JP2003032117A - Integral type analog to digital converter - Google Patents

Integral type analog to digital converter

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JP2003032117A
JP2003032117A JP2001219233A JP2001219233A JP2003032117A JP 2003032117 A JP2003032117 A JP 2003032117A JP 2001219233 A JP2001219233 A JP 2001219233A JP 2001219233 A JP2001219233 A JP 2001219233A JP 2003032117 A JP2003032117 A JP 2003032117A
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Kenji Yamamoto
憲次 山本
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Rohm Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a single integral type analog/digital converter that uses a low frequency analog/digital conversion clock in order to monitor and measure an integral value of battery charging/discharging currents with low power consumption and extended dynamic range and measures an integral value even from a bipolar input current. SOLUTION: The analog/digital converter uses an integrator to integrate a current in response to a signal input, allows a constant current source to supply or extract a constant current to or from the integrator depending on the output polarity of the integrator when the integral value of the input signal reaches a prescribed value in a direction of decreasing its integral value and allows an up-down counter to count up or count down a count only for a period of the constant current flowing.

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、直流電流測定用の
積分型A/Dコンバータ、特にバッテリーの充放電電流
の積算値の計測に適した積分型A/Dコンバータに関す
る。 【0002】 【従来の技術】ノートパソコン、個人携帯端末(PD
A)、ディジタルスチルカメラ(DSC)、スマートホ
ン、電気自動車、電動アシスト自転車など各種の電気装
置の電源として、バッテリーが多用されている。 【0003】これらのバッテリー、例えばノートパソコ
ンに用いられるリチウムイオン電池などのバッテリーに
おいては、充電時に定格を越えて充電を行う過充電とな
った場合には破裂するおそれがあり、また逆に容量を超
えて放電すると充放電特性が劣化してしまうことにな
る。 【0004】このような事態を避けて、バッテリーの性
能を充分に発揮させるためには、充電放電特性に適合し
た充電及び放電制御を行う必要がある。このため、従来
からバッテリーの充電、放電状態を監視する計測装置が
用いられている。 【0005】従来の計測装置は、広範囲に変化する充放
電電流(例えば、0.5mA〜15A)を電圧(5μV
〜150mV)に変換し、変換された電圧を増幅した上
で、サンプルホールドし、多ビット(例えば、10ビッ
ト)の逐次比較型A/Dコンバータでディジタル信号に
変換し、平均化処理などを行うマイクロコントローラー
ユニット(MCU)などから構成されている。 【0006】この従来の計測装置では、所定のサンプリ
ング周期毎に得た離散値と時間との積に依って充放電電
流の積算値を得ることから積算値として誤差を持つこ
と、入力信号のダイナミックレンジが広いため継続微少
電流とノイズに影響されること、などにより、電流積算
値計測の高精度化が困難であった。また、比較的大電流
を消費するMCUの動作時間が長いことから、消費電力
の低減が困難であった。 【0007】また、図3、図4に示されるように、連続
値の積分及びA/D変換を行う積分型A/Dコンバータ
が従来から知られている。この図3,図4において、最
初、積分回路301は積分出力Eaが零電圧となってい
る(この状態を「リセット状態」とする)。この状態
で、スタートパルスsが印加され、フリップフロップ3
03がセットされると、スイッチS1のみがオン(スイ
ッチS2はオフのまま)になり、入力信号Ei側に接続
される。積分回路301は入力信号Eiの積分を開始
し、基準期間である第1積分期間Tsが始まり傾斜−E
i/RCの出力Eaを生じ、出力Eaが比較電圧−ΔV
tを越えると比較パルスpが発生する。 【0008】これにより、アンド回路306が開かれカ
ウンタ304はクロックパルス発生回路305のクロッ
クパルスの計数を始める。一定時間Ts後に、カウンタ
304のカウント値がオーバーフロー値Nmに達して、
オーバーフローパルスrが出力され、フリップフロップ
303がリセットされる。 【0009】したがって、今度はスイッチS1がオフ、
スイッチS2のみがオンになり、基準電圧−Es側に切
り替わって第2積分期間Tが始まり、積分回路301は
以前と逆の傾斜Es/CRの積分を行う。そして、出力
Eaが比較電圧−ΔVtに戻ると比較回路302が反転
し、アンド回路306が閉となる。この間、カウンタ3
04はオーバーフローの後再び1からの計数を行ってお
り、アンド回路306の閉時の計数値Nは入力信号Ei
に比例している。 【0010】このように、積分回路301で入力信号E
iを基準期間Tsだけ積分し、続いて積分回路301を
入力信号Eiと逆極性の基準電圧−Esに切り替え、こ
の積分値を零に戻す。積分回路301の前半の積分電圧
値は入力信号Eiの値に比例するとともに、後半の逆方
向積分時間Tも入力信号Eiの値に比例しているので、
この期間クロックパルスを計数することにより、A/D
変換が行えるようになるしている。この従来の積分型A
/Dコンバータは回路が安価に構成でき、雑音の影響を
受けにくい利点を持っている。 【0011】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来のA/Dコンバータは、バッテリーの充放電電流のよ
うに入力電流の値が広い範囲に亘って変化する場合には
ビット数の制限により高精度化が困難であるし、また、
