JP2010193282A - A-d converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器に関する。 The present invention relates to an A / D converter that converts an analog signal into a digital signal.
従来からA/D変換器の一形態として、デルタシグマ(ΔΣ)型A/D変換器が知られている。図7に、一般的なΔΣ型A/D変換器の構成例を示す。この図7に示すように、従来のΔΣ型A/D変換器100は、差分器101、積分器102、コンパレータ(比較器)103、オーバーサンプラ104、1ビットD/A変換器105及びデジタルフィルタ(デシメーションフィルタ)106から構成されている。これらの内、差分器101、積分器102、コンパレータ103、オーバーサンプラ104及び1ビットD/A変換器105によって、ΔΣ変調器が構成されている。
Conventionally, a delta-sigma (ΔΣ) type A / D converter is known as one form of the A / D converter. FIG. 7 shows a configuration example of a general ΔΣ A / D converter. As shown in FIG. 7, a conventional ΔΣ A /
差分器101は、入力アナログ信号と1ビットD/A変換器105の出力アナログ信号との差分信号を生成して積分器102に出力する。積分器102は、差分器101から入力される差分信号を積分する。コンパレータ103は、1ビットA/D変換器として機能し、積分器102の出力信号と基準信号との比較結果を1ビット信号としてオーバーサンプラ104に出力する。
The difference unit 101 generates a difference signal between the input analog signal and the output analog signal of the 1-bit D /
オーバーサンプラ104は、コンパレータ103から出力される1ビット信号をオーバーサンプリングすることにより、高密度のパルス列からなる1ビット信号を生成して1ビットD/A変換器105及びデジタルフィルタ106に出力する。1ビットD/A変換器105は、オーバーサンプラ105の出力信号をアナログ信号に変換して差分器101に出力する。デジタルフィルタ106は、オーバーサンプラ105の出力信号(高密度1ビット信号)を間引き演算することで、必要な分解能を有するデジタル信号を生成する。
The
上記のようなΔΣ型A/D変換器100は、オーバーサンプリング及びノイズシェーピングによって量子化ノイズを抑制でき、また、デジタルフィルタ106における間引き率の設定により、分解能と変換速度とのトレードオフを取れるという長所がある。その一方で、積分器102、コンパレータ103、1ビットD/A変換器105などのアナログ回路を、オーバーサンプラ104の動作に合わせて高速に動作させる必要があり、高速な素子を用いることが要求される。また、サンプリング周波数のノイズはデジタルフィルタ106では除去できないため、入力前段にプリフィルタを設ける必要がある。
The ΔΣ A /
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ΔΣ型A/D変換器の長所を備え、且つアナログ部品への精度要求の低い低コストのA/D変換器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a low-cost A / D converter having advantages of a ΔΣ A / D converter and low accuracy requirements for analog parts. Objective.
上記課題を解決するために、本発明のA/D変換器は、入力アナログ信号とフィードバック信号との差分信号を生成する差分器と、前記差分信号を積分する積分器と、基本クロックを分周して得られる変換クロックに同期して、前記積分器の出力レベルに応じたデューティを有するパルス信号を生成するレベル/デューティ変換器と、前記基本クロックに同期して、前記パルス信号をオーバーサンプリングするオーバーサンプラと、前記オーバーサンプラの出力信号のデューティに応じたレベルを有する信号を前記フィードバック信号として前記差分器に出力するデューティ/レベル変換器と、前記オーバーサンプラの出力信号に対してデューティ/レベル変換処理及びデシメーションフィルタリング処理を行うデジタルフィルタとを備えることを特徴とする(図1)。 In order to solve the above problems, an A / D converter according to the present invention includes a difference unit that generates a difference signal between an input analog signal and a feedback signal, an integrator that integrates the difference signal, and a basic clock. A level / duty converter that generates a pulse signal having a duty corresponding to the output level of the integrator in synchronization with the conversion clock obtained in this manner, and oversampling the pulse signal in synchronization with the basic clock. An oversampler, a duty / level converter for outputting a signal having a level corresponding to a duty of an output signal of the oversampler to the differencer as the feedback signal, and a duty / level conversion for the output signal of the oversampler And a digital filter for performing decimation filtering processing It characterized the door (Figure 1).
