專利名稱：揚(yáng)聲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用實(shí)際上可能是模擬的或數(shù)字的電信號(hào)發(fā)聲的揚(yáng)聲器。
背景技術(shù)：
常規(guī)模擬揚(yáng)聲器的操作依靠由某種類型的機(jī)電電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)膜(通常是單片振動(dòng)膜)的運(yùn)動(dòng)，雖然揚(yáng)聲器曾經(jīng)嘗試過(guò)使用靜電、壓電和電離器件，但動(dòng)圈是最普通的。從整體上講，模擬揚(yáng)聲器嘗試通過(guò)與平滑變化的模擬電信號(hào)近似同步地推動(dòng)振動(dòng)膜的全部或一部分來(lái)再現(xiàn)所需的聲音，該模擬電信號(hào)通常被解釋成代表?yè)P(yáng)聲器的聽(tīng)眾應(yīng)該聽(tīng)到的瞬時(shí)聲壓。此類模擬揚(yáng)聲器的固有限制部分地涉及所使用的振動(dòng)膜的硬度、振動(dòng)膜的質(zhì)量、可從具有足夠帶寬的機(jī)電電動(dòng)機(jī)獲得的功率的線性和效率；以及對(duì)振動(dòng)膜擺幅(throw)的限制。這些因素和其它因素相結(jié)合，使得模擬揚(yáng)聲器只能以低效率和相當(dāng)高的失真度來(lái)操作。
隨著通常以16位二進(jìn)制格式的有用高質(zhì)量數(shù)字音頻材料(通常具有接近于0.002％的固有失真度)的流行，很明顯，在收聽(tīng)再現(xiàn)的聲音(包括收音機(jī)、電視機(jī)、密致盤片(CD)和數(shù)字磁帶)時(shí)，對(duì)音頻質(zhì)量的限制因素是接近于1％失真度(差500倍)操作的現(xiàn)有模擬高保真揚(yáng)聲器系統(tǒng)。近來(lái)電子設(shè)備的趨勢(shì)已傾向于減少功耗，不只是減少功率消耗量，而且要降低設(shè)備的工作溫度，從而允許實(shí)現(xiàn)超小型化和高可靠性以及便于攜帶，而且允許以小電池操作。此外，在0.3％到1％的電聲效率水平下操作的線性模擬功率放大器/揚(yáng)聲器組合已與這種潮流脫節(jié)了。最后，雖然隨著數(shù)字收音機(jī)和電視機(jī)的出現(xiàn)，使得數(shù)字音頻源材料變得日益普及并不斷增加，但用于再現(xiàn)數(shù)字源材料的常規(guī)高保真系統(tǒng)都需要在系統(tǒng)中的某個(gè)部分包含數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，以產(chǎn)生應(yīng)用于模擬揚(yáng)聲器的模擬信號(hào)。DAC本身產(chǎn)生的噪聲和失真還加到系統(tǒng)中已出現(xiàn)的噪聲和失真中，而且也增加了額外的成本。
為了開(kāi)發(fā)出克服上述模擬揚(yáng)聲器的某些或所有限制因素的數(shù)字揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)，已進(jìn)行了一些嘗試。這些嘗試分成幾類偽數(shù)字揚(yáng)聲器，包括驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)模擬揚(yáng)聲器的數(shù)字信號(hào)處理器；動(dòng)圈數(shù)字揚(yáng)聲器，具有抽頭式“音圈”；壓電和靜電驅(qū)動(dòng)器，其中把振動(dòng)膜的面積分成具有二進(jìn)制相關(guān)表面積的不同區(qū)域；以及脈寬調(diào)制放大技術(shù)，它實(shí)際上是一種數(shù)字放大器技術(shù)。
先前為建立數(shù)字揚(yáng)聲器系統(tǒng)而進(jìn)行的所有嘗試都假設(shè)二進(jìn)制數(shù)字代碼是數(shù)字信號(hào)媒體，不僅僅是在器件的輸入端(實(shí)際上，這是一個(gè)理想的假設(shè))，而且也在輸出換能器處。這實(shí)際上引起了嚴(yán)重的技術(shù)問(wèn)題。
在有符號(hào)的n位系統(tǒng)中，用于輸出最低位(LSB)的換能器工作于比最高(無(wú)符號(hào))位(MSB)小2n-2倍的功率電平。由于揚(yáng)聲器件所必需的機(jī)械性質(zhì)，所以寬的動(dòng)態(tài)范圍給LSB和MSB換能器所使用的器件類型帶來(lái)嚴(yán)重的設(shè)計(jì)限制，從而使器件的匹配非常困難。在二進(jìn)制加權(quán)的換能器(或換能器陣列)系統(tǒng)中，在代碼從具有許多連續(xù)的低階零或1的值變到具有許多連續(xù)的低階1或零的下一個(gè)電平(升或降)的點(diǎn)處，引起嚴(yán)重的瞬變問(wèn)題。在此代碼點(diǎn)變化中產(chǎn)生多個(gè)聲學(xué)轉(zhuǎn)換，即使代碼變化只表示信號(hào)幅度中最好幾乎聽(tīng)不見(jiàn)的最低位的變化，這將不可避免地產(chǎn)生相當(dāng)大的聲能。
除了所述的切換瞬變問(wèn)題以外，還存在與零到1和1到零的代碼變化有關(guān)的電平誤差。這是因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)中，換能器不易精確匹配，從而無(wú)法使最高位換能器準(zhǔn)確地在有效功率或幅度上比共同作用的所有低位換能器之和大一個(gè)最低位。
人們不會(huì)不知道揚(yáng)聲器具有許多換能器組成的陣列，這些陣列產(chǎn)生獨(dú)立且單獨(dú)饋送的壓力脈沖，但在過(guò)去這是以二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)進(jìn)行的，如Stinger的4,515,997號(hào)美國(guó)專利，鑒于上述原因，它實(shí)際上沒(méi)有獲得成功。沒(méi)有人以一元數(shù)字信號(hào)這樣做，因?yàn)槿藗冞€沒(méi)有預(yù)見(jiàn)到它們?cè)谶@些方面的優(yōu)點(diǎn)。如Nubert的4343807 A1號(hào)丹麥專利，已使用電壓采樣信號(hào)而不是分立的時(shí)間采樣信號(hào)來(lái)確定，在已達(dá)到一系列電壓閾值時(shí)應(yīng)選通以一維或二維陣列排列的相同換能器的哪個(gè)瞬時(shí)號(hào)碼，但該專利沒(méi)有揭示對(duì)二進(jìn)制(或其它)數(shù)字代碼進(jìn)行一元編碼，它也不能用于把使各種換能器觸發(fā)的電壓電平轉(zhuǎn)換成合適的聲壓級(jí)，而是在換能器中觸發(fā)接近瞬時(shí)三維的音量變化或恒定的行程，于是在觸發(fā)器的邊沿產(chǎn)生一系列正負(fù)壓力脈沖，而不是具有適當(dāng)極性的連續(xù)脈沖，其最終結(jié)果是不產(chǎn)生有用的聲功率。Nubert描述了其發(fā)明的操作完全根據(jù)某些電壓水平下發(fā)生的事件，這本身并未揭示規(guī)則時(shí)間采樣的數(shù)字信號(hào)，例如，快閃ADC能進(jìn)行數(shù)字化而不需要規(guī)則(在某些情況下，任意)時(shí)鐘信號(hào)。在Nubert的揭示中未清楚地指明在存在數(shù)字輸入信號(hào)的情況下如何實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)換能器的控制，尤其是，未清楚地指明如何把這些數(shù)字輸入信號(hào)編碼成為任何所需的形式。Nubert揭示了使用恒定行程的換能器的想法，但沒(méi)有揭示恒壓的脈沖換能器。
現(xiàn)有數(shù)字揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)未妥善解決的另一個(gè)問(wèn)題是產(chǎn)生所需的聲音輸出波形的換能器的動(dòng)態(tài)范圍和合適的驅(qū)動(dòng)波形。
在已有技術(shù)中有眾所周知的二進(jìn)制-一元編碼器。5,313,300(Rabile)號(hào)美國(guó)專利中描述了從能對(duì)不太寬的二進(jìn)制字進(jìn)行編碼的一元子編碼器合成寬二進(jìn)制字的用于視頻DAC的這種編碼器的技術(shù)。描述的該技術(shù)使用以類似于樹(shù)狀結(jié)構(gòu)互連的小型一元編碼器的“層”，以附加選通方框進(jìn)行最終一元轉(zhuǎn)換。把此設(shè)計(jì)擴(kuò)展到較大輸入二進(jìn)制位寬所存在的問(wèn)題是，所有一元子編碼器之間的互連系統(tǒng)變得很復(fù)雜，且不能順從總線結(jié)構(gòu)方式(因?yàn)槠錁?shù)狀分層或級(jí)聯(lián)性質(zhì))。此外，5,515,300號(hào)美國(guó)專利的設(shè)計(jì)預(yù)先假定存在一元子編碼器方框，雖然揭示了用于整個(gè)復(fù)合編碼器的真值表，但沒(méi)有描述此種子編碼器的操作(也沒(méi)有真值表)，因此其實(shí)際性質(zhì)是不清楚的。
眾所周知的數(shù)字脈寬調(diào)制PWM，例如Kirn的4,773,096號(hào)美國(guó)專利，它使用時(shí)鐘振蕩器來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)字計(jì)數(shù)器(其輸出端連到數(shù)字幅值比較器的一個(gè)輸入端)，以把一系列數(shù)字輸入字轉(zhuǎn)換成一系列PWM波形，該波形的連續(xù)平均值近似于一系列數(shù)字輸入字的值。然而，此裝置沒(méi)有象這里所揭示的一樣把單個(gè)數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成PWM斜波信號(hào)。
Rogers的5,287,531號(hào)美國(guó)專利揭示了一種裝置，通過(guò)對(duì)一系列串行輸入/輸出移位寄存器(SISOSR)進(jìn)行菊花鏈接，以從計(jì)算機(jī)總線中的一系列插入卡中讀取數(shù)據(jù)，每張卡讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，并按序?qū)⑵鋬?nèi)容計(jì)入控制微處理器。然而，以此方案從每張卡中檢索到的數(shù)據(jù)量完全受到安裝在每張卡上SISOSR尺寸的限制，而且不能單獨(dú)地把信息寫入每張卡，也不能存儲(chǔ)信息或?qū)ㄟM(jìn)行控制。很明顯，Roger的器件通過(guò)讀取來(lái)自SISOSR(插在離控制微處理器最遠(yuǎn)的總線端部，且其數(shù)據(jù)配置成不同于可插入總線的任何有效卡所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并被處理器這樣認(rèn)為)的偽數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)總線上的器件數(shù)，該器件不在專用線上產(chǎn)生指示檢測(cè)到的總線上最后一個(gè)器件的獨(dú)特邏輯脈沖。
說(shuō)明書(shū)、摘要和權(quán)利要求書(shū)中所使用的術(shù)語(yǔ)的定義一個(gè)一元的數(shù)字(digit)也可采用兩個(gè)值0、1中的任一個(gè)值，或者可定義為只采用單個(gè)值1，然后用它不存在表示0，這多少類似于羅馬數(shù)字表示法。除了以1的整數(shù)次冪來(lái)代替2或10的整數(shù)次冪以外，一元整數(shù)位置表示法類似于二進(jìn)制或十進(jìn)制位置表示法。由于1的所有正整數(shù)次冪都等于1，所以很清楚，用一元表示法，所有的數(shù)字都具有相同的權(quán)，該權(quán)是單位一，且一元位置表示法中一元數(shù)字的位置是無(wú)關(guān)的，只有其值1或0，或其存在或不存在具有某種意義。于是，在一元位置整數(shù)中從右數(shù)第四個(gè)一元數(shù)字表示因子1或0乘以13＝1，右面的第一個(gè)一元數(shù)字表示因子1或0乘以10＝1。因此，例如，110102＝1×14+1×13+0×12+1×11+0×10＝110+110+0+110+0＝310它在數(shù)字中只是一個(gè)1位數(shù)字。于是，數(shù)字的位置在一元數(shù)字中變得無(wú)關(guān)緊要。因此，在位置表示法中用作位置監(jiān)護(hù)人的0在一元情況下是無(wú)關(guān)的，所以不需要0。于是，我們只需要把數(shù)字110101準(zhǔn)確地寫作1111，兩種表示法都具有十進(jìn)制值310。
術(shù)語(yǔ)十進(jìn)制的數(shù)字沒(méi)有專用名稱。通常把“二進(jìn)制數(shù)字”的語(yǔ)句簡(jiǎn)化為“位”。同樣，通常把“一元數(shù)字”簡(jiǎn)化為“單元”。然而，由于單詞“單元”因不熟悉的作用而容易與其更常用的意思混淆，我們使用了語(yǔ)句“一元數(shù)字”。

發(fā)明內(nèi)容
一種揚(yáng)聲器包括一些基本上相同的換能器，每個(gè)換能器配置成把電學(xué)揚(yáng)聲器輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲輸出，其中每個(gè)換能器可相互獨(dú)立地被分立時(shí)間采樣的數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，這些信號(hào)表示將由揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲音，其特征是每個(gè)換能器可以預(yù)定采樣速率被一元數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，此揚(yáng)聲器還包括以預(yù)定采樣速率把非一元數(shù)字輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成多個(gè)一元數(shù)字信號(hào)的編碼器裝置，每個(gè)換能器在一元數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖的持續(xù)時(shí)間產(chǎn)生近似恒定的壓力脈沖。