広い範囲に亘って変換を行いながらA/D変換動作を早
く終わらせるためにはA/D変換用クロックを高周波ク
ロックとする必要があるから消費電力の低減化が困難で
あるなどの問題点を有している。 【0012】また、入力電流の極性が正極性及び負極性
に変動する場合には対応することができないし、連続し
て入力電流の積算を行うことができないという問題点も
有している。 【0013】これらの従来装置の問題点に鑑みて、本発
明は、バッテリーの充放電電流の積算値を監視、計測す
るために、低周波のA/D変換用クロックを使用しなが
ら低消費電力化を図るとともに、A/D変換終了までの
時間を短縮し、且つダイナミックレンジを拡大すること
ができる積分型A/Dコンバータを提供することを目的
とする。併せて、正負極性の入力電流に対しても一台で
積算値の計測を行うことができる積分型A/Dコンバー
タを提供することを目的とする。 【0014】 【課題を解決するための手段】請求項1の積分型A/D
コンバータは、増幅器、この増幅器の入力端子と出力端
子間に接続されたコンデンサ、及び前記増幅器の入力端
子に接続された入力抵抗から構成される積分器と、前記
積分器の前記増幅器の反転入力に指令信号に応じて定電
流を流入させる第1定電流手段と、前記反転入力から指
令信号に応じて定電流を流出させる第2定電流手段と、
前記積分器の出力が正の所定の電圧を越えているときに
第1比較出力を発生し、同じく積分器の出力が負の所定
の電圧を越えているときに第2比較出力を発生し、かつ
同じく積分器の出力が零電圧に至ったとき第3比較出力
を発生する比較手段と、アップ指令信号に応じてアップ
カウントし、ダウン指令信号に応じてダウンカウントす
るとともに、適時にカウント値を出力するアップダウン
カウンタと、前記第1比較出力、前記第2比較出力、前
記第3比較出力が入力され、これら各比較出力に応じ
て、前記第1定電流手段、前記第2定電流手段、前記ア
ップダウンカウンタに各指令信号を供給する制御手段と
を備え、前記第1比較出力に応じて、前記第1定電流手
段に指令信号を、前記アップダウンカウンタにダウン指
令信号をそれぞれ与え、前記第3比較出力に応じてこれ
ら指令信号及びダウン指令信号を停止するとともに、前
記第2比較出力に応じて、前記第2定電流手段に指令信
号を、前記アップダウンカウンタにアップ指令信号をそ
れぞれ与え、前記第3比較出力に応じてこれら指令信号
及びアップ指令信号を停止する、ことを特徴とする。 【0015】本発明によれば、バッテリーの充放電電流
の積算値を監視、計測するための積分型A/Dコンバー
タにおいて、入力信号の積分中からA/D変換を開始す
るから、A/D変換終了までの時間を短縮することがで
きるし、時間短縮をしない場合にはA/D変換のクロッ
クを低い周波数にして消費電流を低減することができ
る。 【0016】また、入力信号の積分値が所定の値に達し
た時点で、その積分値を低減する方向に定電流を流入或
いは流出させるから、A/D変換のダイナミックレンジ
が拡大できる。このため、同一レベルの入力信号をA/
D変換する際に、増幅器などの利得調整により高精度化
が可能となる。 【0017】また、積分器の出力極性に応じて、その積
分値を低減する方向に定電流を流出或いは流入させ、か
つアップダウンカウンタをアップカウント或いはダウン
カウントさせるから、正負極性の入力電流に対しても一
台で積算値の計測を行うことができる。 【0018】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図1,図2を参照して説明する。 【0019】図1は、本発明の実施の形態に係る積分型
A/Dコンバータの構成を示す図である。 【0020】同図において、入力信号Vinはバッテリ
ーの充電電流或いは放電電流に比例した電圧であり、例
えば、電流検出抵抗の電圧降下として得られ、±5μV
〜±150mVという広い範囲で変動するものである。
この入力信号Vinが積分期間中、制御信号TC1によ
りオン状態に閉成されるスイッチSW1及び積分器10
を構成する高抵抗の入力抵抗Riを介して、増幅器Ai
の反転入力端子に供給される。 【0021】積分器10の増幅器Aiの反転入力端子に
は、抵抗Riを介して入力信号Vinが入力されるとと
もに、電源電圧Vccから定電流源I2により定電流I
dが、スイッチSW3を介して供給される。このスイッ
チSW3は、積分器10の出力電圧が正の所定値Epを
越えたときから零電圧に至るときまで、或いは積分器1
0の出力電圧が正で且つ本積分型A/Dコンバータの積
分期間が終了した時点から零電圧に至るときまで、オン
される。 【0022】また、積分器10の増幅器Aiの反転入力
端子には、グランド電圧Vgndへ定電流源I1により
定電流Iuが、スイッチSW2を介して供給される。こ
のスイッチSW2は、積分器10の出力電圧が負の所定
値Emを越えたときから零電圧に至るときまで、或いは
積分器10の出力電圧が負で且つ本積分型A/Dコンバ
ータの積分期間が終了した時点から零電圧に至るときま
で、オンされる。 【0023】定電流Iuと定電流Idは、通常同一の電
流値とされるが、その大きさは入力信号Vinによる入
力電流の大きさと積分器の出力ダイナミックレンジによ
って決められる。即ち、入力信号Vinによる入力電流
と積分期間T0によりコンデンサCiに蓄積される電荷
に対して、定電流Iuにより放出される電荷の差によっ
て生じる積分器の出力がダイナミックレンジ以下である
ように決定される。即ち、 {(Vin/Ri)−Iu}×T0/Ci≦ 積分器1
0の出力ダイナミックレンジ 【0024】積分器10は、増幅器Aiと抵抗Riとコ
ンデンサCiとから構成され、増幅器Aiの反転入力端
子に抵抗Riが接続され、増幅器Aiの反転入力端子と
出力端子との間にコンデンサCiが接続されて積分増幅
器として機能する。増幅器Aiの非反転入力端子はグラ
ンド電圧Vgnd或いは所定のバイアス電圧に接続され
る。コンデンサCiの端子間にスイッチSW4が接続さ
れ、このスイッチSW4は新しく積分期間が始まる際に
残留電荷を消去するために一瞬閉成される。なお、積分
期間が連続して設定される場合には計測の連続性を保つ
ため閉成されることはない。 【0025】第1比較器Cpは、非反転入力端子に積分
器10の出力電圧cが、反転入力端子に所定値の電圧E
pが供給され、出力電圧cが電圧Epを越えたときに第
1比較出力eを出力する。第2比較器Cmは、反転入力
端子に積分器10の出力電圧cが、非反転入力端子に所
定値の負の電圧Emが供給され、出力電圧cが電圧Ep
を負方向に越えたときに第2比較出力fを出力する。第
3比較器Czは、非反転入力端子に積分器10の出力電
圧cが、反転入力端子にグランド電圧Vgnd或いは所
定のバイアス電圧が供給され、出力電圧cが正か負か或
いは所定電圧より高いか低いかに応じて第3比較出力d
を反転出力する。なお、第3比較器Czは出力電圧cの
ゼロクロスを判定するためのものであるから、この機能
を果たせるものであればよい。 【0026】コントロールロジック手段20は、第1比
較出力e、第2比較出力f、第3比較出力d及びタイミ
ング信号を受けて、アップカウント信号LO1及びダウ
ンカウント信号LO2を出力する。また、データ出力指
令信号LO3を出力する。 【0027】このアップカウント信号LO1は、第2比
較出力fが出力されたときから第3比較出力dが反転す
るまで、或いは第3比較出力dがロー(積分器10の出
力電圧が負に対応)で且つ本積分型A/Dコンバータの
積分期間が終了した時点から第3比較出力dがハイに反
