JP3134655B2 - High resolution analog / digital converter - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、アナログ・デジタル変
換器(以下AD変換器と略す)に関し、さらに詳しく
は、帰還形パルス幅変調方式のアナログ・デジタル変換
器の高分解能化に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an analog-to-digital converter (hereinafter abbreviated as "AD converter"), and more particularly to a high-resolution analog-to-digital converter of a feedback pulse width modulation system. .
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より帰還形パルス幅変調(以下単に
PWMと略す)方式のAD変換器が知られている。図4
にPWM方式のAD変換器の原理構成図の一例を示す。
図において、被測定入力電圧EX は入力抵抗R1 を介し
て演算増幅器1の入力端に導かれている。この演算増幅
器1は帰還路にコンデンサC1 が接続されている。さら
に演算増幅器1の入力端には、スイッチSW1 と抵抗R
S とを介して負の基準電圧−ES または正の基準電圧+
ES が選択的に加えられ、また抵抗RC を介して方形波
クロック電圧発生器3からのクロック電圧(±EC )が
加えられている。クロック電圧発生器3は通常クロック
発生器5より発生する基準クロックを分周し、デューテ
ィ比が50で、1周期の平均直流電圧が零になるような
クロック電圧を発生する。なお、演算増幅器1、コンデ
ンサC1 、抵抗R1 ,RS ,RC からなる部分は積分器
となっている。2. Description of the Related Art A feedback-type pulse width modulation (hereinafter simply referred to as PWM) type AD converter has been conventionally known. FIG.
FIG. 1 shows an example of a principle configuration diagram of a PWM type AD converter.
In the figure, the measured input voltage E X is led to an input terminal of the operational amplifier 1 through the input resistor R 1. The operational amplifier 1 has a capacitor C 1 in the feedback path is connected. Further, the switch SW 1 and the resistor R
A negative reference voltage −E S or a positive reference voltage + via S
E S is selectively applied, and the clock voltage (± E C ) from the square wave clock voltage generator 3 is applied via the resistor R C. The clock voltage generator 3 divides the frequency of the reference clock generated by the normal clock generator 5 and generates a clock voltage such that the duty ratio is 50 and the average DC voltage in one cycle becomes zero. Incidentally, the operational amplifier 1, capacitors C 1, resistors R 1, R S, the portion consisting of R C is in the integrator.
【0003】比較器2は、積分器の出力を零レベルと比
較し、積分器出力が正のときは基準電圧+ES が、負の
ときは−ES が積分器へ負帰還されるようにスイッチS
W1を駆動するようになっている。スイッチSW1 が+
ES 側または−ES 側に接している期間は、入力電圧の
大きさによって変化し、その1周期にわたる平均値がち
ょうど入力電圧EX と打ち消し合うところで平衡状態に
なる。なお、クロック電圧±EC はこの系を動作させ、
繰り返し周期Tを定める。[0003] The comparator 2 compares the output of the integrator with a zero level, so the integrator output is the reference voltage + E S when the positive is, when the negative -E S is negatively fed back to the integrator Switch S
The W 1 is adapted to drive. Switch SW 1 is +
E S side or -E S side in contact with that period will vary with the magnitude of the input voltage, an equilibrium state where the average value is canceled exactly the input voltage E X over one period. The clock voltage ± E C activates the system,
A repetition period T is determined.
【0004】さて図5に示すように、スイッチSW1 が
基準電圧+ES 側に接している期間をT1 、−ES 側に
接している期間をT2 とし、また抵抗R1 とRS が等し
いとすれば、系が平衡状態にあるときは、 EX ・T=ES (T2 −T1 ) ∴EX =ES ・(T2 −T1 )/T ……(1) ただし、T1 +T2 =Tが成立する。ES およびTは既
値であるから、(T2 −T1 )を求めることによって入
力電圧EX を知ることができる。[0004] Now, as shown in FIG. 5, T 1 a time period in which the switch SW 1 is in contact with the reference voltage + E S side, the period in contact with -E S side and T 2, also resistors R 1 and R S if equal, when the system is in equilibrium, E X · T = E S (T 2 -T 1) ∴E X = E S · (T 2 -T 1) / T ...... (1) However, T 1 + T 2 = T holds. Since E S and T are already values, it is possible to know the input voltage E X by taking the (T 2 -T 1).
