JP2012124589A - A/d converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、A/D変換器に関するものである。 The present invention relates to an A / D converter.
従来から、センサと、センサの出力電圧を増幅する増幅回路(プリアンプ)と、増幅回路から出力される出力電圧(アナログ値)をディジタル値に変換するA/D変換器とを備えたセンサ装置が提案されている(例えば、特許文献1)。 2. Description of the Related Art Conventionally, a sensor device includes a sensor, an amplifier circuit (preamplifier) that amplifies the output voltage of the sensor, and an A / D converter that converts an output voltage (analog value) output from the amplifier circuit into a digital value. It has been proposed (for example, Patent Document 1).
また、従来から、アナログ値をディジタル値に変換するA/D変換器の一種として、四重積分型A/D変換器が知られている(例えば、特許文献2,3)。
Conventionally, a quadruple integration type A / D converter is known as a kind of A / D converter for converting an analog value into a digital value (for example,
一般的に、四重積分型A/D変換器は、演算増幅器と抵抗とコンデンサとを有する積分器を備えており、グラウンド電圧を積分する第1期間、参照電圧を積分する第2期間、入力電圧を積分する第3期間、参照電圧を積分する第4期間がサイクリックに現われるように積分器の入力が制御される。そして、四重積分型A/D変換器では、第4期間のカウント値から第2期間のカウント値を減算することにより、演算増幅器のオフセット電圧や、低周波雑音をキャンセルするようにしている。 In general, the quadruple integration type A / D converter includes an integrator having an operational amplifier, a resistor, and a capacitor, and includes a first period for integrating a ground voltage, a second period for integrating a reference voltage, and an input. The input of the integrator is controlled so that the third period for integrating the voltage and the fourth period for integrating the reference voltage appear cyclically. In the quadruple integration type A / D converter, the offset voltage of the operational amplifier and low frequency noise are canceled by subtracting the count value of the second period from the count value of the fourth period.
四重積分型A/D変換器は、二重積分型A/D変換器に比べて、変換時間が長くなるというデメリットはあるものの、演算増幅器のオフセット誤差の影響を低減でき、低雑音特性が得られるというメリットがある。 Although the quadruple integration type A / D converter has the disadvantage that the conversion time is longer than the double integration type A / D converter, it can reduce the influence of the offset error of the operational amplifier and has low noise characteristics. There is a merit that it can be obtained.
しかしながら、上述の四重積分型A/D変換器においても、より一層の高精度化が要求される場合もある。 However, even the above-described quadruple integration type A / D converter may be required to have higher accuracy.
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、より一層の高精度化が可能なA/D変換器を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described reasons, and an object thereof is to provide an A / D converter capable of further improving the accuracy.
本発明のA/D変換器は、演算増幅器と抵抗とコンデンサとを有する積分器と、前記積分器に入力電圧と前記入力電圧とは逆極性の参照電圧とグラウンド電圧との1つを択一的に入力させる入力切替部と、前記積分器の出力電圧を基準電圧と比較するコンパレータと、前記積分器において前記入力電圧を第1積分期間だけ積分した後に前記参照電圧を第2積分期間だけ積分する第1の二重積分と前記グラウンド電圧を前記第1積分期間だけ積分した後に前記参照電圧を前記第2積分期間だけ積分する第2の二重積分とが選択的に行われるように前記入力切替部を制御する機能を有する制御手段と、前記第2積分期間毎に前記コンパレータの出力が反転するまで一定周期のクロックパルスをカウントしカウント値を出力するカウンタと、前記第1の二重積分における前記第2積分期間に対応した前記カウント値からなる第1のカウント値と前記第2の二重積分における前記第2積分期間に対応した前記カウント値からなる第2のカウント値とが入力されるディジタル回路とを備え、前記ディジタル回路は、前記第1のカウント値ごとに、前記第1のカウント値の前後1つずつの前記第2のカウント値の平均値を前記第1のカウント値から減算した差分値を求めてディジタル値として出力する機能を有することを特徴とする。 An A / D converter according to the present invention includes an integrator having an operational amplifier, a resistor, and a capacitor, and an input voltage, a reference voltage having a polarity opposite to the input voltage, and a ground voltage are selected for the integrator. An input switching unit for inputting the input voltage, a comparator for comparing the output voltage of the integrator with a reference voltage, and integrating the input voltage in the integrator for a first integration period and then integrating the reference voltage for a second integration period. The first double integration to be performed and the second double integration to integrate the reference voltage for the second integration period after the ground voltage is integrated for the first integration period. A control unit having a function of controlling the switching unit, a counter that counts a clock pulse of a constant period and outputs a count value until the output of the comparator is inverted every second integration period; The second count value consisting of the first count value corresponding to the second integration period in the double integration and the count value corresponding to the second integration period in the second double integration. For each of the first count values, the digital circuit calculates an average value of the second count values before and after the first count value for each of the first count values. It has a function of obtaining a difference value obtained by subtracting from the count value and outputting it as a digital value.
