JP2000101435A - Σδad変換器 - Google Patents

Σδad変換器

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JP2000101435A
JP2000101435A JP27290398A JP27290398A JP2000101435A JP 2000101435 A JP2000101435 A JP 2000101435A JP 27290398 A JP27290398 A JP 27290398A JP 27290398 A JP27290398 A JP 27290398A JP 2000101435 A JP2000101435 A JP 2000101435A
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JP
Japan
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converter
signal
output
flop
flip
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JP27290398A
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Masami Wada
正巳 和田
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Yokogawa Electric Corp
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Yokogawa Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 アナログ回路の動作速度を上げることなくサ
ンプリング周波数を上げて量子化雑音を低減することが
可能なΣΔAD変換器を提供することを目的とする。 【解決手段】 入力端子と加算器と積分器とコンパレー
タとフリップフロップを直列に接続し、前記フリップフ
ロップの出力信号を出力端子に接続すると共に、その出
力信号をD/A変換器を介して前記加算器に帰還して、
入力信号に対応するパルス密度信号を出力するΣΔAD
変換器において、前記フリップフロップの出力と前記D
/A変換器の入力の接続点に信号保持回路を挿入した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】入力信号に対応するパルス密
度信号を出力するΣΔAD変換器に関し、特に帰還路の
信号を遅延することによって積分器やコンパレータ等の
アナログ回路部分の信号処理速度を上げることなく量子
化雑音の軽減を図ったΣΔAD変換器に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のΣΔAD変換器の構成を図6を用
いて説明する。同図において入力信号X(z)は、加算
器15を介して積分器11に入力され、その出力はコン
パレータ12に入力される。
【0003】コンパレータ12の出力は、フリップフロ
ップ13に入力され、その出力は出力端子62に出力さ
れる。また、前記フリップフロップ13には、ΣΔAD
変換器のサンプリング信号となる内部クロック信号CL
K(図示せず。)が接続され、その出力はD/A変換器
14を介して加算器15の−端子に入力される。
【0004】このような構成のΣΔAD変換器におい
て、前記入力信号X(z)は積分器11によって積分さ
れ、その積分信号A11はコンパレータ12の既定値と
比較される。この比較出力D12はフリップフロップ1
3に入力されクロック信号CLKのタイミングによって
オンオフを繰り返し出力信号D13を出力する。
【0005】前記フリップフロップ13の出力信号D1
3は、D/A変換器14によってアナログ信号A14に
変換された後、加算器15によって前記入力信号X
(z)と加算される。
【0006】このような動作を繰り返すことによって、
ΣΔAD変換器4は、前記入力信号X(z)に対応した
パルス密度信号X(z)を出力することが可能である。
【0007】また、図7に示した回路のように、図6の
回路に加算器45と積分器41を追加することにより、
図6の回路より更に量子化ノイズを低減し分解能を上げ
ることが可能である。図6の回路は、積分器がひとつで
あるため1次ΣΔAD変換器と呼ばれ、図7の回路は積
分器がふたつであるため2次ΣΔAD変換器と呼ばれ
る。
【0008】ここで、上記に説明したΣΔAD変換器に
おけるサンプリング周波数をfs、信号帯域をfc、変
換器の出力レベルを±Δとすると、このΣΔAD変換器
の量子化雑音電力N1は、 N12=8/9×π2×Δ2×(fc/fs)3 (1) で表すことができる。
【0009】同様の図7に示した2次ΣΔAD変換器の
量子化雑音電力N2は、 N22=32/15×π4×Δ2×(fc/fs)5 (2) で表すことができる。
【0010】一方、出力信号の最大振幅は±Δであり、
この時の電力は1次2次の場合共、Δ2/2となるた
め、1次ΣΔAD変換器の信号ノイズ比SN1は、 SN1=9/(16×π2)×(fc/fs)-3 (3) となり、2次ΣΔAD変換器の信号ノイズ比SN2は、 SN2=15/(64×π4)×(fc/fs)-5 (4) となる。
【0011】上記に説明したΣΔAD変換器の特徴とし
て、出力が1ビット(多ビット出力型のもののある。)
であること、ハードウェアが小規模であること、省電力
化しやすいこと、サンプリングレートを上げることによ
って無調整で高い分解能を得られることなどがあげられ