転するまで、オンされる。 【0028】また、ダウンカウント信号LO2は、第1
比較出力eが出力されたときから第3比較出力dが反転
するまで、或いは第3比較出力dがハイ(積分器10の
出力電圧が正に対応)で且つ本積分型A/Dコンバータ
の積分期間が終了した時点から第3比較出力dがローに
反転するまで、オンされる。 【0029】アップダウンカウンタ30は、アップカウ
ント端子U、ダウンカウント端子D、カウント出力端子
O及びリセット端子Rを有している。リセット端子Rに
は、新しく積分期間が始まる際にカウント値をリセット
するためのタイミング信号が印加される。なお、積分期
間が連続して設定される場合には、計測の連続性を保つ
ため、その時点のカウント値を出力した上で、リセット
され、その後引き続いてカウントを行う。 【0030】アップカウント端子Uには、アップカウン
ト信号LO1によりスイッチSW5が閉成されている
間、クロック信号が入力され、アップカウントする。ダ
ウンカウント端子Dには、ダウンカウント信号LO2に
よりスイッチSW6が閉成されている間、クロック信号
が入力され、ダウンカウントする。 【0031】レジスタ40は、スイッチSW7が閉成さ
れたときのアップダウンカウンタ30のカウント値が入
力され、そのカウント値のデータ内容を表す付加情報、
例えば正負を表す符号、を付してデータ出力する。この
スイッチSW7は、1つの積分期間に対応するカウント
値が整った時点でオンするように制御信号が印加され
る。なお、積分期間が連続して設定される場合には、ス
イッチSW7はその積分期間終了時点でオンされ、その
時点でのカウント値が出力される。 【0032】クロックパルス発生器50は、本装置の時
間基準となる、クロック信号電圧をアップダウンカウン
タ30及びタイミングコントローラ60に供給する。 【0033】タイミングコントローラ60は、クロック
信号電圧及び必要に応じて外部操作信号を受けて、各種
のタイミング信号を作成し、それぞれ所要の箇所に供給
する。タイミング信号TC1は積分期間中出力され、ス
イッチSW1及びコントロールロジック手段20に供給
される。タイミング信号TC2は新しく積分期間が始ま
る瞬時に出力され、スイッチSW4及びアップダウンカ
ウンタ30に供給される。タイミング信号TC3はA/
D変換用動作タイミング信号でありコントロールロジッ
ク手段20に供給される。その他必要に応じてタイミン
グ信号を形成し、利用することができる。 【0034】さて、この実施形態における積分型A/D
コンバータの動作について、図2のタイミングチャート
も参照して説明する。以下の説明は、1つの積分期間で
の動作に関するものである。 【0035】タイミングコントローラ60にはクロック
パルス発生器50からのクロック信号電圧及び外部から
指令信号が与えられている。時点t1で積分期間が開始
されると、タイミングコントローラ60からタイミング
信号TC1がスイッチSW1に与えられ積分期間中閉成
される。同時に、タイミングコントローラ60からタイ
ミング信号TC2がスイッチSW4及びアップダウンカ
ウンタ30に与えられ、コンデンサCiの残留電荷を放
電するとともにアップダウンカウンタ30のカウント値
をリセットする。 【0036】積分期間の開始後、入力信号Vin(a点
電位)に応じて積分器10で積分が行われ、その出力で
あるc点電位が正極性の入力信号Vinにしたがって負
方向に大きくなる。c点電位が第2比較器Cmのバイア
ス電圧Emを越えた時点t3でその第2比較出力fが立
ち上がり、コントロールロジック手段20に印加され
る。コントロールロジック手段20では、第2比較出力
fとA/D変換動作タイミングであるタイミング信号T
C3とのアンド条件でアップカウント信号LO1を発生
する。 【0037】アップカウント信号LO1は、まずスイッ
チSW5に供給されて閉成する。スイッチSW5が閉成
している間、クロックパルス発生器50からのクロック
信号電圧がアップダウンカウンタ30のアップカウント
端子Uに供給され、アップダウンカウンタ30のカウン
ト値はアップカウントされる。同時に、アップカウント
信号LO1は、スイッチSW2に供給されて閉成する。
スイッチSW2が閉成している間、定電流Iuが積分器
10のコンデンサCiから流出する。言い換えると、入
力信号Vinに応じて流入する電流と定電流Iuとの差
分の電流がコンデンサCiに充電或いはコンデンサCi
から放電される。 【0038】定電流Iuの放電により、c点電位が徐々
に回復し、第2比較器Cmのバイアス電圧Emを下回る
とその第2比較出力fが立ち下がるが、この状態では未
だ回路動作に変更はない。c点電位がさらに回復し、第
3比較器Czの零電位に到達した時点t4でその第3比
較出力dが反転し、コントロールロジック手段20に印
加される。コントロールロジック手段20では、第3比
較出力dの反転により、アップカウント信号LO1を停
止する。これにより、スイッチSW5は開放しアップダ
ウンカウンタ30のアップカウント動作は停止し、スイ
ッチSW2は開放し定電流Iuの流出は停止する。 【0039】このようにして、入力信号Vinの積分と
並行して、定電流Iuの放電とアップカウントが行われ
て、入力信号Vinの積分中からA/D変換が行われる
ことになる。 【0040】図2の時点t4〜t7の間の動作は、以上
に説明したと同様の動作となるので説明を省略する。 【0041】さて、図2で、時点t8に至って、負極性
の入力信号Vin(a点電位)が発生すると、積分器1
0の積分出力であるc点電位が負極性の入力信号Vin
にしたがって正方向に大きくなる。c点電位が第1比較
器Cpのバイアス電圧Epを越えた時点t9でその第1
比較出力eが立ち上がり、コントロールロジック手段2
0に印加される。コントロールロジック手段20では、
第1比較出力eとA/D変換動作タイミングであるタイ
ミング信号TC3とのアンド条件のできた時点t10で
ダウンカウント信号LO2を発生する。 【0042】ダウンカウント信号LO2は、まずスイッ
チSW6に供給されて閉成する。スイッチSW6が閉成
している間、クロックパルス発生器50からのクロック
信号がアップダウンカウンタ30のダウンカウント端子
Dに供給され、アップダウンカウンタ30のカウント値
はダウンカウントされる。同時に、ダウンカウント信号
LO2は、スイッチSW3に供給されて閉成する。スイ
ッチSW3が閉成している間、定電流Idが積分器10
のコンデンサCiに流入する。言い換えると、入力信号
Vinに応じた電流と定電流Idとの差分の電流がコン
デンサCiに充電或いはコンデンサCiから放電され
る。 【0043】定電流Idの充電により、c点電位が徐々
に回復し、第1比較器Cpのバイアス電圧Epを下回る
とその第1比較出力eが立ち下がるが、この状態では未
だ回路動作に変更はない。 【0044】この定電流Idの充電によるc点電位の回
復途中の時点t11で積分期間が終了した場合には、こ
の時点t11でタイミングコントローラ60からのタイ
ミング信号TC1はオフされ、スイッチSW1は開放さ
れる。 【0045】しかし、この時点t11ではA/D変換動
作の途中であり、積分期間が終了しても、A/D変換動
作が継続される。そして、c点電位がさらに回復し、第
3比較器Czの基準電位(零電位)に到達した時点t1
2でその第3比較出力dが反転し、コントロールロジッ
ク手段20に印加される。コントロールロジック手段2
0では、第3比較出力dの反転により、ダウンカウント
信号LO2を停止する。これにより、スイッチSW6は