【0005】ゲート制御回路4は比較器2の出力に基づ
きT2 (あるいはT1 )期間だけゲートを開き、クロッ
ク発生器5からの基準クロックCLKを通す。計数部6
でその通過クロックをカウントし、上記(1) 式に基づい
てEX を求めこれを表示器7でデジタル表示する。The gate control circuit 4 opens the gate for the period T 2 (or T 1 ) based on the output of the comparator 2 and passes the reference clock CLK from the clock generator 5. Counting unit 6
Then, the passing clock is counted, EX is obtained based on the above equation (1), and EX is digitally displayed on the display 7.
【0006】このようなPWM方式のAD変換器は、そ
の精度が基準電圧±ES と抵抗R1,RS のみに依存
し、クロック電圧±EC や演算増幅器の増幅度などの影
響を受けず、さらに負帰還によってパルス幅変調が高精
度、高安定化されるため、比較器の不感帯電圧の影響も
受けない等の特徴を有し、優れたものである。[0006] AD converter of such PWM system, depends only on the accuracy and reference voltage ± E S resistor R 1, R S, affected by amplification of the clock voltage ± E C and operational amplifier In addition, since the pulse width modulation is highly accurate and highly stabilized by the negative feedback, the pulse width modulation is excellent in that it is not affected by the dead band voltage of the comparator.
【0007】ところでこのようなPWM方式のAD変換
器は、帰還形であるため一般に応答が遅くステップ入力
に対して安定するまでにクロック電圧EC の数サイクル
分以上を必要とする。However, since such a PWM type AD converter is of a feedback type, it generally has a slow response and requires several cycles of the clock voltage E C until it is stabilized against a step input.
【0008】以下ステップ入力に対する系の応答につい
て説明する。同Bの(3) に示す積分器出力波形におい
て、各時間間隔t1,t2,t3,t4,...とその各時間に
おける波形の傾斜k1,k2,k3,k4,...との間には次
の関係が成立する。The response of the system to a step input will be described below. In the integrator output waveform shown in (3) of the same B, each time interval t 1 , t 2 , t 3 , t 4 ,. . . The inclination k 1 of the waveform at each time, k 2, k 3, k 4, and. . . And the following relationship is established.
【数1】 また、(Equation 1) Also,
【数2】 (Equation 2)
【0009】そして、各傾斜については次の通りであ
る。 k1=(EC −ES −EX )/CR k2=(−EC −ES −EX )/CR k3=(−EC +ES −EX )/CR k4=(EC +ES −EX )/CR ……(4)[0009] Each inclination is as follows. k 1 = (E C -E S -E X) / CR k 2 = (- E C -E S -E X) / CR k 3 = (- E C + E S -E X) / CR k 4 = ( E C + E S -E X) / CR ...... (4)
【0010】さらに、k1,k2,k3,k4 により1周期を形成
するとすれば同時に次の関係が成立する。 k1=k5=k9=...=k4n-3=k4n+1 k2=k6=k10=...=k4n-2=k4n+2 k3=k7=k11=...=k4n-1 k4=k8=k12=...=k4n ……(5)Further, if one cycle is formed by k 1 , k 2 , k 3 , and k 4 , the following relationship is established at the same time. k 1 = k 5 = k 9 = ... = k 4n-3 = k 4n + 1 k 2 = k 6 = k 10 = ... = k 4n-2 = k 4n + 2 k 3 = k 7 = k 11 = ... = k 4n-1 k 4 = k 8 = k 12 = ... = k 4n …… (5)
【0011】ここで比較器の不感帯電圧が零で、かつ上
式が満足されれば、If the dead band voltage of the comparator is zero and the above equation is satisfied,
【数3】 および、(Equation 3) and,
【数4】 が得られる。そして、(Equation 4) Is obtained. And
【数5】 の関係より、t4n-1,t4n,t4n+1,t4n+2 がそれぞれ求めら
れる。(Equation 5) , T 4n−1 , t 4n , t 4n + 1 , and t 4n + 2 are respectively obtained.
【0012】しかしパルス幅変調動作として注目すべき
点は、個々の時間軸の長さよりも正のパルスの期間(t
4n+1+t4n+2)と負のパルス期間(t4n-1+t4n)である。
それぞれのパルス期間は次式のようになる。However, a point to be noted as the pulse width modulation operation is that the period (t) of the pulse which is more positive than the length of each time axis.
4n + 1 + t4n + 2 ) and a negative pulse period ( t4n-1 + t4n ).
Each pulse period is as follows.