るため渦流量計等に多く用いられてきた。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図6と
図7に説明した従来のΣΔAD変換器では、前記(3)
式と前記(4)式から明らかなように、その信号ノイズ
比を改善するためにはサンプリング周波数fsを大きく
する必要がある。サンプリング周波数fsを大きくする
ためには、他の部品もその動作速度に追従するため、そ
の性能を向上させる必要がある。例えば、積分器を構成
する演算増幅器の動作速度の向上、コンパレータの遅延
時間の短縮、D/A変換器の遅延時間の短縮等である。
【0013】また、一般的に演算増幅器やコンパレータ
は動作速度が高速になるにつれて消費電流が大きくな
り、その価格も高くなる。逆に、動作速度が低速になる
につれて消費電流が小さくなり、その価格も安くなる。
【0014】また、このようなΣΔAD変換器を例えば
2線式の渦流量計に用いる場合、これらは、動作電源と
共用の流量信号を測定レンジに対する4−20mAの電
流信号で外部機器に送信するため、AD変換器の全消費
電流は4mA以下で動作させる必要がある。
【0015】従って、従来のΣΔAD変換器において、
そのサンプリング周波数fsを上げることによって信号
ノイズ比を改善しようとすれば、前記アナログ回路を構
成する部品の性能を向上させる必要があり、コストの増
大を招くという問題があった。
【0016】また、従来のΣΔAD変換器を、渦流量計
等の2線式の伝送器に用いようとした場合、前記アナロ
グ回路の電流消費量の制限により、4mA以下で動作が
可能な範囲内でしかサンプリング周波数fsを上げるこ
とができないという問題点があった。
【0017】本発明は、上記問題を解決するもので、ア
ナログ回路の動作速度を上げることなくサンプリング周
波数を上げて量子化雑音を低減することが可能なΣΔA
D変換器を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために請求項1に記載の発明では、入力端子と加算器
と積分器とコンパレータとフリップフロップを直列に接
続し、前記フリップフロップの出力信号を出力端子に接
続すると共に、その出力信号をD/A変換器を介して前
記加算器に帰還して、入力信号に対応するパルス密度信
号を出力するΣΔAD変換器において、前記フリップフ
ロップの出力と前記D/A変換器の入力の接続点に信号
保持回路を挿入したことを特徴とするものである。
【0019】このことにより、サンプリング周波数に対
する前記アナログ回路の動作速度を下げることが可能と
なる。
【0020】請求項2に記載の発明では、請求項1に記
載の発明において、前記信号保持回路は、遅延回路によ
って構成されたことを特徴とするものである。
【0021】このことによって、前記信号保持回路は、
一般的な汎用部品を用いて構成することが可能となる。
【0022】請求項3に記載の発明では、請求項1に記
載の発明において、前記遅延回路として、シフトレジス
タを使用したことを特徴とするものである。
【0023】このことによって、前記信号保持回路は、
一般的な汎用部品を用いて構成することが可能となる。
【0024】請求項4に記載の発明では、請求項1に記
載の発明において、前記積分器は、複数個直列に接続し
て構成されたものであることを特徴とするものである。
【0025】このことによって、前記絶縁手段は様々な
構成のΣΔAD変換器に対応することが可能となる。
【0026】
【発明の実施の形態】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ΣΔAD変換器の構成図
である。尚、同図において従来例で説明した図6と同様
の動作を行うものは、同一の符号を付しその説明を省略
する。
【0027】図1において、前記図6と異なる点は、フ
リップフロップ13の出力端子とD/A変換器14の接
続点に信号保持回路56を挿入した点である。
【0028】前記信号保持回路56はフリップフロップ
13の出力D13が反転した後、その直前の値をn周期
の期間、出力をホールドする回路である。
【0029】図2に図1のΣΔAD変換器における各部
の波形を示す。同図において積分器11の出力A11が
0からt1の間で反転したとすると、D/A変換器14
の出力A14は積分器11の出力A11が反転した後n
周期の間、t0でのコンパレータ12の出力をフリップ
フロップ13を介して得た出力値をホールドする。
【0030】このようにすることによって、D/A変換
器14〜積分器11〜コンパレータ12の動作速度はサ
ンプリング周期の1/n倍以下となる。
【0031】ここで、上記に説明したΣΔAD変換器に
おけるサンプリング周波数fsと信号帯域fcと変換器
の出力レベルを±Δとすると、図1に示した1次ΣΔA
D変換器の量子化雑音電力N11は、コンパレータ12
に入力されるノイズの振幅がn倍となるため、 N112=8/9×π2×n2×Δ2×(fc/fs)3 (5) で表すことができる。
【0032】一方、従来例と同様にこの場合の信号ノイ
ズ比SN11を求めると、 SN11=1/n2×9/(16×π2)×(fc/fs)-3 (6) となる。
【0033】ここで、上記の説明より、D/A変換器1
4〜積分器11〜コンパレータ12のアナログ素子で動
作する部分の速度はサンプリング周期の1/nに緩和さ
れているため、それらのアナログ素子の動作速度を向上
しなくても、サンプリング周期をn倍することが可能で
ある。従ってここで、前記(6)式に、 fs=n×fs (7) を代入すると、 SN11=n×9/(16×π2)×(fc/fs)-3 (8) となり、前記(8)式における信号ノイズ比SN11
