专利名称：声音产生器的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种声音产生器，且特别是有关于一种结合传统数字模拟转换器(DAC)及传统脉宽调制器(PWM)，无须使用传统价格昂贵的乘法器，并利用分时方法及调制原理，来达到具有模拟乘法器之功能及拥有数字电路的稳定性的声音产生器。
在传统的可编程序声音产生器(Programable Sound Generator)中，至少需要一个乘法器将其基本波形乘上包络波(envelope)来模拟乐器或制造特殊音效、控制音量大小。但是在消费性产品或集成电路(IC)上，数字乘法器电路计算非常庞大、复杂且价格昂贵，而模拟乘法器需经特殊制程(模拟制程比纯数字制程复杂很多，又贵、交期又慢)，且易受偏压、温度及制程的变化影响很大，故不适合量产。然而以上的应用皆属于音域范围(20Hz～20KHz)，亦即人耳所能听到的声音频率范围内，例如31.25KHz是人类所无法听到的频率。
请参照
图1，其绘示的是习知一种声音产生器的方框图。声音产生器10包括一乘法器12及一数字模拟转换器(DAC)14。乘法器12用以直接接收第一运算元数字讯号SGN1及第二运算元数字讯号SGN2并进行乘法运算，藉以得到并输出一数字合成声音讯号MDIN。数字模拟转换器14接收此数字合成声音讯号MDIN，用以将此数字合成声音讯号MDIN转换成一模拟合成声音输出讯号Aout。
请参照图2，其绘示的是习知另一种声音产生器的方框图。声音产生器20包括一乘法器22及一脉宽调制器(Pulse Width Modulator)24。乘法器22用以直接接收第一运算元数字讯号SGN1及第二运算元数字讯号SGN2并进行乘法运算，藉以得到并输出一数字合成声音讯号MDIN。脉宽调制器24接收此数字合成声音讯号MDIN，用以将此数字合成声音讯号MDIN转换成一模拟合成声音输出讯号Aout。
由上述习知图1与图2的结构可看出，其差别在于图1的数字模拟转换器14与图2的脉宽调制器24。换言之，图1与图2只是讯号转换方法有所不同，亦即图1系将输出讯号以高度来表示，而图2系将输出讯号以宽度来表示，实际上，所得到的输出结果在音域范围(20Hz～20KHz)人类的感觉是一样的。
由于习知声音产生器10与20都必须使用乘法器12与22来模拟乐器或制造特殊音效、控制音量大小等，然而若是使用数字乘法器，其电路非常庞大、复杂且价格昂贵，若是使用模拟乘法器，则因其需经特殊制程，且易受偏压、温度及制程的变化影响很大，故不适合量产。因此，不论是使用数字乘法器或模拟乘法器来达到合成声音的效果，都有其缺点存在。
有鉴于此，本发明提出一种声音产生器，包括第一运算元同步暂存器、第二运算元同步暂存器、分时乘法器及数字模拟转换器。上述第一运算元同步暂存器接收第一运算元数字讯号，以输出第一运算元同步数字讯号数值。第二运算元同步暂存器接收第二运算元数字讯号，以输出第二运算元同步数字讯号数值。分时乘法器接收第一运算元同步数字讯号数值及第二运算元同步数字讯号数值，利用脉宽调制法，以第二运算元同步数字讯号的数值来决定第一运算元同步数字讯号之讯号宽度，以输出数字合成声音讯号。数字模拟转换器用以接收分时乘法器输出之数字合成声音讯号，并将此数字合成声音讯号转换成模拟合成声音输出讯号。
本发明的分时乘法器不同于一般乘法器，其系由同步计数器、比较器及混合器所组成。上述同步计数器用以输出同步讯号至第一运算元同步暂存器及第二运算元同步暂存器中，藉以使第一运算元同步暂存器及第二运算元同步暂存器同步产生第一运算元同步数字讯号与第二运算元同步数字讯号。比较器用以比较第二运算元同步暂存器的值与同步计数器的值，以输出一脉冲讯号。混合器接收此脉冲讯号与第一运算元同步数字讯号，并以此脉冲讯号来改变送至数字模拟转换器之第一运算元同步数字讯号的讯号宽度。其中，结合上述比较器、同步计数器及第二运算元同步暂存器相当于一脉宽调制器。