【数6】 また、(Equation 6) Also,
【数7】 (Equation 7)
【0013】そして、上式において(k1k3)/(k2k4) が1
より小であればnが増大したとき最終的には、In the above equation, (k 1 k 3 ) / (k 2 k 4 ) is 1
If it is smaller, eventually when n increases,
【数8】 となる。(Equation 8) Becomes
【0014】さて、ステップ電圧に対する応答は次の通
りである。ステップ電圧が加えられたとき定常パルス幅
に速やかに収斂させるためには(k1k3)/(k2k4) を最小に
する必要がある。ここで、EX =mES とすると、The response to the step voltage is as follows. (K 1 k 3 ) / (k 2 k 4 ) needs to be minimized in order to quickly converge to a steady pulse width when a step voltage is applied. Here, when the E X = mE S,
【数9】 が得られる。(Equation 9) Is obtained.
【0015】mをパラメータとして(k1k3)/(k2k4) とE
S /EC の関係を示せば図6のようになる。(k1k3)/(k2
k4) は正であるから、mの値如何にかかわらず、(k1k3)
/(k2k4) が正であるためにはES /EC ≦0.5である
必要がある。ただし、ES /EC =0.5の場合は即応
ではあるが系が不安定になるため、通常ES /EC <
0.5に設定してある。例えば、ES /EC =0.45
とすると、EX をオフにしたとき零電圧になるのにその
残留電圧がEX の0.01%より小さくなるには、 {(k1k3)/(k2k4)}n=(0.14)n ≦10-4 を満足する必要がある。したがって、 n≧5 であり、クロック電圧の5サイクル分以上の時間が必要
となる。なお、n=5で、{(k1k3)/(k2k4)}nが10-4以
下になるES /EC は、上記(14)式においてm=0とし
て計算すると、 ES /EC ≧0.4305 である。要するに、n=5の場合、0.5>ES /EC
≧0.4305にすれば、ステップ入力を0.01%以
上の確度でパルス幅時間を計測でき、計測値の上4桁は
確度が保証された値である。図7は上記のようなステッ
プ入力に対する応答特性を概念的に示したものである。[0015] Using m as a parameter, (k 1 k 3 ) / (k 2 k 4 ) and E
FIG. 6 shows the relationship of S / E C. (k 1 k 3 ) / (k 2
k 4 ) is positive, so (k 1 k 3 ) regardless of the value of m
In order for / (k 2 k 4 ) to be positive, it is necessary that E S / E C ≦ 0.5. However, when E S / E C = 0.5, although the system is responsive, the system becomes unstable, so that E S / E C <
It is set to 0.5. For example, E S / E C = 0.45
When, to become zero voltage when turning off the E X to its residual voltage becomes smaller than 0.01% E X, {(k 1 k 3) / (k 2 k 4)} n = (0 .14) It is necessary to satisfy n ≦ 10 −4 . Therefore, n ≧ 5, and a time longer than 5 cycles of the clock voltage is required. In n = 5, {(k 1 k 3) / (k 2 k 4)} n is E S / E C becomes 10-4 or less, when calculated as m = 0 in the above (14), E S / E C ≧ 0.4305. In short, when n = 5, 0.5> E S / E C
If ≧ 0.4305, the pulse width time can be measured with an accuracy of 0.01% or more for the step input, and the first four digits of the measured value are values whose accuracy is guaranteed. FIG. 7 conceptually shows a response characteristic to the above-described step input.
【0016】[0016]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、計数部
6ではパルス幅時間を基準クロックCLKで計数してい
るので量子化誤差を避けることができず、1ないし2デ
ジットの量子化誤差を伴うという問題があった。また、
測定条件すなわちES とEC の比およびnの値を変えな
いで、さらに精度を上げることはできないという問題が
あった。本発明の目的は、このような点に鑑みてなされ
たもので、AD変換を上位桁と下位桁に分けて求め、そ
の後これを合成することにより高精度で高分解能なPW
M方式のAD変換器を実現しようとするものである。However, since the counting section 6 counts the pulse width time with the reference clock CLK, a quantization error cannot be avoided, and a 1 or 2 digit quantization error is involved. was there. Also,
There has been a problem that the accuracy cannot be further improved without changing the measurement conditions, that is, the ratio of E S to E C and the value of n. An object of the present invention has been made in view of such a point. AD conversion is divided into an upper digit and a lower digit, and is obtained.
It is intended to realize an M-type AD converter.
