(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変換すべき入力信号と従前の比較結果に応じて設定された基準電圧とを比較器で周期的に比較した比較結果を連続するデジタル信号とするデルタ変調方式のデータ変換装置において、前記基準電圧を発生させるために設けられた複数の電流源と、前記電流源を任意に選択して電流値を段階的に設定するためのスイッチ回路と、設定された電流値に応じた速さで前記基準電圧を発生及び変化させるための積分回路と、前記入力信号と前記基準電圧との比較結果に応じて前記スイッチ回路の次回の接続を制御するための制御回路と、からなるＤ／Ａ変換回路を有し、前記制御回路は、今回の比較結果が前回の比較結果と同じで更に大電流の前記電流源がある場合には１段階電流値の大きい前記電流源を選択し、比較結果が前回の比較結果と異なる場合には前記積分回路に対する電流の向きが逆方向で同じ電流値の前記電流源を選択し、比較結果が前回の比較結果と連続して異なるとともに更に小電流の前記電流源がある場合には前記積分回路に対する電流の向きが逆方向で１段階電流値の少ない前記電流源を選択するようにスイッチ回路を制御することを特徴とするデルタ変調方式のデータ変換装置。
【請求項２】
前記複数の電流源は、基準となる電流値の２のｎ乗（ｎは正の整数）倍の大きさの電流値のものが電源側および基準電位側に各々接続されていることを特徴とする請求項１記載のデータ変換装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２のいずれかに記載のデータ変換装置を使用したことを特徴とする音響装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はデータ変換装置に関し、詳しくはデルタ変調方式のデータ変換を行うデータ変換装置の回路構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カラオケ装置のエコー処理やキーコントロール処理、更にはオーディオ装置のサラウンド処理等のように、音声信号等の信号入力を信号処理して音に余韻を持たせたり入力信号を記憶したりする場合、アナログ値のままでは概ね実時間での信号処理しかできないので、入力信号を一旦デジタル値に変換し、デジタル信号として前述の信号処理や記憶処理を行った後、アナログ信号に再度変換して音声出力を行うことも多い。
【０００３】
従来、音声信号等のアナログ値をデジタル値に変換する一般的な方法として、信号入力を所定タイミングでサンプリングした時の電圧を複数ビットのデジタル値で表すことにより、信号入力の電圧値と複数ビットのデジタル値で表される電圧値とが一対一に対応するアナログ−デジタル変換器（以下「Ａ／Ｄ変換器」と称す）を用いるものがある。また、変換すべき入力信号と従前の比較結果に応じて変動する基準電圧とを比較して連続する大小関係を得ることにより、信号入力を連続するデジタル信号として表すデルタ変調（デルタモジュレーション）といわれる信号変換器（以下「ＤＭ型信号変換器」と称す）や、ＤＭ型信号変換器の追従性を改良した適応型デルタ変調方式といわれる信号変換器（以下「ＡＤＭ型信号変換器」と称す）等の信号変換器を用いるものもある。
【０００４】
Ａ／Ｄ変換器は、複数ビットのデジタル値によりサンプリング時の電圧値を直接的に知ることができるのでデジタル信号処理が容易であるが、ラダー抵抗や複数の比較器等が必要なので、半導体装置のチップサイズが大きくなり単価が高くなる。一方、ＤＭ型信号変換器やＡＤＭ型信号変換器は、連続するデジタル値により電圧値が決定されるため、任意時間のデジタル信号から出力電圧を出力するようなデータ変換処理は難しいが、チップサイズをＡ／Ｄ変換器よりも大幅に小さくすることができるので単価を安くすることができる。このような特徴から、安価な音響装置のデジタル信号処理にはＤＭ型やＡＤＭ型の信号変換器を用いることが多い。
