CN102291137B - A/d变换装置和信号处理单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及A/D变换装置和信号处理单元。提供一种A/D变换装置(1，41)，其具有D/A变换功能并且改变A/D变换和D/A变换的分辨率。所述A/D变换装置(1，41)被配置为通过控制电路(10，44)的操作，选择性地执行A/D变换操作和D/A变换操作，所述控制电路根据从外部供应的ADC/DAC功能切换信号控制开关的切换。所述A/D变换操作对经由信号输入端子(3)从外部输入的输入信号电压执行A/D变换，并输出12比特的A/D变换值。所述D/A变换操作经由信号输出端子(9)，输出通过对从外部供应的数字值执行D/A变换操作而产生的模拟电压。

Description

A/D变换装置和信号处理单元

技术领域

本发明涉及循环A/D变换装置以及设置有所述循环A/D变换装置的信号处理单元。

背景技术

作为比如压力传感器装置和电流传感器装置之类的传感器装置的通用输出格式，存在模拟输出格式和数字输出格式。所述前一格式将从传感器元件作为模拟信号(通常为电压)输出的信号，在执行比如放大之类的模拟信号处理后，输出给所述传感器装置的外部。所述后一格式将从传感器元件作为数字值输出的信号，在执行模数(A/D)变换后，输出给所述传感器装置的外部。通常，传感器装置的所要求的输出格式根据使用传感器装置的应用而不同。因此，在过去，输出级的电路根据所要求的输出格式而合适地设计，或者在安装可在两种格式下操作的输出级的电路(用于模拟输出的电路，以及用于数字输出的电路)后，取决于所要求的输出格式，选择性地使用所述电路。为此，用于研发电路的成本以及用于生产在其上制造电路的芯片的成本增加，并且研发周期也增加。

专利文档1公开了一种传感器装置，所述传感器装置使用逐次比较型A/D变换装置，从而使得可以通过使用数模(D/A)变换电路来将模拟输出电路和数字输出电路集成在一个装置内，所述D/A变换电路是所述A/D变换装置的组件。如果使用这种传感器装置，则可以支持模拟输出格式和数字输出格式两者。因此，可以实现小尺寸传感器装置。

(专利文档1)日本专利No.4284851

通常，根据传感器装置的类型以及使用传感器装置的应用的类型，存在多种规格的A/D变换和D/A变换的分辨率(resolution)。另一方面，逐次逼近型A/D变换装置不能在没有改变它的电路配置的情况下改变它的分辨率。因此，当采用专利文档1中公开的技术时，需要根据所要求的分辨率来改变A/D变换装置中的D/A变换电路的电路配置。也就是，在专利文档1中公开的技术中，需要根据A/D变换和D/A变换的分辨率的规格来改变电路配置。因此，研发成本和研发周期必然增加。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种A/D变换装置，所述A/D变换装置具有D/A变换功能，并且包括能够在不改变电路配置的情况下改变A/D变换和D/A变换的分辨率的A/D变换器电路。

本发明的另一目的是提供一种信号处理单元，在所述信号处理单元中包含这种A/D变换装置。

根据本发明的一个方面，一种A/D变换装置包括A/D变换电路、残余电压生成电路、输入切换电路和控制电路。所述残余电压生成电路用于通过放大输入电压和预定模拟电压之间的差值电压来生成残余电压。所述输入切换电路用于将外部信号电压和由残余电压生成电路输出的电压中之一，输入到A/D变换电路和残余电压生成电路。控制电路用于控制A/D变换操作和D/A变换操作的执行。所述A/D变换操作包括A/D变换，所述A/D变换将残余电压生成电路中的模拟电压设置为从A/D变换电路输出的数字变换值的D/A变换值，并且使得外部信号电压通过输入切换电路、A/D变换电路和残余电压生成电路循环流动。D/A变换操作包括D/A变换，所述D/A变换将所述残余电压生成电路中的模拟电压设置为与从外部供应的二进制代码值对应的电压，使得从所述残余电压生成电路输出的模拟电压通过所述输入切换电路和所述残余电压生成电路循环流动，并且从所述残余电压生成电路输出与所述二进制代码值对应的所述模拟电压。

附图说明

根据下面参照附图进行的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更加明显。在附图中：

图1是例示根据本发明的第一实施例的循环A/D变换装置的电子电路图；

图2是1.5比特A/D变换电路的电子电路图；

图3A、3B和3C是例示A/D变换操作中的每个开关的切换状态的电子电路图；

图4是例示A/D变换操作中的操作时序的时序图；

图5是例示1.5比特A/D变换结果和输出电压之间的关系的表格；

图6A、6B、6C和6D是例示D/A变换操作中的每个开关的切换状态的电子电路图；

图7是例示D/A变换操作中的操作时序的时序图；

图8是例示使用循环A/D变换装置的传感器装置的框架结构的方框图；

图9是例示具有模拟输出格式的传感器装置的第一操作时序的时序图；

图10是例示具有模拟输出格式的传感器装置的第二操作时序的时序图；

图11是例示根据本发明的第二实施例的循环A/D变换装置的电子电路图；

图12A、12B和12C是例示第二实施例中的A/D变换操作中的每个开关的切换状态的电子电路图；

图13是例示第二实施例中的A/D变换操作中的操作时序的时序图；

图14A、14B、14C和14D是例示第二实施例中的D/A变换操作中的每个开关的切换状态的电子电路图；

图15是例示第二实施例中的D/A变换操作中的操作时序的时序图；

图16是例示根据本发明的第三实施例的循环A/D变换装置的电子电路图；

图17是例示根据本发明的第四实施例的使用循环A/D变换装置的传感器装置的框架结构的方框图；

图18是例示第四实施例中的具有模拟输出格式的传感器装置的第一操作时序的时序图；和

图19是例示根据本发明的第五实施例的使用循环A/D变换装置的传感器装置的框架结构的方框图。

具体实施方式

(第一实施例)

参见图1，循环A/D变换装置1被设置在例如被安装在供车辆使用的电子控制单元(ECU)中的半导体集成电路装置(IC)中。循环A/D变换装置1被配置为执行A/D变换操作和D/A变换操作。循环A/D变换装置1利用CMOS工艺来制造。

分辨率为1.5比特(m＝1.5)的并行A/D变换电路2的输入端子经由开关S1选择性地连接到信号输入端子3以及运算放大器4的输出端子中之一，或者连接到没有连接的位置。信号输入端子3被供应有输入信号电压(外部信号电压)Vin作为A/D变换的目标。当执行A/D变换操作时，A/D变换电路2的输入端子经由开关1选择性地连接到信号输入端子3和运算放大器4的输出端子中之一。当执行D/A变换操作时，A/D变换电路2的输入端子被设置为没有连接(开放)。

A/D变换电路2的参考电压输入端子VREFP和VREFM分别连接到参考电压Vrefp被供应到的参考电压端子(参考电压线)5以及被供应有参考电压Vrefm(0V)的接地端子(参考电压线)GND。这里，所述参考电压Vrefp被设置为5V，以及运算放大器4利用5V的单电源操作。

A/D变换电路2在电气上被配置为如图2中所例示。也就是，电阻器R0到R2串联在A/D变换电路2的参考电压输入端子VREFP和VREFM之间。电阻器R0和R1的公共节点以及电阻器R1和R2的公共节点分别连接到比较器CMP1和CMP2的反相输入端子(-)。比较器CMP1和CMP2的非反向输入端子(+)连接到A/D变换电路2的输入端子。这里，电阻器R0、R1和R2的电阻值被分别以3/8、2/8和3/8的比率设置。3/8·Vref(1.875V)和5/8·Vref(3.125V)的参考电压被分别输入到比较器CMP1和CMP2的非反向输入端子。

从比较器CMP1和CMP2输出的高电平(H或“1”)或低电平(L或“0”)的输出信号被输入到锁存电路6。当锁存信号被设置为高电平时，锁存电路6保存此时比较器CMP1和CMP2的输出信号，并且将所保存的输出信号输出给编码器7。编码器7基于来自锁存电路6的信号，生成并输出A/D变换代码“00”、“01”和“10”中之一。这些A/D变换代码分别对应于十进制的“0”、“1”和“2”。所述A/D变换代码在如图1中例示的加法器电路8中相加在一起。加法器电路8还包括寄存器，用于保存相加结果。