【0017】[0017]
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明では、方形波クロック電圧と正負の基準
電圧と入力電圧を積分し、入力電圧に対応したデジタル
値を得る帰還形パルス幅変調方式のアナログ・デジタル
変換器において、前記基準電圧の積分時間を基準クロッ
クで計数し、確度が保証される桁数よりも1桁多いi桁
で上位桁計数値を得る計数部と、交互に切り換えられる
前記基準電圧を、前記方形波クロック電圧信号に同期し
て区間平均する区間平均回路と、前記入力電圧と区間平
均回路の差をデジタル変換し、j桁の下位桁計数値を得
る微小電圧計測部と、前記上位桁計測値と下位桁計測値
を合成する際、上位桁の最下位桁を切り捨てこれに下位
桁の計測値を付け足し(i−1+j)桁の計測値に合成
するコントローラと、このコントローラの出力をデジタ
ル表示する表示器を具備したことを特徴とする。In order to achieve the above object, according to the present invention, a feedback pulse for integrating a square wave clock voltage, positive and negative reference voltages, and an input voltage to obtain a digital value corresponding to the input voltage. A width modulation type analog-to-digital converter, which counts an integration time of the reference voltage with a reference clock, and obtains an upper digit count value at i digits which is one digit larger than the digit number whose accuracy is guaranteed; A section averaging circuit for section averaging the reference voltage switched to the section in synchronization with the square-wave clock voltage signal, and a digital conversion of a difference between the input voltage and the section averaging circuit to obtain a j-digit lower digit count value. A voltage measuring unit, and a controller that combines the measured value of the upper digit and the measured value of the lower digit, discards the least significant digit of the upper digit, adds the measured value of the lower digit thereto, and synthesizes the measured value of the (i−1 + j) digit. , Characterized by comprising a display for digitally displaying the output of this controller.
【0018】[0018]
【作用】入力電圧EX を上位桁(i桁)と下位桁(j
桁)に分けて計測し、後でこれを合成する。上位桁は従
来と同様のPWM方式で求める。ただし、桁数(i桁)
は、確度の保証される桁数より1桁多い桁数である。下
位桁(j桁)は、パルス幅変調された基準電圧信号を区
間平均により直流化した値と入力電圧EX の差(EX −
EX ')であり、微小電圧計測部で求められる。このよう
にして求められた上位桁と下位桁の計測値はコントロー
ラにおいて合成される。合成の際、上位桁の最下位桁を
切り捨て(i−1桁となる)、これに下位桁の計測値
(j桁)を付け足し、i−1+j桁の合成値を得る。上
位桁の最下位桁を切り捨てることにより、上位桁の計測
において混入する量子化誤差を削除でき、また確度の保
証された有効桁の値のみ利用することができる。最小分
解能は下位桁で決まる。このようにして、応答速度を落
とすことなく、量子化誤差のない高精度高分解能のAD
変換器を実現することができる。The input voltage EX is expressed by the upper digit (i digit) and the lower digit (j
Digit), and combine them later. The upper digits are obtained by the same PWM method as in the past. However, the number of digits (i digits)
Is the number of digits one digit larger than the number of digits whose accuracy is guaranteed. Lower digit (j digits) is pulse width modulated reference voltage signal difference direct current value and the input voltage E X by the section average (E X -
An E X '), obtained by the minute voltage measuring unit. The measured values of the upper digit and the lower digit obtained in this way are combined in the controller. At the time of synthesis, the least significant digit of the upper digit is rounded down (to i−1 digit), and the measured value of the lower digit (j digit) is added thereto to obtain a combined value of i−1 + j digits. By truncating the least significant digit of the upper digit, it is possible to eliminate the quantization error mixed in the measurement of the upper digit, and to use only the value of the significant digit whose accuracy is guaranteed. The minimum resolution is determined by the lower digit. In this way, a high-precision, high-resolution AD with no quantization error without lowering the response speed
A converter can be realized.
【0019】[0019]
【実施例】以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図1は本発明に係る高分解能AD変換器の一実施例を示
す原理構成図である。なお、図4と同等部分には同一符
号を付し、その部分の説明は省略する。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG.
FIG. 1 is a principle configuration diagram showing one embodiment of a high-resolution AD converter according to the present invention. The same parts as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and the description of those parts will be omitted.