本發(fā)明可附加地包括脈沖成型裝置，用于把一元數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成適于所使用的換能器類型的各種正方形和非正方形分布的脈沖信號(hào)。換能器最好是相同的，在一個(gè)較佳實(shí)施例中，每個(gè)換能器都為雙極性，能依據(jù)所加的一元信號(hào)的極性含義產(chǎn)生正負(fù)壓力變化。
在一個(gè)較佳實(shí)施例中，換能器以兩維的陣列排列。每個(gè)換能器的形狀可以嵌成兩維的棋盤花樣，例如，可以是三角形、方形、矩形或多邊形。在此情況下，可任意設(shè)置換能器之間的間隔。此外，每個(gè)換能器的形狀可以不嵌成棋盤花樣，例如可以是圓形或橢圓形，鄰近換能器之間設(shè)置間隔?？赏ㄟ^(guò)在第一換能器陣列后面設(shè)置另一個(gè)換能器陣列，第二陣列中的每個(gè)換能器位于第一陣列中相應(yīng)的間隔后面，使它們排列成三維，如此來(lái)開(kāi)發(fā)第一陣列換能器中所存在的間隔?？芍貜?fù)此處理，以提供具有任意層數(shù)的組合換能器陣列。
由于換能器陣列以兩維或三維方式分布于空間，所以通過(guò)依據(jù)陣列中任意特定換能器位置改變換能器數(shù)量，使聽(tīng)眾可遠(yuǎn)離換能器，其結(jié)果是由換能器同時(shí)發(fā)出的聲脈沖將在不同時(shí)間到達(dá)聽(tīng)眾的位置。通過(guò)引入依據(jù)換能器離聽(tīng)眾的距離對(duì)換能器的輸入信號(hào)進(jìn)行差分延遲的延遲裝置來(lái)校正此結(jié)果，從而使對(duì)揚(yáng)聲器發(fā)生變化的單個(gè)輸入信號(hào)而引起的所有換能器的聲脈沖同時(shí)到達(dá)聽(tīng)眾的位置。此外，可對(duì)延遲裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，以依據(jù)選中并可變的聽(tīng)眾位置改變所加的延遲。
如本發(fā)明所述的各個(gè)換能器還可以包括以兩維或三維陣列排列的兩個(gè)一組、三個(gè)一組、四個(gè)一組或一般的N個(gè)一組(N＞＝1)的獨(dú)立換能器元件，每個(gè)換能器元件包括被同一一元信號(hào)驅(qū)動(dòng)并位于陣列中的N個(gè)一組的換能器元件，從而每個(gè)N個(gè)一組整體的重心位置盡可能靠近陣列的垂直或水平中心線，或者在三維陣列的情況下盡可能靠近陣列的前后中心平面，如此把從揚(yáng)聲器感覺(jué)到的聲音局限在陣列中心附近盡可能小的范圍內(nèi)。此技術(shù)使得可構(gòu)成包括換能器陣列的大型數(shù)字揚(yáng)聲器，其中陣列的空間范圍可與聽(tīng)眾離揚(yáng)聲器的距離相比擬，而仍舊可產(chǎn)生此揚(yáng)聲器是一個(gè)接近于陣列中心的有限位置的小空間聲音源的錯(cuò)覺(jué)。
換能器陣列所產(chǎn)生的輸出聲音是各個(gè)換能器所產(chǎn)生的單個(gè)聲音的相加效應(yīng)。單個(gè)換能器不能再現(xiàn)所需的聲音。在對(duì)每個(gè)換能器的驅(qū)動(dòng)電平固定的情況下，啟動(dòng)較少數(shù)目的換能器將再現(xiàn)較輕的聲音，而不是較響的聲音。把輸入信號(hào)編碼成一元格式的結(jié)果是從N編碼里產(chǎn)生M編碼，這里N是輸入信號(hào)所表示的不同電平的數(shù)目，也是所需換能器的最大數(shù)目，M是瞬時(shí)輸入信號(hào)電平，也是由該輸入信號(hào)電平啟動(dòng)的換能器的數(shù)目。
從所獲輸出聲壓的觀點(diǎn)看，在一元編碼數(shù)字揚(yáng)聲器系統(tǒng)中，由于所有的換能器都具有相同的單位輸出功率電平或“權(quán)重”，所以無(wú)論在總共N個(gè)換能器的組中接通哪些M個(gè)特殊換能器來(lái)產(chǎn)生有效的最大輸出聲壓級(jí)MN都沒(méi)有關(guān)系。于是，在從整個(gè)陣列中選擇換能器小組方面可獲得很大的自由度，這些小組可用于以各種方式增強(qiáng)性能。
與相同輸入信號(hào)電平有關(guān)的換能器最好在陣列中相互靠近，從而獲得高度集中的聲源效果，尤其是在低幅度的再現(xiàn)聲音的場(chǎng)合中。
為了減少揚(yáng)聲器發(fā)射超過(guò)人們聽(tīng)力極限的頻率范圍(例如，大于約20KHz的頻率)的聲波(超聲波發(fā)射)，可在輸出換能器陣列和收聽(tīng)空間之間加上聲波低通濾波器。這可通過(guò)在聲波輸出換能器和收聽(tīng)空間之間放置適量材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，該材料在超過(guò)20KHz的范圍內(nèi)具有強(qiáng)的吸聲能力，在低于該頻率時(shí)具有低的吸聲能力。
可通過(guò)盡可能提高數(shù)字采樣速率來(lái)減少揚(yáng)聲器的超聲波發(fā)射?？蓮拿苤卤P片和其它普通聲源獲得的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字音頻材料具有40KHz到50KHz范圍內(nèi)的采樣速率。當(dāng)以此采樣速率再現(xiàn)20KHz的音頻輸入信號(hào)時(shí)，在輸入信號(hào)的每個(gè)周期內(nèi)僅產(chǎn)生兩個(gè)或三個(gè)樣品。如果對(duì)聲學(xué)輸出換能器自始至終都保持同一個(gè)采樣速率，則大部分聲能將在低于100KHz的頻率下發(fā)射，少量的聲能在較高頻率下發(fā)射。如果采樣速率提高到例如100KHz，則將在更高的頻率下產(chǎn)生最低頻的強(qiáng)超聲波，并成比例地減小其幅度。本發(fā)明還可包括數(shù)字插入裝置，以提高揚(yáng)聲器輸入信號(hào)的采樣速率。在本發(fā)明中，在進(jìn)行數(shù)字-模擬聲轉(zhuǎn)換后，使用插入處理以減輕聲學(xué)濾波，而不是電學(xué)濾波的要求。
編碼器裝置可具有相應(yīng)于一元信號(hào)數(shù)目和換能器數(shù)目的多個(gè)并行輸出端。為了在時(shí)間上壓縮一元信號(hào)并使編碼器裝置具有更少的輸出端(極限為單個(gè)輸出端)，另一個(gè)布局是使一元信號(hào)重新構(gòu)成并行流應(yīng)用于換能器。
依據(jù)本發(fā)明的揚(yáng)聲器組件最好包括連接在編碼器裝置和換能器之間的換能器驅(qū)動(dòng)器，此換能器驅(qū)動(dòng)器把來(lái)自編碼器裝置的一元輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成合適的電流和電壓電平，以驅(qū)動(dòng)換能器。
揚(yáng)聲器組件最好附加控制換能器驅(qū)動(dòng)波形形狀的脈沖成型裝置，此脈沖成型裝置可提供偏離于標(biāo)稱正方形標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字脈沖的驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng)換能器超出適于用作數(shù)字揚(yáng)聲器元件的操作速度范圍時(shí)，如果其動(dòng)態(tài)范圍由阻力或粘滯拉力所決定，則正方形驅(qū)動(dòng)脈沖接通時(shí)將提供基本上恒速的操作，于是將產(chǎn)生近似于方波(恒定)的脈沖輸出壓力。當(dāng)換能器動(dòng)態(tài)范圍由類似于彈力的回復(fù)力(柔順力)所決定時(shí)，一般是換能器低于其共振頻率操作且具有低阻尼，則脈沖成型裝置可提供線性斜坡形驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng)換能器的動(dòng)態(tài)范圍由慣性力所決定時(shí)，一般是換能器高于其共振頻率操作并具有低阻尼，則脈沖成型裝置可提供雙極性脈沖形驅(qū)動(dòng)脈沖，該脈沖包括與輸入脈沖前沿一致的短脈沖以及與輸入脈沖后沿一致的反極性的第二短脈沖。當(dāng)由此三種情況組成換能器的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，脈沖成型裝置可提供這樣的驅(qū)動(dòng)脈沖波形，從而在每個(gè)輸入脈沖的周期內(nèi)產(chǎn)生基本上恒定的脈沖輸出壓力。脈沖成型裝置可提供上述一些或所有脈沖形狀的任意組合并可附加地直接與換能器驅(qū)動(dòng)裝置組合成一個(gè)合成結(jié)構(gòu)。此外，脈沖成型裝置可以插在編碼器裝置和換能器驅(qū)動(dòng)器裝置之間。另一個(gè)變形是可把脈沖成型裝置插在換能器驅(qū)動(dòng)器裝置和換能器之間。
為了在產(chǎn)生正方形驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)保持?jǐn)?shù)字脈沖驅(qū)動(dòng)電子裝置的高功率，可用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖成型裝置，其中換能器驅(qū)動(dòng)脈沖的有效形狀是在一元輸入脈沖周期內(nèi)產(chǎn)生有許多周期且快速變化的正方形波形的平均值，為了產(chǎn)生適于換能器動(dòng)態(tài)范圍的有效脈沖形狀，其傳號(hào)-空號(hào)比必須連續(xù)變化。
一個(gè)較佳實(shí)施例中的編碼裝置可具有分組裝置，用于把n個(gè)輸入二進(jìn)制數(shù)字或位(如果輸入是二進(jìn)制數(shù)字)分成k組n/k位；還可具有數(shù)目相應(yīng)于k的多個(gè)編碼器，每個(gè)編碼器具有n/k個(gè)輸入位和數(shù)目少得多的邏輯門，則換能器驅(qū)動(dòng)器也具有一些附加的門。
在另一個(gè)較佳實(shí)施例中，以模的方式建立從n個(gè)輸入二進(jìn)制(例如)位中產(chǎn)生N個(gè)(這里N＝2n-1，或如果把n個(gè)輸入位中的一位用作符號(hào)位，則N＝2n-1-1)一元信號(hào)的編碼裝置，從而把一些相同的編碼子模塊連接到數(shù)據(jù)總線，該總線用于輸送表示要再現(xiàn)成聲音的輸入電信號(hào)的全部輸入二進(jìn)制(例如)數(shù)據(jù)字。每個(gè)編碼子模塊被設(shè)計(jì)成對(duì)P個(gè)一元數(shù)字進(jìn)行編碼，這里P＜N，通常有Q個(gè)這樣的模塊，從而P×Q＝N，這些子模塊在被啟動(dòng)而成為編碼器以前，通過(guò)控制總線向它們發(fā)送控制信號(hào)以及通過(guò)數(shù)據(jù)總線或控制總線向它們發(fā)送編程數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編程，從而在編程后每個(gè)Q子模塊響應(yīng)于不同組的P個(gè)輸入信號(hào)電平，并只把該組的P個(gè)輸入信號(hào)電平編碼成為P個(gè)一元輸出信號(hào)。其累積結(jié)果是把所有N個(gè)可能的輸入信號(hào)電平編碼成為P×Q＝N個(gè)一元輸出信號(hào)，但它沒(méi)有平滑n位二進(jìn)制(例如)到一元編碼器的復(fù)雜性，而是使用便于設(shè)計(jì)和大量制造的Q個(gè)相同的模塊，而且也便于擴(kuò)展到不同數(shù)目的輸入信號(hào)位n。通過(guò)使Q個(gè)編碼器子模塊的每一個(gè)包含觸發(fā)器并使控制總線連接在模塊之間以使Q個(gè)觸發(fā)器互連，從而形成一串行輸入移位寄存器，從而使編程系統(tǒng)變得及其簡(jiǎn)單。編程時(shí)，在對(duì)移位寄存器進(jìn)行初始化清零后，對(duì)如此形成的移位寄存器的輸入端引入單個(gè)訪問(wèn)(access)脈沖AP(未示出)，此移位寄存器實(shí)際上分布于所有的Q個(gè)編碼器子模塊之間，然后由控制總線上的公共時(shí)鐘信號(hào)每次通過(guò)移位寄存器的一個(gè)觸發(fā)器對(duì)該寄存器進(jìn)行定時(shí)。因?yàn)樵诰幊唐陂g只有一個(gè)AP引入觸發(fā)器的輸入端，所以在每個(gè)時(shí)鐘脈沖已把它移到下一級(jí)后，只有一個(gè)模塊可包含此AP，因此，如果用每個(gè)模塊中的觸發(fā)器來(lái)啟動(dòng)編程的模塊，則只有當(dāng)模塊包含AP時(shí)，才可通過(guò)例如在公共數(shù)據(jù)總線上引入編程信息，并在所有模塊的公共控制總線上發(fā)出一編程脈沖(其中，只有在其觸發(fā)器中包含AP的模塊將響應(yīng)于該編程指令)，依次對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立編程。于是，利用時(shí)鐘信號(hào)使AP通過(guò)Q個(gè)模塊進(jìn)行移位(每次一個(gè)模塊)，并在每次移位操作后發(fā)出編程信息，即使模塊在邏輯上是相同的且沒(méi)有硬件獨(dú)特的地址，也能用該模塊特定的信息對(duì)整個(gè)模塊鏈的每個(gè)模塊進(jìn)行編程。此模塊編程技術(shù)廣泛地應(yīng)用于連接到公共總線的任意可編程模結(jié)構(gòu)，且它的使用并不限于這里提出的數(shù)字揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)。