在图1中，电容器CS1和CS2的下部电极(公共侧电极)分别经由开关S2和S3连接到公共线14，并且还分别经由开关S4和S5连接到接地端子GND。公共线14连接到运算放大器4的反相输入端子(-)。电容器CS1和CS2的上部电极(非公共侧电极)分别经由开关S6和S7，选择性地连接到信号输入端子3、运算放大器4的输出端子、参考电压端子5、以及接地端子GND中之一。电容器CF1和CF2的下部电极(公共侧电极)分别经由开关S8和S9连接到公共线14。电容器CF1和CF2的上部电极(非公共侧电极)经由开关S10，选择性地连接到信号输入端子3和运算放大器4的输出端子中之一。

开关S11连接在运算放大器4的反相输入端子和输出端子之间。运算放大器4的输出端子连接到信号输入端子9。信号输出端子9用于输出经过D/A变换后的模拟电压。电容器CS1、CS2、CF1和CF2彼此之间具有相同的电容C。开关S1到S11由模拟开关构成。

循环A/D变换装置1被配置为根据从外部供应的ADC/DAC功能切换信号，选择性地执行A/D变换操作和D/A变换操作中之一。所述A/D变换操作对经由信号输入端子3从外部输入的输入信号电压Vin执行A/D变换，并且输出12比特的A/D变换值(12比特数字值)。D/A变换操作对从外部供应的数字值(二进制代码值)执行D/A变换，并且经由信号输出端子9输出模拟电压Vout。控制电路10控制A/D变换操作和D/A变换操作的执行，A/D变换操作和D/A变换操作中的每个包括多个步骤。从外部向控制电路10供应ADC/DAC功能切换信号以及作为D/A变换的目标的数字值。控制电路10控制开关S1到S11的切换，输出锁存信号，以及还控制加法器电路8的相加操作。

在本实施例中，电容器CS1对应于第一电容器，电容器CS2对应于第二电容器，以及电容器CF1、CF2对应于第三电容器。尽管电容器CF1和CF2两者在A/D变换操作时充当第三电容器，但是仅仅电容器CF1在D/A变换操作时充当第三电容器。

电容器阵列电路11由电容器CS1和CS2构成。残余电压生成电路12由运算放大器4、电容器阵列电路11、电容器CF1和CF2以及开关S2到S5、S8、S9和S11配置。残余电压生成电路12通过放大所输入的电压和预定模拟电压之间的差值电压来生成残余电压。输入切换电路13由开关S1、S6、S7和S10配置。

电荷分割电路15由运算放大器4和电容器CS 1、CS2配置。电荷分割电路15首先将与参考电压Vrefp对应的电荷存储在电容器CS1中，利用预先设置的预定比率(1/2)来对所存储电荷进行分割，并且将电荷再次存储在电容器CS1和CS2中。电荷累积电路16由运算放大器4和电容器CF1、CF2配置。电荷累积电路16首先将电容器CF1的所存储电荷初始化为零，将所存储电荷与电荷分割电路15的电容器CS2的所存储电荷相加，并且再次存储结果。

接着，将参照图3A、3B、3C和图4来描述A/D变换操作，在A/D变换操作中，利用A/D变换电路来重复12次(12步)1.5-比特A/D变换，并且产生12比特的A/D变换输出值。图3A、3B和3C例示了开关S1到S11的切换状态。图4例示了循环A/D变换装置1的操作时序。假设在开始A/D变换操作之前已经供应用于指示执行A/D变换操作的ADC/DAC功能切换信号，以及开关S8和S9被设置为接通状态(ON)。

(1)从时刻t0到时刻t1(第一步)

当在时刻t0输入A/D变换开始信号时，加法器电路8清零，并且开始第一步。在时刻t0到t1，通过下述过程将A/D变换装置1切换到图3A中例示的状态A。也就是，控制电路10将开关S1转到通向信号输入端子3的位置。A/D变换电路2通过使输入信号电压Vin变为(render)变换输入电压来开始第一次A/D变换(第一步)。在A/D变换电路2中，当比较器CMP1和CMP2的输出信号被确定时，控制电路10输出锁存信号，并且将变换结果保存在锁存电路6中。然后，在加法器电路8中相加从编码器7输出的1.5比特A/D变换代码。

在包括1.5比特A/D变换电路2的循环A/D变换装置1中，在准备电荷重分配时，对形成4C大小的电容的电容器执行电荷设置是必需的。因此，在第二步中准备电荷重分配时，控制电路10接通开关S2、S3和S11，并且将开关S6、S7和S10转到采样位置(通向信号输入端子3的位置)。在这种情况下，开关S4和S5被设置为关断状态(OFF)。相应地，运算放大器4作为电压跟随器操作，并且运算放大器4的输出电压(残余电压)Vout(1)和反相输入端子的电压都被设置为0V。然后，利用输入信号电压Vin对电容器CS1和CS2(电容值为2C)以及电容器CF1和CF2(电容值为2C)进行充电，并且设置4C·Vin的组合电荷。

(2)从时刻t1到时刻t2(第二步)

在时刻t1到时刻t2，通过下述过程将A/D变换装置1切换到图3B中例示的状态B。在时刻t1，在保存第一次A/D变换代码后，控制电路10将开关S1转到通向信号输出端子9(运算放大器4的输出端子)的位置，并且关断开关S11。在完成关断开关S11后，控制电路10将开关S6和S7，从采样位置转到通向参考电压端子5的位置，或者转到通向接地端子GND的位置。

基于A/D变换代码，如图5中例示执行开关S6和S7的当前切换。也就是，当输入信号电压Vin(第二和随后步骤中的输出电压Vout)小于1.875V时，A/D变换代码(从A/D变换电路2输出的A/D变换结果)变为“00”。当A/D变换代码为“00”时，开关S6和S7都被切换到通向接地端子GND的位置。相应地，将参考电压Vrefm(0V)施加到电容器CS1和CS2的上部电极。

当输入信号电压Vin(输出电压Vout)等于或大于1.875V但小于3.125V时，输出的A/D变换代码变为“01”。当A/D变换代码为“01”时，开关S6和S7中的一个开关被切换到通向参考电压端子5的位置，以及另一个开关被切换到通向接地端子GND的位置。相应地，将参考电压Vrefp施加到电容器CS1和CS2的上部电极中之一上，以及将参考电压Vrefm(0V)施加到上部电极中的另一个上。当输入信号电压Vin(输出电压Vout)等于或大于3.125V时，输出的A/D变换代码变为“10”。当A/D变换代码为“10”时，开关S6和S7都被切换到通向参考电压端子5的位置。相应地，将参考电压Vrefp施加到电容器CS1和CS2的上部电极。

在开关S6和S7的切换之前以及之后，运算放大器4的反相输入端子的电荷是守恒(conserve)的。因此，在切换之后，经由电容器CF1和CF2执行对运算放大器4的反馈控制，从而反相输入端子的电压被设置为0V。因此，在电容器CS1、CS2和电容器CF1、CF2之间执行电荷重分配。在本情形下的电荷守恒的关系表达式如下由等式(1)给出，假设运算放大器4的输出电压是Vout(2)，以及第一次A/D变换代码在十进制下是D(1)。

4C·(0-Vin)＝D(1)·C·(0-Vrefp)+2C·(0-Vout(2)) 等式(1)

根据等式(1)，如下得到等式(2)

Vout(2)＝2·(Vin-D(1)·Vrefp/4) 等式(2)

相应地，在第二步中，在运算放大器4的输出端子，输出输出电压(残余电压)Vout(2)，输出电压Vout(2)等于输入信号电压Vin减去与第一次A/D变换代码D(1)对应的D/A变换电压然后乘以2。

在第三步和随后步骤中的输出电压Vout(N)如下由等式(3)给出，假设前一步骤中的输出电压是Vout(N-1)，以及在前一步骤中的十进制的A/D变换代码是D(N-1)。

Vout(N)＝2·(Vout(N-1)-D(N-1)·Vrefp/4) 等式(3)

图5中例示了A/D变换代码和输出电压Vout(N)之间的关系。也就是，与A/D变换代码“00”(十进制为“0”)对应的输出电压Vout(N)由等式(4)或等式(5)给出。

Vout(N)＝2·Vin 等式(4)

Vout(N)＝2·Vout(N-1) 等式(5)