【0020】図において、6aは計数部、10は区間平
均回路、20は差動増幅器、30は微小電圧用AD変換
器、40はコントローラである。計数部6aは、図4に
示す従来の計数部6と同様にゲート制御回路4を通過し
た基準クロックCLKを計数するが、ここでは計数桁数
が従来の場合より1桁多い5桁で計数する。上位4桁は
従来例において説明したように確度が保証されるが、最
下位桁は誤差が混入する。なお量子化誤差もこの最下位
桁に含まれる。In the figure, 6a is a counting section, 10 is a section averaging circuit, 20 is a differential amplifier, 30 is a minute voltage AD converter, and 40 is a controller. The counting unit 6a counts the reference clock CLK that has passed through the gate control circuit 4 in the same manner as the conventional counting unit 6 shown in FIG. 4, but here counts five digits, which is one digit larger than the conventional case. . The accuracy is assured for the upper four digits as described in the conventional example, but errors are mixed in the least significant digit. Note that the quantization error is also included in the least significant digit.
【0021】区間平均回路10は、スイッチSW1 と抵
抗RS の共通接続点に現れる電圧波形(パルス幅変調さ
れた基準電圧波形)の区間平均を求めるものである。区
間平均回路の一例を図2に示す。The section averaging circuit 10 calculates the section average of the voltage waveform (pulse width modulated reference voltage waveform) appearing at the common connection point of the switch SW 1 and the resistor R S. FIG. 2 shows an example of the section averaging circuit.
【0022】図2において、101は積分器で、コンデ
ンサC2 を介して負帰還がほどこされた演算増幅器10
2には入力抵抗R2 を介して入力信号Ei (ここでは、
前記パルス幅変調された基準電圧波形)が与えられる。
103はサンプルホールド回路で、サンプリングパルス
Pが到来するごとに積分器101の出力をサンプルホー
ルドする。このサンプルホールド電圧は抵抗R3 を介し
て積分器101の入力端子へ負帰還される。In FIG. 2, reference numeral 101 denotes an integrator, which is an operational amplifier 10 to which negative feedback is applied via a capacitor C 2.
The 2 via an input resistor R 2 input signals E i (here,
The pulse width modulated reference voltage waveform is provided.
A sample and hold circuit 103 samples and holds the output of the integrator 101 each time a sampling pulse P arrives. The sample hold voltage is negatively fed back via a resistor R 3 to the input terminal of the integrator 101.
【0023】このような区間平均回路によれば、積分器
の出力をサンプルホールドし、それを再び積分器に帰還
しているので、積分器は各サンプリング時点間の区間ご
とに前の区間の積分値と現在の区間の入力信号の瞬時値
との差を積分する。したがって、各区間ごとに積分、ホ
ールド、リセットを繰り返すような方式の区間平均回路
に比べて無用な脈動がないという利点がある。このサン
プルホールド回路103により入力信号を各区間ごとに
平均した直流電圧信号が得られる。なお、ここで使用す
るサンプリングパルスPはクロック電圧±EC に同期し
たパルスであり、このパルスPはコントローラ40にお
いてクロック電圧±EC に基づいて作成される。According to such an interval averaging circuit, the output of the integrator is sampled and held, and the output is fed back to the integrator again. Integrate the difference between the value and the instantaneous value of the input signal in the current section. Therefore, there is an advantage that there is no unnecessary pulsation as compared with a section averaging circuit in which integration, hold and reset are repeated for each section. The sample and hold circuit 103 obtains a DC voltage signal obtained by averaging the input signal for each section. Here, the sampling pulse P to be used is a pulse synchronized with the clock voltage ± E C, the pulse P is generated based on the clock voltage ± E C in the controller 40.
【0024】差動増幅器20は、入力電圧と区間平均回
路の出力電圧との差をn倍して出力する。なお、ここで
は便宜上n=10とする。微小電圧用AD変換器30は
この差動増幅器20の出力をデジタル化するもので、こ
のAD変換器としては微小電圧測定用であればPWM方
式や二重積分形など如何なる方式のAD変換器を用いて
も差し支えない。なお、差動増幅器20と微小電圧用A
D変換器30で成る部分を、ここでは微小電圧計測部と
呼ぶ。The differential amplifier 20 multiplies the difference between the input voltage and the output voltage of the section average circuit by n times and outputs the result. Here, it is assumed that n = 10 for convenience. The micro voltage AD converter 30 digitizes the output of the differential amplifier 20. For the micro voltage measurement, any type of PWM type or double integral type AD converter can be used for measuring the micro voltage. You can use it. Note that the differential amplifier 20 and the small voltage A
The part including the D converter 30 is referred to as a minute voltage measuring unit here.