可通過(guò)采用編碼方案以外的符號(hào)信息，并結(jié)合編碼器的輸出控制換能器驅(qū)動(dòng)器或脈沖成型裝置，以直接控制輸出信號(hào)的符號(hào)，來(lái)簡(jiǎn)化把一種格式(例如二進(jìn)制)的數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換成一元數(shù)字輸出的編碼裝置，這里輸入格式表示帶符號(hào)的量。在二進(jìn)制-一元編碼器具有n個(gè)輸入位的情況下，這里輸入位中的一位是符號(hào)位，如果其它的n-1位被饋送到無(wú)符號(hào)的n-1位二進(jìn)制-一元編碼器，且2n-1-1個(gè)一元數(shù)字輸出信號(hào)與輸入二進(jìn)制符號(hào)位一起被饋送到換能器驅(qū)動(dòng)器，則可減少大量電路且不損失信息。
可以邏輯AND方式，以疊加在來(lái)自一元編碼器輸出端和任意脈沖成型電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)上的高頻信號(hào)對(duì)換能器進(jìn)行選通和阻斷，可調(diào)節(jié)換能器所發(fā)射的聲輸出脈沖的有效幅度而仍保持高效率，這里高頻信號(hào)的傳號(hào)-空號(hào)比可從0連續(xù)變化到1。這雖然類似于PWM，但它是對(duì)揚(yáng)聲器電路所產(chǎn)生的附加調(diào)制。改變換能器所發(fā)射的聲輸出脈沖有效幅度的另一個(gè)或可能的附加方法是改變提供給換能器驅(qū)動(dòng)器電路的電源電壓，利用PWM技術(shù)使此方法也可獲得高效率。這兩種技術(shù)都賦予揚(yáng)聲器音量控制的功能，而在揚(yáng)聲器系統(tǒng)的輸出端右邊產(chǎn)生音量控制的有效衰減時(shí)保持可能有的最高信噪比，從而對(duì)信號(hào)同樣地衰減任意內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲。
可使用上述章節(jié)中所述的方法減少一元數(shù)字揚(yáng)聲器所需的換能器的數(shù)目，而不減少聲音輸出的有效分辨率。這最好通過(guò)在揚(yáng)聲器組件中裝入功率控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些裝置諸如上述章節(jié)中所述，可依據(jù)輸入信號(hào)的幅度動(dòng)態(tài)地改變每個(gè)換能器的輸出功率。功率控制裝置可包括數(shù)字延遲器件，能在其最低頻率下在輸入信號(hào)的至少半個(gè)周期中以n位的全輸入信號(hào)分辨率(例如，如果對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行二進(jìn)制編碼)進(jìn)行存儲(chǔ)；存儲(chǔ)裝置，用于在輸入信號(hào)被存入延遲器件的持續(xù)期內(nèi)存儲(chǔ)輸入信號(hào)所獲得的最大幅度；一裝置，用于選擇在p個(gè)位構(gòu)成的組的最高位位置中包含1而不包含0的p個(gè)最高的連續(xù)輸入信號(hào)位(p＜＝n)，且不計(jì)入傳遞給一元編碼器的符號(hào)位；以及依據(jù)存儲(chǔ)裝置中獲得的最大幅度選擇換能器的輸出功率電平的裝置，選出的功率電平得以通行，并從數(shù)字延遲器件中讀出所存儲(chǔ)的輸入信號(hào)。在此情況下，能把＜＝p個(gè)位編碼成為驅(qū)動(dòng)2p個(gè)輸出換能器的一元編碼信號(hào)的數(shù)字揚(yáng)聲器可產(chǎn)生n位(p＜＝n)的動(dòng)態(tài)范圍，而避免提供n位二進(jìn)制-一元編碼器和輸出系統(tǒng)所需的附加電路和換能器的額外的復(fù)雜性。
為了允許通過(guò)本發(fā)明主題的揚(yáng)聲器來(lái)再現(xiàn)模擬信號(hào)源以及數(shù)字信號(hào)源，可在揚(yáng)聲器組件中再裝入模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)此功能。
為了提供正負(fù)壓力變化，可設(shè)置分離的正負(fù)壓力換能器或以雙極性方式驅(qū)動(dòng)相同的換能器。為了再現(xiàn)靜音，關(guān)閉所有的換能器，從而它們是靜止的。為了產(chǎn)生正壓力，使換能器的前表面相對(duì)于關(guān)閉狀態(tài)向外移動(dòng)。為了產(chǎn)生負(fù)壓力，使換能器的前表面相對(duì)于關(guān)閉狀態(tài)向內(nèi)移動(dòng)。如果來(lái)自二進(jìn)制-一元解碼器輸出的分離一元數(shù)字信號(hào)表示正和負(fù)壓力，則可把這些信號(hào)加到分離的正-壓力和負(fù)-壓力產(chǎn)生換能器，或以推-拉或雙極性方式驅(qū)動(dòng)各個(gè)換能器，即使一對(duì)一元信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)換能器。對(duì)于給定分辨率的數(shù)字揚(yáng)聲器而言，此方案把所需的換能器數(shù)目減少了一半。此外，二進(jìn)制-一元編碼器可以省略二進(jìn)制輸入信號(hào)的符號(hào)位，并把它分別用于控制來(lái)自被編碼器的(正)一元輸出所驅(qū)動(dòng)的聲換能器壓力脈沖的極性。對(duì)于給定分辨率的數(shù)字揚(yáng)聲器，此方案同樣把換能器數(shù)目減少了一半。
實(shí)際的此類數(shù)字揚(yáng)聲器可能需要大量換能器，例如，為了處理8位的二進(jìn)制輸入，需要256個(gè)聲壓級(jí)表示。因?yàn)?級(jí)不需要壓力，所以該級(jí)不需要換能器。因此，在此例中需要255個(gè)換能器(最大值)。如果以上述雙極性方式驅(qū)動(dòng)換能器，則有128個(gè)換能器就夠了。一般，對(duì)于處理n位二進(jìn)制輸入的系統(tǒng)，需要2n-1個(gè)單極性或2n-1個(gè)雙極性換能器。為此目的雖可使用分立的換能器，但使用集成的多個(gè)換能器來(lái)減少成本和制造復(fù)雜性更有利。例如，如果要使用靜電換能器，可生產(chǎn)大量面積相等的電極，每個(gè)電極單獨(dú)連接到一個(gè)具體換能器件的各個(gè)一元數(shù)字信號(hào)，于是產(chǎn)生一個(gè)換能器陣列。如果要使用壓電換能器，則可把一片壓電材料分隔成大量面積相等的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域具有它自己的電極，這些電極分別連接到不同的一元數(shù)字信號(hào)，從而形成一換能器陣列。同樣，若要使用電磁換能器，用一組分別連接的電線，最好是用印刷電路技術(shù)在公共襯底上制造這些電線，每根電線在器件的磁場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生相同的安匝效應(yīng)并分別連接到不同的一元數(shù)字信號(hào)，從而形成換能器陣列。可以雙極性或推-挽方式操作所有這些陣列結(jié)構(gòu)，從而陣列的每個(gè)換能器元件分別連接到兩個(gè)不同的一元數(shù)字信號(hào)或一個(gè)一元數(shù)字信號(hào)和符號(hào)控制位以產(chǎn)生正負(fù)輸出壓力。所有這些陣列結(jié)構(gòu)所具有的一大優(yōu)點(diǎn)是需要多個(gè)相同的元件，這有助于匹配和簡(jiǎn)化制造。
附圖概述

圖1是示出依據(jù)本發(fā)明的數(shù)字揚(yáng)聲器中各種基本元件之間關(guān)系的方框圖。
圖2示出單極性3位二進(jìn)制-一元轉(zhuǎn)換器的邏輯。
圖3示出3位偏移二進(jìn)制-一元轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單邏輯。
圖4示出用成對(duì)反極性含義的一元信號(hào)推-挽(雙極性)驅(qū)動(dòng)換能器的方法。
圖5示出具有典型的復(fù)雜~(n-1)2n簡(jiǎn)單邏輯門的n位單極性二進(jìn)制-一元編碼器基本的輸入和輸出。
圖6示出用兩個(gè)(n/2)位二進(jìn)制-一元編碼器以及一些附加的簡(jiǎn)單邏輯組裝n位單極性二進(jìn)制-一元編碼器的方法。
圖7示出圖6所示附加的簡(jiǎn)單邏輯方框10中一個(gè)方框的細(xì)節(jié)。
圖8示出由連到總線的多個(gè)相同邏輯模塊構(gòu)成并被總線控制器編程的可定標(biāo)和可擴(kuò)展的基于總線的二進(jìn)制-一元編碼器。
圖9詳細(xì)示出圖8中總線連接模塊中一個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)，該模塊把加到其上的特定范圍的輸入信號(hào)編碼成為一元。
圖10示出裝入圖8中每個(gè)模塊15的簡(jiǎn)化觸發(fā)器邏輯的細(xì)節(jié)，以使每個(gè)模塊可被圖8所示的總線控制器13單獨(dú)編程。
圖11示出一例的一元信號(hào)波形及用于具有各種動(dòng)態(tài)特性的聲換能器的有關(guān)適宜驅(qū)動(dòng)波形，以產(chǎn)生大致為正方形的聲脈沖。
圖12示出用于數(shù)字脈寬調(diào)制(PWM)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化邏輯，根據(jù)一元信號(hào)和符號(hào)(極性)信號(hào)產(chǎn)生線性的斜坡形PWM波形。
圖13示出把作為圖12所示系統(tǒng)元件的計(jì)數(shù)器和幅度比較器互連的常規(guī)方式。
圖14示出由具有圖13所示互連方式的圖12電路所產(chǎn)生的典型PWM波形。
圖15示出把圖12的計(jì)數(shù)器和幅度比較器互連的改進(jìn)方法。
圖16示出應(yīng)用于圖12電路時(shí)由圖15的互連方式所產(chǎn)生的改進(jìn)PWM波形。
圖17示出用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)具有慣性所決定動(dòng)態(tài)范圍的換能器所使用的雙極性脈沖的簡(jiǎn)單邏輯電路。
圖18示出圖17所示電路的典型波形。
圖19以剖面示出如何以三維方式堆疊多個(gè)兩維換能器陣列，以便在每個(gè)陣列中設(shè)置間隔允許聲音通過(guò)時(shí)形成更緊湊的聲源。
圖20以平面圖示出與圖19相似的布局。
圖21示出換能器緊湊的兩維陣列排序，每個(gè)換能器靠近與相鄰信號(hào)電平有關(guān)的換能器。
圖22示出為了補(bǔ)償聽(tīng)眾到換能器的路徑長(zhǎng)度差，把差分信號(hào)延遲加到陣列中每個(gè)換能器的方法。
圖23示出如何使圖22所示的延遲系統(tǒng)成為動(dòng)態(tài)或靜態(tài)可變和可編程。
圖24以方框圖示出一種系統(tǒng)，以從輸入信號(hào)中選擇最高的非零位子集，并把它們加到一些一元換能器上，從而既保持所需的輸入-輸出關(guān)系，也保持可能的最高分辨率。
圖25以方框圖示出一種揚(yáng)聲器，該揚(yáng)聲器應(yīng)用了這里所述的某些發(fā)明和設(shè)計(jì)方法。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明主題的數(shù)字揚(yáng)聲器可應(yīng)用于當(dāng)前使用模擬揚(yáng)聲器的所有場(chǎng)合，包括在民用和商業(yè)設(shè)備中再現(xiàn)音樂(lè)、話語(yǔ)和其它聲音，這些設(shè)備包括收音機(jī)、電視機(jī)、記錄CD和磁帶放音機(jī)、音樂(lè)中心、高保真音響系統(tǒng)、有線廣播系統(tǒng)、擴(kuò)聲系統(tǒng)、室內(nèi)劇場(chǎng)、電影院、劇場(chǎng)、背景音樂(lè)系統(tǒng)、樂(lè)隊(duì)、便攜式聲音再現(xiàn)設(shè)備、汽車內(nèi)娛樂(lè)系統(tǒng)和耳機(jī)中的迷你形式。
此數(shù)字揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)在這些應(yīng)用中較之現(xiàn)有揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)包括再現(xiàn)的質(zhì)量更高而失真更低；結(jié)構(gòu)因子比大多數(shù)音箱模擬揚(yáng)聲器更平坦；因?yàn)椴捎玫氖菙?shù)字電路而不是模擬電路，所以具有更高的穩(wěn)定性；不需要獨(dú)立的線性功率放大器；重量更輕；更便于攜帶；更便于制造并保持高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；可把批量產(chǎn)生技術(shù)應(yīng)用于換能器陣列組裝；效率更高，因此功耗更低，且從電池電源獲得更長(zhǎng)的操作時(shí)間；成比例的設(shè)計(jì)允許以統(tǒng)一的方式平衡所需的精度與成本和復(fù)雜性，因?yàn)榭赏ㄟ^(guò)增加更多同精度的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)更低的失真；在輸入信號(hào)為零時(shí)可產(chǎn)生實(shí)際為零的輸出噪聲(即，非常高的信噪比)。