【０００５】
図３はＤＭ型信号変換器の基本動作を示すためのタイミング図、図４はＡＤＭ型信号変換器の基本動作を示すためのタイミング図である。各信号変換器は、各図に示すように、実線で示す信号入力（ＶＩ＋）と点線で示す基準電圧（ＶＩ−）との大小関係を比較し、比較結果が２回以上同一の場合に定電流の向きまたは充放電動作を切り換えることにより基準電圧（ＶＩ−）を信号入力（ＶＩ＋）に近づけるように動作しながら、連続するデジタル値をデジタル信号として得るようになっている。尚、各図において、横軸は時間の経過を示し、縦軸は電圧レベルを示し、比較結果の”１”は信号入力（ＶＩ＋）の電圧よりも基準電圧（ＶＩ−）の方が低いことを表し、比較結果の”０”は信号入力（ＶＩ−）の電圧の方が基準電圧（ＶＩ−）よりも高いことを表している。
【０００６】
図３および図４からも判るように、ＤＭ型信号変換器に比べればＡＤＭ型信号変換器の方が信号入力（ＶＩ−）に対する追従性を良くしやすいので、音響装置のデジタル信号処理にはＡＤＭ型信号変換器を用いることが多い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＡＤＭ型信号変換器は、ＣＲ積分回路により充電及び放電の時定数を設定しているので、充放電開始直後は時定数が短いが、時間が経過するにつれて時定数が伸びてしまうという問題があるとともに、任意の信号入力（ＶＩ−）の波形に合わせて時定数を設定する事が難しい。ＣＲ積分回路を複数設けて時定数を変更できるようにする場合には、積分回路に使用する容量のレイアウト面積が大きくなって半導体装置に内蔵することが難しくなるという問題がある。また、信号入力（ＶＩ−）に対する追従性を更に良くする必要がある。
【０００８】
そこで本発明はこれらの問題を解決し、簡単な構成の適応型デルタ変調方式によるデータ変換装置（ＡＤＭ型信号変換器）でありながら、特性が良く安価なデータ変換装置およびこれを用いた音響装置を提供できるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、請求項１の記載に係わるデータ変換装置は、変換すべき入力信号（ＶＩ＋）と従前の比較結果に応じて設定された基準電圧（ＶＩ−）とを比較器２で周期的に比較した比較結果を連続するデジタル信号とするデルタ変調方式のデータ変換装置において、基準電圧を発生させるために設けられた複数の電流源（Ａ１〜Ａ８）と、電流源を任意に選択して電流値を段階的に設定するためのスイッチ回路（Ｓ１〜Ｓ８）と、設定された電流値に応じた速さで基準電圧を発生及び変化させるための積分回路３２と、入力信号と基準電圧との比較結果に応じてスイッチ回路の次回の接続を制御するための制御回路３１と、からなるＤ／Ａ変換回路を有することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２の記載に係わるデータ変換装置は、請求項１の記載に係わるデータ変換装置において、制御回路３１は、今回の比較結果が前回の比較結果と同じで更に大電流の電流源がある場合には１段階電流値の大きい電流源を選択し、比較結果が前回の比較結果と異なる場合には積分回路３２に対する電流の向きが逆方向で同じ電流値の電流源を選択し、比較結果が前回の比較結果と連続して異なるとともに更に小電流の電流源がある場合には積分回路３２に対する電流の向きが逆方向で１段階電流値の少ない電流源を選択するようにスイッチ回路を制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項３の記載に係わるデータ変換装置は、請求項１または請求項２の記載に係わるデータ変換装置において、複数の電流源は、基準となる電流値の２のｎ乗（ｎは正の整数）倍の大きさの電流値のものが電源側および基準電位側に各々接続されていることを特徴とする。