このA/D変換器において、前記制御手段は、時系列的に並ぶ2回の前記第2の二重積分の間に、前記第1の二重積分が複数回行われるように、前記入力切替部を制御することが好ましい。 In this A / D converter, the control means switches the input switching so that the first double integration is performed a plurality of times during the second double integration that is arranged in time series. It is preferable to control the part.
本発明のA/D変換器においては、より一層の高精度化を図ることが可能となる。 In the A / D converter according to the present invention, it is possible to achieve higher accuracy.
本実施形態のA/D変換器は、図1に示すように、積分器1と、積分器1への入力を切り替える入力切替部2と、コンパレータ3と、カウンタ4と、クロックパルス発生部6と、ディジタル回路7とを備えている。また、A/D変換器は、入力切替部2を制御する機能を有する制御手段である制御回路5を備えている。なお、制御回路5は、適宜のプログラムを搭載したマイクロコンピュータなどにより構成してもよいし、タイミングコントロール回路や、それぞれ所望の機能を実現するように設計した複数の回路などの組み合わせにより構成してもよい。
As shown in FIG. 1, the A / D converter of the present embodiment includes an
積分器1は、演算増幅器OP1を備え、演算増幅器OP1の反転入力端子に抵抗(入力抵抗)Rが接続されるとともに、演算増幅器OP1の反転入力端子と出力端子との間にコンデンサCが接続されている。ここで、積分器1は、演算増幅器OP1の非反転入力端子の電位が、第1の基準電圧VAGNDに設定されるように構成されている。要するに、積分器1は、演算増幅器OP1と抵抗RとコンデンサCとを用いた反転積分器の構成となっており、抵抗RとコンデンサCとの直列回路を有している。なお、本実施形態では、第1の基準電圧VAGNDをグランド電圧に設定してあり、演算増幅器OP1の非反転入力端子をグラウンドに接地してある。
The
これに対し、入力切替部2は、積分器1に、入力電圧Vinと当該入力電圧Vinとは逆極性の参照電圧VREFと第1の基準電圧AGNDとのいずれか1つを択一的に入力させることができる構成となっている。
In contrast, the
入力切替部2は、積分器1への入力電圧Vinの入力経路に設けられたアナログスイッチSW1と、積分器1への参照電圧VREFの入力経路に設けられたアナログスイッチSW2と、積分器1への第1の基準電圧VAGNDの入力経路に設けられたアナログスイッチSW3とを備えている。各アナログスイッチSW1〜SW3は、nチャネルMOSトランジスタにより構成することが好ましく、これにより、pチャネルMOSトランジスタにより構成する場合に比べて、オン抵抗を低減できるとともに、高速動作が可能となる。
The
上述の入力電圧Vinとしては、例えば、図示しないセンサ(例えば、赤外線センサなど)の出力電圧をプリアンプ(図示せず)などにより増幅して得られた電圧信号がある。なお、センサは赤外線センサに限らず、例えば、赤外線センサ以外の物理量センサや、化学量センサなどでもよい。 The input voltage V in the above, for example, a sensor (not shown) (e.g., an infrared sensor, etc.) (not shown) the output voltage of the preamplifier is a voltage signal obtained by amplifying the like. The sensor is not limited to the infrared sensor, and may be a physical quantity sensor other than the infrared sensor, a chemical quantity sensor, or the like.