また、本発明のA/D変換器において、前記デジタルフィルタは、前記オーバーサンプラの出力信号のデューティに応じたレベル信号を生成するデューティ/レベル変換用フィルタと、前記レベル信号の間引き処理を行うデシメーションフィルタとを備えることを特徴とする。 In the A / D converter of the present invention, the digital filter includes a duty / level conversion filter that generates a level signal corresponding to a duty of an output signal of the oversampler, and a decimation that performs a thinning process of the level signal. And a filter.
また、本発明のA/D変換器において、前記デューティ/レベル変換用フィルタは、移動平均フィルタであることを特徴とする。
また、本発明のA/D変換器において、前記デジタルフィルタは、前記デューティ/レベル変換用フィルタ及びデシメーションフィルタの他、特定周波数成分の除去用フィルタを備えることを特徴とする。
In the A / D converter of the present invention, the duty / level conversion filter is a moving average filter.
In the A / D converter of the present invention, the digital filter includes a filter for removing a specific frequency component in addition to the duty / level conversion filter and the decimation filter.
本発明によれば、ΔΣ型A/D変換器が持つ分解能の高さを合わせ持ち、且つアナログ部品への精度要求の低い低コストのA/D変換器を実現することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to realize a low-cost A / D converter that has the high resolution of the ΔΣ A / D converter and has low accuracy requirements for analog components.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図1は、本発明のA/D変換器1の構成ブロック図である。この図1に示すように、本実施形態のA/D変換器1は、発振器11、分周器12、差分器13、積分器14、レベル/デューティ変換器15、オーバーサンプラ16、デューティ/レベル変換器17及びデジタルフィルタ18から構成されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration block diagram of an A /
次に実施例を示す。差分器13、積分器14、レベル/デューティ変換器15、オーバーサンプラ16及びデューティ/レベル変換器17によってΔΣ変調器が構成されている。また、詳細は後述するが、アナログスイッチ回路17a及び平滑器17bによってデューティ/レベル変換器17が構成されている(図2参照)。
Examples will now be described. The difference unit 13, the
発振器11は、周波数F0を有する基本クロックCL0を生成して分周器12、オーバーサンプラ16及びデジタルフィルタ18に出力する。本実施形態では、説明の便宜上、基本クロックCL0の周波数F0を5kHzと想定して説明する。分周器12は、発振器11から入力される基本クロックCL0を分周して周波数Fsを有する変換クロックCLsを生成してレベル/デューティ変換器15に出力する。ここで、変換クロックCLsの周波数Fsは1kHzとする。
The
なお、本実施形態では、発振器11及び分周器12を用いて、A/D変換器1の内部で基本クロックCL0及び変換クロックCLsを生成する構成を例示したが、これら基本クロックCL0及び変換クロックCLsを外部から供給するような構成としても良い。
In the present embodiment, the configuration in which the basic clock CL0 and the conversion clock CLs are generated inside the A /
差分器13は、入力アナログ信号Ainとデューティ/レベル変換器17の出力信号との差分信号を生成して積分器14に出力する。積分器14は、差分器13から入力される差分信号を積分し、その積分結果に応じた信号を積分信号Ioutとしてレベル/デューティ変換器15に出力する。
The difference unit 13 generates a difference signal between the input analog signal Ain and the output signal of the duty /
レベル/デューティ変換器15は、積分器14から入力される積分信号Ioutのレベル(振幅)に応じたデューティを有するパルス信号Poutを生成するものであり、三角波生成器15a及びコンパレータ15bから構成されている。三角波生成器15aは、分周器12から入力される変換クロックCLsを基に、変換クロックCLsと同一周期を有する三角波信号Triを生成してコンパレータ15bの反転入力端子(−)に出力する。コンパレータ15bは、非反転入力端子(+)に入力される積分信号Ioutと、反転入力端子に入力される三角波信号Triとの大小比較を行い、その比較結果に応じた信号をパルス信号Poutとしてオーバーサンプラ16に出力する。なお、このパルス信号Poutの周期(レベル/デューティ変換器15の変換周期)は、三角波信号Triと同一、つまり変換クロックCLsの周期Ts(=1/Fs=1ms)と同一となる。