開放しアップダウンカウンタ30のダウンカウント動作
は停止し、スイッチSW3は開放し定電流Idの流入は
停止する。また、コントロールロジック手段20は、デ
ータ出力指令信号LO3をスイッチSW7に与える。 【0046】この間のアップカウントパルスi及びダウ
ンカウントパルスjは図2に示すとおりであり、その結
果としてのアップダウンカウンタ30のカウントデータ
k(時点t11或いは時点t12)が、積分期間中の積
算計測データとして、スイッチSW7を経てレジスタ4
0に入力される。 【0047】レジスタ40では、入力されたカウントデ
ータと、そのデータ内容を表す付加情報、例えば正負を
表す符号、を付して、データ出力する。 【0048】なお、図2のタイミングチャートには示し
ていないが、積分器10の出力電圧が、第2比較器Cm
(或いは第1比較器Cp)のバイアス電圧Em(或いは
バイアス電圧Ep)を越えないで低い値に留まっている
状態で積分期間が終了した場合には、この状態の積分値
が誤差になることを避ける必要がある。 【0049】このため、積分期間が終了した時点t11
で、第3比較器Czの第3比較出力fの反転状態(正か
ら負、または負から正)にしたがって、スイッチSW
2、スイッチSW5を閉成して定電流Iuの流出とアッ
プカウントを行うか、或いはスイッチSW3、スイッチ
SW6を閉成して定電流Idの流入とダウンカウントを
行う。このカウントは第3比較器Czの第3比較出力d
が再反転した時点で終了する。 【0050】この実施の形態では、バッテリーの充放電
電流の積算値を監視、計測するための積分型A/Dコン
バータにおいて、バッテリーの充放電電流に比例した入
力信号Vinの積分中からA/D変換、即ちカウント動
作を開始するから、A/D変換のクロックTC3を低い
周波数にすることができ、また積分期間終了後のA/D
変換終了までの時間を短縮することができる。 【0051】また、入力信号Vinの積分値cが所定の
値Em、Epに達した時点で、その積分値cを低減する
方向に定電流Iu,Idを流入或いは流出させるから、
A/D変換のダイナミックレンジが拡大できる。このた
め、同一レベルの入力信号VinをA/D変換する際
に、増幅器などの利得調整により高精度化が可能とな
る。 【0052】また、積分器10の出力極性に応じて、そ
の積分値cを低減する方向に定電流Iu、Idを流出或
いは流入させ、かつアップダウンカウンタ30をアップ
カウント或いはダウンカウントさせるから、正負極性の
入力電流に対しても一台で積算値の計測を行うことがで
きる。 【0053】次に、積分期間を連続して設定した場合の
動作について説明する。この動作については、1つの積
分期間での動作と異なる点を中心として説明する。 【0054】1つの積分期間の終了後、直ちにつぎの積
分期間が開始されることになる。この場合、1つの積分
期間の終了時に、スイッチSW7を閉成しその時点のア
ップダウンカウンタ30のカウント値をレジスタ40に
出力し、この出力後に一旦アップダウンカウンタ30の
カウント値をリセットする。 【0055】その他の動作状況は、1つの積分期間の終
了に伴って格別変わることはなく、各スイッチSW1〜
SW6ともこの積分型A/Dコンバータの通常動作状態
におかれる。 【0056】そして、各積分期間の終了時点毎に、その
積分期間に対応するカウントデータ、即ち入力信号の積
算値がレジスタ40から順次出力されることになる。 【0057】このように、従来の積分型A/Dコンバー
タでは期待することができなかった、複数の連続した積
分期間の入力信号の積算を行うことができる。 【0058】 【発明の効果】この本発明によれば、バッテリーの充放
電電流の積算値を監視、計測するための積分型A/Dコ
ンバータにおいて、入力信号の積分中からA/D変換を
開始するから、A/D変換終了までの時間を短縮するこ
とができるし、時間短縮をしない場合にはA/D変換の
クロックを低い周波数にして消費電流を低減することが
できる。 【0059】また、入力信号の積分値が所定の値に達し
た時点で、その積分値を低減する方向に定電流を流入或
いは流出させるから、A/D変換のダイナミックレンジ
が拡大できる。このため、同一レベルの入力信号をA/
D変換する際に、増幅器などの利得調整により高精度化
が可能となる。 【0060】また、積分器の出力極性に応じて、その積
分値を低減する方向に定電流を流出或いは流入させ、か
つアップダウンカウンタをアップカウント或いはダウン
カウントさせるから、正負極性の入力電流に対しても一
台で積算値の計測を行うことができる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an integral type A / D converter for measuring a direct current, and more particularly to an integral type A / D converter suitable for measuring an integrated value of a charge / discharge current of a battery. / D converter. 2. Description of the Related Art Notebook personal computers and personal portable terminals (PDs)
A), a battery is frequently used as a power source for various electric devices such as a digital still camera (DSC), a smart phone, an electric vehicle, and a power-assisted bicycle. [0003] These batteries, for example, lithium-ion batteries used in notebook personal computers, may explode if overcharged, which exceeds the rating at the time of charging. Excessive discharge will result in deterioration of the charge / discharge characteristics. [0004] In order to avoid such a situation and sufficiently exhibit the performance of the battery, it is necessary to perform charge and discharge control suitable for charge and discharge characteristics. For this reason, measuring devices for monitoring the charge and discharge states of the battery have been used. A conventional measuring device applies a charge / discharge current (for example, 0.5 mA to 15 A) that varies over a wide range to a voltage (5 μV).