与A/D变换代码“01”(十进制为“1”)对应的输出电压Vout(N)由等式(6)或等式(7)给出。

Vout(N)＝2·Vin-Vrefp/2 等式(6)

Vout(N)＝2·Vout(N-1)-Vrefp/2 等式(7)

与A/D变换代码“10”(十进制为“2”)对应的输出电压Vout(N)由等式(8)或等式(9)给出。

Vout(N)＝2·Vin-Vrefp 等式(8)

Vout(N)＝2·Vout(N-1)-Vrefp 等式(9)

在完成电荷重分配后，并且在运算放大器4的输出电压稳定时(例如，在从时刻t1开始已经过去预先设置的时间时)，A/D变换电路2开始针对第二步的1.5-比特A/D变换。在完成变换后，与锁存信号同步地将第二次A/D变换代码保存在锁存电路6中。加法器电路8将第二次A/D变换代码与第一次A/D变换代码相加，以覆盖(overlap)一个比特。

(3)从时刻t2到时刻t22(从第三步到第十二步)

在时刻t2到时刻t3，通过下述过程将A/D变换装置1切换到图3C中例示的状态C。也就是，在第三步中的电荷重分配中，预先向所有电容器CS1、CS2、CF1和CF2设置4C·Vout(2)的电荷是必需的。不执行对电容器CS1和CS2的初始化。在时刻t2，在保存第二次A/D变换代码后，控制电路10关断开关S2和S3，并且保存运算放大器4的输出电压Vout(2)。在保存操作期间，在电容器CF1和CF2中分别保存电荷C·Vout(2)。在这种情况下，当开关S4和S5接通并且开关S6和S7被切换到通向信号输出端子9的位置时，电容器CS1和CS2利用运算放大器4的输出电压Vout(2)充电(电荷设置)。

在时刻t3，在完成对电容器CS1和CS2的电荷设置后，控制电路10按照与第二步中相同的方式执行电荷重分配。当完成电荷重分配时，A/D变换电路2开始第三次1.5比特A/D变换，并且在完成变换后，与锁存信号同步地将第三次A/D变换代码保存在锁存电路6中。加法器电路8将第三次A/D变换代码与已经相加第一次A/D变换代码和第二次A/D变换代码后的值相加，以覆盖一个比特。

从时刻t4时的第四步骤到稍后的第十二步骤的A/D变换操作与上述第三步骤中的A/D变换操作相同。当在第十二步骤中与锁存信号同步地将十二次A/D变换代码保存在锁存电路6中时，加法器电路8将第十二次A/D变换代码与已经相加第一次A/D变换代码到第十一次A/D变换代码后的值相加，以覆盖一个比特。相应地，循环A/D变换装置1通过在相加操作后删简(truncate)最不重要比特来获得最后的12比特A/D变换代码。

接着，将参照图6A、6B、6C、6D和图7来描述循环A/D变换装置1的D/A变换操作。图6A、6B、6C和6D例示了开关S1到S11的切换状态。图7例示了循环A/D变换装置1的操作时序。假设下述条件：也就是，在开始D/A变换操作之前，已经供应命令执行D/A变换操作的ADC/DAC功能切换信号，开关S1被设置到没有连接(开放)的位置，开关S10被设置到通向信号输出端子9的位置，以及开关S4和S5被设置为OFF。在D/A变换操作期间，A/D变换电路2的输出变为不定(非固定)。

图6A、6B、6C和6D分别例示了参考电压Vrefp的采样状态A、电容器CS1和CS2之间的电荷分配状态B、从电容器CS2到CF1的电荷相加状态C、以及电容器CS2的电荷初始化状态D。在图形中例示的箭头指示所关注的状态之间的转换可以在D/A过程中发生。

图7例示了在对3比特数字值(二进制代码值)“111”执行D/A变换并且生成7/8·Vrefp的模拟输出电压Vout的情况下的时序图。首先，将开关S2、S3、S8、S9和S11设置为ON，将开关S6切换到通向参考电压端子5的位置，以及将开关S7切换到通向信号输出端子9的位置。在该采样状态A中，与参考电压Vrefp成比例的电荷C·Vrefp被采样到电容器CS1，以及电容器CS2、CF1和CF2的电荷被初始化为0。此时(1)的输出电压Vout为0V。

然后，在开关S8、S9和S11被关断后，开关S6被切换到通向信号输出端子9的位置，以及采样状态A转变到电荷分配状态B。在电荷分配状态B中，电容器CF1的电荷是守恒的。由于具有相同电容值的电容器CS1和CS2连接在运算放大器4的输出端子和反相输入端子之间，在电容器CS1和CS2之间相等地分配电荷(由电荷分割电路15进行的电荷分割操作)。电容器CS1和CS2的电荷如下由等式(10)给出，其中在这种情况下输出电压为Vout(2)。

CS1(CS2)的电荷＝C·Vout(2)＝(1/2)·C·Vrefp 等式(10)

此后，从高阶比特开始，逐比特地处理二进制代码值的数字值。当所关注的比特K是“0”(第一逻辑电平)时，开关S2被设置为OFF，以及开关S11被设置为ON，并且作为起始点的电荷分配状态B转变到电荷初始化状态D。在该电荷初始化状态D中，电容器CS 1和CF1的电荷保持守恒，以及电容器CS2的电荷被初始化为0。在这种情况下的输出电压Vout是0V。

另一方面，当所关注的比特K是“1”(第二逻辑电平)时，开关S2被设置为OFF，开关S8被设置为ON，以及开关S7被切换到通向接地端子GND的位置。作为起始点的电荷分配状态B转变到电荷相加状态C。在该电荷相加状态C中，电容器CS 1的电荷保持守恒，以及在电容器CS2和CF1之间执行电荷分配。电容器CF1的电荷变为电容器CF1自身已经具有的电荷和电容器CS2的电荷之和(由电荷累积电路16进行的电荷相加操作)。

在该情况下，由于所有三个比特都是“1”，从作为起始点的电荷分配状态B转变到电荷相加状态C的操作被重复三次，从而最后在电荷相加状态C下结束。在第一次转变中的电容器CF1的电荷由电容器CF1自身已经具有的电荷0加上电容器CS2的电荷(＝1/2·CVrefp)给出，从而得到求和(＝1/2·CVrefp)。在第二次转变中，电容器CF1的电荷由电容器CF1自身已经具有的电荷(＝1/2·CVrefp)加上电容器CS2的电荷(＝1/4·CVrefp)给出，从而得到求和(＝3/4·CVrefp)。在第三次转变中，电容器CF1的电荷由电容器CF1自身已经具有的电荷(＝3/4·CVrefp)加上电容器CS2的电荷(＝1/8·CVrefp)给出，从而得到求和(＝7/8·CVrefp)。

通常，通过对n比特的数字值(二进制代码值)“K1K2K3...Kn-1Kn”执行D/A变换而产生的模拟电压Vout由等式(11)给出。在这种情况下，当Ki是“1”且Ki+1，Ki+2，.......，Kn均为“0”时，操作可以正好在发生从作为起始点的电荷分配状态B到电荷相加状态C的第i次转变时终止。

$\mathrm{Vout}=\{K1\·\left(\frac{1}{2}\right)+K2\·{\left(\frac{1}{2}\right)}^2+K3\·{\left(\frac{1}{2}\right)}^3+...+\mathrm{Kn}\·{\left(\frac{1}{2}\right)}^n\}\·\mathrm{Vrefp}$ 等式(11)

接着，下面将说明将具有上述配置的循环A/D变换装置1应用于传感器装置的情形，所述传感器装置对传感器的输出信号执行预定信号处理，并且输出结果。

这种传感器装置被配置为如图8中所示。所述传感器装置由参考标记21指示，并且包括例如用于压力传感器的传感器元件22以及信号处理单元23。信号处理单元23包括放大电路24、循环A/D变换装置1以及数字信号处理电路(DSP)25(对应于信号处理电路)。

放大电路24利用预定增益对来自传感器元件22的模拟信号(电压)进行放大，并且输出经过放大后的信号。放大电路24的输出电压被供应给A/D变换装置1。当命令执行A/D变换操作的ADC/DAC功能切换信号被供应时，A/D变换装置1执行A/D变换操作，以执行对放大电路24的输出电压的A/D变换。从A/D变换装置1输出的数字变换值(A/D变换值，数字信号)被供应给数字信号处理电路25。