【0025】コントローラ40は、計数部6aで求めた
上位桁の値と微小電圧用AD変換器30で得た下位桁の
値とを合成して表示器7にデジタル表示させる機能、前
記サンプリングパルスP発生機能、計数部6aと微小電
圧計測手段の値を合成する際に計測開始から何サイクル
目の計測値を合成するかを管理する機能を有する。The controller 40 combines the upper digit value obtained by the counting section 6a with the lower digit value obtained by the minute voltage A / D converter 30 to digitally display the result on the display 7; It has a generation function and a function of managing the number of cycles from the start of measurement when the values of the counting unit 6a and the minute voltage measuring means are combined.
【0026】このような構成における動作を次に説明す
る。なお以下、測定条件としては従来と同様の条件、す
なわちES /EC が0.5近傍であり、クロック電圧5
サイクル分経過したときに計数部6aでは0.01%の
確度でパルス幅時間を測定できる状況の場合を例にとっ
て説明する。計数部6aでは所定の0.01%の確度が
保証される桁数(4桁)より1つ多い5桁(i=5)で
PWMパスル幅を測定する。コントローラ40は入力電
圧EX 測定開始からn=5(5サイクル目)のときの計
測部6aの計測値(これを上位桁計測値と呼ぶ)を読み
取る。このときの計測値が例えば図3に示すように、
3.2537(V)であったとする。この場合、上位4
桁の数値「3.253」は正確であるが、最下位桁の数
値「7」はその確度が保証されない。ここには量子化誤
差も含まれている。The operation in such a configuration will be described below. Hereinafter, the measurement conditions are the same as those in the related art, that is, E S / E C is around 0.5 and the clock voltage 5
An example will be described in which the counting unit 6a can measure the pulse width time with an accuracy of 0.01% when the number of cycles has elapsed. The counting unit 6a measures the PWM pulse width with five digits (i = 5), which is one more than the predetermined number of digits (four digits) at which the accuracy of 0.01% is guaranteed. The controller 40 reads the measured value of the measuring part 6a when the n = 5 from the input voltage E X measurement start (5 cycle) (this is referred to as upper digit measure). The measured value at this time is, for example, as shown in FIG.
It is assumed that the value is 3.2537 (V). In this case, the top 4
The digit number “3.253” is accurate, but the least significant digit “7” is not guaranteed to be accurate. This also includes a quantization error.
【0027】他方、区間平均回路10ではスイッチSW
1 の共通接点に現れる±ES の変調信号(図4の(2) の
方形波状の信号)をサンプルホールドする。このときの
出力EOUT は、 ES ・T1 /R3 −ES ・T2 /R3 =−CEOUT ∴EOUT =ES (T2 −T1 )/(C・R3 ) ……(15) となる。時定数C・R3 がTに等しければ、(1) 式と(1
5)式は等しくなり、したがって出力EOUT は図5の実線
の値EX 'と等しくなる。EX 'は、図5からも明らかなよ
うに、クロック電圧の数サイクル分辺りでは必ず入力電
圧EX よりも小さい。差動増幅器20では入力電圧EX
と区間平均回路10の出力EOUT (=EX ')の差(EX
−EX ')を10倍増幅する。On the other hand, in the section averaging circuit 10, the switch SW
Modulated signals ± E S appearing in the first common contact (a square-wave signal of FIG. 4 (2)) is sampled and held. The output E OUT at this time, E S · T 1 / R 3 -E S · T 2 / R 3 = -CE OUT ∴E OUT = E S (T 2 -T 1) / (C · R 3) ... … (15) If the time constant C · R 3 is equal to T, equation (1) and (1
5) is equal, so that the output E OUT is equal to the value E X ′ of the solid line in FIG. E X ', as is clear from FIG. 5, always less than the input voltage E X is the number of cycles around the clock voltage. Differential amplifier 20, the input voltage E X
Difference between the output E OUT (= E X ') of the interval average circuit 10 and (E X
-E X ') to amplify 10 times.
【0028】微小電圧用AD変換器30はこの差動増幅
器20の出力、すなわち (EX −EX ')×10 をデジタル化する。例えば4桁でデジタル変換されるも
のとし、この時の値(下位桁計測値と呼ぶ)が6448
であったとする。この4桁の値は(EX −EX ')に相当
し、図3に示すように、その最上位桁は計数部6aの計
測値の最下位桁に位する。コントローラ40は、計数部
6aで測定した上位桁計測値の最下位の1桁を切り捨て
上4桁のみを取り出し、これに微小電圧計測部で得た下
位桁計測値4桁を付け足し、8桁の計測値としてこれを
表示器7に渡す。The AD converter 30 for small voltage digitizes outputs, i.e. the (E X -E X ') × 10 of the differential amplifier 20. For example, it is assumed that digital conversion is performed with four digits, and the value at this time (referred to as a lower digit measurement value) is 6,448.