To 150 mV), amplify the converted voltage, sample and hold, convert to a digital signal with a multi-bit (for example, 10-bit) successive approximation A / D converter, and perform averaging processing and the like. It is composed of a microcontroller unit (MCU) and the like. In this conventional measuring apparatus, an integrated value of the charging / discharging current is obtained based on a product of time and a discrete value obtained at a predetermined sampling period. It is difficult to improve the accuracy of the current integrated value measurement due to the fact that the range is wide and affected by continuous minute current and noise. Further, since the operation time of the MCU that consumes a relatively large current is long, it has been difficult to reduce power consumption. Further, as shown in FIGS. 3 and 4, an integration type A / D converter for integrating a continuous value and performing A / D conversion has been conventionally known. 3 and 4, first, the integration circuit 301 has the integration output Ea at zero voltage (this state is referred to as a "reset state"). In this state, the start pulse s is applied, and the flip-flop 3
When 03 is set, only the switch S1 is turned on (the switch S2 remains off) and connected to the input signal Ei side. The integration circuit 301 starts integration of the input signal Ei, and a first integration period Ts, which is a reference period, starts and the slope −E
i / RC output Ea is generated, and the output Ea is compared with the comparison voltage −ΔV
When t is exceeded, a comparison pulse p is generated. As a result, the AND circuit 306 is opened, and the counter 304 starts counting clock pulses of the clock pulse generation circuit 305. After a certain time Ts, the count value of the counter 304 reaches the overflow value Nm,
An overflow pulse r is output, and the flip-flop 303 is reset. Therefore, the switch S1 is turned off,
Only the switch S2 is turned on, switching to the reference voltage −Es side starts the second integration period T, and the integration circuit 301 performs integration of the gradient Es / CR which is opposite to the previous one. When the output Ea returns to the comparison voltage −ΔVt, the comparison circuit 302 is inverted, and the AND circuit 306 is closed. During this time, counter 3
04 counts again from 1 after the overflow, and the count value N when the AND circuit 306 is closed is equal to the input signal Ei.
Is proportional to As described above, the input signal E is output by the integrating circuit 301.
i is integrated for a reference period Ts, and then the integration circuit 301 is switched to a reference voltage −Es having a polarity opposite to that of the input signal Ei, and the integrated value is returned to zero. Since the first half integrated voltage value of the integrating circuit 301 is proportional to the value of the input signal Ei, and the second half reverse integration time T is also proportional to the value of the input signal Ei.
By counting clock pulses during this period, A / D
You can do the conversion. This conventional integral type A
The / D converter has the advantage that the circuit can be configured at low cost and is less susceptible to noise. However, this conventional A / D converter has a limitation on the number of bits when the value of the input current varies over a wide range, such as the charge / discharge current of a battery. It is difficult to achieve high accuracy due to
In order to end the A / D conversion operation quickly while performing the conversion over a wide range, it is necessary to use an A / D conversion clock as a high-frequency clock, so that it is difficult to reduce power consumption. Have. Further, there is a problem that the case where the polarity of the input current fluctuates between the positive polarity and the negative polarity cannot be dealt with, and the input current cannot be continuously integrated. In view of the above problems of the conventional apparatus, the present invention provides a low power consumption using a low frequency A / D conversion clock to monitor and measure the integrated value of the charge / discharge current of the battery. It is an object of the present invention to provide an integrating A / D converter capable of shortening the time until the end of A / D conversion and expanding the dynamic range. It is another object of the present invention to provide an integrating A / D converter that can measure an integrated value with a single unit even for positive and negative input currents. [0014] According to the first aspect of the present invention, an integral type A / D is provided.
The converter includes an integrator including an amplifier, a capacitor connected between an input terminal and an output terminal of the amplifier, and an input resistor connected to an input terminal of the amplifier, and an inverting input of the amplifier of the integrator. First constant current means for flowing a constant current in response to a command signal, and second constant current means for flowing a constant current in response to the command signal from the inverting input;
Generating a first comparison output when the output of the integrator exceeds a predetermined positive voltage, and generating a second comparison output when the output of the integrator exceeds a predetermined negative voltage; And a comparing means for generating a third comparison output when the output of the integrator reaches zero voltage, counting up according to an up command signal, down-counting according to a down command signal, and timely counting the count value. An up / down counter to be output, the first comparison output, the second comparison output, and the third comparison output are input, and the first constant current means, the second constant current means, Control means for supplying each command signal to the up / down counter, wherein a command signal is provided to the first constant current means and a down command signal is provided to the up / down counter in response to the first comparison output. Stopping the command signal and the down command signal in response to the third comparison output, and sending a command signal to the second constant current means and an up command signal to the up / down counter in response to the second comparison output. Respectively, and the command signal and the up command signal are stopped according to the third comparison output. According to the present invention, in the integration type A / D converter for monitoring and measuring the integrated value of the charge / discharge current of the battery, the A / D conversion is started during the integration of the input signal. The time until the end of the conversion can be shortened. If the time is not shortened, the A / D conversion clock can be set to a low frequency to reduce the current consumption. Further, when the integrated value of the input signal reaches a predetermined value, a constant current flows in or out in a direction to reduce the integrated value, so that the dynamic range of A / D conversion can be expanded. For this reason, the input signal of the same level is A /
At the time of D-conversion, high precision can be achieved by adjusting the gain of an amplifier or the like. Further, according to the output polarity of the integrator, a constant current flows out or flows in a direction to reduce the integrated value, and the up / down counter is up-counted or down-counted. However, the integrated value can be measured by one device. Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an integrating A / D converter according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, an input signal Vin is a voltage proportional to a charging current or a discharging current of a battery, and is obtained, for example, as a voltage drop of a current detecting resistor.