数字信号处理电路25对由A/D变换装置1输出的与传感器元件22的输出电压对应的数字变换值执行预定信号处理。例如，数字信号处理电路25执行用于改进传感器元件22的输出的线性度的二阶校正、偏移校正等。尽管信号处理可以合适地改变，但是特别是通过以数字格式执行处理而具有非常大的优点的信号处理优选作为所述信号处理。由数字信号处理电路25输出的经过校正后的数字信号被输出到传感器装置21的外部，并且还被供应给A/D变换装置1。当命令执行D/A变换操作的ADC/DAC功能切换信号被供应时，A/D变换装置1执行D/A变换操作，以对数字信号处理电路25输出的数字信号执行D/A变换，并且输出所产生的模拟电压。由A/D变换装置1输出的模拟电压被输出给传感器装置21的外部。

通过使用A/D变换装置1从而使得总是可以执行A/D变换操作，具有上述配置的传感器装置21充当具有数字输出格式的传感器装置，所述传感器装置执行数字输出操作以在对传感器元件22的输出进行数字校正后输出数字信号。通过使用A/D变换装置1从而使得可以通过分时作业(timesharing)来交替地执行A/D变换操作和D/A变换操作，传感器装置21充当具有模拟输出格式的传感器装置，所述传感器装置执行模拟输出操作以在对传感器元件22的输出进行数字校正后输出模拟电压。

上述ADC/DAC功能切换信号从控制电路(未示出)输出。也就是，传感器装置21的数字输出格式和模拟输出格式之间的切换由控制电路控制。传感器装置21的输出信号(数字值或模拟电压)被供应给控制电路。

传感器装置21充当如下参照图9和图10描述的具有模拟输出格式的装置，图9和图10例示了A/D变换装置1和数字信号处理电路25的操作时序。

(1)第一操作模式(图9)

首先，A/D变换装置1被控制来输入放大电路24的输出电压，以及执行A/D变换操作(时刻t0到t1)。此后，数字信号处理电路25被控制来对从A/D变换装置1输出的数字变换值执行信号处理(时刻t1到t2)。然后，A/D变换装置1被控制来输入数字信号处理电路25的输出信号，以及执行D/A变换操作(时刻t2到t3)。这里，由A/D变换装置1输出的模拟电压被输出给外部。在时刻t3和稍后时刻，如同时刻t0到t3的情形，按序重复执行由A/D变换装置1进行的A/D变换操作、由数字信号处理电路25进行的信号处理、以及由A/D变换装置1进行的D/A变换操作。

(2)第二操作模式(图10)

首先，A/D变换装置1被控制来输入放大电路24的输出电压，以及执行A/D变换操作(时刻t0到t1)。此后，数字信号处理电路25被控制来对从A/D变换装置1输出的数字变换值执行信号处理(时刻t1到t2)。在时刻t3到t5，如同时刻t0到t2的情形，执行由A/D变换装置1进行的A/D变换操作以及由数字信号处理电路25进行的信号处理。也就是，在时刻t0到t8，重复三次交替地执行所述A/D变换操作和所述信号处理。

在完成第三次信号处理后，数字信号处理电路25基于下述等式(12)，计算三次的数字值的平均值(中间值)Dave。这里，假设在时刻t0到t2产生的数字值是D(N-2)，在时刻t3到t5产生的数字值是D(N-1)，以及在时刻t6到t8产生的数字值是D(N)。

Dave＝(D(N)+D(N-1)+D(N-2))/3等式(12)

数字信号处理电路25向A/D变换装置1输出由等式(12)定义的三次的数字值的平均值Dave。然后，A/D变换装置1被控制来输入由数字信号处理电路25输出的平均值Dave，并且执行D/A变换操作(时刻t8到t9)。这里，由A/D变换装置1输出的模拟电压被输出给外部。在时刻t9和稍后时刻，如同时刻t0到t9的情形，重复下述步骤，也就是，交替地执行三次由A/D变换装置1进行的A/D变换操作以及由数字信号处理电路25进行的信号处理，然后执行一次由A/D变换装置1进行的D/A变换操作。

数字信号处理电路25可以被配置为只要数字信号处理电路25执行信号处理，就基于等式(12)计算三次的数字值的平均值。在这种情况下，A/D变换装置1所必需的是在预定时间执行D/A变换操作，并且只向外部输出模拟电压。这个预定时间可以被确定为当从外部控制电路供应预定命令时的时间。或者，所述预定时间可以被确定为当计算出平均值Dave时的时间。也就是，还优选的是，只要计算出中间值Dave，就输出所计算出的中间值Dave。

如上所述，第一实施例提供下述优点。

循环A/D变换装置1被配置为通过控制电路10的操作，选择性地执行A/D变换操作和D/A变换操作，控制电路10根据从外部供应的ADC/DAC功能切换信号控制开关S1到S11的切换。所述A/D变换操作对经由信号输入端子3从外部输入的输入信号电压Vin执行A/D变换，并且输出12比特的A/D变换值。所述D/A变换操作输出通过对经由信号输出端子9从外部供应的二进制代码值(数字值)执行D/A变换而产生的模拟电压Vout。也就是，循环A/D变换装置1被配置为能够通过使用残余电压生成电路12，执行D/A变换操作以及A/D变换操作，所述残余电压生成电路12被提供来主要用于执行所述A/D变换操作。因此，可以在不增加电路规模的情况下，实现也具有D/A变换功能的循环A/D变换装置。如上所述的循环A/D变换装置1可以仅仅通过改变循环操作的次数，容易地执行具有任意分辨率的A/D变换操作和D/A变换操作。因此，即使在所述分辨率的规格改变的情况下，也可以利用所要求的分辨率执行A/D变换和D/A变换，而无需响应于改变的规格而改变电路配置。当所述A/D变换装置1被制造为集成电路(IC)芯片时，因为电路配置可以减少，所以可以减少IC芯片的尺寸。

当执行所述D/A变换操作时，电荷分割电路15以预先设置的比率分割自有的所存储的电荷，并且再次存储所分割的电荷，所述自有的所存储的电荷在开始时已经根据参考电压进行设置。电荷累积电路16将已经在开始时初始化的自有的所存储的电荷与电荷分割电路的所存储的电荷相加，并且再次存储相加结果。从外部供应的二进制代码的最重要比特(MSB)开始按序对应于每个比特，电荷分割电路15执行电荷的分割操作，并且根据所关注的比特的数据值，电荷累积电路16执行电荷的累积操作。因此，可以利用与二进制代码的比特数对应的分辨率来执行D/A变换操作，而无需根据分辨率来增加电路配置。

通过使用A/D变换装置1从而使得总是可以执行A/D变换操作，传感器装置21的信号处理单元23对从传感器元件22输出的模拟信号执行A/D变换，然后执行预定数字信号处理，并且将数字信号作为结果输出。因此，使得传感器装置21可以充当具有数字输出格式的装置。通过使用A/D变换装置1从而使得可以通过分时作业(time sharing)来交替地执行A/D变换操作和D/A变换操作，信号处理单元23对从传感器元件22输出的模拟信号执行A/D变换，然后执行预定数字信号处理，并且对数字信号进一步执行D/A变换作为结果，并且最后输出所产生的模拟电压。因此，使得传感器装置21可以充当具有模拟输出格式的装置。当使用包括这种配置的信号处理单元23的传感器装置21时，可以支持模拟输出格式和数字输出格式两者。根据上述配置，与被设计为通过安装循环型A/D变换装置和循环型D/A变换装置来支持数字输出格式和模拟输出格式的传感器装置相比，可以实现传感器装置的尺寸减少。

(第二实施例)

接着，将参照图11到图15描述本发明的第二实施例，其中与第一实施例中相同的单元被赋予相同的标记。

参见图11，循环A/D变换装置31被提供来执行A/D变换操作和D/A变换操作，如同图1中例示的循环A/D变换装置1的情形。A/D变换电路2的输入端子经由开关S31，选择性地连接到信号输入端子3和运算放大器4的输出端子中之一。电容器CS1和CS2的下部电极(公共侧电极)中的每个连接到公共线32。公共线32经由开关S32连接到运算放大器4的反相输入端子，以及经由开关S33连接到接地端子GND。电容器CS1和CS2的上部电极(非公共侧电极)分别经由开关S34和S35，选择性地连接到开关S31的公共接触点、参考电压端子5、以及接地端子GND中之一。