因此，本发明所提出的声音产生器，系利用分时方法及调制原理，使数字模拟转换器具有模拟乘法器的功能，电路非常小、简单且便宜，同时拥有数字电路的稳定性，不像传统的模拟乘法器会受偏压、温度及制程的变化影响很大。
为使本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下
附图简要说明图1绘示的是习知一种声音产生器的方框图；图2绘示的是习知另一种声音产生器的方框图；图3绘示的是依照本发明一较佳实施例的一种声音产生器的方框图；以及图4绘示的是本发明之声音讯号的个别波形及其合成示意图。
实施例请参照图3与图4，图3绘示的是依照本发明一较佳实施例的一种声音产生器的方框图；以及图4绘示的是本发明的声音讯号的个别波形及其合成示意图。
本发明的声音产生器30包括第一运算元(operand)同步暂存器32、第二运算元同步暂存器34、分时乘法器36及传统的数字模拟转换器38。第一运算元同步暂存器32接收一第一运算元数字讯号SGN1，用以将要作乘法的二进位数值(第一运算元)经同步后，送出一第一运算元同步数字讯号OP1至分时乘法器36中。第二运算元同步暂存器接收一第二运算元数字讯号SGN2，用以将要作乘法的另一个二进位数值(第二运算元)经同步后，送出一第二运算元同步数字讯号OP2至分时乘法器36中。分时乘法器36用以接收第一运算元同步数字讯号OP1及第二运算元同步数字讯号OP2，并利用脉宽调制法(Pulse Width Modulation)，以第二运算元同步数字讯号OP2的值来决定第一运算元同步数字讯号OP1送至数字模拟转换器38的时间(讯号宽度)，来达成乘法的效果。数字模拟转换器38用以直接接收分时乘法器36的输出结果例如数字合成声音讯号MDIN，并将此数字合成声音讯号MDIN转换成电流或电压形式的模拟合成声音输出讯号Aout。
上述中所提及的分时乘法器36，系由同步计数器40、比较器42及混合器44所组成。同步计数器40用以输出其本身的计数值给比较器42，并产生同步讯号SYNC给第一运算元同步暂存器32与第二运算元同步暂存器34，藉以使第一运算元同步暂存器32及第二运算元同步暂存器34同步产生第一运算元同步数字讯号OP1与第二运算元同步数字讯号OP2。比较器42用以将第二运算元同步暂存器34的值与同步计数器40的值作比较，若第二运算元同步暂存器34的值大于同步计数器40的值，则比较器42会输出一高电位的脉冲讯号LG，反之若第二运算元同步暂存器34的值等于或小于同步计数器40的值，则比较器42会输出一低电位的脉冲讯号LG。其中，结合上述比较器42、同步计数器40及第二运算元同步暂存器34，就是一个完整的脉宽调制器(PWM)。混合器44可包括一组“与”门(ANDgate)，用以接收比较器42输出的脉冲讯号LG与第一运算元同步数字讯号OP1，并且依据脉冲讯号LG(亦即PWM的输出值)，改变送至数字模拟转换器38中的第一运算元同步数字讯号OP1的时间(讯号宽度)。
本发明的工作原理如下所述。数字模拟转换器38的输出为模拟合成声音输出讯号Aout，其系根据数字合成声音讯号MDIN的数字数值变成电压或电流，每当数字合成声音讯号MDIN变化一次，模拟合成声音输出讯号Aout就会变化一次。若数字合成声音讯号MDIN与同步讯号SYNC或取样讯号同步(例如31.25KHz)，则数字合成声音讯号MDIN及模拟合成声音输出讯号Aout最快也只是在32us(1/31.25KHz)变化一次。当数字合成声音讯号MDIN一直为固定值时(例如系为最大值FF)，则模拟合成声音输出讯号Aout也会一直为固定值(输出电压或电流最大值Vomax或Iomax)。若我们在32us之内分256阶也就是每一阶占125ns(32us/256＝125ns)，用一个八位数值的第二运算元同步数字讯号OP2来控制数字合成声音讯号MDIN固定值的有效时间(duty，也就是在32us之内有输出值是占多少时间，非有效时间输出为零，MDIN＝OP1乘以LG)，也就控制模拟合成声音输出讯号Aout固定值有效时间。例如当OP1一直为固定值，例如最大值255，OP2＝10，则Aout就会输出固定值(电压或电流最大值Vomax或Iomax)1250ns(10*125ns)，其余30750ns(32us-1250ns)输出为零。或，例如OP2＝60，则Aout就会输出固定值(电压或电流最大值Vomax或Iomax)7500ns(60*125ns)，其余24.5us(32us-7.5us)输出为零。上述乃一般传统的PWM输出。