本發(fā)明的較佳實(shí)施方式圖1示出本發(fā)明基本的創(chuàng)新。在n個(gè)輸入信號(hào)路徑上的輸入緩沖器1處接收到某種表示聲壓波形的數(shù)字輸入信號(hào)。此數(shù)字信號(hào)可以是任意的數(shù)字代碼形式(例如，串行或并行形式的二進(jìn)制代碼、十進(jìn)制代碼)。雖然本發(fā)明不限于此輸入格式，但為了說(shuō)明，假設(shè)是一種n位的二進(jìn)制代碼輸入信號(hào)，這里n位中的一位是表示輸入信號(hào)極性的符號(hào)位。輸入緩沖器1對(duì)輸入信號(hào)呈現(xiàn)均一的阻抗，并在把n個(gè)并行二進(jìn)制位提供給編碼器2前進(jìn)行一些必要的電平轉(zhuǎn)換和/或串并行的轉(zhuǎn)換。編碼器2把n位的二進(jìn)制輸入代碼編碼成為N個(gè)一元信號(hào)，其中的一個(gè)信號(hào)是一元符號(hào)或極性信號(hào)，表示其余的N-1個(gè)一元信號(hào)是否表示正或負(fù)的量，這里N＝2n-1，編碼的主要功能是當(dāng)n位輸入信號(hào)的(正)幅度等于M時(shí)，則N-1個(gè)非符號(hào)一元信號(hào)中的M個(gè)信號(hào)將被接通(即，邏輯1)，而其余的信號(hào)斷開(kāi)(即，邏輯0)。把來(lái)自編碼器2包括符號(hào)信號(hào)的N個(gè)輸出信號(hào)加到換能器驅(qū)動(dòng)器3，驅(qū)動(dòng)器3把來(lái)自編碼器2的N個(gè)一元邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有適當(dāng)電流、電壓、脈沖形狀和極性的N-1組信號(hào)，以分別驅(qū)動(dòng)圖1的4處集中所示的N-1個(gè)聲學(xué)輸出換能器，換能器驅(qū)動(dòng)器3連到這些換能器。N-1組信號(hào)中的每一組信號(hào)可以是所有N-1個(gè)換能器共享公共反回線(未示出)的單個(gè)雙極性信號(hào)，或者可以是一對(duì)推-挽信號(hào)。換能器基本上都相同的第N-1組聲學(xué)輸出換能器4把電學(xué)驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成均一的聲壓脈沖，每個(gè)脈沖的幅度為a，極性如輸入符號(hào)位所示。由于編碼器2的作用是在數(shù)字輸入信號(hào)具有幅度M時(shí)啟動(dòng)N-1個(gè)非符號(hào)一元信號(hào)中的M個(gè)信號(hào)，每個(gè)信號(hào)導(dǎo)致發(fā)射幅度為a的聲壓脈沖，所以換能器陣列的總發(fā)射壓力幅度是M×a＝A。于是，圖1所示系統(tǒng)的輸出總聲壓具有與輸入信號(hào)相同的極性，并且當(dāng)數(shù)字輸入信號(hào)具有幅度M時(shí)具有幅度M×a，從而可靠地再現(xiàn)作為聲音的數(shù)字電學(xué)輸入信號(hào)，盡管依據(jù)換能器數(shù)目N-1有一些量化噪聲。
輸入緩沖器1是簡(jiǎn)單的，將不再對(duì)其作進(jìn)一步的描述。將對(duì)n位有符號(hào)的二進(jìn)制輸入情況示出將要實(shí)現(xiàn)的解碼功能的定義。則編碼器2將具有n個(gè)二進(jìn)制輸入b0、b1、b2、...bn-1和N個(gè)輸出u0、u1、u2、...uN-1，這里N＝2n-1。輸出u0將是一元輸出符號(hào)信號(hào)，表示其幅度在其余的N-1個(gè)輸出中被編碼的一元輸出數(shù)字是正還是負(fù)。定義u0＝bn-1，這里二進(jìn)制輸入bn-1是輸入信號(hào)的符號(hào)位。其余的n-1個(gè)二進(jìn)制輸入b0、b1、b2、...bn-2表示一個(gè)無(wú)符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)字，其幅度V可以在0和2n-1-1＝N-1的范圍內(nèi)。其余的N-1個(gè)一元輸出u1、u2、...uN-1定義為u1＝0，如果V＜i，否則u1＝1，對(duì)于0＜i＜N則，如果V＝0(它＜1)，則所有的一元輸出都為零。否則，當(dāng)輸入二進(jìn)制幅度＝V時(shí)，有V個(gè)一元輸出具有值1，這里0＜V＜N。
于是，簡(jiǎn)單地把符號(hào)位從輸入位bn-1直接傳送到輸出一元符號(hào)位u0。其余的電路實(shí)質(zhì)上實(shí)現(xiàn)n-1位單極性的二進(jìn)制-一元編碼器。圖2示出3位形式的單極性二進(jìn)制-一元編碼器，其真值表如下所示。在標(biāo)為i/p的一欄中也示出模擬輸入值所表示的十進(jìn)制的值十進(jìn)制---二進(jìn)制--------------------一元輸出---------------

應(yīng)注意，此3位的一元編碼器在邏輯上不等價(jià)于在最普通的邏輯體系(例如，74xx138)中通常獲得的N選一編碼器或解碼器。它進(jìn)行N選M編碼，0＜M≤N。
圖3示出3位偏移二進(jìn)制-一元編碼器5。在此情況下，沒(méi)有這樣的輸入符號(hào)位。而是，在把二進(jìn)制代碼解釋成雙極性信號(hào)(偏移二進(jìn)制代碼)時(shí)，需要把此代碼定義為表示零輸出聲壓。對(duì)于3位偏移二進(jìn)制系統(tǒng)，這通常取作代碼0112或1002。下表示出如何把此代碼編碼成為一元信號(hào)，其中的一些信號(hào)表示正壓力輸出，而另一些表示負(fù)壓力輸出，這里我們已假設(shè)代碼1002表示零。
十進(jìn)制---二進(jìn)制--------負(fù)輸出----- ---正輸出---


在此真值表中，i/p以十進(jìn)制給出，表示雙極性輸入信號(hào)的電平，位0到2在二進(jìn)制中是相同的內(nèi)容。一元數(shù)字輸出op1到op4將用于驅(qū)動(dòng)負(fù)壓力換能器，而一元數(shù)字輸出op5到op7將用于驅(qū)動(dòng)正壓力換能器。從真值表中可看出，當(dāng)正壓力輸出op5到op7中的任一個(gè)接通(值1)時(shí)，負(fù)壓力輸出op1到op4中沒(méi)有一個(gè)是接通的(值1)。例如，如果op1與op5配對(duì)，op2與op6配對(duì)，op3與op7配對(duì)，每一對(duì)驅(qū)動(dòng)雙極性壓力換能器的相對(duì)兩側(cè)，則可看出，換能器將依據(jù)表中的代碼適當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生正或負(fù)壓力階躍，而不在正負(fù)輸出之間產(chǎn)生相互干擾。即，由其值同時(shí)等于1的一個(gè)正和一個(gè)負(fù)信號(hào)不能驅(qū)動(dòng)任一個(gè)換能器。于是，相對(duì)于用每個(gè)一元輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)各個(gè)換能器的情況，所需的的換能器數(shù)目可以減半。
圖4示出如何把編碼器5的輸出對(duì)加到聲換能器6，以提供雙極性驅(qū)動(dòng)從而產(chǎn)生雙極性壓力波輸出。如上所述，op1與op5配對(duì)以驅(qū)動(dòng)一個(gè)換能器，op2&op6以及op3&op7進(jìn)行同樣的配對(duì)，op4可用于附加換能器7的單極性驅(qū)動(dòng)，或干脆不用，因?yàn)闆](méi)有與其配對(duì)的匹配正輸出信號(hào)。一般，對(duì)于n位偏移二進(jìn)制輸入，將由編碼器獲取2n-1個(gè)一元數(shù)字輸出，這些輸出中的一個(gè)輸出將不能配對(duì)，留下2n-2個(gè)一元信號(hào)。這些信號(hào)將形成2n-1對(duì)，并可通過(guò)一些換能器驅(qū)動(dòng)電路加到相同數(shù)目的音頻換能器上。
另一種偏移二進(jìn)制是2的補(bǔ)碼二進(jìn)制。2的補(bǔ)碼-一元雙極性編碼器的真值表如下所示


在實(shí)際的數(shù)字揚(yáng)聲器中，需要對(duì)8位或更多位的二進(jìn)制數(shù)字進(jìn)行編碼。這就增加了編碼器的復(fù)雜性，至少?gòu)哪撤N程上說(shuō)，必須產(chǎn)生大量輸出，且相應(yīng)地增加了門的數(shù)目。如果要使各個(gè)門本身盡量保持簡(jiǎn)單，也將增加選通電平。應(yīng)注意，如果通過(guò)編碼器的絕對(duì)總延遲總共小于~1毫秒，則通常沒(méi)有影響。不同輸入-輸出路徑的相對(duì)延遲則有些影響，因?yàn)樵诶硐氲木幋a器中，所有的輸出將同時(shí)改變。通過(guò)使輸入和每個(gè)輸出之間的選通電平保持相同，可很好地接近這樣的情況。
應(yīng)注意，可用標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)優(yōu)化以上對(duì)編碼器給出的所有邏輯電路。所提出的電路只是為了舉例說(shuō)明，而不試圖減少所使用的門的數(shù)目。
由于向雙極性編碼器的擴(kuò)展不成問(wèn)題，所以以下只考慮單極性編碼器。在強(qiáng)力(brute-force)單極性二進(jìn)制-一元編碼器(即，根據(jù)其真值表的邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)的編碼器)中，簡(jiǎn)單門的數(shù)目繼而其復(fù)雜性大致隨被編碼的單極性二進(jìn)制輸入的位數(shù)以指數(shù)增加(對(duì)于n位單極性二進(jìn)制數(shù)字，簡(jiǎn)單門的數(shù)目為(n-1).2n)，所以值得考慮設(shè)法減少這種編碼系統(tǒng)的復(fù)雜性。單極性一元編碼方案要求在所表示的數(shù)字輸入數(shù)字具有幅值為M時(shí)，M個(gè)一元輸出應(yīng)該是接通的。例如，圖5示出一n位的單極性二進(jìn)制輸入解碼器8，這里n是偶數(shù)?？烧J(rèn)為n個(gè)輸入信號(hào)是2組n/2個(gè)位。可認(rèn)為2n-1個(gè)輸出以及虛0(零)輸出是2n/2組2n/2個(gè)輸出(注意2n/2×2n/2＝2n)。強(qiáng)力n位編碼器可具有(n-1).2n數(shù)量級(jí)的門。圖6所示的方案使用兩個(gè)n/2位的編碼器9，在它們之間等分n個(gè)二進(jìn)制位11，在邏輯方框10中只有極少的簡(jiǎn)單附加門。在此例的邏輯方框10中，在總共2n/2個(gè)門中僅示出4個(gè)門，每個(gè)門驅(qū)動(dòng)2n/2-1個(gè)一元輸出端并具有相同數(shù)目的標(biāo)準(zhǔn)輸入端，每個(gè)輸入端接通一個(gè)輸出端。此外，2n/2個(gè)邏輯方框10中的每個(gè)方框設(shè)有一ALL輸入端，在該輸入端接通時(shí)，它接通此邏輯方框的所有輸出端，而不管其它任何輸入端的狀態(tài)；此外，還有一ENABLE輸入端，如果任一個(gè)一元輸入端能接通其相應(yīng)的輸出端，則ENABLE輸入端必須接通。除了圖9所示相對(duì)位置中每個(gè)2n/2邏輯方框10的2n/2-1個(gè)輸出端以外，還使用上部編碼器9的2n/2-1個(gè)一元輸出端。綜上所述，n位單極性二進(jìn)制-一元編碼器總共需要2n/2-1+(2n/2-1)(2n/2)＝2n-1個(gè)輸出端。如果以強(qiáng)力方式實(shí)現(xiàn)，則每個(gè)n/2位編碼器9具有(n/2-1).2n/2數(shù)量級(jí)的門，所以兩個(gè)編碼器將具有~(n/2-1).2n/2+1個(gè)門。這比強(qiáng)力n位編碼器中的門數(shù)少得多。例如，如果n＝10(良好音質(zhì)的合理值)，則(n-1).2n＝9216是強(qiáng)力10位一元編碼器的大概門數(shù)，而(n/2-1).2n/2+1＝26＝256是強(qiáng)力5位一元編碼器的大概門數(shù)，一對(duì)這樣的編碼器只需要512個(gè)門，這比9216少得多。于是，因?yàn)橐源朔绞街圃斓木幋a器簡(jiǎn)單得多，而且可使用多個(gè)同樣的器件(在此例中，是兩個(gè)n/2位的編碼器)，所以可大大地減少成本。此分解方案不限于這里為舉例說(shuō)明所述的n~(n/2乘以2)方案。也可以許多其它方式對(duì)輸入位進(jìn)行分組，仍可實(shí)現(xiàn)減少門數(shù)和整個(gè)復(fù)雜性。例如，如果n是3的倍數(shù)，則可把n個(gè)輸入位分成3組n/3(例如，如果n＝12，則具有(12-1).212＝45056級(jí)門的單個(gè)編碼器，可用三個(gè)4位的編碼器替代)，一般，當(dāng)n是k的倍數(shù)時(shí)，則可把輸入位分成k組n/k。
圖7示出m個(gè)輸入端的邏輯方框10，這些方框包含用以提供ALL和ENABLE功能的額外選通。對(duì)一m個(gè)輸入端的邏輯方框，大致需要2m個(gè)簡(jiǎn)單門。所需的選通非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樾枰鄠€(gè)這樣的單元(對(duì)于上例，在10位二進(jìn)制輸入被分解成兩組5位時(shí)，需要32(＝25)個(gè)邏輯方框，每個(gè)方框具有32個(gè)輸出端)，可大大減少其單元成本。