Assume that This four-digit value corresponds to (E X -E X '), as shown in FIG. 3, the most significant digit is coordinated to the least significant digit of the measurement value of the counter 6a. The controller 40 cuts off the least significant digit of the upper digit measurement value measured by the counting unit 6a, extracts only the upper four digits, adds the lower digit measurement value obtained by the minute voltage measurement unit to the four digits, and adds the eight digits. This is passed to the display 7 as a measured value.
【0029】ただし、区間平均回路10では計数部6a
の測定値に対して1サイクル遅れたタイミングで出力が
現れるので、コントローラ40ではn=6(クロック電
圧の6サイクル目)のときの微小電圧測定部の出力を下
位桁計測値として採用する。However, in the section averaging circuit 10, the counting section 6a
Since the output appears at a timing delayed by one cycle with respect to the measured value, the controller 40 uses the output of the minute voltage measuring unit when n = 6 (the sixth cycle of the clock voltage) as the lower digit measured value.
【0030】このように上位桁計測値の最下位桁を切り
捨てることにより量子化誤差の混入を防ぐと同時に、上
位桁と下位桁を合成することにより桁数を多くすること
ができ、高精度高分解能なAD変換器を容易に実現する
ことができる。As described above, by truncating the least significant digit of the measured value of the upper digit, the quantization error is prevented from being mixed, and the number of digits can be increased by synthesizing the upper digit and the lower digit. A high-resolution AD converter can be easily realized.
【0031】なお、本発明は実施例に限定されるもので
はなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜構成上の
変形が可能である。例えば、実施例では計数部6aでの
計測を5桁としたが、これに限定されるものではない。
nを大きくし、計数部6aでの計測を6桁で行う(合成
時には上5桁のみを使用する)ようにしてもよい。また
nを5より小さくしてもよい。一般に、計数部6aでは
i桁、微小電圧計測部ではj桁で測定し、合成時にi桁
の最下位桁を削除してこれに下位桁のj桁が付け足され
る関係にあればよい。ただし、ES /EC やnは、上位
桁計測値において所望の確度が確保されるように設定さ
れている必要がある。It should be noted that the present invention is not limited to the embodiments, and that structural modifications can be made as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, in the embodiment, the measurement by the counting unit 6a is set to five digits, but the present invention is not limited to this.
The value of n may be increased, and the measurement by the counting unit 6a may be performed with six digits (only the first five digits are used during synthesis). Further, n may be smaller than 5. Generally, the counting unit 6a measures i digits, and the minute voltage measuring unit measures j digits. It is sufficient that the least significant digit of the i digit is deleted at the time of synthesis and the j digit of the lower digit is added thereto. However, E S / E C and n need to be set so that desired accuracy is ensured in the upper digit measurement value.
【0032】また差動増幅器では微小電圧用AD変換器
に与える信号を適度の大きさとするため10倍増幅とし
たが、その倍率は固定ではなく、適宜変えることができ
る。ただし、コントローラで上位桁と下位桁の合成を簡
単にするために、10k (k=0,1,2,... )とするのが
望ましい。In the differential amplifier, the signal to be supplied to the minute voltage AD converter is set to 10 times amplification in order to make the signal have an appropriate magnitude. However, the magnification is not fixed but can be changed as appropriate. However, it is desirable to set 10 k (k = 0, 1, 2,...) In order to simplify the combination of the upper digit and the lower digit by the controller.
【0033】[0033]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、入
力電圧EX を上位桁と下位桁に分けて個別に測定し、後
に上行桁計測値の最下位桁を下位桁測定値の最上位桁で
上書きするようにして合成することにより、上位桁計測
値における量子化誤差の混入を防ぐと共に応答速度を落
とすことなく高精度、高分解能のAD変換器を容易に実
現することができ、実用に供してその効果は大である。According to the present invention as described in the foregoing, individually determined by dividing the input voltage E X to the upper and lower digits, lower digits measurements the least significant digit of the ascending digit measured value after the most By combining by overwriting with the upper digit, it is possible to easily realize a high-precision, high-resolution AD converter without lowering the response speed while preventing the mixing of quantization errors in the upper digit measurement value. The effect is large in practical use.