开关S36连接在运算放大器4的反相输入端子和输出端子之间。电容器CF连接在开关S31和运算放大器4的反相输入端子之间。运算放大器4的非反向输入端子连接到接地端子GND。电容器CF拥有两倍于电容器CS1和电容器CS2中的每个的电容(C)的电容(2C)。在开关S36被切换为OFF以及开关S31被切换到通向运算放大器4的输出端子的位置的情况下，电容器CF连接在运算放大器4的输入端子和输出端子之间。开关S31到S36的切换由控制电路10控制。

在第二实施例中，电容器CF对应于第三电容器，以及开关S31对应于输入切换电路。残余电压生成电路33由运算放大器4、电容器阵列电路11、电容器CF以及开关S32到S36构成。电荷累积电路34和电荷分割电路35由运算放大器4以及电容器CS1、CS2和CF构成。在操作时，电荷累积电路34和电荷分割电路35彼此紧密相关。电荷累积电路34首先初始化电容器CF的所存储电荷，然后将与二进制代码的比特数据值对应的电荷或者与预定参考电压Vrefm(0V)对应的电荷累积地相加到电容器CF的所存储电荷上。电荷分割电路35利用预先设置的比率(1/2)来对电容器CF的所存储电荷进行分割，并且再次存储所分割的电荷。

接着，将参照图12A、12B、12C和图13来描述用于产生12比特的A/D变换输出值的A/D变换操作。图12A、12B和12C例示了开关S31到S36的切换状态。图13例示了循环A/D变换装置31的操作时序。假设在开始A/D变换操作之前已经供应用于指示执行A/D变换操作的ADC/DAC功能切换信号。

(1)从时刻t0到时刻t1(第一步)

当在时刻t0输入A/D变换开始信号时，加法器电路8清零，并且开始第一步。在时刻t0到t1，通过下述过程将A/D变换装置31切换到图12A中例示的状态A。也就是，控制电路10将开关S31转到通向信号输入端子3的位置，并且A/D变换电路2开始第一次A/D变换。在加法器电路8中相加作为变换结果的A/D变换代码。

在循环A/D变换装置31中，在准备电荷重分配时，对形成4C大小的电容的电容器执行电荷设置是必需的。因此，在第二步中准备电荷重分配时，控制电路10接通开关S32和S36，并且将开关S34和S35转到采样位置(通向开关S31的位置)。在这种情况下，开关S33被设置为OFF。相应地，运算放大器4作为电压跟随器操作，并且输出电压以及公共线32的电压都被设置为0V。然后，利用输入信号电压Vin对电容器CS1和CS2(电容值＝2C)以及电容器CF(电容值＝2C)进行充电，并且设置4C·Vin的组合电荷。

(2)从时刻t1到时刻t2(第二步)

在时刻t1到时刻t2，通过下述过程将A/D变换装置1切换到图12B中例示的状态B。在时刻t1，在保存第一次A/D变换代码后，控制电路10将开关S31转到通向信号输出端子9的位置，并且关断开关S36。在完全关断开关S36后，控制电路10将开关S34和S35，从采样位置转到通向参考电压端子5的位置，或者转到通向接地端子GND的位置，以执行电荷重分配。在该情形下的电荷守恒的关系表达式由如上所述的等式(1)和等式(2)给出。

在已经完成电荷重分配，并且由等式(2)所例示的运算放大器4的输出电压稳定时，A/D变换电路2开始第二次1.5-比特A/D变换，并且在完成所述变换后，与锁存信号同步地将第二次A/D变换代码保存在锁存电路6中。加法器电路8将第二次A/D变换代码与第一次A/D变换代码相加，以覆盖一个比特。

(3)从时刻t2到时刻t22(从第三步到第十二步)

在时刻t2到时刻t3，通过下述过程将A/D变换装置31切换到图12C中例示的状态C。也就是，在第三步中的电荷重分配中，预先向所有电容器CS1、CS2和CF设置4C·Vout(2)的电荷是必需的。不执行对电容器CS1和CS2的初始化。在时刻t2，在已经保存第二次A/D变换代码后，控制电路10关断开关S32，并且保存运算放大器4的输出电压Vout(2)。在保存操作期间，在电容器CF中保存电荷2C·Vout(2)。当在该状态下接通开关S33并且将开关S34和S35切换到采样位置时，阵列电容器CS1和CS2利用运算放大器4的输出电压Vout(2)进行充电(电荷设置)。

在时刻t3，在完成对电容器CS1和CS2的电荷设置后，控制电路10执行电荷重分配，如同第二步中的情形。当完成电荷重分配时，A/D变换电路2开始第三次1.5比特A/D变换，并且在完成变换后，与锁存信号同步地将第三次A/D变换代码保存在锁存电路6中。加法器电路8将第三次A/D变换代码与已经相加第一次A/D变换代码和第二次A/D变换代码后的值相加，以覆盖一个比特。

从时刻t4后的第四步骤到稍后的第十二步骤的A/D变换操作与上述第三步骤中的A/D变换操作相同。当在第十二步骤中与锁存信号同步地将十二次变换代码保存在锁存电路6中时，加法器电路8将第十二次A/D变换代码与已经相加第一次A/D变换代码到第十一次A/D变换代码后的值相加，以覆盖一个比特。相应地，循环A/D变换装置1通过在相加操作后删简最不重要比特来产生最后的12比特A/D变换代码。

接着，将参照图14A、14B、14C、14D和图15来描述由循环A/D变换装置31进行的D/A变换操作。图14A、14B、14C和14D例示了开关S31到S36的切换状态。图15例示了循环A/D变换装置31的操作时序。假设在开始D/A变换操作之前，已经供应命令执行D/A变换操作的ADC/DAC功能切换信号，以及开关S31被设置到通向信号输出端子9的位置。在D/A变换操作期间，A/D变换电路2的输出变为不定。

与图1中例示的循环A/D变换装置1(循环A/D变换装置1按照从二进制代码的MSB到LSB的顺序执行处理)相比，第二实施例的循环A/D变换装置31按照从二进制代码的LSB到MSB的顺序执行处理，从而对应于每个比特数据值，通过电荷累积电路34执行电荷累积操作以及通过电荷分割电路35执行电荷分割操作。在这方面，第二实施例的循环A/D变换装置31与图1中例示的循环A/D变换装置1不同。

图14A、14B、14C和14D分别例示了在对电容器CF进行初始化时加倍的采样状态A、电容器CF和电容器CS1、CS2之间的电荷分配状态B(电荷累积操作，电荷分割操作)、电容器CS1和CS2上的参考电压Vrefp的采样状态C以及电容器CS1和CS2上的参考电压Vrefm(0V)的采样状态D。在图形中例示的箭头指示所关注的状态之间的转换可以在D/A变换过程中发生。

图15例示了在作为二进制代码值的数字值“K1K2K3”是“101”时的A/D变换装置31的时序图。在第一采样状态A，由于在二进制代码“K1K2K3”＝“101”中表述的LSB的数据值是“1”，所以开关S33和S36被设置为ON，开关S32被设置为OFF，以及开关S34和S35被切换到通向参考电压端子5的位置。相应地，与参考电压Vrep对应的电荷C·Vrefp被采样到电容器CS1和CS2。这种采样状态A在对电容器CF的电荷进行初始化时加倍，并且电容器CF的电荷变为0。

然后，在开关S33和S36被关断后，开关S32被接通，并且开关S34和S35被切换到通向信号输出端子9的位置，以及采样状态A转变到电荷分配状态B。具有相同电容值的电容器CF和电容器CS1、CS2连接在运算放大器4的输出端子和反相输入端子之间。电容器CF的电容值是2C，以及电容器CS1和CS2的电容值分别是C。在电容器CF和电容器CS1、CS2之间同时执行电荷相加和电荷分割。结果是，电容器CF的电荷变为2·CVout(2)，以及电容器CS 1和CS2的电荷分别变为C·Vout(2)。