在圖8中示意地示出用于實(shí)現(xiàn)n位二進(jìn)制-一元編碼器的不同方案，這里通過(guò)總線控制器13把n位二進(jìn)制輸入信號(hào)12加到公共數(shù)據(jù)和控制總線14，總線14與15處所示一系列r個(gè)相同的編碼器子模塊m1、m2、m3...mr相連，每個(gè)子模塊具有16處所示以G1、G2、G3、...Gr分組的p個(gè)經(jīng)編碼的一元輸出?？偩€結(jié)構(gòu)的性質(zhì)使得能把可變數(shù)目的相同模塊15加到總線14，以提供可變位寬的二進(jìn)制-一元編碼方案。在操作中，總線控制器13在電源接通或復(fù)位時(shí)間，通過(guò)控制和數(shù)據(jù)總線14對(duì)所有模塊15進(jìn)行初始化，給每個(gè)模塊15一個(gè)專用地址。在初始化后，在12處饋送到總線控制器的n位二進(jìn)制數(shù)據(jù)并行地傳到所有的子模塊15，依據(jù)每個(gè)模塊獨(dú)特的地址(如上所述被總線控制器初始化)，每個(gè)模塊15把獨(dú)特范圍內(nèi)的n位二進(jìn)制輸入信號(hào)值解碼成為p個(gè)一元輸出，總共有p.r個(gè)一元輸出。在一個(gè)示例中，p是2的整數(shù)次冪，例如p＝2q，而且如圖9所示實(shí)現(xiàn)子模塊15，在這里看到把總線14的n位二進(jìn)制輸入數(shù)據(jù)部分分成兩個(gè)位組21和22，總線14的組21包括q個(gè)低位數(shù)據(jù)位，組22包括n-q-1個(gè)高位數(shù)據(jù)位(不包括數(shù)據(jù)的符號(hào)位)。q個(gè)低位數(shù)據(jù)位21被饋送入q位單極性二進(jìn)制-一元編碼器18，它們?cè)?3處被轉(zhuǎn)換成p個(gè)輸出一元信號(hào)，依次連到邏輯方框20的uin輸入端。邏輯方框20在其輸入端uin處的p個(gè)一元信號(hào)23和在其輸出端uout處的p個(gè)一元信號(hào)16之間起到開(kāi)關(guān)的作用，且由兩根輸入線All和Enable控制。如果All輸入端接通(邏輯1)，則所有的p個(gè)一元輸出端16都接通，而與方框20的其它所有輸入端無(wú)關(guān)。如果Enable輸入端接通，則p個(gè)一元輸出端16中的每個(gè)輸出端都處于p個(gè)一元輸入端23中相應(yīng)一個(gè)輸入端的狀態(tài)，從而給出直通的選通功能。最后，如果All或Enable都不接通，則斷開(kāi)所有的p個(gè)一元輸出端16。總線14的n-q-1個(gè)高位數(shù)據(jù)位(不包括數(shù)據(jù)的符號(hào)位)22連到鎖存器17和幅值比較器19。由來(lái)自控制方框25的信號(hào)控制鎖存器，方框25接著通過(guò)總線信號(hào)24連到數(shù)據(jù)和控制總線14，該總線信號(hào)24使總線控制器13在系統(tǒng)初始化時(shí)間通過(guò)下述的機(jī)理(如以下圖10所示)把獨(dú)特的值裝入每個(gè)鎖存器17。在操作中，在初始化后，連續(xù)地把存儲(chǔ)在鎖存器17中的饋送到n-q-1位幅值比較器19的輸入端B的n-q-1位的值與饋送到幅值比較器19的輸入端A的數(shù)據(jù)和控制總線14的上部n-q-1根數(shù)據(jù)線(不包括符號(hào)位)上的值相比較。把比較器19的A＞B輸出連到邏輯方框20的All輸入端，而把比較器19的A＝B輸出連到邏輯方框20的Enable輸入端。此電路的實(shí)際效果是每當(dāng)二進(jìn)制輸入數(shù)據(jù)的值小于鎖存器17中的值(考慮其位的含義)時(shí)，則子模塊15的p個(gè)一元輸出端都不接通。每當(dāng)二進(jìn)制輸入數(shù)據(jù)的值大于保存在鎖存器17中的值(考慮其位的含義)，則方框15的p個(gè)一元輸出端都接通。最后，當(dāng)二進(jìn)制輸入數(shù)據(jù)的值等于保存在鎖存器17中的值(考慮其位的含義)時(shí)，則由編碼器18把剩下的q個(gè)低位位對(duì)p個(gè)一元輸出端編碼成為0。如果有r個(gè)這樣的子模塊15并聯(lián)到總線14，其中每個(gè)子模塊以其各個(gè)鎖存器17中的不同值進(jìn)行編程，則整個(gè)組件將根據(jù)需要把n位二進(jìn)制輸入值完全編碼到p.r個(gè)一元輸出線上。此結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、模塊化和便于擴(kuò)展到更大數(shù)目的相同模塊15和更大數(shù)目的輸入位n。
圖10示出了一種一般的方法，用于使多個(gè)相同的模塊在并行總線結(jié)構(gòu)上互連，而且即使在模塊不包含硬線獨(dú)特的識(shí)別代碼時(shí)，也可提供獨(dú)立地控制每個(gè)模塊的裝置。在圖10中，27表示使多個(gè)模塊并聯(lián)的數(shù)據(jù)和/或控制總線，它類似于例如圖8和9所示的數(shù)據(jù)和控制總線14?？偩€27中的一根線分別如26和32所示，這根線在總線上35處所示的每個(gè)模塊連接位置處中斷。總線在總線控制器方向上的末端(例如圖8中的13)示為33，控制線26在該方向連到標(biāo)準(zhǔn)D型觸發(fā)器30的D輸入端并朝向總線上的下一個(gè)模塊，該觸發(fā)器的Q輸出端如此連接，從而驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)離總線控制器的總線的線32。觸發(fā)器30的時(shí)鐘和復(fù)位控制輸入端連到29和28所示合適的總線控制線。每當(dāng)模塊中的線31處于邏輯1時(shí)，該模塊將響應(yīng)于總線線27上的編程信息，否則它將忽略該信息(由于模塊中未示出的其它電路被線31所控制)。在操作中，為了分別和獨(dú)立地控制總線27上具有圖10所示控制電路的所有模塊，總線控制器(在圖10中未示出)首先在線28上發(fā)出復(fù)位信號(hào)，該信號(hào)把每個(gè)模塊中的觸發(fā)器30清零，其后控制器把Din線26置于邏輯高電平，此線26只連到總線上的第一個(gè)模塊。然后，總線控制器在時(shí)鐘線29上發(fā)出單個(gè)時(shí)鐘脈沖，對(duì)每個(gè)觸發(fā)器30進(jìn)行計(jì)時(shí)。由于先前對(duì)所有的觸發(fā)器30進(jìn)行復(fù)位，所以除了第一個(gè)觸發(fā)器以外，總線上所有的觸發(fā)器都接收到來(lái)自總線線32上的前一個(gè)觸發(fā)器30的Q個(gè)輸出端的D個(gè)輸入信號(hào)，只有總線上的第一個(gè)觸發(fā)器30將以邏輯1計(jì)時(shí)，其它的所有觸發(fā)器都以邏輯0計(jì)時(shí)。在該點(diǎn)，總線控制器把Din控制線26置于邏輯0，并發(fā)出專用于第一個(gè)總線模塊的任何所需控制信號(hào)。只有模塊1將響應(yīng)于此控制信息，因?yàn)橹挥性撃K的線31處于上述的邏輯高電平。其后，總線控制器在Din控制線26上保持邏輯0，并在線29上發(fā)出連續(xù)的時(shí)鐘脈沖，這些脈沖的作用是把一個(gè)模塊的線31上的邏輯高電平移到下一個(gè)模塊的觸發(fā)器30中，而在其它地方移入邏輯零，整個(gè)結(jié)構(gòu)的操作類似于串行移位寄存器，在連續(xù)的時(shí)鐘脈沖之間，總線控制器對(duì)目前被其控制線31啟動(dòng)的一個(gè)模塊發(fā)出編程和控制信息，該控制器目前在如此形成的移位寄存器結(jié)構(gòu)中保持單個(gè)脈沖。如果需要，總線控制器還可通過(guò)只連到總線上最后一個(gè)模塊中的線32的空閑線連接到控制總線的遠(yuǎn)端(遠(yuǎn)離總線控制器)，總線控制器以此方式通過(guò)等待移位寄存器中移位通過(guò)脈沖的到來(lái)，可確定是否已對(duì)總線上的所有模塊進(jìn)行編程，也可計(jì)算所存在的模塊數(shù)目，這對(duì)想要進(jìn)行靈活編程的可變模塊結(jié)構(gòu)是有用的。
由于圖1的換能器4可從數(shù)字揚(yáng)聲器中的電信號(hào)產(chǎn)生外部聲(聲學(xué))功率，所以考慮到輸出換能器的效率，換能器驅(qū)動(dòng)器3必須把數(shù)字信號(hào)電平升高到足以產(chǎn)生所需輸出聲功率的功率電平。所需的電平將取決于所使用的換能器的類型，諸如壓電、靜電、動(dòng)圈磁和磁阻型換能器。在數(shù)字邏輯方面，換能器驅(qū)動(dòng)器3是簡(jiǎn)單的脈沖放大器。實(shí)際上，也可需要它們產(chǎn)生一定的脈沖成型，以補(bǔ)償換能器4的傳輸功能，從而保持近似正方形的聲壓脈沖形狀。
圖11示出沿水平軸作為時(shí)間函數(shù)的五個(gè)電波形36、37、38、39和40，36表示在符號(hào)信息組合后從二進(jìn)制-一元編碼器中可獲得的典型雙極性一元電信號(hào)，該信號(hào)相應(yīng)于作為本發(fā)明主題的數(shù)字揚(yáng)聲器一個(gè)換能器的所需壓力輸出。示出的波形部分包圍著時(shí)間0和時(shí)間A之間需要零壓力的周期，從時(shí)間A到時(shí)間B需要恒定的正壓力，從B到C需要壓力為零的另一個(gè)周期，接著從C到D需要壓力恒定為負(fù)的周期，其后需要壓力為零。對(duì)一次近似，換能器的振動(dòng)膜必須以恒速移動(dòng)以產(chǎn)生恒定的壓力，并以零速產(chǎn)生零壓力，因此波形37表示換能器產(chǎn)生36所示壓力分布所需的速度(不是位置)分布與時(shí)間的關(guān)系。對(duì)于振動(dòng)膜上的主反作用力是在產(chǎn)生聲音時(shí)阻止空氣移動(dòng)而引起的阻力或粘滯力的換能器來(lái)說(shuō)，波形37表示實(shí)現(xiàn)36中所需壓力波形的合適的力-時(shí)間分布，繼而它通常也是合適的電驅(qū)動(dòng)波形，所以在此情況下，實(shí)質(zhì)上不需要脈沖成型。對(duì)于振動(dòng)膜上的主反作用力是正比于可能由振動(dòng)膜懸吊而產(chǎn)生的振動(dòng)膜偏轉(zhuǎn)的回復(fù)力的換能器來(lái)說(shuō)，波形38表示實(shí)現(xiàn)36中所需壓力波形的合適的力-時(shí)間分布，其中可看出該分布是由相反斜率的A和B以及C和D之間的恒定斜率部分以及其它地方的零斜率恒定電平組成的，因?yàn)榇撕愣ㄐ甭氏鄳?yīng)于力的線性增加，從而隨時(shí)間而轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致這些周期中近似恒定的壓力輸出。對(duì)于振動(dòng)膜上的主反作用力是換能器移動(dòng)部分和夾帶空氣的質(zhì)量而引起的慣性力的換能器來(lái)說(shuō)，波形39表示實(shí)現(xiàn)36中所需壓力波形的合適的力-時(shí)間分布，其中在時(shí)刻A處，產(chǎn)生在時(shí)刻A’終止的短周期的正驅(qū)動(dòng)力，以給換能器的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量提供正脈沖動(dòng)量，其后，質(zhì)量以近似于恒定的正速度滑動(dòng)到時(shí)刻B，直到時(shí)刻B’都給出一個(gè)短的負(fù)脈沖，以使質(zhì)量快速靜止，其后在時(shí)刻C處，給出一個(gè)更短的負(fù)脈沖直到C’，以給運(yùn)動(dòng)質(zhì)量提供一負(fù)脈沖動(dòng)量，接著是以基本上恒定的負(fù)速度滑動(dòng)的周期，直到時(shí)刻D，在D處再次加上短的正脈沖，直到時(shí)刻D’，以使運(yùn)動(dòng)質(zhì)量靜止。對(duì)于具有混合動(dòng)態(tài)范圍的換能器，其中主導(dǎo)力是上述三種力的組合，則可加上包括37、38和39的某種適當(dāng)線性組合的合成驅(qū)動(dòng)波形，它是40處所示的一個(gè)例子，以根據(jù)需要產(chǎn)生正方形聲脈沖壓力輸出。
在標(biāo)準(zhǔn)脈沖放大器中，可以高的電學(xué)效率產(chǎn)生波形37。也可以下述方式利用具有高頻脈沖波形的脈寬調(diào)制(PWM)以高的電學(xué)效率產(chǎn)生波形38。圖12示出一種新的數(shù)字PWM斜波發(fā)生器，它包括高頻時(shí)鐘發(fā)生器41(其周期比47處的最小脈寬Un短得多)，該發(fā)生器把52處的并行二進(jìn)制輸出QR饋送給k位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器42的時(shí)鐘輸入端，繼而該輸出被饋送到k位二進(jìn)制幅值比較器43的兩個(gè)并行二進(jìn)制輸入端(在此例中為B)中的一個(gè)輸入端。數(shù)字分頻器44也連到時(shí)鐘41，51處所示44的輸出端d連到AND門45的兩個(gè)輸入端中的一個(gè)。47所示用作圖11中38處例子的成型為斜波的一元信號(hào)Un連到AND門45的另一個(gè)輸入端，其結(jié)果是每當(dāng)Un處于邏輯1時(shí)，分頻器44的d端時(shí)鐘脈沖連到k位二進(jìn)制升/降計(jì)數(shù)器46的時(shí)鐘輸入端，這些脈沖從AND門45的輸出端發(fā)出，否則AND門的輸出端處于邏輯低電平。升/降計(jì)數(shù)器46把其升/降控制輸入端連到數(shù)字揚(yáng)聲器電路的符號(hào)位(或一元符號(hào)信號(hào))，在時(shí)鐘脈沖到達(dá)其輸入端時(shí)確定計(jì)數(shù)器46是否進(jìn)行增計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù)。設(shè)置計(jì)數(shù)器46的復(fù)位輸入端，以在啟動(dòng)時(shí)把計(jì)數(shù)器設(shè)定在半全計(jì)數(shù)(例如，如果k等于10，從而46具有102310＝11111111112(二進(jìn)制)的最大計(jì)數(shù)，則設(shè)置復(fù)位端把計(jì)數(shù)器設(shè)定在51110＝01111111112)，復(fù)位端也連到49處所示的外部信號(hào)Res，例如該信號(hào)是在系統(tǒng)初始化時(shí)或者可能是在來(lái)自一元輸出Un的所需輸出信號(hào)等于零的其它時(shí)間由總線控制器13發(fā)出的。