The level /
オーバーサンプラ16は、例えばD型フリップフロップであり、レベル/デューティ変換器15から入力されるパルス信号Poutを、発振器11から入力される基本クロックCL0に同期してオーバーサンプリングし、そのサンプリング結果に応じた信号をサンプリング信号Soutとしてデューティ/レベル変換器17及びデジタルフィルタ18に出力する。
The
アナログスイッチ回路17aは、オーバーサンプラ16から入力されるサンプリング信号Soutに応じて、基準電圧Vref=5V、または0Vを選択的に出力する。具体的には、このアナログスイッチ回路17aは、サンプリング信号Soutがハイレベルの期間では基準電圧Vref=5Vを選択する一方、サンプリング信号Soutがローレベルの期間では0Vを選択して出力する。平滑器17bは、アナログスイッチ回路17aの出力信号を平滑化して差分器13に出力する。
The analog switch circuit 17a selectively outputs the reference voltage Vref = 5V or 0V according to the sampling signal Sout input from the
デジタルフィルタ18は、オーバーサンプラ16から入力されるサンプリング信号Soutに対して、発振器11から入力される基本クロックCL0に同期して、デューティ/レベル変換処理及びデシメーションフィルタリング処理を行うものであり、デューティ/レベル変換用フィルタ18a、デシメーションフィルタ18b及び商用周波除去フィルタ18cから構成されている。
The digital filter 18 performs a duty / level conversion process and a decimation filtering process on the sampling signal Sout input from the
デューティ/レベル変換用フィルタ18aは、例えばSinc1フィルタ等の移動平均フィルタによって構成されており、サンプリング信号Soutの移動平均処理を行うことにより、サンプリング信号Soutのデューティに応じたレベルを示すデジタル信号を生成し、
そのデジタル信号をレベル信号Lvとしてデシメーションフィルタ18bに出力する。なお、このデューティ/レベル変換用フィルタ18aの出力更新間引き率DF(Decimation Factor)は、Fs/F0の倍数に適宜設定する必要がある。
The duty /
The digital signal is output to the
詳細は後述するが、例えば出力更新間引き率DF=Fs/F0=5とすると、基本クロックCL0の5クロック分に相当する期間毎にサンプリング信号Soutの移動平均処理が行われ、その結果がレベル信号Lvとして出力される。よって、レベル信号Lvの出力レートは変換クロックCLsの周波数Fsと同一となる。 Although details will be described later, for example, if the output update thinning rate DF = Fs / F0 = 5, the moving average processing of the sampling signal Sout is performed every period corresponding to five clocks of the basic clock CL0, and the result is a level signal. Output as Lv. Therefore, the output rate of the level signal Lv is the same as the frequency Fs of the conversion clock CLs.
デシメーションフィルタ18bは、例えばSinc2フィルタによって構成されており、レベル信号Lvに対する間引き処理機能と高周波除去機能とを有している。このデシメーションフィルタ18bの出力更新間引き率DFは任意に設定することができる。例えば、DF=P(Pは任意の値)とすると、デシメーションフィルタ18bの出力レートはFs/Pで表される。商用周波除去フィルタ18cは、入力アナログ信号Ainに重畳している商用電源の周波数成分を除去するためのフィルタであり、例えばFIRフィルタによって構成されている。この商用周波除去フィルタ18cの出力更新間引き率DFも任意に設定することができる。例えば、DF=Q(Qは任意の値)とすると、商用周波除去フィルタ18cの出力レートはFs/P/Qで表される。
The
なお、商用周波除去フィルタ18cは、アプリケーションとして要求される周波数特性を実現するために設けられたフィルタであり、入力アナログ信号Ainに商用電源以外のノイズ成分が重畳している場合には、そのノイズ成分を除去するようなフィルタを適宜設ければ良い。
The commercial
以上のようなデジタルフィルタ18によって、サンプリング信号Soutに対するデューティ/レベル変換処理及びデシメーションフィルタリング処理が行われ、その処理結果として入力アナログ信号Ainに応じたデジタル信号Doutが生成される。 The digital filter 18 as described above performs duty / level conversion processing and decimation filtering processing on the sampling signal Sout, and a digital signal Dout corresponding to the input analog signal Ain is generated as a result of the processing.