举例来说，当OP1一直为另一固定值时(例如为中间值128)，则Aout也会在有效时间内一直为固定值(输出电压或电流中间值128/256Vomax或128/256Iomax)。例如OP2＝10，则Aout就会输出固定值(电压或电流中间值128/256Vomax或128/256Iomax)1250ns(10*125ns)，其余30750ns(32us-1250ns)输出为零。或，例如OP2＝60，则Aout就会输出固定值(电压或电流中间值128/256Vomax或128/256Iomax)7500ns(60*125ns)，其余24.5us(32us-7.5us)输出为零，这也是PWM输出只是它的输出电压或电流被箝制在电压或电流中间值128/256Vomax或128/256Iomax。
又，当OP1一直为另一固定值时(例如为5)，则Aout也会在有效时间内一直为固定值(5/256Vomax或5/256Iomax)。例如OP2＝10，则Aout就会输出固定值(5/256Vomax或5/256Iomax)1250ns(10*125ns)，其余30750ns(32us-1250ns)输出为零。或，例如OP2＝60，则Aout就会输出固定值(5/256Vomax或5/256Iomax)7500ns(60*125ns)，其余24.5us(32us-7.5us)输出为零，这也是PWM输出只是它的输出电压或电流被箝制在5/256Vomax或5/256Iomax。
本发明就是传统数字模拟转换器(DAC)及传统脉宽调制器(PWM)的结合体，以PWM的观点来看它的讯号输出MDIN或Aout大小是受OP1控制，也就是传统PWM的输出驱动能力受OP1控制，而达成OP2*OP1的效果。而以DAC的观点来看它的讯号输出MDIN或Aout有效时间(大小)是受OP2控制，也就是OP1*OP2。又因PWM调制的频率是31,25KHz已超出音域范围(20Hz～20KHz)，是人耳无法听到的频率而只能听到能量累积的变化结果，也就是OP1*OP2的变化结果。因此，本发明在音域范围是非常小，简单且便宜的乘法器。
然而如何利用OP2来控制Aout的输出有效值，将详述说明如下。
每当此8位的同步计数器40数到0时，就会产生31.25KHz的同步讯号SYNC给第一运算元同步暂存器32及第二运算元同步暂存器34。换言之，时钟脉冲讯号CKIN的频率为8MHz(256*31.25KHz)。
第一运算元数字讯号SGN1送至第一运算元同步暂存器32经同步讯号SYNC同步成为第一运算元同步数字讯号OP1，第二运算元数字讯号SGN2送至第二运算元同步暂存器34经同步讯号SYNC同步成为第二运算元同步数字讯号OP2。OP2再跟同步计数器40的值CNT经比较器42相比，若第二运算元同步暂存器34的值OP2大于同步计数器40的值CNT，则比较器42会输出一高电位的脉冲讯号LG。反之，若第二运算元同步暂存器的值OP2等于或小于同步计数器40的值CNT，则比较器42会输出一低电位的脉冲讯号LG。