It fluctuates in a wide range of ± 150 mV.
During the integration period of the input signal Vin, the switch SW1 and the integrator 10 are turned on by the control signal TC1.
Ai via the high-resistance input resistor Ri
Is supplied to the inverting input terminal. The input signal Vin is input to the inverting input terminal of the amplifier Ai of the integrator 10 via the resistor Ri, and the constant current I2 is supplied from the power supply voltage Vcc by the constant current source I2.
d is supplied via the switch SW3. The switch SW3 is connected between the time when the output voltage of the integrator 10 exceeds the predetermined positive value Ep and the time when it reaches zero voltage, or the time when the integrator 1
It is turned on from the time when the output voltage of 0 is positive and the integration period of the integrating A / D converter ends to the time when it reaches zero voltage. A constant current Iu is supplied to the inverting input terminal of the amplifier Ai of the integrator 10 from the constant current source I1 to the ground voltage Vgnd via the switch SW2. The switch SW2 is connected between the time when the output voltage of the integrator 10 exceeds the negative predetermined value Em and the time when the output voltage of the integrator 10 reaches zero, or the time when the output voltage of the integrator 10 is negative and the integration period of the integrating A / D converter is changed. Is turned on from the end of the operation to the point when the voltage reaches zero voltage. The constant current Iu and the constant current Id usually have the same current value, but the magnitude is determined by the magnitude of the input current due to the input signal Vin and the output dynamic range of the integrator. That is, the output of the integrator generated by the difference between the charge accumulated in the capacitor Ci due to the input current by the input signal Vin and the charge accumulated in the capacitor Ci by the integration period T0 is determined to be smaller than the dynamic range. You. That is, {(Vin / Ri) −Iu} × T0 / Ci ≦ integrator 1
The output dynamic range of 0 The integrator 10 is composed of an amplifier Ai, a resistor Ri, and a capacitor Ci. A resistor Ri is connected to an inverting input terminal of the amplifier Ai. A capacitor Ci is connected between the capacitors and functions as an integrating amplifier. The non-inverting input terminal of the amplifier Ai is connected to the ground voltage Vgnd or a predetermined bias voltage. A switch SW4 is connected between the terminals of the capacitor Ci, and the switch SW4 is momentarily closed at the beginning of a new integration period to eliminate the residual charge. When the integration period is set continuously, it is not closed to maintain the continuity of the measurement. The first comparator Cp has a non-inverting input terminal receiving the output voltage c of the integrator 10 and an inverting input terminal receiving a predetermined voltage E.
When p is supplied and the output voltage c exceeds the voltage Ep, a first comparison output e is output. In the second comparator Cm, an output voltage c of the integrator 10 is supplied to an inverting input terminal, a negative voltage Em having a predetermined value is supplied to a non-inverting input terminal, and the output voltage c is a voltage Ep.
Is output in the negative direction, the second comparison output f is output. In the third comparator Cz, the output voltage c of the integrator 10 is supplied to the non-inverting input terminal, the ground voltage Vgnd or a predetermined bias voltage is supplied to the inverting input terminal, and the output voltage c is positive, negative, or higher than the predetermined voltage. Or the third comparison output d
Is inverted. Since the third comparator Cz is for determining the zero crossing of the output voltage c, any device can be used as long as it can perform this function. The control logic means 20 receives the first comparison output e, the second comparison output f, the third comparison output d, and the timing signal, and outputs an up-count signal LO1 and a down-count signal LO2. Also, it outputs a data output command signal LO3. The up-count signal LO1 is output from when the second comparison output f is output until the third comparison output d is inverted, or when the third comparison output d is low (the output voltage of the integrator 10 corresponds to a negative value). ) And from the end of the integration period of the present integral A / D converter until the third comparison output d is inverted to high. Further, the down count signal LO2 is the first
From the time when the comparison output e is output to the time when the third comparison output d is inverted, or when the third comparison output d is high (the output voltage of the integrator 10 is positive) and the integration of the present integration type A / D converter is performed. It is turned on from the end of the period until the third comparison output d is inverted to low. The up / down counter 30 has an up count terminal U, a down count terminal D, a count output terminal O, and a reset terminal R. To the reset terminal R, a timing signal for resetting the count value when a new integration period starts is applied. If the integration period is set continuously, the count value at that time is output and reset to keep the continuity of the measurement, and the count is subsequently performed. The clock signal is input to the up-count terminal U while the switch SW5 is closed by the up-count signal LO1, and counts up. The clock signal is input to the down-count terminal D while the switch SW6 is closed by the down-count signal LO2, and counts down. The register 40 receives the count value of the up / down counter 30 when the switch SW7 is closed, and additional information indicating the data content of the count value.
