполняться неравенство К<N и сумма всех разрядов в группах должна быть равна N. При К=N речь можно вести о поразрядной обработке. Что же касается весовых коэффициентов, присваиваемых конкретным группам разрядов, то они во всех случаях входят во множество {2⁰, 2¹, 2²,..., 2^N-1} и выбираются таким образом, чтобы сумма ряда равнялась U.

Одним из вариантов преобразователя ИКМ-ШИМ может быть схема, приведенная на фиг.4. Преобразователь работает в синхронном режиме, характеризующемся тем, что положительные фронты импульсов ШИМ-последовательности появляются в строго фиксированные моменты времени и в отсутствие входного модулирующего сигнала на выходе PWM присутствует немодулированная импульсная последовательность с минимальной длительностью импульсов, задаваемой параметрами синхросигнала на входе CLK2. Период повторения синхроимпульсов CLK2 равен периоду следования широтно-модулированных импульсов на выходе PWM преобразователя. Последовательность импульсов, подаваемая на вход CLK1, является счетной и служит для отсчета интервала времени, определяющего требуемое изменение ширины модулируемых импульсов. Принцип действия преобразователя основан на сравнении входного модулирующего кода РСМ с кодом, формируемым в самом преобразователе, и определении момента их равенства. Время, затрагиваемое счетчиком 15 на достижение их равенства, и равно приращению ширины (длительности) модулируемых импульсов. Процесс преобразования начинается с поступлением синхроимпульсов CLK2. По положительному фронту синхроимпульса CLK2 триггер 17 переходит в состояние высокого логического уровня, разрешая прохождение счетных импульсов CLK1 через элемент И 14 на счетный вход счетчика 15, однако счетчик 15 начинает счет только после окончания действия синхроимпульса CLK2, так как в течение этого времени на обнуляющем входе R счетчика присутствует активный уровень, Таким образом, текущий код, направляемый в компаратор 16 для сравнения с информационным кодом РСМ, начинает формироваться только после того, как на выходе PWM преобразователя уже сформировалась часть информационного импульса, равная его минимальной длительности. В момент равенства сравниваемых кодов логическая "1" с выхода компаратора 16 обнуляет триггер 17, формируется отрицательный фронт выходного импульса PWM и устройство проходит в режим ожидания следующего синхроимпульса. Добавим также, что выходной модулированный сигнал можно снимать и непосредственно с выхода триггера 17, при этом в отсутствие входного сигнала на выходе преобразователя исходной импульсной последовательности не будет, что свойственно асинхронным преобразователям.

При инженерной реализации предложенных технических решений основное их достоинство будет выражено в сокращении требуемого диапазона изменения длительностей импульсов ШИМ-последовательности при сохранении прежним динамического диапазона выходных (входных) сигналов. Это позволит усиливать многоразрядные цифровые сигналы с разрешением, превосходящим разрешение используемых преобразователей ИКМ-ШИМ. (Под разрешающей способностью преобразователей ИКМ-ШИМ подразумевается наименьшее значение ступени квантования или наименьшее значение приращения выходной аналоговой величины после демодуляции, но без усиления. Разрешением цифрового усилителя следует считать минимально возможное приращение выходного аналогового сигнала.) В том, что разрешение цифрового усилителя, описанного в настоящей работе, окажется лучше, чем разрешение преобразователей ИКМ-ШИМ, легко убедиться, если взять для примера простейший случай двухканального усиления N-разрядного кода, разделенного на две -разрядные группы. Каждый из преобразователей в этом случае имеет разрешение , в то время как выходной аналоговый сигнал усилителя строится из 2^N-1 значений. Следовательно, усилитель в целом имеет разрешение (2^N-1)^-1. Из чего видно, что усилитель обладает разрешающей способностью, лучшей каждого из преобразователя ИКМ-ШИМ примерно в раз.