上述脉冲讯号LG就是一个以OP2值来控制宽度的脉冲讯号，此LG再与OP1经混合器44进行“与”门(AND)动作而成为MDIN。举例来说，例如OP2＝1，则LG的宽度为125ns(1*1/8MHz)，MDIN在125ns有效时间等于OP1，其余31875ns(32us-125ns)MDIN输出为零。或，例如OP2＝10，则LG的宽度为1250ns(10*1/8MHz)，MDIN在1250ns有效时间等于OP1，其余30.75μs(32μs-1.25μs)MDIN输出为零。或，例如OP2＝225，则LG的宽度为31875ns(255*1/8MHz)，MDIN在31875ns有效时间等于OP1，其余125ns(32us-31875ns)MDIN输出为零。
换句话说，控制MDIN的有效时间就是控制Aout，也就是控制音量，也就是做乘法运算。因为Aout是模拟讯号输出，所以本发明在音域范围(20Hz～20KHz)具有模拟乘法器的功能，也就成为可当乘法器的数字模拟转换器。此外，除了传统数字模拟转换器38外，其余都是纯数字电路，所以稳定性佳，非常适合量产。
综上所述，本发明所提出的声音产生器，具有以下优点(1)利用分时方法及调制原理，使数字模拟转换器具有模拟乘法器的功能。
(2)电路非常小，简单且便宜。
(3)拥有数字电路的稳定性，不易受偏压、温度及制程变化的影响。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视本发明权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种声音产生器，其特征在于，该声音产生器包括一第一运算元同步暂存器，接收一第一运算元数字讯号，以输出一第一运算元同步数字讯号；一第二运算元同步暂存器，接收一第二运算元数字讯号，以输出一第二运算元同步数字讯号；一分时乘法器，接收该第一运算元同步数字讯号及该第二运算元同步数字讯号，利用脉宽调制法，以该第二运算元同步数字讯号的值来决定该第一运算元同步数字讯号的讯号宽度，以输出一数字合成声音讯号；以及一数字模拟转换器，用以接收该分时乘法器输出的该数字合成声音讯号，并将该数字合成声音讯号转换成一模拟合成声音输出讯号。
2.如权利要求1所述的声音产生器，其特征在于，该分时乘法器包括一同步计数器，用以输出一同步讯号至该第一运算元同步暂存器及该第二运算元同步暂存器中，藉以使该第一运算元同步暂存器及该第二运算元同步暂存器同步产生该第一运算元同步数字讯号与该第二运算元同步数字讯号；一比较器，用以比较该第二运算元同步暂存器的值与该同步计数器的值，以输出一脉冲讯号；以及一混合器，接收该脉冲讯号与该第一运算元同步数字讯号，并以该比较器输出的该脉冲讯号来改变送至该数字模拟转换器的该第一运算元同步数字讯号的讯号宽度。
3.如权利要求2所述的声音产生器，其特征在于，当该第二运算元同步暂存器的值大于该同步计数器的值时，该比较器会输出一高电位的该脉冲讯号。
4.如权利要求2所述的声音产生器，其特征在于，当该第二运算元同步暂存器的值等于/小于该同步计数器的值时，该比较器会输出一低电位的该脉冲讯号。
5.如权利要求2所述的声音产生器，其特征在于，结合该比较器、该同步计数器及该第二运算元同步暂存器相当于一脉宽调制器。
6.如权利要求2所述的声音产生器，其特征在于，该混合器包括一“与”门。
7.如权利要求1所述的声音产生器，其特征在于，该模拟合成声音输出讯号包括一电流形式的该模拟合成声音输出讯号。
8.如权利要求1所述的声音产生器，其特征在于，该模拟合成声音输出讯号包括一电压形式之该模拟合成声音输出讯号。
全文摘要
一种声音产生器,系由第一运算元同步暂存器、第二运算元同步暂存器、分时乘法器及数字模拟转换器所组成,无须使用传统价格昂贵的乘法器,利用分时方法及调制原理,使数字模拟转换器具有模拟乘法器的功能,同时拥有数字电路的稳定性,不像传统的模拟乘法器会受偏压、温度及制程的变化影响很大,而且电路结构非常小、简单且价格便宜,可达到大量降低成本的目的。
文档编号G10K15/02GK1266256SQ99103639
公开日2000年9月13日 申请日期1999年3月9日 优先权日1999年3月9日
发明者陈章三 申请人:联咏科技股份有限公司