図2に示すように、アナログスイッチ回路17a及び平滑器17bにより、デューティ/レベル変換器17が構成される。
As shown in FIG. 2, the analog switch circuit 17a and the smoother 17b constitute a duty /
次に、上記のように構成された本実施形態のA/D変換器1の動作について、図3及び図4を参照して説明する。図3は、入力アナログ信号Ainのレベルが2.0Vであった場合における、基本クロックCL0と、三角波信号Triと、積分信号Ioutと、パルス信号Poutと、サンプリング信号Soutとの時間的関係を表すタイミングチャートである。なお、ここでは、デューティ/レベル変換用フィルタ18aの出力更新間引き率DFが「5」に設定され、デシメーションフィルタ18bの出力更新間引き率DFが「10」に設定されている場合を想定して説明する。
Next, the operation of the A /
この図3に示すように、基本クロックCL0の周期T0は、T0=1/F0=0.2msであり、三角波信号Triの周期は、変換クロックCLsの周期(変換周期Ts)と同じ1msとなる。ここで、時刻t1〜t2の期間に着目すると、積分信号Ioutの方が三角波信号Triより大きくなるため、レベル/デューティ変換器15(コンパレータ15b)から出力されるパルス信号Poutはハイレベル(5V)となる。一方、時刻t2〜t3の期間に着目すると、三角波信号Triの方が積分信号Ioutより大きくなるため、パルス信号Poutはローレベル(0V)となる。このように、レベル/デューティ変換器15からは、積分信号Ioutのレベルに応じたデューティを有するパルス信号Poutが出力され、その周期は変換周期Tsと同一(1ms)となる。
As shown in FIG. 3, the period T0 of the basic clock CL0 is T0 = 1 / F0 = 0.2 ms, and the period of the triangular wave signal Tri is 1 ms, which is the same as the period of the conversion clock CLs (conversion period Ts). . Here, focusing on the period from time t1 to time t2, since the integral signal Iout is larger than the triangular wave signal Tri, the pulse signal Pout output from the level / duty converter 15 (comparator 15b) is at a high level (5V). It becomes. On the other hand, paying attention to the period from time t2 to t3, the triangular wave signal Tri is larger than the integration signal Iout, so the pulse signal Pout is at a low level (0 V). As described above, the level /
オーバーサンプラ16は、上記のようなデューティを有するパルス信号Poutを、基本クロックCL0に同期してサンプリングする。よって、図3に示すように、サンプリング信号Soutは、2基本クロック分の期間でハイレベルとなり、3基本クロック分の期間でローレベルとなるパルス波形となり、その周期は変換周期Tsと同一(1ms)となる。つまり、サンプリング信号Soutのデューティは40%となる。 The oversampler 16 samples the pulse signal Pout having the duty as described above in synchronization with the basic clock CL0. Therefore, as shown in FIG. 3, the sampling signal Sout becomes a pulse waveform that becomes high level during a period of two basic clocks and low level during a period of three basic clocks, and the cycle thereof is the same as the conversion cycle Ts (1 ms). ) That is, the duty of the sampling signal Sout is 40%.