Снижение требований к разрешающей способности преобразователей ИКМ-ШИМ упрощает их конструкцию, приводит к снижению тактовых частот, на которых работает последовательная логика преобразователей, в ряде случаев позволяет отказаться от сверхбыстродействующей элементной базы и повысить надежность преобразователей. Кроме того, сокращение динамического диапазона длительностей (ширины) импульсов ШИМ-последовательностей позволяет увеличить минимальную длительность импульсов, сократить эффективную ширину спектра ШИМ-последовательности и тем самым понизить требуемую верхнюю граничную частоту усилительных трактов.

1. Способ усиления сигналов, представленных в цифровой форме, отличающийся тем, что N-разрядный цифровой код, соответствующий отсчету аналогового сигнала, делят на К групп разрядов, формируя таким образом К парциальных цифровых сигналов пониженной разрядности, каждый из полученных К цифровых сигналов усиливают и преобразуют после усиления в аналоговую форму, после чего К аналоговых сигналов объединяют в единый выходной сигнал с учетом весов разрядов исходного N-разрядного кода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что парциальные цифровые сигналы усиливают путем преобразования в последовательность широтно-модулированных импульсов и усиления непосредственно полученных импульсов.

3. Цифровой усилитель, включающий в себя канал, содержащий преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов, модулированных по временному параметру, усилитель импульсов и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход которого соединен с выходом преобразователя, вход которого служит входом канала, выходом которого является выход фильтра нижних частот, отличающийся тем, что в него дополнительно введены (К-1) каналов и аналоговый К-входовый сумматор, выход которого является выходом цифрового усилителя, N-разрядным входом цифрового усилителя (N>K) служит совокупность входов всех К каналов, коэффициенты усиления усилителей импульсов в которых выбирают из множества {2⁰, 2¹, 2²,..., 2^N-1}, сумматор служит для сложения выходных сигналов К каналов.

4. Цифровой усилитель по п.3, отличающийся тем, что входящий в состав каждого канала преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов выполнен в виде устройства, преобразующего входной цифровой сигнал в последовательность широтно-модулированных импульсов.

5. Цифровой усилитель, включающий в себя канал, содержащий преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов, модулированных по временному параметру, усилитель импульсов и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход которого соединен с выходом преобразователя, вход которого служит входом канала, выходом которого является выход фильтра нижних частот, отличающийся тем, что в него дополнительно введены (К-1) каналов и аналоговый К-входовый взвешивающий сумматор, веса входов которого выбирают из множества {2⁰, 2¹, 2²,... 2^N-1}, выход сумматора является выходом цифрового усилителя, N-разрядным входом которого (N>K) служит совокупность входов всех К каналов, сумматор служит для сложения выходных сигналов К каналов.

6. Цифровой усилитель по п.5, отличающийся тем, что входящий в состав каждого канала преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов выполнен в виде устройства, преобразующего входной цифровой сигнал в последовательность широтно-модулированных импульсов.

7. Цифровой усилитель, включающий в себя канал, содержащий преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов, модулированных по временному параметру, усилитель импульсов и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход которого соединен с выходом преобразователя, вход которого служит входом канала, выходом которого является выход фильтра нижних частот, отличающийся тем, что в него дополнительно введен второй канал, напряжение на выходе которого имеет полярность, противоположную полярности напряжения на выходе первого канала, выходом цифрового усилителя служат выходы каналов, напряжение между выходам которых служит для подачи на нагрузку цифрового усилителя, входом которого является N-разрядный вход, представляющий собой совокупность -разрядного входа первого канала и -разрядного входа второго канала, отношение коэффициентов усиления усилителей импульсов второго и первого каналов составляет , при этом группа -разрядов, относящихся ко входу первого канала, является группой младших разрядов N-разрядного входа цифрового усилителя, а группа -разрядов, относящихся ко входу второго канала, является группой старших разрядов входа цифрового усилителя.

8. Цифровой усилитель по п.7, отличающийся тем, что входящий в состав каждого канала преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов выполнен в виде устройства, преобразующего входной цифровой сигнал в последовательность широтно-модулированных импульсов.