請求項４の記載に係わる音響装置は、請求項１乃至請求項３に記載のデータ変換装置を使用したことを特徴とする。
【００１２】
上述のような解決手段をとることにより、請求項１の記載に係わるデータ変換装置は、Ｄ／Ａ変換回路部の回路構成が単純になるので、簡単な回路構成でありながら基準電圧の電圧値を信号入力の電圧値に効率良く近似させることができるようになる。また、請求項２および請求項３の記載に係わるデータ変換装置は、入力信号に応じて基準電圧の変化の速さが変化しながら動作するので、より短時間で効率良く基準電圧の電圧値を信号入力の電圧値に近似させることができるようになる。請求項４の記載に係わる音響装置は、請求項１乃至請求項３に記載の構成及び動作を行うデータ変換装置を容易に使用することができるようになるので、追従特性の良いデータ変換装置を容易に使用することができるようになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図１及び図２を参照しながら詳細に説明する。尚、本明細書では全図面を通して同一または同様の構成要素には同一の符号を付して説明を簡略化している。また、以下の説明では適応型デルタ変調（適応型デルタモジュレーション）方式のデータ変換装置を単に「データ変換装置」と略して説明する。
【００１４】
図１は本発明のデータ変換装置の構成例を示す構成図で、変換すべき音声等の信号をマイクや磁気読み取り装置等の入力装置から入力するための入力端子ＶＩと、サンプリング時の折り返し歪を除去するためのフィルタ回路１と、信号入力（ＶＩ＋）と従前の比較結果に応じた速さで電圧値が変化する基準電圧（ＶＩ−）とを周期的に比較して連続するデジタル値を出力する比較器２と、比較結果に応じて所定の基準電圧を発生するＤ／Ａ変換回路３と、比較器２の出力として得られたデジタル信号を使用してエコー処理等の信号処理を行う１チップマイクロコンピュータ等の信号処理回路４と、信号処理後のデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換回路３ａと、Ｄ／Ａ変換回路３ａからの出力電圧を滑らかなアナログ電圧波形にするためのフィルタ回路５と、再生されたアナログ電圧をスピーカ等の出力装置に接続して出力するための出力端子ＶＯとから構成されている。尚、フィルタ回路１及び５はローパスフィルタ（図１中では「ＬＰＦ」と略す）構成で、サンプリング周波数の半分以下の周波数のみを通すように設定されている。
【００１５】
また、同様な構成に形成されたＤ／Ａ変換回路３及び３ａは、基準電圧を発生させるために設けられた複数の電流源（Ａ１〜Ａ８）と、電流源を任意に選択して電流値を段階的に設定するためのスイッチ回路（Ｓ１〜Ｓ８）と、設定された電流値に応じた速さで基準電圧を発生及び変化させるための積分回路３２と、入力信号と基準電圧との比較結果に応じてスイッチ回路の次回の接続を制御するための制御回路３１と、を有し、積分回路３２は比較器３３、容量３４及び抵抗３５から構成されている。
【００１６】
尚、定電流源Ａ１乃至Ａ４及びＡ５乃至Ａ８の各電流値は、入力される信号入力の振幅に応じて基準電圧の変化するように設定すれば良く、図１の場合は、積分回路３２の出力電圧（基準電圧）を徐々に上昇させるように電流が流れる定電流源Ａ１の電流値（Ｉ）を基準の値として、２Ｉ，４Ｉ，８Ｉの電流がそれぞれ流れる定電流源と、積分回路３２の出力電圧を徐々に低下させるように−Ｉ，−２Ｉ，−４Ｉ，−８Ｉの電流がそれぞれ流れる定電流源とを用いる場合を示している。即ち、本実施例では各電流値が２のｎ乗（ｎは整数）倍毎の電流値を有する複数の定電流源を、カレントミラー構成されたトランジスタの面積比を変えることにより形成している。
【００１７】
接続関係について更に説明する。入力端子ＶＩはフィルタ回路１を介して比較器２の非反転入力（＋）に接続され、比較器２の出力はＤ／Ａ変換回路３及び信号処理回路４に接続され、Ｄ／Ａ変換回路３の出力は比較器２の反転入力（−）に接続され、信号処理回路４の出力はＤ／Ａ変換回路３ａ及びフィルタ回路５を介して出力端子ＶＯに接続されている。