また、サンプリング信号Soutがハイレベルとなる期間(時刻t4〜t5の期間)に着目すると、この期間ではデューティ/レベル変換器17によって0Vが選択されるため、積分器14から出力される積分信号Ioutは、入力アナログ信号Ain(2V)と0Vとの差分値に応じた一定の傾きで上昇していく。一方、サンプリング信号Soutがローレベルとなる期間(時刻t5〜t6の期間)に着目すると、この期間ではデューティ/レベル変換器17によって基準電圧Vref=5Vが選択されるため、積分器14から出力される積分信号Ioutは、入力アナログ信号Ain(2V)と5Vとの差分値に応じた一定の傾きで下降していく。つまり、積分信号Ioutは、変換周期Tsと同一周期を有するノコギリ波となる。
When attention is paid to the period during which the sampling signal Sout is at a high level (period from time t4 to t5), 0 V is selected by the duty /
上記のようなサンプリング信号Soutがデューティ/レベル変換用フィルタ18aに入力されることにより、基本クロックCL0の5クロック分に相当する期間毎にサンプリング信号Soutの移動平均処理が行われ、その結果がレベル信号Lvとして出力される。つまり、サンプリング信号Soutにおいて、5基本クロック分に相当する期間の内、2基本クロック分に相当する期間だけハイレベル「1」であるので、移動平均処理の結果は2/5=0.4となり、5V×0.4=2Vによって入力アナログ信号Ainのレベルを算出することができる。デシメーションフィルタ18bの出力もこれに対応した値となる。
When the sampling signal Sout as described above is input to the duty /
図4は、入力アナログ信号Ainのレベルが2.4Vであった場合における、基本クロックCL0と、三角波信号Triと、積分信号Ioutと、パルス信号Poutと、サンプリング信号Soutとの時間的関係を表すタイミングチャートである。 FIG. 4 shows a temporal relationship among the basic clock CL0, the triangular wave signal Tri, the integration signal Iout, the pulse signal Pout, and the sampling signal Sout when the level of the input analog signal Ain is 2.4V. It is a timing chart.
この場合のA/D変換器1の動作は、上述した入力アナログ信号Ainのレベルが2.0Vの場合の動作と同じであるが、図3と図4とを比較すると、図4のサンプリング信号Soutにおいて、符号S1、S2、S3、S4で示す領域で、1基本クロック分だけハイレベル期間の長いパルスが発生していることがわかる。このようなサンプリング信号Soutを、10変換クロック分に相当する期間(10Ts)で見た場合、24基本クロック分に相当する期間でハイレベル、26基本クロック分に相当する期間でローレベルとなる。従って、デシメーションフィルタ18bの出力は2.4Vに対応した値となる。
The operation of the A /
このように、入力アナログ信号Ainのレベルを少数点以下の桁まで変換する必要があれば、デシメーションフィルタ18bの出力更新間引き率DFを大きく設定することで、十分な変換精度を持ったA/D変換器1を実現することができる。なお、上記の説明では、説明の容易化のために、入力アナログ信号Ainのレベルを2.4Vとしたが、0〜5Vの範囲であれば、どのような入力アナログ信号Ainを加えても、サンプリング信号Soutには長周期的に見れば入力アナログ信号Ainのレベルを正確に反映したデューティが現れる。つまり、本実施形態のA/D変換器1によって、ΔΣ型のA/D変換器が実現されている。
In this way, if it is necessary to convert the level of the input analog signal Ain to a decimal point or less, an A / D having sufficient conversion accuracy can be obtained by setting the output update thinning rate DF of the
以上のように、本実施形態のA/D変換器1では、積分器14、レベル/デューティ変換器15及びデューティ/レベル変換器17の動作周波数Fsを、基本クロックCL0の周波数F0とは独立に低く設定することが可能である。一方で、単純なデューティ/レベル変換器の場合とは異なり、ΔΣ型A/D変換器の構成をとっているので、Fsを極端に低く設定しなくともA/D変換器としての最終的な分解能を確保することができる。すなわち、変換クロックCLsの周波数Fsの設定によって安価な部品でアナログ回路を構成することができる。
As described above, in the A /
また、デジタルフィルタ18の後段部、デシメーションフィルタ18b及び商用周波除去フィルタ18cは、サンプリングレートFsで動作するため、Fsの成分を有する信号が入ると除去することができない。図5は、デシメーションフィルタ18bと商用周波除去フィルタ18cの周波数特性を加算して得られる周波数特性例である。この図5に示すように、デシメーションフィルタ18b及び商用周波除去フィルタ18cにFsの成分を有する信号が入ると除去することができないことがわかる。
Further, since the latter stage of the digital filter 18, the
この点、レベル/デューティ変換器15は、Ts=1/Fsの変換周期を有し、図6に示すようなノッチ特性により、周波数Fsと同じ周波数が後段のデューティ/レベル変換用フィルタ18aの出力に現れることはない。本実施形態のA/D変換器1の全体の周波数特性は、図5と図6を掛け合わせた特性となり、Fsの成分は通過しない。すなわち、本実施形態のA/D変換器1では、折り返しノイズが発生せず、特別なプリフィルタを設ける必要がなくなる。
In this respect, the level /