升/降計(jì)數(shù)器46的k位并行二進(jìn)制輸出Q1連到比較器43的并行二進(jìn)制輸入端A，從而比較器相對(duì)于42的輸出QR的幅值連續(xù)地確定46的輸出Q1的幅值，每當(dāng)Q1＞QR時(shí)，則比較器43的輸出端A＞B處于邏輯高電平。為了簡(jiǎn)化，沒(méi)有示出數(shù)據(jù)同步的細(xì)節(jié)。此邏輯電路的效果是在復(fù)位時(shí)間以后(即，在Res脈沖已從電路方框外部發(fā)送到49后)以及在Un保持邏輯低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器46在半-全計(jì)數(shù)處保持靜態(tài)，而計(jì)數(shù)器42在其整個(gè)k位計(jì)數(shù)范圍以周期P＝2k/f循環(huán)計(jì)數(shù)，這里f是數(shù)字時(shí)鐘41的頻率，于是輸出在50所示的從43的輸出端A＞B處得到的PWM，準(zhǔn)確地要花費(fèi)在邏輯低電平和邏輯高電平各一半的時(shí)間。因此，此輸出50具有周期P和1∶1的傳號(hào)-空號(hào)比。從此狀態(tài)開(kāi)始，當(dāng)Un達(dá)到邏輯高電平時(shí)，則計(jì)數(shù)器46根據(jù)符號(hào)輸入的狀態(tài)，以分頻時(shí)鐘信號(hào)51所確定的恒定速率從其初始半全計(jì)數(shù)進(jìn)行增計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù)，從而計(jì)數(shù)器46Q1處以并行二進(jìn)制獲得的瞬時(shí)輸出值V以每秒f/D個(gè)計(jì)數(shù)的速率隨時(shí)間線性變化，這里D是時(shí)鐘分頻器44的分頻比。如果計(jì)數(shù)器42的時(shí)鐘速率f比f(wàn)/D大(即，如果D＞＞1)，則可假設(shè)V在計(jì)數(shù)器42的周期P中基本上恒定，在此情況下，對(duì)于周期P的V/(2k-1)部分，PWM信號(hào)50將為高電平，這里0≤V≤(2k-1)，這是信號(hào)50要成為V的線性脈寬調(diào)制表征所需要的精確條件。可示出，即使在條件f＞＞f/D不保持的情況下，該電路仍可在輸出50處產(chǎn)生線性的脈寬調(diào)制信號(hào)。由于在Un處于邏輯1時(shí)，值V隨時(shí)間線性增加或減少(根據(jù)符號(hào)是否處于邏輯高還是低電平)，PWM輸出50的有效值(在與周期P一樣長(zhǎng)的或更長(zhǎng)周期中，它只是輸出50的時(shí)間平均值)在Un接通時(shí)是一線性斜波，在Un斷開(kāi)時(shí)是一靜態(tài)值，這是產(chǎn)生圖11的38處所示類型的波形所需的精確條件，用以驅(qū)動(dòng)彈性限制的換能器，以產(chǎn)生凈正方形數(shù)字聲脈沖輸出。實(shí)際上，進(jìn)行附加的電路精簡(jiǎn)是有用的，其一是使計(jì)數(shù)器46構(gòu)成一閉端計(jì)數(shù)器，從而當(dāng)它達(dá)到最大或最小計(jì)數(shù)時(shí)，將不再翻轉(zhuǎn)而是保持在其最終計(jì)數(shù)值處，直到計(jì)數(shù)方向(升或降)顛倒而且下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到達(dá)。這明顯地提高了PWM發(fā)生器的穩(wěn)定性。不需要從所示計(jì)數(shù)器42所使用的同一時(shí)鐘41得到計(jì)數(shù)器46上的時(shí)鐘輸入clk，即使這也有助于穩(wěn)定性。通過(guò)使時(shí)鐘41與數(shù)字揚(yáng)聲器輸入-數(shù)據(jù)采樣時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步，并且每當(dāng)控制總線上輸入數(shù)據(jù)字的值為零時(shí)，獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)Res輸入49為高電平，可在應(yīng)用此電路的數(shù)字揚(yáng)聲器中實(shí)現(xiàn)附加的穩(wěn)定性。此外，對(duì)于數(shù)字揚(yáng)聲器的應(yīng)用，計(jì)數(shù)器46的全計(jì)數(shù)周期(即T＝2kD/f)必須大于或等于被揚(yáng)聲器真實(shí)再現(xiàn)所需的最低頻率音頻信號(hào)的半周期，對(duì)于20Hz的較低截止頻率為，25毫秒。在把此PWM發(fā)生器應(yīng)用于數(shù)字揚(yáng)聲器時(shí)，應(yīng)注意，可在分配給各別一元輸出Un的大量獨(dú)立PWM發(fā)生器中共享電路元件41、42和44，因此可明顯地減少部件。應(yīng)注意，產(chǎn)生脈寬調(diào)制波形的數(shù)字方法可應(yīng)用于數(shù)字揚(yáng)聲器以外適于使用PWM的任何地方。
PWM系統(tǒng)的一個(gè)共同要求是用低通濾波器系統(tǒng)來(lái)減少最終輸出驅(qū)動(dòng)波形中的高頻開(kāi)關(guān)噪聲。PWM時(shí)鐘速率越接近于要求在低通濾波輸出中再現(xiàn)的最高調(diào)制頻率，則低通濾波器制造起來(lái)更復(fù)雜且更昂貴?，F(xiàn)在描述不使用額外的元件對(duì)擴(kuò)大圖12所示PWM發(fā)生器的這一頻率比實(shí)現(xiàn)最大化的方法。圖13更詳細(xì)地示出把k位字邏輯器件諸如兩個(gè)k位計(jì)數(shù)器42和46互連到k位幅值比較器43的常規(guī)方法，這里可看出，把示為q0、q1、q2...的計(jì)數(shù)器46和42的最低位(LSB)輸出端連到示為A0、A1、A2...和B0、B1、B2…的比較器43的LSB輸入端，而把其余的位以同一次序直到通過(guò)最高位(MSB)pk-1連到Ak-1和Bk-1。此連接方法導(dǎo)致在50處的PWM輸出波形具有2k/f的脈沖周期，這里f是計(jì)數(shù)器42的時(shí)鐘頻率，k是該計(jì)數(shù)器中的位數(shù)。作為一個(gè)例子，對(duì)于k＝3的簡(jiǎn)單情況，如果計(jì)數(shù)器46的輸出所表示的值(假定為靜態(tài))是1012＝510，則圖14在52示出在輸出50處的期望波形，其傳號(hào)∶空號(hào)比為5∶3，在51處示出計(jì)數(shù)器42的時(shí)鐘輸入信號(hào)，并把每個(gè)時(shí)鐘脈沖上方計(jì)數(shù)器42’的計(jì)數(shù)狀態(tài)標(biāo)為0、1、2、...7、0等。因?yàn)楫?dāng)計(jì)數(shù)器42處于前五個(gè)狀態(tài)0到4時(shí)，其輸出小于在此例中值5處假定為靜態(tài)的計(jì)數(shù)器46的輸出，所以獲得波形52，所以對(duì)于這些狀態(tài)比較器的A＞B輸出處于邏輯高電平，其后此輸出在計(jì)數(shù)器42’周期的其余時(shí)間內(nèi)變低電平。如圖15所示，在電路的改進(jìn)形式中，可看到已顛倒了計(jì)數(shù)器42的k位輸出與比較器43的k位輸入之間的位連接次序，從而現(xiàn)在計(jì)數(shù)器qk-1的MSB位連到比較器43的LSB輸入端B0，對(duì)這些器件之間的其它位連接進(jìn)行這一位次序顛倒，直到把q0連到Bk-1。位顛倒的效果是在以常規(guī)的位次序進(jìn)行觀察時(shí)，改變?cè)诒容^器43的Bi(0≤i＜k)輸入端上所看到的計(jì)數(shù)序列，其中B0是此比較器輸入端的最低位。先前所給出例子(k＝3，這里計(jì)數(shù)器46的輸出端上具有值5)的實(shí)際計(jì)數(shù)序列如圖16中的53所示。在變化電路中從50輸出的PWM如圖16中的54所示，這里可看到，雖然該輸出仍具有先前布局所需5∶3的平均傳號(hào)-空號(hào)比(如圖14中的52處所示)，但它現(xiàn)在在計(jì)數(shù)器42的一個(gè)周期中由三個(gè)循環(huán)構(gòu)成，而不僅僅是一個(gè)循環(huán)。這的確是減少低通濾波效應(yīng)所需的結(jié)果。對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的熟練技術(shù)人員很明顯的是，此提高PWM輸出波形的有效脈沖速率的新技術(shù)一般可應(yīng)用于所有的脈寬調(diào)制設(shè)備，并不限于這里提出的數(shù)字揚(yáng)聲器的發(fā)明中。因此，除了這里所示的位連接以外，42和43之間位連接的其它重新排序也是有用的，但可看出，位顛倒排序在PWM輸出狀態(tài)的整個(gè)范圍內(nèi)給出了最大數(shù)目的輸出轉(zhuǎn)換。尤其是，位顛倒排序在50處產(chǎn)生一個(gè)輸出，當(dāng)計(jì)數(shù)器46處于半-全計(jì)數(shù)時(shí)，該輸出在每個(gè)時(shí)鐘脈沖上對(duì)計(jì)數(shù)器42進(jìn)行轉(zhuǎn)換，它是此電路最大的可能輸出頻率，具有50％或1∶1的傳號(hào)-空號(hào)比。
圖17示出的一種數(shù)字方法用于產(chǎn)生圖11中39所示的波形，以驅(qū)動(dòng)有限質(zhì)量(慣性支配)的聲換能器，這里58處的一元輸入信號(hào)Un和符號(hào)信號(hào)通過(guò)一對(duì)異或門59和62以及倒相器64如此驅(qū)動(dòng)一對(duì)觸發(fā)器57和60的時(shí)鐘輸入端Clk，從而在Un信號(hào)的前沿在一個(gè)觸發(fā)器的D輸入端以邏輯1計(jì)時(shí)，并在該信號(hào)的后沿在另一個(gè)觸發(fā)器的D輸入端以邏輯1計(jì)時(shí)，其觸發(fā)響應(yīng)于與符號(hào)信號(hào)有關(guān)的邊沿。在所示的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)符號(hào)處于邏輯低電平時(shí)，則觸發(fā)器57被Un的前沿(上升沿)計(jì)時(shí)，觸發(fā)器60被后沿(下降沿)計(jì)時(shí)。使Un的前沿和后沿與55處時(shí)鐘信號(hào)Clock(其波形如圖18中65處示意所示)的上升沿同步，該時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)倒相器56加到觸發(fā)器57和60的復(fù)位輸入端R。此結(jié)構(gòu)得到的效果是，當(dāng)Un處于高電平(見(jiàn)圖18的波形66)時(shí)，如67所示，觸發(fā)器輸出端中的一個(gè)也處于高電平，然后在半個(gè)時(shí)鐘循環(huán)(Clock的)以后復(fù)位到0，接著在Un處于低電平時(shí)，如68所示，另一個(gè)觸發(fā)器輸出端在Clock的半個(gè)循環(huán)中處于高電平，然后也處于低電平。如果如圖17所示用兩個(gè)觸發(fā)器輸出端Q1和Q2以推-挽方式直接或通過(guò)換能器驅(qū)動(dòng)器電路來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)換能器63，則由圖18中69處所示的它們的差信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)該換能器。此波形的確是如圖11中39處所示，為了產(chǎn)生純凈的聲脈沖而驅(qū)動(dòng)慣性支配的聲換能器所需的波形。
因?yàn)槭怯么罅棵}沖而不是以平滑的模擬波形來(lái)合成數(shù)字揚(yáng)聲器的輸出，所以將存在正常聽(tīng)力范圍以外的頻率分量，聽(tīng)力范圍一般估計(jì)在~20Hz到~20KHz。由于人們一般聽(tīng)不到這些分量，所以可簡(jiǎn)單地忽略這些分量。然而，在20KHz到60KHz范圍的響亮聲音可使家畜產(chǎn)生一定程度的驚慌和緊張，所以需要盡可能減少這些發(fā)射。
一個(gè)途徑是把聲學(xué)低通濾波器置于輸出換能器陣列上，以直接在產(chǎn)生這些頻率的點(diǎn)上吸收這些頻率。有一種材料可提供所需的濾波，它在超過(guò)~20HKz時(shí)具有很強(qiáng)的吸聲能力，而在低于~20KHz時(shí)實(shí)際上是透音的。
第二個(gè)途徑是盡量減少換能器本身的高頻發(fā)射。即便在操作的最高頻率處，保證使數(shù)字揚(yáng)聲器的分辨率(以位或一元數(shù)字衡量)保持盡可能高，可實(shí)現(xiàn)此方法。Nyquist定理告訴我們，為了以數(shù)字樣品充分地再現(xiàn)20KHz的正弦波形，需要以至少40KHz的頻率進(jìn)行采樣。實(shí)際上，只能以理想的低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)從如此少的樣品(即，在以nyquist速率進(jìn)行采樣時(shí)，每個(gè)循環(huán)只有2個(gè)樣品)中再現(xiàn)正弦波形。反之，我們?nèi)绻员萵yquist速率高得多的速率進(jìn)行采樣，則可大大降低對(duì)濾波的要求。如果可以合適的高采樣速率獲得數(shù)字輸入信號(hào)，則除了在整個(gè)數(shù)字揚(yáng)聲器中保持該采樣速率以外，不需要做任何事。然而，如果想要從CD中得到以~44KHz采樣的數(shù)字音頻信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)實(shí)際的數(shù)字揚(yáng)聲器，則需要插入數(shù)字樣品以產(chǎn)生更高的采樣速率。在較高質(zhì)量的CD機(jī)中在某種程度上已進(jìn)行此處理，以在把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電學(xué)模擬信號(hào)作進(jìn)一步放大時(shí)，減輕對(duì)濾波的要求。這里，我們建議在低采樣速率的數(shù)字輸入信號(hào)上進(jìn)行類似的處理，以保證來(lái)自數(shù)字揚(yáng)聲器數(shù)字換能器的聲音輸出信號(hào)含有較少的偽高頻內(nèi)容。