【００１８】
Ｄ／Ａ変換回路３及び３ａは、直列接続された定電流源とスイッチ回路とからなる電流回路が複数個並列に接続されたものが電源（＝Ｖｃｃ）側及び基準電位（＝ＧＮＤ）側に各々設けられ、選択された電流回路は比較器３３の反転入力に接続されている。比較器３３の非反転入力は基準電位に接続され、反転入力と出力との間には容量３４及び抵抗３５が並列して接続されて積分回路が構成されているともに、その出力は比較器２の非反転入力に接続されている。
【００１９】
図２は図１のデータ変換装置の動作を示すための説明図で、横軸は時間の経過を示し縦軸は電圧レベルを示しているとともに、図２（ａ）は実線で示す変換すべき信号入力（ＶＩ＋）と点線の折れ線で示す基準電圧（ＶＩ−）の入力状態を表し、図２（ｂ）はスイッチ回路９の選択状態を表し、図２（ｃ）は比較器２の出力状態を表している。尚、図２（ａ）中の棒グラフは選択スイッチにより選択された電流源の電流値を模式的に表しており、Δ１〜Δ４は選択された電流値による電圧の変化幅を表しているとともに、同図下欄には選択されているスイッチ回路の番号を示している。また、図２（ｂ）は定電流源Ａ１乃至Ａ４が選択されて基準電圧が上昇する側を正側とし、図２（ｃ）は信号入力（ＶＩ＋）よりも基準電圧（ＶＩ−）の方が電圧レベルが低いときを”１”、信号入力（ＶＩ＋）の方が基準電圧（ＶＩ−）よりも電圧レベルが高いときを”０”と表している。
【００２０】
図１及び図２に基づいて、例えば図２（ａ）に示すような、カラオケ装置等の操作により制御回路３１等が動作を開始した時間ｔ０の時点で任意の信号レベルの信号入力（ＶＩ＋）があるとともに、その後信号入力（ＶＩ＋）が急に増大してから緩やかに低下するような信号の場合について、本発明のデータ変換回路の動作について説明する。尚、時間ｔ０では比較器２の比較出力がないので、制御回路３１の各スイッチ回路の制御により入力信号（ＶＩ＋）の信号レベルに係わらず定電流源Ａ１が予め選択（予備選択）されるようになっている。
【００２１】
まづ、信号入力（ＶＩ＋）が急激に立ち上がっている時間ｔ１からｔ４では、基準電圧（ＶＩ−）よりも信号入力（ＶＩ＋）の電圧の方が高いので、基準電圧（ＶＩ−）をできるだけ速く高めて信号入力（ＶＩ＋）に近づけて、入力信号（ＶＩ＋）とデジタル信号の誤差（「量子化誤差」ともいう）を最小にする必要がある。そのため、制御回路３１は、スイッチ回路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４を順次電流値を増大するように比較毎に切り換える制御信号を出力することにより、基準電圧（ＶＩ−）の電圧増加幅を徐々に大きくして、より速く基準電圧（ＶＩ−）が高くなるようにする。
【００２２】
次に、時間ｔ４では、比較器２の各入力の大小関係が反転し、比較器２の出力電圧が反転して比較結果が”０”になっているので、これを受けた制御回路３１では、前回選択の定電流源Ａ４による電流値と同じ大きさで、積分回路３２に対して逆方向に電流が流れる定電流源Ａ８をスイッチ回路Ｓ８により選択する制御出力を行い、基準電圧（ＶＩ−）を低下させている。同様に、時間ｔ５では、再度比較器２の各入力の大小関係が反転しているので、スイッチ回路Ｓ４により定電流源Ａ４が再び選択される。
【００２３】
以上の動作を繰り返すだけでも信号入力（ＶＩ＋）に対応した連続するデジタル信号を得ることはできるが、信号入力（ＶＩ＋）の変化が緩やかな場合や途中から一定になったような場合には、基準電圧（ＶＩ−）が時間ｔ４乃至ｔ６のように振動状態になってしまうことがある。これを防ぐために、時間ｔ７、ｔ１１及びｔ１４に示すように従前の比較結果の大小関係が２回続けて同じ定電流源で反転するような場合、制御回路３１で信号入力（ＶＩ＋）の大きさがその中間の電圧と判断し、前回選択の電流値の半分の電流値で積分回路３２に対して逆方向に電流が流れる定電流源がある場合には、その定電流源を選択するようにスイッチ回路を制御するように動作する。