以上説明したように、本実施形態のA/D変換器1の構成によって、積分型A/D変換器が持つ簡便さと、ΔΣ型A/D変換器が持つ分解能の高さを合わせ持ち、且つアナログ部品への精度要求の低い低コストのA/D変換器を実現することが可能である。
As described above, the configuration of the A /
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような応用例が考えられる。
(1)上記実施形態では、デューティ/レベル変換用フィルタ18aをSinc1フィルタで構成した場合を例示したが、これに限らず、デューティ/レベル変換が可能であれば他のデジタルフィルタを用いても良い。また、デューティ/レベル変換用フィルタ18aの出力に対して、どのようなフィルタリング処理を行うかによって変換精度と応答速度とのトレードオフを決定することができる。マルチタップフィルタの作成も可能である。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, The following application examples can be considered.
(1) In the above embodiment, the case where the duty /
1…A/D変換器、11…発振器、12…分周器、13…差分器、14…積分器、15…レベル/デューティ変換器、16…オーバーサンプラ、17…デューティ/レベル変換器、17a…アナログスイッチ回路、17b…平滑器、18…デジタルフィルタ、18a…デューティ/レベル変換用フィルタ、18b…デシメーションフィルタ、18c…商用周波除去フィルタ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記差分信号を積分する積分器と、
基本クロックを分周して得られる変換クロックに同期して、前記積分器の出力レベルに応じたデューティを有するパルス信号を生成するレベル/デューティ変換器と、
前記基本クロックに同期して、前記パルス信号をオーバーサンプリングするオーバーサンプラと、
前記オーバーサンプラの出力信号のデューティに応じたレベルを有する信号を前記フィードバック信号として前記差分器に出力するデューティ/レベル変換器と、
前記オーバーサンプラの出力信号に対してデューティ/レベル変換処理及びデシメーションフィルタリング処理を行うデジタルフィルタと
を備えることを特徴とするA/D変換器。 A differentiator for generating a difference signal between the input analog signal and the feedback signal;
An integrator for integrating the difference signal;
A level / duty converter that generates a pulse signal having a duty corresponding to the output level of the integrator in synchronization with a conversion clock obtained by dividing a basic clock;
An oversampler for oversampling the pulse signal in synchronization with the basic clock;
A duty / level converter that outputs a signal having a level corresponding to the duty of the output signal of the oversampler to the differencer as the feedback signal;
And a digital filter that performs duty / level conversion processing and decimation filtering processing on the output signal of the oversampler.
前記オーバーサンプラの出力信号のデューティに応じたレベル信号を生成するデューティ/レベル変換用フィルタと、
前記レベル信号の間引き処理を行うデシメーションフィルタと
を備えることを特徴とする請求項1記載のA/D変換器。 The digital filter is
A duty / level conversion filter that generates a level signal corresponding to the duty of the output signal of the oversampler;
The A / D converter according to claim 1, further comprising: a decimation filter that performs a thinning process of the level signal.
前記変換クロックに同期して三角波信号を生成する三角波生成器と、
前記積分器の出力信号と前記三角波信号との大小比較を行うことで前記パルス信号を生成するコンパレータと
を備えることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一項に記載のA/D変換器。 The level / duty converter is
A triangular wave generator that generates a triangular wave signal in synchronization with the conversion clock; and
The A / D conversion according to any one of claims 2 to 4, further comprising: a comparator that generates the pulse signal by comparing the output signal of the integrator and the triangular wave signal. vessel.
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