由于下一比特K2是“0”，所以开关S32被关断，开关S33被接通，并且开关S34和S35被切换到通向接地端子GND的位置，并且状态转变到采样状态D。相应地，与参考电压Vrefm(0V)对应的电荷0被采样到电容器CS1和CS2。此后，状态转变到电荷分配状态B，并且在电容器CF和电容器CS 1、CS2之间同时执行电荷相加以及电荷分割。结果是，电容器CF的电荷由等式(13)给出，以及电容器CS 1和CS2的电荷由等式(14)给出，其中在这种情况下输出电压为Vout(3)。

CF的电荷＝2C·Vout(3)＝(1/2)·C·Vrefp 等式(13)

CS1(CS2)的电荷＝C·Vout(3)＝(1/4)·C·Vrefp 等式(14)

由于下一比特K1(MSB)是“1”，所以开关S32被关断，开关S33被接通，以及开关S34和S35被切换到通向参考电压端子5的位置，并且状态转变到采样状态C。相应地，电容器CS1和CS2采样到与参考电压Vrefp对应的电荷C·Vrefp。此后，状态转变到电荷分配状态B，并且在电容器CF和电容器CS1、CS2之间同时执行电荷相加以及电荷分割。结果是，电容器CF的电荷由等式(15)给出，以及电容器CS 1和CS2的电荷由等式(16)给出，其中在这种情况下输出电压为Vout(4)。

CF的电荷＝2·C·Vout(4)＝(5/4)·C·Vrefp 等式(15)

CS1(CS2)的的电荷＝C·Vout(4)＝(5/8)·C·Vrefp 等式(16)

假设二进制代码K由“K1K2K3，...，Kn-1Kn”表示，如由等式(17)表示，以及与电容器CF的初始化对应的输出电压Vout(n)被设置为“0”，如等式(18)所示，并且由于与LSB对应的第一电荷的相加和分割所产生的输出电压Vout(n-1)由(Vout(n)+Kn·Vrefp)/2给出。控制电路10按照从LSB到MSB的顺序，对应于每个比特，循环执行电容器CF和电容器CS1、CS2的电荷相加以及电容器CF和电容器CS 1、CS2的电荷分割(1/2)。由于与MSB对应的最后电荷的相加和分割而产生的输出电压Vout(0)由(Vout(1)+Kn·Vrefp)/2给出。这是最后的输出电压Vout。因此，根据二进制代码K，可以产生由等式(19)给出的模拟格式的输出电压Vout。

$K=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{2}^{n-1}\·\mathrm{Ki},$ K：数字值代码等式(17)

$\mathrm{Vout}(i-1)=\frac{1}{2}\{\mathrm{Vout}\left(i\right)+\mathrm{ki}\·\mathrm{Vrefp}\}$

(i＝n，n-1，n-2，...，1)

Vout(n)＝0

等式(18)

Vout＝Vout(0)

$\mathrm{Vout}=\{K1\·\left(\frac{1}{2}\right)+K2\·{\left(\frac{1}{2}\right)}^2+K3\·{\left(\frac{1}{2}\right)}^3+...+\mathrm{Kn}\·{\left(\frac{1}{2}\right)}^n\}\·\mathrm{Vrefp}$ 等式(19)

如上所述，根据本实施例产生下述优点。

循环A/D变换装置31被配置为通过控制电路10的操作，选择性地执行A/D变换操作和D/A变换操作，控制电路10根据从外部供应的ADC/DAC功能切换信号控制开关S31到S36的切换。这里，A/D变换操作对经由信号输入端子3从外部输入的输入信号电压Vin执行A/D变换，并且输出12比特的A/D变换值，以及D/A变换操作输出通过对经由信号输出端子9从外部供应的二进制代码值(数字值)执行D/A变换而产生的模拟电压Vout。也就是，如同第一实施例的循环A/D变换装置1中的情形，循环A/D变换装置31被配置为能够通过使用残余电压生成电路33，执行D/A变换操作以及A/D变换操作，所述残余电压生成电路33被提供来主要用于执行所述A/D变换操作。因此，通过本实施例产生与第一实施例相同的优点。

当执行所述D/A变换操作时，电荷累积电路34初始化所存储电荷，然后将与二进制代码的比特数据值对应的电荷或者与参考电压Vrefm(0V)对应的电荷累积地相加到所存储电荷上，并且所述电荷分割电路35利用预先设置的比率(1/2)来对电荷累积电路34的所存储电荷进行分割，并且再次存储所分割的电荷。从二进制代码的LSB开始按序对应于每个比特数据值，由电荷累积电路34执行电荷累积操作以及由电荷分割电路35执行电荷分割操作。因此，根据第二实施例，可以利用与二进制代码的比特数对应的分辨率来执行D/A变换操作，而无需根据分辨率来增加电路配置。

(第三实施例)

接着，将参照图16描述本发明的第三实施例，其中与前述实施例中相同的元件被赋予相同的标记。

参见图16，循环A/D变换装置41被提供来执行差分操作。循环A/D变换装置41是图11中例示的循环A/D变换装置31的差分配置。具有1.5比特的分辨率的并联A/D变换电路42被配置来执行差分操作，以及运算放大器43被配置来供应差分输出。A/D变换电路42的非反向输入端子经由开关S31p，选择性地连接到非反向信号输入端子3p和运算放大器43的非反向输出端子中之一。类似地，A/D变换电路42的反相输入端子经由开关S31m，选择性地连接到反相信号输入端子3m和运算放大器43的反相输出端子中之一。

如同图11中例示的单个配置中的情形，电容器CFp、构成电容器阵列电路11p的电容器CS1p、CS2p，用于切换电容器CS1p和CS2p的上部电极的连接的开关S34p和S35p，以及开关S32p连接在开关S31p的公共接触点和运算放大器43的反相输入端子之间。开关S33p连接在公共线32p和接地端子GND之间，以及开关S36p连接在运算放大器43的反相输入端子和非反向输出端子之间。

类似地，电容器CFm、构成电容器阵列电路11m的电容器CS1m、CS2m，用于切换电容器CS1m和CS2m的上部电极的连接的开关S34m和S35m，以及开关S32m连接在开关S31m的公共接触点和运算放大器43的非反向输入端子之间。开关S33m连接在公共线32m和接地端子GND之间，以及开关S36m连接在运算放大器43的非反向输入端子和反相输出端子之间。

在第三实施例中，残余电压生成电路45由运算放大器43、电容器阵列电路11p和11m、电容器CFp和CFm、以及开关S32p、S32m到S36p、S36m配置。电荷累积电路34p和电荷分割电路35p由运算放大器43以及电容器CS1p、CS2p和CFp配置。电荷累积电路34m和电荷分割电路35m由运算放大器43以及电容器CS1m、CS2m和CFm配置。

控制电路44控制A/D变换操作和D/A变换操作的执行，A/D变换操作和D/A变换操作中的每个包括多个步骤。从外部向控制电路44供应ADC/DAC功能切换信号以及作为D/A变换的目标的数字值(二进制代码值)。控制电路44控制开关S31p、S31m到S36p、S36m的切换，输出锁存信号，以及还控制加法器电路(未示出)的相加操作。优选地，将本电路的布局配置为相对于非反向信号侧和反相信号侧成对称结构。

当从A/D变换装置42的非反向输入端子输出的A/D变换代码是n(十进制表示)时，从反相输出端子输出A/D变换代码(2-n)。利用上述方法，在加法器电路(未示出)中与A/D变换代码n相加。在差分输入-输出型的运算放大器43的非反向输出端子和反相输出端子上，输出以合适的电压(例如，(Vrefp+Vrefm)/2)为中心分别向+侧和-侧偏移相同电压值的电压。

当由如上所述配置的循环A/D变换装置41执行A/D变换操作时每个开关的切换状态和操作时序通常分别与图12A、12B、和12C中例示的切换状态以及图13中例示的操作时序相同。然而，在电荷重分配时，开关S34p和S35p基于从A/D变换电路42的非反向输出端子输出的A/D变换代码n进行切换，以及开关S34m和S35m基于从A/D变换电路42的反相输出端子输出的A/D变换代码(2-n)进行切换。例如，当A/D变换代码n是“1”时，开关S34p和S35p中的一个开关被切换到通向参考电压端子5的位置，以及另一个开关被切换到通向接地端子GND的位置。开关S34m和S35m中的一个开关被切换到通向参考电压端子5的位置，以及另一个开关被切换到通向接地端子GND的位置。在一系列这种操作中，按照相同的时序执行在非反向信号侧和反相信号侧的开关的切换。