は、前記(3)式の信号ノイズ比SNに比べ、n倍向上
させることが可能である。
【0034】なお、以上の説明は、本発明の説明および
例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎな
い。したがって本発明は、上記実施例に限定されること
なく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、
変形をも含むものである。
【0035】例えば、図3に示した回路のように、コン
パレータ12の出力とフリップフロップ13の入力の接
続点に遅延回路57を挿入したΣΔAD変換器において
も、上記に説明した効果を得ることが可能である。
【0036】また、同様に、前記フリップフロップ13
の出力とD/A変換器14の入力の接続点に遅延回路5
8を挿入したΣΔAD変換器においても、上記に説明し
た効果を得ることが可能である。また更に、前記遅延回
路57と58の両方をそれぞれ上記の場所に挿入したΣ
ΔAD変換器においても、上記に説明した効果を得るこ
とが可能である。
【0037】また、図4に示した回路のようコンパレー
タ12の出力にn段のシフトレジスタ59を挿入したΣ
ΔAD変換器においても、上記に説明した効果を得るこ
とが可能である。
【0038】更に、図5に示した回路のように加算器4
5と積分器41を追加した2次ΣΔAD変換器において
も、上記に説明した効果を得ることが可能である。同図
のようにΣΔAD変換器は、積分器の数を増やすことに
よって1次ΣΔAD変換器に比べ、より量子化ノイズを
低減し分解能を上げることが可能である。但し、この場
合、動作の安定化のため1段目の積分器41の出力に、
k≦1/nなる係数kを乗算する乗算器71が必要とな
る。
【0039】この場合の信号ノイズ比SN12を求める
と、 SN12=k2×1/n3×15/(64×π4)×(fc/fs)-5 (6 ) となる。
【0040】
【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明によれば次のような効果がある。請求項1に記載
の発明では、前記ΣΔAD変換器において、前記フリッ
プフロップの出力と前記D/A変換器の入力の接続点に
信号保持回路を挿入したことにより、サンプリング周波
数に対する前記アナログ回路の動作速度を下げることが
可能となるため、前記アナログ回路の部品を従来と同程
度のものを用いた場合、その動作速度を上げることな
く、サンプリング周波数を上げ、信号ノイズ比を改善す
ることが可能となる。従って、前記アナログ回路を構成
する部品として、動作速度の遅い汎用的なものを用いる
ことが可能となり低コストでΣΔAD変換器を製作する
ことが可能となる。また、前記アナログ回路を構成する
部品として動作速度の遅い汎用的なものを用いることに
より、消費電流を低く抑えることが可能となるため、高
精度と低消費電流が要求される渦流量計のような2線式
伝送器にも容易に搭載することが可能となる。
【0041】請求項2と3に記載の発明では、請求項1
に記載された発明において、前記信号保持回路はシフト
レジスタ等を用いて構成されたことにより、一般的な汎
用部品を用いて低コストで製作することが可能となる。
また、汎用部品を用いたことにより部品調達が容易であ
る。
【0042】請求項4に記載の発明では、請求項1に記
載された発明において、前記信号保持手段は、前記2次
ΣΔAD変換器においても対応が可能であるため様々な
構成のΣΔAD変換器に対応することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るΣΔAD変換器の一実施例を示す
構成図である。
【図2】本発明に係るΣΔAD変換器の各信号波形を示
すタイムチャートである。
【図3】本発明に係るΣΔAD変換器の応用例を示す構
成図である。
【図4】本発明に係るΣΔAD変換器の他の応用例を示
す構成図である。
【図5】本発明に係る2次ΣΔAD変換器の実施例を示
す構成図である。
【図6】従来のΣΔAD変換器の一例を示す構成図であ
る。
【図7】従来の2次ΣΔAD変換器の一例を示す構成図
である。
【符号の説明】
11、41 積分器 12 コンパレータ 13 フリップフロップ 14 D/A変換器 15、45 加算器 25、35 絶縁回路 56 ホールド回路 57、58 遅延回路 59 シフトレジスタ 61 入力端子 62 出力端子 71 乗算器

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入力端子と加算器と積分器とコンパレータ
    とフリップフロップを直列に接続し、前記フリップフロ
    ップの出力信号を出力端子に接続すると共に、その出力
    信号をD/A変換器を介して前記加算器に帰還して、入
    力信号に対応するパルス密度信号を出力するΣΔAD変
    換器において、前記フリップフロップの出力と前記D/
    A変換器の入力の接続点に信号保持回路を挿入したこと
    を特徴とするΣΔAD変換器。
  2. 【請求項2】前記信号保持回路は、遅延回路によって構
    成されたことを特徴とする請求項1に記載のΣΔAD変
    換器。
  3. 【請求項3】前記遅延回路として、シフトレジスタを使
    用したことを特徴とする請求項1に記載のΣΔAD変換
    器。
  4. 【請求項4】前記積分器は、複数個直列に接続して構成
    されたものであることを特徴とする請求項1に記載のΣ
    ΔAD変換器。
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