For example, data is output with a sign indicating positive or negative. A control signal is applied to the switch SW7 so as to be turned on when the count value corresponding to one integration period is completed. When the integration period is set continuously, the switch SW7 is turned on at the end of the integration period, and the count value at that time is output. The clock pulse generator 50 supplies a clock signal voltage, which is a time reference of the present apparatus, to the up / down counter 30 and the timing controller 60. The timing controller 60 receives a clock signal voltage and an external operation signal as required, generates various timing signals, and supplies them to required portions. The timing signal TC1 is output during the integration period and supplied to the switch SW1 and the control logic unit 20. The timing signal TC2 is output at the moment when a new integration period starts, and is supplied to the switch SW4 and the up / down counter 30. The timing signal TC3 is A /
This is an operation timing signal for D conversion and supplied to the control logic means 20. In addition, a timing signal can be formed and used as needed. Now, the integral type A / D in this embodiment
The operation of the converter will be described with reference to the timing chart of FIG. The following description relates to the operation during one integration period. The timing controller 60 receives a clock signal voltage from the clock pulse generator 50 and an external command signal. When the integration period starts at time point t1, a timing signal TC1 is supplied from the timing controller 60 to the switch SW1, and the switch SW1 is closed during the integration period. At the same time, the timing signal TC2 is given from the timing controller 60 to the switch SW4 and the up / down counter 30, and the residual charge of the capacitor Ci is discharged and the count value of the up / down counter 30 is reset. After the start of the integration period, integration is performed by the integrator 10 according to the input signal Vin (potential at point a), and the potential at point c, which is the output, increases in the negative direction according to the input signal Vin of positive polarity. . At time t3 when the potential at the point c exceeds the bias voltage Em of the second comparator Cm, the second comparison output f rises and is applied to the control logic means 20. In the control logic means 20, the second comparison output f and the timing signal T indicating the A / D conversion operation timing are output.
An up-count signal LO1 is generated under an AND condition with C3. The up-count signal LO1 is first supplied to the switch SW5 and is closed. While the switch SW5 is closed, the clock signal voltage from the clock pulse generator 50 is supplied to the up-count terminal U of the up-down counter 30, and the count value of the up-down counter 30 is counted up. At the same time, the up-count signal LO1 is supplied to the switch SW2 to close.
While the switch SW2 is closed, the constant current Iu flows out of the capacitor Ci of the integrator 10. In other words, the difference between the current flowing in response to the input signal Vin and the constant current Iu charges the capacitor Ci or charges the capacitor Ci.
From the battery. When the constant current Iu is discharged, the potential at the point c gradually recovers. When the potential drops below the bias voltage Em of the second comparator Cm, the second comparison output f falls. However, in this state, the circuit operation is still changed. There is no. At time t4 when the potential at the point c further recovers and reaches the zero potential of the third comparator Cz, the third comparison output d is inverted and applied to the control logic means 20. The control logic means 20 stops the up-count signal LO1 by inverting the third comparison output d. As a result, the switch SW5 is opened, the up-counting operation of the up / down counter 30 is stopped, the switch SW2 is opened, and the outflow of the constant current Iu is stopped. In this way, the discharging of the constant current Iu and the up-counting are performed in parallel with the integration of the input signal Vin, and the A / D conversion is performed during the integration of the input signal Vin. The operation in the period from time t4 to time t7 in FIG. 2 is the same as the operation described above, and the description is omitted. In FIG. 2, when the negative input signal Vin (potential at point a) is generated at time t8, the integrator 1
The potential at the point c, which is an integrated output of 0, is a negative input signal Vin.
Increases in the positive direction. At time t9 when the potential at the point c exceeds the bias voltage Ep of the first comparator Cp, the first
The comparison output e rises and the control logic means 2
0 is applied. In the control logic means 20,
At the time point t10 when the AND condition between the first comparison output e and the timing signal TC3 as the A / D conversion operation timing is generated, the down-count signal LO2 is generated. The down-count signal LO2 is supplied to the switch SW6 to be closed. While the switch SW6 is closed, the clock signal from the clock pulse generator 50 is supplied to the down count terminal D of the up / down counter 30, and the count value of the up / down counter 30 is counted down. At the same time, the down-count signal LO2 is supplied to the switch SW3 to close. While the switch SW3 is closed, the constant current Id is
Flows into the capacitor Ci. In other words, a current having a difference between the current according to the input signal Vin and the constant current Id is charged to the capacitor Ci or discharged from the capacitor Ci. When the constant current Id is charged, the potential at the point c gradually recovers. When the potential drops below the bias voltage Ep of the first comparator Cp, the first comparison output e falls. In this state, the circuit operation is still changed. There is no. When the integration period ends at the time point t11 during the recovery of the potential at the point c due to the charging of the constant current Id, the timing signal TC1 from the timing controller 60 is turned off and the switch SW1 is opened at the time point t11. You. However, at this time point t11, the A / D conversion operation is being performed, and the A / D conversion operation is continued even after the integration period ends. Then, the time point t1 when the potential at the point c further recovers and reaches the reference potential (zero potential) of the third comparator Cz.
At 2 the third comparison output d is inverted and applied to the control logic means 20. Control logic means 2
At 0, the down-count signal LO2 is stopped due to the inversion of the third comparison output d. As a result, the switch SW6 is opened, the down-counting operation of the up / down counter 30 is stopped, the switch SW3 is opened, and the inflow of the constant current Id is stopped. Further, the control logic means 20 supplies the data output command signal LO3 to the switch SW7. The up-count pulse i and the down-count pulse j during this period are as shown in FIG. 2, and the resulting count data k (time t11 or time t12) of the up-down counter 30 is integrated measurement during the integration period. The data is stored in the register 4 via the switch SW7.
Input to 0. The register 40 outputs the data with the input count data and additional information indicating the data content, for example, a sign indicating positive or negative. Although not shown in the timing chart of FIG. 2, the output voltage of the integrator 10 is equal to that of the second comparator Cm.
If the integration period ends with the bias voltage Em (or the bias voltage Ep) of the first comparator Cp remaining at a low value without exceeding the bias voltage Em (or the bias voltage Ep), it is determined that the integrated value in this state becomes an error. Need to be avoided. Therefore, the time t11 at which the integration period ends
In accordance with the inversion state (positive to negative or negative to positive) of the third comparison output f of the third comparator Cz, the switch SW
2. Close the switch SW5 to perform the outflow and up-count of the constant current Iu, or close the switches SW3 and SW6 to perform the inflow and down-count of the constant current Id. This count is the third comparison output d of the third comparator Cz.
Is terminated when is inverted again. In this embodiment, in the integration type A / D converter for monitoring and measuring the integrated value of the charging / discharging current of the battery, the A / D conversion is performed during the integration of the input signal Vin proportional to the charging / discharging current of the battery. Since the conversion, that is, the counting operation is started, the clock TC3 of the A / D conversion can be set to a low frequency, and the A / D after the integration period is completed.