当由如上所述配置的循环A/D变换装置41执行D/A变换操作时每个开关的切换状态和操作时序通常分别与图14A、14B、14C和14D中例示的切换状态以及图15中例示的操作时序相同。

如上所述，根据差分型循环A/D变换装置41，可以提供与第二实施例相同的优点。由于差分型循环A/D变换装置41对输入信号电压Vinp和Vinm的差值电压执行A/D变换，所以可以有效地消除从外部进入的共模噪声，并且可以防止发生由于噪声导致的错误变换。同样，在所述D/A变换操作中，由于以差分模式输出与二进制代码值对应的模拟电压，所以可以有效地消除共模噪声。所述非反向信号侧和反相信号侧具有对称的布局，并且按照相同的时序操作。相应地，即使例如在切换每个开关时由于馈通(feed-through)而造成的不想要的电荷的喷射，也可以通过差分操作来消除由于电荷喷射造成的误差。因此，可以进一步提高A/D变换和D/A变换的准确性。

(第四实施例)

接着，将参照图17和图18描述本发明的第四实施例，其中与前述实施例中相同的元件被赋予相同的标记。

参见图17，第四实施例的传感器装置51与第一实施例的传感器装置21的不同在于，取代信号处理单元23，传感器装置51包括信号处理单元52。信号处理单元52包括放大电路24、循环A/D变换装置1、数字信号处理电路25以及采样保存电路(SHC)53。从A/D变换装置1输出的模拟电压经由采样保存电路53输出给传感器装置51的外部。采样保存电路53采样所输入的模拟电压，并且将所采样的模拟电压保存规定时间段。

接着，将参照图18描述在传感器装置51充当具有模拟输出格式的装置的情况下A/D变换装置1的操作，图18例示了A/D变换装置1、数字信号处理电路25以及采样保存电路53的操作时序。

首先，A/D变换装置1被控制来输入放大电路24的输出电压，以及执行A/D变换操作(时刻t0到t1)。此后，数字信号处理电路25被控制来对通过A/D变换装置1输出的A/D变换值(数字值)执行信号处理(时刻t1到t2)。然后，A/D变换装置1被控制来输入数字信号处理电路25的输出信号，以及执行D/A变换操作(时刻t2到t3)。

采样保存电路53采样通过A/D变换装置1输出的模拟电压，并且将所采样的模拟电压输出给外部(时刻t3到t4)。采样保存电路53的输出电压被保存一时间段，直到完成下一采样操作为止(在时刻t4到t9期间)。在时刻t4和稍后时刻，如同时刻t0到t4的情形，按序重复执行通过A/D变换装置1进行的A/D变换操作、通过数字信号处理电路25进行的信号处理、通过A/D变换装置1进行的D/A变换操作以及通过采样保存电路53进行的采样及保存操作。

在第一实施例的传感器装置21中，当信号处理单元23充当具有模拟输出格式的装置时，通过分时作业，在A/D变换操作的状态和D/A变换操作的状态之间切换A/D变换装置1。尽管在A/D变换操作期间从A/D变换装置1输出模拟电压，但是所述模拟电压是所述处理的中间输出，而不是最终输出。因此，在接收到信号处理单元23的输出的后级电路中，提供用于提取仅仅所要求的最终输出的模拟电压的功能是必需的。为了满足上述要求，第四实施例的传感器装置51的信号处理单元52包括采样保存电路53，所述采样保存电路53采样在通过A/D变换装置1执行D/A变换操作时输出的模拟电压，将所采样的模拟电压保存规定时间段，并且将所保存的模拟电压输出给外部。通过提供采样保存电路53，仅仅通过D/A变换操作输出的作为主要输出给外部的模拟电压的模拟电压被采样且保存A/D变换操作的时段，并且输出所保存的模拟电压。因此，可以仅仅向外部输出最终输出。相应地，可以简化在传感器装置51的后级中设置的电路中的处理。

(第五实施例)

接着，将参照图19描述本发明的第五实施例，其中与前述实施例中相同的元件被赋予相同的标记。

参见图19，第五实施例的传感器装置61与第一实施例的传感器装置21的不同在于，取代信号处理单元23，传感器装置61包括信号处理单元62。信号处理单元62包括放大电路24以及循环A/D变换装置1，但是不包括数字信号处理电路25。也就是，传感器装置61不对传感器元件22的输出信号执行信号处理，而是输出与输出信号对应的数字信号(数字变换值)。因此，由A/D变换装置1输出的数字变换值被输出给传感器装置61的外部。

当指示执行D/A变换操作的ADC/DAC功能切换信号被供应时，A/D变换装置1执行D/A变换操作，所述D/A变换操作输出通过给对从传感器装置61的外部供应的数字值(二进制代码值)执行D/A变换而产生的模拟电压。这个数字值可以与传感器元件22的输出信号相关联，或者与传感器元件22的输出信号完全不相关联。由A/D变换装置1输出的模拟电压被输出给传感器装置61的外部。

通过使用A/D变换装置1从而使得总是可以执行A/D变换操作，传感器装置61的信号处理单元62可以执行数字输出操作，所述数字输出操作输出由于对通过传感器元件22输出的模拟信号执行A/D变换而产生的数字信号。相应地，使得传感器装置61可以充当具有数字输出格式的装置。通过使用A/D变换装置1从而使得总是可以执行D/A变换操作，信号处理单元62可以执行模拟输出操作，所述模拟输出操作将从外部供应的数字信号(二进制代码值)变换为模拟电压，并且输出所变换的模拟电压。相应地，可以配置具有D/A变换功能的传感器装置61。

在传感器装置61中，传感器元件22的输出信号被A/D变换，并且经过A/D变换后的数字信号被输入到外部信号处理电路(未示出)。在外部信号处理电路中，对数字信号执行预定数字信号处理，并且将经过信号处理后的数字信号输入到传感器装置61。在传感器装置61中，对经过信号处理后的数字信号进行D/A变换，并且将经过D/A变换后的模拟电压输出给外部。因此，传感器装置61可以与外部信号处理电路协作，作为具有模拟输出格式的传感器装置操作。

(其他实施例)

本发明不限于已经如上描述的实施例，而是可以按照许多方式进行修改。

例如，当在A/D变换装置1中执行D/A变换操作时，取代电容器CF1，电容器CF2可以充当第三电容器。A/D变换电路2的分辨率不限于1.5比特，而可以合适地改变。

取代循环A/D变换装置1，信号处理电路23、52和62可以配置有循环A/D变换装置31或41。

当执行模拟输出格式的第二操作模式时，由数字信号处理电路25计算出的平均值Dave不限于三次的数字值的平均值，而可以是两次的数字值的平均值，或者可以是多于三次的数字值的平均值。

当将传感器装置21作为具有模拟输出格式的装置操作时，传感器装置21可以在除了第一和第二操作模式之外的操作模式下操作。例如，还优选地，重复下述步骤：其中在执行一次A/D变换操作后，执行两个或更多个相互不同的信号处理，并且随后执行D/A变换操作。

可以配置第一实施例中的循环A/D变换装置1，从而使得差分操作是可能的，如同第三实施例中的循环A/D变换装置41中的情形。

本发明不仅适用于设置在传感器装置中的信号处理单元，而且适用于设置有信号处理电路的各种信号处理单元，所述信号处理电路对数字信号执行预定信号处理。

Claims (11)

1.一种A/D变换装置，包括：

A/D变换电路(2)；

残余电压生成电路(12，33，45)，用于通过放大输入电压和预定模拟电压之间的差值电压来生成残余电压；

输入切换电路(13，S31，S31p，S31m)，用于将外部信号电压和由所述残余电压生成电路输出的电压中之一，输入到所述A/D变换电路和所述残余电压生成电路；

其中，所述A/D变换装置的特征在于还包括：

控制电路(10，44)，用于控制A/D变换操作和D/A变换操作的执行，并且所述控制电路(10，44)被配置为响应于从外部施加的ADC/DAC功能切换信号来选择A/D变换操作或者D/A变换操作；

其中，所述A/D变换操作包括A/D变换，所述A/D变换将所述残余电压生成电路中的模拟电压设置为从所述A/D变换电路输出的数字变换值的D/A变换值，并且使得所述外部信号电压通过所述输入切换电路、所述A/D变换电路和所述残余电压生成电路循环，以及