【図1】本発明に係る高分解能AD変換器の一実施例を
示す原理構成図である。FIG. 1 is a principle configuration diagram showing an embodiment of a high-resolution AD converter according to the present invention.
【図2】区間平均回路の一例を示す構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram illustrating an example of a section averaging circuit.
【図3】上位桁と下位桁の合成の様子を示す説明図であ
る。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state of combining upper digits and lower digits.
【図4】従来のPWM方式のAD変換器の原理構成図の
一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a principle configuration diagram of a conventional PWM type AD converter.
【図5】PWM方式AD変換における動作波形図であ
る。FIG. 5 is an operation waveform diagram in PWM AD conversion.
【図6】(k1k3)/(k2k4) とES /EC の関係を示すグラ
フである。FIG. 6 is a graph showing a relationship between (k 1 k 3 ) / (k 2 k 4 ) and E S / E C.
【図7】応答特性を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining response characteristics.
1 演算増幅器 2 比較器 3 クロック電圧発生器 4 ゲート制御回路 5 クロック発生器 6a 計数部 7 表示器 10 区間平均回路 20 差動増幅器 30 微小電圧用AD変換器 40 コントローラ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Operational amplifier 2 Comparator 3 Clock voltage generator 4 Gate control circuit 5 Clock generator 6a Counter 7 Display 10 Section averaging circuit 20 Differential amplifier 30 Micro voltage AD converter 40 Controller
Claims (2)
準電圧(−ES ,+ES )と入力電圧(EX )を積分
し、入力電圧(EX )に対応したデジタル値を得る帰還
形パルス幅変調方式のアナログ・デジタル変換器におい
て、 前記基準電圧の積分時間を基準クロックで計数し、確度
が保証される桁数よりも1桁多いi桁で上位桁計数値を
得る計数部(6a)と、 交互に切り換えられる前記基準電圧を、前記方形波クロ
ック電圧信号に同期して区間平均する区間平均回路(1
0)と、 前記入力電圧(EX )と区間平均回路(10)の差をデ
ジタル変換し、j桁の下位桁計数値を得る微小電圧計測
部と、 前記上位桁計測値と下位桁計測値を合成する際、上位桁
の最下位桁を切り捨てこれに下位桁の計測値を付け足し
(i−1+j)桁の計測値に合成するコントローラ(4
0)と、 このコントローラ(40)の出力をデジタル表示する表
示器を具備したことを特徴とする高分解能アナログ・デ
ジタル変換器。1. A square wave clock voltage (± E C) positive and negative reference voltage (-E S, + E S) and integrates the input voltage (E X), a digital value corresponding to the input voltage (E X) A feedback pulse-width modulation type analog-to-digital converter which obtains the integration time of the reference voltage using a reference clock and obtains a higher-order digit count value at i digits which is one digit larger than the number of digits whose accuracy is guaranteed. And a section averaging circuit (1a) for averaging the section of the reference voltage, which is alternately switched, in synchronization with the square wave clock voltage signal.
0), the difference between the input voltage (E X) and interval average circuit (10) to digital converter, a minute voltage measuring portion for obtaining a lower digit count value of j digits, the upper digit measured value and the lower digit measurement value When combining the (4), the controller (4) that cuts off the least significant digit of the upper digit and adds the measured value of the lower digit to the (i−1 + j) digit measured value
0) and a display for digitally displaying the output of the controller (40).
3以上の範囲に設定すると共に、前記計測部(6a)の
桁数iを5桁とし、 前記コントローラ(40)は、入力電圧(EX )の計測
開始時点からクロック電圧の5サイクル分経過時の前記
計測部(6a)の計数値を上位桁計数値として採用する
ようにしたことを特徴とする請求項1に記載の高分解能
アナログ・デジタル変換器。2. The method according to claim 1, wherein said E S / E C is smaller than 0.5 and 0.4.
3 and sets the above range, the a 5-digit number of digits i of the measuring part (6a), wherein the controller (40) is at 5 cycles elapse of the clock voltage from the measurement starting point of the input voltage (E X) 2. The high resolution analog-to-digital converter according to claim 1, wherein the count value of said measuring section (6a) is adopted as a higher-order digit count value.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP06046933A JP3134655B2 (en) | 1994-03-17 | 1994-03-17 | High resolution analog / digital converter |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06046933A JP3134655B2 (en) | 1994-03-17 | 1994-03-17 | High resolution analog / digital converter |
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|---|---|
| JPH07264072A JPH07264072A (en) | 1995-10-13 |
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