The time until the end of the conversion can be reduced. Further, when the integrated value c of the input signal Vin reaches the predetermined values Em and Ep, the constant currents Iu and Id flow in or out in a direction to reduce the integrated value c.
The dynamic range of A / D conversion can be expanded. For this reason, when the input signal Vin of the same level is A / D-converted, high precision can be achieved by adjusting the gain of an amplifier or the like. Further, according to the output polarity of the integrator 10, the constant currents Iu and Id flow out or in the direction of decreasing the integrated value c, and the up / down counter 30 is counted up or down. The integrated value can be measured by one unit even for the input current of the polarity. Next, the operation when the integration period is set continuously will be described. This operation will be described focusing on differences from the operation in one integration period. Immediately after the end of one integration period, the next integration period starts. In this case, at the end of one integration period, the switch SW7 is closed, the count value of the up / down counter 30 at that time is output to the register 40, and after this output, the count value of the up / down counter 30 is reset once. The other operating conditions do not change significantly with the end of one integration period.
SW6 is also in the normal operation state of the integrating A / D converter. At each end of each integration period, the count data corresponding to the integration period, that is, the integrated value of the input signal is sequentially output from the register 40. As described above, it is possible to integrate input signals for a plurality of continuous integration periods, which could not be expected with the conventional integrating A / D converter. According to the present invention, in the integrating A / D converter for monitoring and measuring the integrated value of the charging / discharging current of the battery, the A / D conversion is started while the input signal is being integrated. Therefore, the time until the end of the A / D conversion can be shortened. If the time is not shortened, the current consumption can be reduced by setting the A / D conversion clock to a low frequency. Further, when the integrated value of the input signal reaches a predetermined value, a constant current flows in or out in a direction to reduce the integrated value, so that the dynamic range of A / D conversion can be expanded. For this reason, the input signal of the same level is A /
At the time of D-conversion, high precision can be achieved by adjusting the gain of an amplifier or the like. Further, according to the output polarity of the integrator, a constant current is caused to flow out or flow in the direction of decreasing the integrated value, and the up / down counter is counted up or down. However, the integrated value can be measured by one device.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の実施の形態に係る積分型A/Dコンバ
ータの構成を示す図。 【図2】本発明の実施の形態に係る積分型A/Dコンバ
ータのタイミングチャート。 【図3】従来の積分型A/Dコンバータの構成を示す
図。 【図4】従来の積分型A/Dコンバータのタイミングチ
ャート。 【符号の説明】 10 積分器 20 コントロールロジック手段 30 アップダウンカウンタ 40 レジスタ 50 クロックパルス発生器 60 タイミングコントローラ Vin 入力信号 Iu、Id 定電流 Ri 入力抵抗 Ai 増幅器 Ci コンデンサ Cp 第1比較器 Cm 第2比較器 Cz 第3比較器
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an integrating A / D converter according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a timing chart of the integration type A / D converter according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a conventional integrating A / D converter. FIG. 4 is a timing chart of a conventional integrating A / D converter. DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Integrator 20 Control logic means 30 Up / down counter 40 Register 50 Clock pulse generator 60 Timing controller Vin Input signal Iu, Id Constant current Ri Input resistance Ai Amplifier Ci Capacitor Cp First comparator Cm Second comparison Device Cz third comparator

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】 増幅器、この増幅器の入力端子と出力端
子間に接続されたコンデンサ、及び前記増幅器の入力端
子に接続された入力抵抗から構成される積分器と、 前記積分器の前記増幅器の反転入力に指令信号に応じて
定電流を流入させる第1定電流手段と、 前記反転入力から指令信号に応じて定電流を流出させる
第2定電流手段と、 前記積分器の出力が正の所定の電圧を越えているときに
第1比較出力を発生し、同じく積分器の出力が負の所定
の電圧を越えているときに第2比較出力を発生し、かつ
同じく積分器の出力が零電圧に至ったとき第3比較出力
を発生する比較手段と、 アップ指令信号に応じてアップカウントし、ダウン指令
信号に応じてダウンカウントするとともに、適時にカウ
ント値を出力するアップダウンカウンタと、 前記第1比較出力、前記第2比較出力、前記第3比較出
力が入力され、これら各比較出力に応じて、前記第1定
電流手段、前記第2定電流手段、前記アップダウンカウ
ンタに各指令信号を供給する制御手段とを備え、 前記第1比較出力に応じて、前記第1定電流手段に指令
信号を、前記アップダウンカウンタにダウン指令信号を
それぞれ与え、前記第3比較出力に応じてこれら指令信
号及びダウン指令信号を停止するとともに、 前記第2比較出力に応じて、前記第2定電流手段に指令
信号を、前記アップダウンカウンタにアップ指令信号を
それぞれ与え、前記第3比較出力に応じてこれら指令信
号及びアップ指令信号を停止する、ことを特徴とする積
分型A/Dコンバータ。
Claims: 1. An integrator comprising an amplifier, a capacitor connected between an input terminal and an output terminal of the amplifier, and an input resistor connected to an input terminal of the amplifier. First constant current means for flowing a constant current into the inverting input of the amplifier according to a command signal in accordance with a command signal; second constant current means for flowing a constant current from the inverting input in response to a command signal; A first comparison output is generated when the output exceeds a predetermined positive voltage, a second comparison output is generated when the output of the integrator exceeds a predetermined negative voltage, and the integrator is also generated. A comparison means for generating a third comparison output when the output of the inverter reaches zero voltage; an up-counter for counting up according to an up command signal, down-counting according to a down command signal, and outputting a count value in a timely manner. And the first comparison output, the second comparison output, and the third comparison output. The first constant current unit, the second constant current unit, and the up / down Control means for supplying each command signal to the counter; providing a command signal to the first constant current means and a down command signal to the up / down counter in response to the first comparison output; The command signal and the down command signal are stopped according to the output, and the command signal is given to the second constant current means and the up command signal is given to the up / down counter according to the second comparison output, respectively. (3) An integral type A / D converter, wherein the command signal and the up command signal are stopped according to the comparison output.
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