其中，所述D/A变换操作包括D/A变换，所述D/A变换将所述残余电压生成电路中的模拟电压设置为与从外部供应的二进制代码值对应的电压，使得从所述残余电压生成电路输出的所述模拟电压通过所述输入切换电路和所述残余电压生成电路循环，并且从所述残余电压生成电路输出与所述二进制代码值对应的所述模拟电压。

2.如权利要求1所述的A/D变换装置，其中：

所述残余电压生成电路(12，33，45)包括：

电容器阵列电路(11，11p，11m)，包括第一电容器(CS1，CS1p，CS1m)以及第二电容器(CS2，CS2p，CS2m)，所述第一电容器和所述第二电容器的一端连接到公共线(14，32，32p，32m)作为公共侧电极，以及另一端连接到多个参考电压线(5，GND)和所述输入切换电路之一作为非公共侧电极，

运算放大器(4，43)，用于输入所述公共线的电压，以输出所述残余电压，以及

第三电容器(CF1，CF2，CF，CFp，CFm)，可连接在所述运算放大器的输入端子和输出端子之间；以及

所述控制电路(10，44)通过下述操作来控制所述A/D变换操作的执行，

经由所述输入切换电路，将与所述外部信号电压对应的电荷设置到从所述第三电容器、所述第一电容器和所述第二电容器中选择的电容器上；

初始化除了所选择的电容器之外的剩余电容器；

在所述第三电容器连接在所述运算放大器的所述输入端子和所述输出端子之间的情况下，根据所述A/D变换电路的变换结果，通过将所述第一电容器和所述第二电容器的所述非公共侧电极分别连接到所述参考电压线中之一，执行所述第一电容器、所述第二电容器、和所述第三电容器之间的电荷重分配，以及

将与所述外部信号电压对应的所述电荷设置、所述初始化和所述电荷重分配顺序地重复要求的次数。

3.如权利要求2所述的A/D变换装置，其中：

所述残余电压生成电路(12，33，45)包括：

电荷分割电路(15，35，35p，35m)，用于存储电荷，以预先设置的比率分割所存储的电荷，以及再次存储所述电荷，以及

电荷累积电路(16，34，34p，34m)，用于存储电荷，将所存储的电荷与所述电荷分割电路的所存储电荷相加，以及再次存储相加后的电荷；以及

所述控制电路(10)通过下述步骤控制所述D/A变换操作的执行，在所述D/A变换操作中，参考电压被变换为与二进制代码值对应的模拟电压，并且输出所变换出的模拟电压，

在开始时将与参考电压对应的电荷存储到所述电荷分割电路，并且初始化所述电荷累积电路的所存储电荷，以及

从所述二进制代码的MSB开始按序根据每个比特，由所述电荷分割电路执行电荷分割操作，以及由所述电荷累积电路执行与所述每个比特的数据值相对应的电荷相加操作。

4.如权利要求3所述的A/D变换装置，其中：

所述电荷分割电路(15，35，45)包括：

所述运算放大器(4，43)，

可连接在所述运算放大器的所述输入端子和所述输出端子之间的所述第一电容器(CS1，CS1p，CS1m)，用于设置与所述参考电压对应的电荷；以及

可连接在所述运算放大器的所述输入端子和所述输出端子之间的所述第二电容器(CS2，CS2p，CS2m)，用于设置预定电荷，而不影响所述第一电容器的所存储的电荷；以及

所述控制电路(10，44)通过将所述第一电容器和所述第二电容器连接在所述运算放大器的所述输入端子和所述输出端子之间，控制所述电荷分割电路对电荷分割操作的执行。

5.如权利要求4所述的A/D变换装置，其中：

所述电荷累积电路(16，34，34p，34m)包括：

所述运算放大器(4，43)，

所述第一或所述第二电容器(CS1或CS2，CS1p或CS2p，CS1m或CS2m)，以及

所述第三电容器(CF1，CF2，CF，CFp，CFm)，用于设置预定初始电荷；以及

所述控制电路(10，44)通过将在所述第一或所述第二电容器中存储的电荷传送到所述第三电容器，控制所述电荷累积电路对电荷相加操作的执行。

6.如权利要求2所述的A/D变换装置，其中：

所述残余电压生成电路(12，33，45)包括：

电荷累积电路(16，34，34p，34m)，用于存储电荷，以及根据所述二进制代码的比特数据值，将与参考电压对应的电荷或与所述电荷不同的预定电荷与所存储的电荷累积地相加；以及

电荷分割电路(15，35，35p，35m)，用于以预先设置的比率分割所述电荷累积电路中的所存储的电荷，以及再次存储所述电荷，以及

所述控制电路(10，44)通过下述步骤控制所述D/A变换操作的执行，在所述D/A变换操作中，参考电压被变换为与二进制代码值对应的模拟电压，并且输出所变换出的模拟电压，

初始化所述电荷累积电路的所存储的电荷，以及

从所述二进制代码的LSB开始按序根据每个比特的数据值，由所述电荷累积电路执行电荷累积操作，以及由所述电荷分割电路执行电荷分割操作。

7.如权利要求6所述的A/D变换装置，其中：

所述电荷累积电路(16，34，34p，34m)以及所述电荷分割电路(15，35，35p，35m)包括：

所述运算放大器，

可连接在所述运算放大器的所述输入端子和所述输出端子之间的所述第一电容器和所述第二电容器，用于设置与所述参考电压对应的电荷或者与所述电荷不同的预定电荷；以及

可连接在所述运算放大器的所述输入端子和所述输出端子之间的所述第三电容器，用于初始化电荷；以及

所述控制电路(10，44)通过下述操作执行所述第一电容器、所述第二电容器和所述第三电容器的所存储的电荷的相加和分割，

在开始时初始化所述第三电容器的电荷，

从所述二进制代码的LSB开始按序根据每个比特，将与所述参考电压对应的电荷或者与所述电荷不同的预定电荷，设置到所述第一电容器和所述第二电容器上，以及

将所述第一电容器、所述第二电容器和所述第三电容器连接在所述运算放大器的所述输入端子和所述输出端子之间。

8.如权利要求1到7中任何一个所述的A/D变换装置，其中：

所述A/D变换电路(2)、所述残余电压生成电路(45)以及所述输入切换电路(S31p，S31m)分别用于执行差分操作。

9.一种信号处理单元，包括：

如权利要求1到8中任何一个所述的A/D变换装置(1，44)；以及

信号处理电路(52，62)，用于对所输入的数字信号执行预定的信号处理，

其中，所述信号处理电路(52，62)用于执行数字输出操作和模拟输出操作，

其中，在所述数字输出操作中，在设置所述A/D变换装置执行所述A/D变换操作后，从外部供应的模拟信号被输入到所述A/D变换装置，由所关注的A/D变换操作输出的数字变换值被输入到所述信号处理电路，以及由所关注的信号处理输出的数字信号被输出到外部，以及

其中，在所述模拟输出操作中，在设置所述A/D变换装置执行所述A/D变换操作后，从外部供应的模拟信号被输入到所述A/D变换装置，由所关注的所述A/D变换操作输出的数字变换值被输入到所述信号处理电路，以及在设置所述A/D变换装置执行所述D/A变换操作后，由所关注的所述信号处理输出的数字信号被输入到所述A/D变换装置，以及由所关注的所述D/A变换操作输出的模拟电压被输出到外部。

10.如权利要求9所述的信号处理单元，还包括：

采样保存电路(53)，用于采样在所述A/D变换装置执行所述D/A变换操作时输出的模拟电压，将所采样的模拟电压保存规定时间段，以及将所关注的所保存的模拟电压输出到外部。

11.一种信号处理单元，包括：

如权利要求1到8中任何一个所述的A/D变换装置(1，44)；以及

信号处理电路(52，62)，用于执行数字输出操作和模拟输出操作，

其中，在所述数字输出操作中，在设置所述A/D变换装置来执行所述A/D变换操作后，从外部供应的模拟信号被输入到所述A/D变换装置，以及由所关注的所述A/D变换操作输出的数字变换值被输出到外部，以及

其中，在所述模拟输出操作中，在设置所述A/D变换装置来执行所述D/A变换操作后，从外部供应的数字信号被输入到所述A/D变换装置，以及由所关注的所述D/A变换操作输出的模拟电压被输出到外部。