【００２４】
以上のようなデータ変換動作を繰り返すことにより、信号入力（ＶＩ＋）のアナログ電圧波形と同等なデジタル信号を得ることができる。
一方、このようにして得られた比較器２の出力（デジタル信号）を、１チップマイクロコンピュータやＤＳＰ等の信号処理回路４で演算やサンプリング等の波形処理を行った後、Ｄ／Ａ変換回路３ａでＤ／Ａ変換回路３と同様な動作によりアナログ信号を発生し、ローパスフィルタ回路５を介して滑らかなアナログ信号として端子ＶＯからスピーカ等へ出力する。
【００２５】
尚、上述の実施形態例では、定電流源の電流値が４段階の場合を示したが、電流値の段階は４段階に限定されるものではなく、必要に応じて任意の段階数に設定すれば良い。同様に、従前の比較結果の大小関係が２回続けて反転する場合に変化の速さを小さくする制御動作を示したが、反転動作が継続する回数は信号入力の波形に合わせて任意に設定すれば良い。また、比較結果が反転したときに従前の電流値と反対方向で同じ電流値の電流源を選択する動作の場合を示したが、従前の電流値よりも少ない電流値の電流源を選択するようにしても良い。更に、定電流源の電流値を基準電流値の２のｎ乗（ｎは整数）倍になるように設定した場合を示したが、カレントミラー構成された定電流源のトランジスタの面積比を変更すれば、容易に基準値の等倍や等比倍の電流値を設定することができる。また、同一電流値の定電流源を複数個設けておいて任意の個数のスイッチ回路を接続して、定電流源の電流値を加算するようにしても良い。
【００２６】
本発明のデータ変換装置はバイポーラ素子による回路でも、ＭＯＳ素子による回路でも同様な構成で実施することができる。また、スイッチ回路Ｓ９は省略しても構わない。更に、積分回路３２は図１の回路に限定されるものではなく、電流を電圧に変換できる回路方式ならば何でも良い。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、請求項１の記載に係わるデータ変換装置は、簡単な回路構成でありながら基準電圧の電圧値を信号入力の電圧値に効率良く近似させることができるようになるので、回路規模を縮小して半導体チップの面積を容易に縮小できるようになり半導体装置を安価に製造できるという効果がある。また、請求項２および請求項３の記載に係わるデータ変換装置は、より短時間で効率良く基準電圧の電圧値を信号入力の電圧値に近似させることができるようになるので、より源音に忠実な音声等を出力することができるという効果がある。請求項４の記載に係わる音響装置は、追従特性の良いデータ変換装置を容易に使用することができるようになるので、より安価且つ容易に音響機器を提供できるようになるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のデータ変換装置（適応型デルタ変調方式）の実施の形態例を示す構成図、
【図２】本発明のデータ変換装置の動作例を示すタイミング図、
【図３】従来のデルタ変調方式のデータ変換装置の動作を示すためのタイミング図、
【図４】従来の適応型デルタ変調方式のデータ変換装置の動作を示すためのタイミング図である。
【符号の説明】
１、５  ：フィルタ回路（ＬＰＦ：ローパスフィルタ）
２、３２：比較器（コンパレータ回路）
３、３ａ：Ｄ／Ａ変換回路
４      ：信号処理回路
Ｓ１〜Ｓ９：スイッチ回路
Ａ１〜Ａ８：定電流源
ＶＩ    ：入力端子
ＶＯ    ：出力端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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