這種在輸出換能器處使用一元代碼的數(shù)字揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)，保證了各個(gè)換能器在正弦波輸出的每個(gè)循環(huán)中只接通和斷開(kāi)一次，而與數(shù)字輸出的分辨率無(wú)關(guān)，從而可以任何程度進(jìn)行此數(shù)字插入處理，而不增加輸出換能器在其頻率響應(yīng)方面的規(guī)定。如果使用二進(jìn)制、三進(jìn)制或以其它數(shù)目(大于或等于2)為基準(zhǔn)的數(shù)字編碼，則無(wú)此獨(dú)立性了。
為了盡量縮短聽(tīng)眾與揚(yáng)聲器各個(gè)換能器元件之間的路程差，需要盡量縮小換能器陣列的空間范圍。較佳的布局把換能器放置成盡可能緊湊的兩維布局來(lái)進(jìn)行，從這一觀點(diǎn)出發(fā)，規(guī)則的圓形、六邊形和正方形陣列形狀接近于最佳。減少換能器數(shù)目給定的陣列空間范圍的第二個(gè)方法是減小換能器本身的口徑。于是，在一個(gè)較佳實(shí)施例中使用小口徑換能器構(gòu)成的緊湊兩維陣列。
減少此路程差的另一個(gè)較佳方法也是可能的，如果換能器本身的前后很薄，則通過(guò)換能器的多層三維布置甚至可進(jìn)一步縮小陣列大小，即把換能器的前面兩維陣列置于其后面的一個(gè)或多個(gè)其它兩維陣列前，使來(lái)自后面陣列的聲音通過(guò)前面陣列元件之間的空隙或換能器本身的通孔。如果換能器必須為圓形(例如，由于其構(gòu)成方法所致)，則在圓形器件的規(guī)則陣列中必然會(huì)有空隙，因?yàn)槟骋怀叽绲膱A周不鑲嵌成棋盤花紋。則此多層兩維布局變得很有吸引力，即使在使用大量換能器時(shí)，也允許構(gòu)成非常緊湊的陣列。把連續(xù)的兩維陣列錯(cuò)開(kāi)使得后面換能器的中心與前面換能器陣列中的空隙或孔對(duì)準(zhǔn)。示出三維換能器陣列側(cè)面圖的圖19和正視圖的圖20說(shuō)明了這些原理。為了同步聽(tīng)眾從三維的不同層中接收的聲脈沖，最好把差分?jǐn)?shù)字延遲加到每一層的信號(hào)中，以補(bǔ)償它們與聽(tīng)眾的不同距離(見(jiàn)以下說(shuō)明)。
因?yàn)橐辉獢?shù)字代碼沒(méi)有特殊的位置意義，所以我們可自由地以任意合適的空間方式把換能器驅(qū)動(dòng)器的一元數(shù)字輸出連到陣列中的換能器上。因?yàn)榕c較響的聲音相比，可以總數(shù)較少的換能器來(lái)再現(xiàn)較輕的聲音，所以最好把與相鄰輸入信號(hào)電平相關(guān)的換能器實(shí)際上鄰近輸出換能器陣列。在此方式中，在所有的聲音輸出電平上，使聲源的整個(gè)尺寸盡可能保持緊湊。此外，如果把再現(xiàn)任意特殊聲級(jí)所使用的換能器組的幾何中心保持得盡可能靠近整個(gè)陣列的幾何中心，則明顯的聲源位置將以再現(xiàn)聲級(jí)的變化而變得很不突出。于是，較佳的換能器與換能器驅(qū)動(dòng)器的互連方式包括集中在陣列的幾何中心(如果使用多層陣列，則明顯地?cái)U(kuò)展為三維)上的緊湊螺旋形。圖21示出圓形換能器六邊形兩維陣列的特殊情況的原理，在每個(gè)圓形換能器中示出涉及該換能器接通時(shí)對(duì)特定輸入電平的數(shù)字。它可以直接擴(kuò)展到正方形陣列和其它規(guī)則的兩維和三維陣列結(jié)構(gòu)。
為了使聽(tīng)眾耳朵&大腦可適當(dāng)?shù)貐R合來(lái)自數(shù)字揚(yáng)聲器的脈沖陣列，從而重新構(gòu)成所需的聲音，使來(lái)自輸出陣列中不同換能器的聲音脈沖以正確的時(shí)間關(guān)系到達(dá)(即，作為換能器呈現(xiàn)的原始輸入信號(hào)部分處于同樣的相對(duì)時(shí)間)是很重要的。由于換能器陣列在空間中以兩維或三維分布，所以離揚(yáng)聲器不太遠(yuǎn)的聽(tīng)眾將受到他們?cè)陉嚵兄衅湎鄳?yīng)換能器空間位置的影響，不時(shí)地聽(tīng)見(jiàn)不同的聲音脈沖。換能器Ti(i＝1、...N)一般離L有一特有距離D-di，這里D是最近的換能器到L的距離。所有換能器Ti在時(shí)間t同時(shí)發(fā)出的在L處脈沖的到達(dá)時(shí)間ti將為ti＝t+(D+di)/c[這里，c為聲速]，這一般對(duì)于每個(gè)換能器是不同的。
通過(guò)把差分?jǐn)?shù)字時(shí)間延遲加到每個(gè)換能器，對(duì)于任意給定聽(tīng)眾的位置L，可完全修正此不理想的效果，并可大致修正寬范圍內(nèi)的聽(tīng)眾位置。圖22示出這是如何實(shí)現(xiàn)的-把左邊來(lái)自編碼器的N個(gè)一元信號(hào)中的每一個(gè)信號(hào)饋送到產(chǎn)生如此選擇的延遲t1、t2、...tN的獨(dú)立數(shù)字延遲線73tj＝tMAX-(D+dj)/c。這里tMAX＝(D+dMAX)/c，dMAX是dj的最大值，tj是離L為D+dj距離處換能器Tj的適當(dāng)延遲值。由于每個(gè)換能器的信號(hào)是一位或一元數(shù)字信號(hào)，所以延遲器件可以非常簡(jiǎn)單(例如，1位寬的移位寄存器或適當(dāng)尋址的RAM存儲(chǔ)元件)。如此排列延遲，使最靠近收聽(tīng)位置的換能器延遲最多，那些離它最遠(yuǎn)的換能器延遲最少或完全沒(méi)有延遲，從而給來(lái)自遠(yuǎn)距換能器的聲音‘領(lǐng)先一步’。實(shí)際上，可把所加的延遲量化到適當(dāng)延遲時(shí)間的最接近整數(shù)倍(例如，對(duì)于20Khz輸出信號(hào)上10％的最大誤差，為5微秒)。于是，在每個(gè)換能器驅(qū)動(dòng)器路徑中具有200KHz時(shí)鐘和可變長(zhǎng)度的真實(shí)或合成移位寄存器的數(shù)字延遲系統(tǒng)可滿足了。它可與換能器驅(qū)動(dòng)電路集成在一塊ASIC(專用集成電路)中，并可在驅(qū)動(dòng)器芯片中對(duì)特定換能器和聽(tīng)眾幾何尺寸所需的實(shí)際延遲方式進(jìn)行編程。甚至可改變此程序以在揚(yáng)聲器使用期間適合不同的收聽(tīng)位置。該程序如圖23所示，這里N個(gè)一元編碼輸入到達(dá)77的左邊，饋送到延遲為t1、t2、...到tN的N個(gè)可編程可變數(shù)字延遲發(fā)生器76中，每個(gè)數(shù)字延遲由來(lái)自數(shù)字延遲程序存儲(chǔ)器78的信號(hào)進(jìn)行控制，該存儲(chǔ)器78接收來(lái)自輸入端75的程序延遲信息。延遲發(fā)生器76的輸出最終如示意圖所示驅(qū)動(dòng)換能器74。此程序延遲信息75可在每次使用揚(yáng)聲器前設(shè)定一次，或者也可在揚(yáng)聲器使用過(guò)程中動(dòng)態(tài)地改變，它的一個(gè)應(yīng)用是跟蹤相對(duì)于揚(yáng)聲器的聽(tīng)眾位置，并對(duì)其當(dāng)前位置優(yōu)化延遲分布t1到tN。
輸出換能器的數(shù)字性質(zhì)允許使用一種音量級(jí)控制方法，從而保證在所有的收聽(tīng)級(jí)都能獲得最大信號(hào)分辨率和最大信噪比，在低收聽(tīng)級(jí)處優(yōu)點(diǎn)尤其明顯。本發(fā)明包括兩種在功率產(chǎn)生點(diǎn)處放大器自身音量減少的方法，從而使噪聲和信號(hào)一起減少，于是保持DLS/放大器組合的固有信噪比(snr)。
在一個(gè)較佳方法中，從可變電源電平向輸出脈沖放大器供電，從而在使用較低的音量設(shè)定時(shí)產(chǎn)生較小的脈沖幅度。將使電源輸出電壓以某種方式依賴于選中的音量電平設(shè)定。在此情況下，輸出功率正比于電源電壓的平方，從而給出了較寬的功率輸出范圍而把電源電平保持在脈沖放大器的操作范圍內(nèi)。
在第二較佳方法中，對(duì)輸出換能器驅(qū)動(dòng)器實(shí)行脈寬控制，與脈寬控制相反，雖然通常在整個(gè)數(shù)字時(shí)鐘循環(huán)中換能器接通或斷開(kāi)，但先前在整個(gè)每個(gè)數(shù)字時(shí)鐘循環(huán)中接通的換能器現(xiàn)在在每個(gè)這樣的循環(huán)的同一比例中斷開(kāi)。如果循環(huán)斷開(kāi)的比例是x％，則輸出功率減少到(100-x)％。然而，除了換能器驅(qū)動(dòng)器輸出脈沖放大器的有限上升和下降次數(shù)所引起的限制以外，此方法允許進(jìn)行非常寬范圍的功率電平控制并可完全以數(shù)字方式和高的電效率來(lái)實(shí)現(xiàn)。
最后，如果需要優(yōu)化其各自的優(yōu)點(diǎn)，可結(jié)合使用上述兩種音量或輸出功率控制的方法。
上述進(jìn)行音量控制和減少低電平收聽(tīng)噪聲的方法也可用于減少DLS中所需的換能器總數(shù)，而不減少聲音輸出的有效分辨率。通過(guò)動(dòng)態(tài)地應(yīng)用作為輸入信號(hào)實(shí)際電平函數(shù)的低電平收聽(tīng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)此方法。于是，在輸入信號(hào)幅度很小時(shí)，成比例地減少每個(gè)輸出換能器所提供的輸出功率，在輸入信號(hào)達(dá)到其最大允許值時(shí)，排列輸出換能器以提供最大功率。例如，考慮具有16位有符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)字輸入端，但只有1023個(gè)(＝210-1)一元輸出換能器的系統(tǒng)。每當(dāng)輸入信號(hào)的幅度小到足以用10位或更少的位來(lái)表示時(shí)，最低的10個(gè)(不包括符號(hào)位)輸入位連到10位的單極性二進(jìn)制-一元編碼器，并從此驅(qū)動(dòng)所有的輸出換能器，但每個(gè)換能器的輸出功率從全負(fù)載減少到全功率的1/32(＝1/25)；它以基本上同一的輸出分辨率再現(xiàn)低電平信號(hào)，就象有32767(＝215-1)個(gè)換能器一樣。對(duì)于中等的輸入電平，此例中編碼器的10個(gè)輸入位連到輸入位1到10，然后2到11，直到最高輸入信號(hào)電平的5到15。于是，比最大輸入電平大1/32的輸入信號(hào)總是被量化到10位的精度直到輸出，較小信號(hào)被量化到與具有全16位DLS相同的精度?？梢员热?6位的系統(tǒng)簡(jiǎn)單得多的方式來(lái)獲得16位系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和11位系統(tǒng)的精度。即使在比全幅度低得多的電平再現(xiàn)音樂(lè)時(shí)，16位的CD數(shù)字系統(tǒng)聽(tīng)起來(lái)足夠準(zhǔn)確，這個(gè)事實(shí)表明適中的聲音質(zhì)量不需要全16位的精度。然而，它對(duì)于動(dòng)態(tài)范圍是必需的。上述方案通過(guò)有效地使用數(shù)字信號(hào)的浮點(diǎn)表示法來(lái)提供這兩個(gè)特征。
圖24示出實(shí)現(xiàn)此方案的可能方法，可以理解這里給出的例子不排除其它方法。這里，用一個(gè)m位的數(shù)字揚(yáng)聲器來(lái)再現(xiàn)n位的二進(jìn)制輸入信號(hào)88，m＜n。n位的輸入信號(hào)88被饋送到79處的數(shù)字緩沖存儲(chǔ)器M，該存儲(chǔ)器能存儲(chǔ)處于其最低頻率(例如，對(duì)于20Hz的低頻極限為50ms)的至少半個(gè)循環(huán)的輸入信號(hào)。該信號(hào)88同時(shí)被饋送到85處的比較器C和86處的最大值存儲(chǔ)鎖存器X，從而在此半個(gè)循環(huán)中，在最大值鎖存器86中存儲(chǔ)相繼更大的輸入值。81處的過(guò)零檢測(cè)器在每個(gè)輸入半循環(huán)的結(jié)尾提供一個(gè)信號(hào)。在該點(diǎn)處，最大值鎖存器86中的值表示緩沖器79中所存儲(chǔ)的最大信號(hào)有多大，該緩沖器也包含要被再現(xiàn)的數(shù)字輸入樣品(由于它們被緩存在79中，所以被延遲了)。在下半個(gè)循環(huán)中，這些存儲(chǔ)的樣品從79中讀出，并被揚(yáng)聲器再現(xiàn)，同時(shí)存儲(chǔ)用于下半個(gè)循環(huán)的新值。在此半個(gè)循環(huán)的結(jié)尾，把86中的值鎖存到84處的位數(shù)寄存器B中，該寄存器輸出一個(gè)0到n-m范圍內(nèi)的整數(shù)(同上，這里m＜n)。此數(shù)目用于選擇在此半個(gè)循環(huán)中輸出換能器驅(qū)動(dòng)器83的功率電平(如上所述，這可以用脈寬調(diào)制技術(shù)或電源電壓改變技術(shù)，或它們的組合加以控制)。該數(shù)目也用于選擇無(wú)符號(hào)輸入位0到n-2中的哪個(gè)位將從緩沖器79傳送到82處的二進(jìn)制-一元編碼器U’。由80處的m位寬、n-m路的選擇器方框S進(jìn)行此選擇，它從緩沖器79里取出其數(shù)字信號(hào)輸入(n位寬)，并把這些位中的m位送到一元編碼器82。由來(lái)自寄存器84的信號(hào)確定它該選中哪些位。它總是選擇m位寬的鄰近位組，具有在位0到位n-m范圍內(nèi)選中的最低輸出位以及在范圍m-1到n-2范圍內(nèi)選中的最高輸出位，此例中位n-1是符號(hào)位。
現(xiàn)在將通過(guò)參照?qǐng)D31的例子描述具有上述許多特征的本發(fā)明的特殊實(shí)施例，在圖31中，把n個(gè)二進(jìn)制位構(gòu)成的數(shù)字輸入信號(hào)加到輸入緩沖器1，92處它的一個(gè)任選模擬輸入端連到模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器90，從而產(chǎn)生p個(gè)二進(jìn)制輸出位，這里p≤n，緩沖器1和轉(zhuǎn)換器90的輸出端連到由96處用戶的輸入所控制的數(shù)字選擇器/混頻器89的輸入端。依據(jù)用戶的輸入，把某種組合的輸入信號(hào)以n位二進(jìn)制形式從混頻器89傳送到數(shù)字插入器97，其中在n位數(shù)據(jù)被傳送到信號(hào)延遲存儲(chǔ)和幅值檢測(cè)器95以前，任意地提高輸入信號(hào)的有效采樣速率，在95中，輸入信號(hào)被延遲一段達(dá)到被再現(xiàn)最低音頻的半個(gè)周期的時(shí)間，并確定用那個(gè)延遲信號(hào)的峰值來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)91和93。然后被延遲的n位二進(jìn)制信號(hào)數(shù)據(jù)被傳送到被信號(hào)91控制的m位(n-m)路選擇器(這里m≤n-1)，該選擇器發(fā)出連到二進(jìn)制-一元編碼器2的輸入端的m個(gè)輸出二進(jìn)制(無(wú)符號(hào))位。符號(hào)位從延遲存儲(chǔ)器95直接連到98處所示的編碼器2。存儲(chǔ)器95和選擇器80的作用是如此選擇m位并加上n位輸入信號(hào)的符號(hào)，從而在m位的小組中包含具有引導(dǎo)1的m個(gè)最高的相鄰非符號(hào)位。編碼器2把m個(gè)二進(jìn)制位和符號(hào)位轉(zhuǎn)換成N個(gè)一元信號(hào)，這里N＝2n-1，N個(gè)一元信號(hào)中的一個(gè)信號(hào)是符號(hào)或極性信號(hào)。然后N個(gè)一元信號(hào)被饋送到被延遲編程器78所控制的可變長(zhǎng)度數(shù)字延遲產(chǎn)生器76，其中可調(diào)節(jié)N個(gè)一元信號(hào)中的各種差分延遲，以相對(duì)于收聽(tīng)位置補(bǔ)償換能器4的位置，編程器78的操作模式可由96處的用戶來(lái)改變。然后讓可能被延遲的N個(gè)一元信號(hào)通過(guò)脈沖成型器99，該成型器99可把正方形的輸入脈沖(不是符號(hào)信號(hào))改變成適用于所使用換能器4的類型的不同脈沖形狀，其后把N個(gè)一元信號(hào)傳送到N-1換能器驅(qū)動(dòng)器3，該驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)N-1個(gè)換能器4，后者提供聲脈沖，這些脈沖的組合構(gòu)成再現(xiàn)的輸出聲音。換能器驅(qū)動(dòng)器3由來(lái)自功率電平控制器94的信號(hào)來(lái)控制，該控制器94繼而由來(lái)自95中幅值檢測(cè)器的輸入93來(lái)控制，也可由可能包括音量級(jí)選擇的用戶輸入來(lái)控制。此控制信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)器3的作用是在換能器4被脈沖信號(hào)啟動(dòng)時(shí)改變提供給每個(gè)換能器4的平均輸出功率，從而在存在固定電平的輸入信號(hào)時(shí)，可改變來(lái)自換能器4陣列的平均功率電平。
權(quán)利要求
1.一種揚(yáng)聲器，包括一些基本上相同的換能器，每個(gè)換能器用于把電學(xué)揚(yáng)聲器的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲學(xué)輸出，其中每個(gè)換能器可相互獨(dú)立地被分立時(shí)間采樣的信號(hào)所驅(qū)動(dòng)，這些信號(hào)表示將由揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲音，其特征在于還包括提高輸入信號(hào)的采樣速率的數(shù)字插入裝置；把數(shù)字信號(hào)電平提高到足以產(chǎn)生輸出聲功率的功率水平的脈沖放大器；以及能對(duì)至相關(guān)聯(lián)的換能器的信號(hào)進(jìn)行延遲的延遲裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器，其特征在于具有依靠換能器與收聽(tīng)者的距離來(lái)區(qū)別地延遲至所述換能器的輸入信號(hào)的延遲裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的揚(yáng)聲器，其特征在于延遲裝置是可調(diào)的和/或可編程的。
4.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于脈沖放大器使用脈寬調(diào)制技術(shù)。
5.如以上權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于還包括脈寬調(diào)制裝置。
6.如以上權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于還包括脈沖成型裝置。
7.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于來(lái)自所有換能器的聲學(xué)輸出脈沖的平均幅度是可通過(guò)改變至換能器驅(qū)動(dòng)電路的電源電壓大小而調(diào)節(jié)的。
8.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的揚(yáng)聲器，其特征在于換能器以二維陣列排列。
9.一種用于對(duì)包括數(shù)據(jù)位和符號(hào)位的數(shù)字輸入信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制的數(shù)字脈寬調(diào)制發(fā)生器，其特征在于包括升/降數(shù)字計(jì)數(shù)器，所述升/降計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入由所述數(shù)字輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)位選通而接通和斷開(kāi)，所述升/降計(jì)數(shù)器的升/降輸入由所述數(shù)字輸入信號(hào)的符號(hào)位來(lái)控制；第二數(shù)字計(jì)數(shù)器，所述第二數(shù)字計(jì)數(shù)器由一恒定速率的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)連續(xù)定時(shí)；數(shù)字幅值比較器，所述數(shù)字幅值比較器用于比較所述兩個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出，從而由幅值比較器的大于或小于輸出提供脈寬調(diào)制輸出信號(hào)，當(dāng)所述數(shù)字輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)位處于邏輯一時(shí)所述脈寬調(diào)制輸出信號(hào)的平均值為斜波，而當(dāng)所述數(shù)字輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)位處于邏輯零時(shí)所述平均值為靜態(tài)值，所述斜波的斜率由數(shù)字輸入信號(hào)的符號(hào)位的極性來(lái)確定。
10.如權(quán)利要求9所述的數(shù)字脈寬調(diào)制發(fā)生器，其特征在于所述兩個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出連到幅值比較器的輸入，所述兩個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出的最低有效位連到幅值比較器的最低有效位輸入，其后按照位權(quán)有效性的次序。
11.如權(quán)利要求9所述的數(shù)字脈寬調(diào)制發(fā)生器，其特征在于升/降計(jì)數(shù)器的輸出連到幅值比較器的輸入，升/降數(shù)字計(jì)數(shù)器的輸出的最低有效位連到幅值比較器的輸入的最低有效位，其后按照位權(quán)有效性的次序，以及第二計(jì)數(shù)器的輸出連到幅值比較器的輸入，所述位按照不同于第二計(jì)數(shù)器的輸出的最低有效位連到幅值比較器的輸入的最低有效位且其后按照位權(quán)有效性的次序的順序。
12.如權(quán)利要求9所述的數(shù)字脈寬調(diào)制發(fā)生器，其特征在于升/降計(jì)數(shù)器的輸出連到幅值比較器的輸入，升/降數(shù)字計(jì)數(shù)器的輸出的最低有效位連到幅值比較器的輸入的最低有效位，其后按照位權(quán)有效性的次序，以及第二計(jì)數(shù)器的輸出連到幅值比較器的輸入，第二計(jì)數(shù)器的輸出的最低有效位連到幅值比較器的輸入的最低有效位，其后按照位權(quán)有效性的次序。
13.如權(quán)利要求9到12中任一項(xiàng)所述的數(shù)字脈寬調(diào)制發(fā)生器，其特征在于還包括AND門，所述AND門具有接收頻分形式的恒定時(shí)鐘速率信號(hào)的第一輸入、接收數(shù)字輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)位的第二輸入以及連到升/降計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入的輸出。
14.如權(quán)利要求9到13中任一項(xiàng)所述的數(shù)字脈寬調(diào)制發(fā)生器，其特征在于升/降計(jì)數(shù)器是閉端計(jì)數(shù)器。
15.如權(quán)利要求9到14中任一項(xiàng)所述的數(shù)字脈寬調(diào)制發(fā)生器，其特征在于所述數(shù)字輸入信號(hào)與所述恒定速率時(shí)鐘信號(hào)同步。
16.一種數(shù)字脈寬調(diào)制發(fā)生器，其特征在于包括升/降數(shù)字計(jì)數(shù)器、數(shù)字幅值比較器和第二數(shù)字計(jì)數(shù)器，其中所述幅值比較器比較以常規(guī)方式連到該幅值比較器的這兩個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)的相對(duì)大小，其中所述兩個(gè)計(jì)數(shù)器的最低有效位輸出連到比較器的最低有效位輸入且其后按照位權(quán)有效性的次序，當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器由一恒定速率時(shí)鐘信號(hào)連續(xù)定時(shí)且升/降計(jì)數(shù)器的升/降輸入由時(shí)鐘輸入信號(hào)的符號(hào)位所控制時(shí)，以及當(dāng)升/降計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入根據(jù)是否存在一元輸入信號(hào)選通而接通或斷開(kāi)時(shí)，由幅值比較器的大于或小于輸出來(lái)提供脈寬調(diào)制信號(hào)，其中脈寬調(diào)制的輸出信號(hào)把一元輸入上的穩(wěn)定脈沖轉(zhuǎn)換成輸出處的脈寬調(diào)制斜波，由符號(hào)位輸入的極性來(lái)確定斜波的斜率。
17.如權(quán)利要求16所述的時(shí)鐘脈寬調(diào)制器，其特征在于除了第二計(jì)數(shù)器的輸出以相反的位序連到幅值比較器的輸入端口之一，與常規(guī)的位排序相反，尤其是所述計(jì)數(shù)器的最低有效位輸出連到比較器的最高有效位輸入，反之亦然，從而來(lái)自所述比較器的脈寬調(diào)制輸出經(jīng)第二計(jì)數(shù)器的總計(jì)數(shù)周期進(jìn)行更多的轉(zhuǎn)換，但仍保持所需的平均傳號(hào)-空號(hào)比，繼而大大方便通常所需的對(duì)脈寬調(diào)制輸出的低通濾波。
全文摘要
一種揚(yáng)聲器具有連到數(shù)字插入器的數(shù)字輸入信號(hào)端以增加有效采樣速率，其輸出饋送到信號(hào)延遲和幅值檢測(cè)器，其后可在把輸入信號(hào)加到一元編碼器前減小該輸入信號(hào)的短期動(dòng)態(tài)范圍，該編碼器把數(shù)字輸入信號(hào)編碼成為單個(gè)一元信號(hào)，然后在這些一元信號(hào)通過(guò)換能器驅(qū)動(dòng)器加到多個(gè)基本上相同的聲學(xué)換能器前，對(duì)它們進(jìn)行差分延遲和脈沖成型，由幅值檢測(cè)器和操作人員獲得的信號(hào)來(lái)控制換能器的平均功率驅(qū)動(dòng)電平，以改變所產(chǎn)生的音量。
文檔編號(hào)H03K7/08GK1575037SQ20041000684
公開(kāi)日2005年2月2日 申請(qǐng)日期1996年3月27日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月31日
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