制御回路5は、図2に示すように、積分器1において入力電圧Vinを第1積分期間T1だけ積分した後に参照電圧VREFを第2積分期間T2だけ積分する第1の二重積分(この際の出力電圧Voutを実線で示す)と第1の基準電圧(ここでは、グラウンド電圧)VAGNDを第1積分期間T1だけ積分した後に参照電圧VREFを第2積分期間T2だけ積分する第2の二重積分(この際の出力電圧Voutを一点鎖線で示す)とが選択的に行われるように入力切替部2を制御する機能を有している。ここにおいて、入力切替部2は、上述の3つのアナログスイッチSW1〜SW3を具備しており、各アナログスイッチSW1〜SW3それぞれのオンオフが制御回路5からの制御信号S1〜S3によって制御される。ここで、制御回路5は、図2に示すように、積分器1において第1の二重積分と第2の二重積分とが交互に繰り返されるように、入力切替部2を制御する機能を有している。
As shown in FIG. 2, the
ところで、積分器1は、コンデンサCに、リセット用のアナログスイッチSW4が並列接続されている。したがって、積分器1は、リセット用のアナログスイッチSW4がオンされることにより、コンデンサCの残留電荷を放電させるリセット期間T3(図2参照)を設けることができる。このアナログスイッチSW4のオンオフは上述の制御回路5からの制御信号S4によって制御される。アナログスイッチSW4は、nチャネルMOSトランジスタにより構成することが好ましく、これにより、pチャネルMOSトランジスタにより構成する場合に比べて、オン抵抗を低減できるとともに、高速動作が可能となる。
Incidentally, in the
また、上述のコンパレータ3は、積分器1の出力電圧Voutを第2の基準電圧VSSと比較する。また、上述のカウンタ4は、一定周期のクロックパルスを出力する上述のクロックパルス発生部6からのクロックパルスをカウントしカウント値を出力する。このカウンタ4は、制御回路5からのカウント開始信号によって積分器1の第2積分期間T2の開始と同時に動作(カウント動作)が開始され、その後にコンパレータ3の出力が変化(反転)したときに動作(カウント動作)が終了される。したがって、カウンタ4は、第2積分期間T2において積分器1の出力電圧Voutが第1の基準電圧VAGNDに戻るまでの放電期間T4(図2参照)のみクロックパルスをカウントしカウント値を上述のディジタル回路7へ出力する。ここにおいて、カウンタ4は、カウント開始信号よりも前に制御回路5から与えられるリセット信号によりカウント値がリセットされる。したがって、カウンタ4は、第2積分期間T2毎にコンパレータ3の出力が反転するまで一定周期のクロックパルスをカウントしカウント値を出力することとなる。一方、ディジタル回路7は、カウンタ4のカウント値が入力されることとなる。
The above-described
したがって、制御回路5が入力切替部2を上述のように制御することによって、第1の二重積分の第1積分期間T1には、入力電圧VinとコンデンサCの容量値と抵抗Rの抵抗値とで決まる第1の電流が流れてコンデンサCが充電され、第2積分期間T2には参照電圧VREFとコンデンサCの容量値と抵抗Rの抵抗値とで決まる第2の電流が流れてコンデンサCの電荷が放電される。第1の二重積分の際の積分器1の出力電圧Voutの絶対値は、第1積分期間T1においては入力電圧Vinの値に比例した傾きで増加し、第2積分期間T2においては一定の傾きで減少するので、放電期間T4の長さは、入力電圧Vinに比例する。さらに説明すれば、第1の二重積分の際の第1積分期間T1の終了時における積分器1の出力電圧VoutをVaとすると、
Accordingly, a
また、第2の二重積分の第1積分期間T1には、演算増幅器OP1のオフセット電圧および低周波の雑音電圧を含む雑音電圧VosとコンデンサCの容量値と抵抗Rの抵抗値とで決まる第1の電流が流れてコンデンサCが充電され、第2積分期間T2には参照電圧VREFとコンデンサCの容量値と抵抗Rの抵抗値とで決まる第2の電流が流れてコンデンサCの電荷が放電される。第2の二重積分の際の積分器1の出力電圧Voutの絶対値は、第1積分期間T1においては雑音電圧Vosの値に比例した傾きで増加し、第2積分期間T2においては一定の傾きで減少するので、放電期間T4の長さは、雑音電圧Vosに比例する。さらに説明すれば、第2の二重積分の際の第1積分期間T1の終了時における積分器1の出力電圧VoutをVaとすると、
Further, in the first integration period T1 of the second double integration, it is determined by the noise voltage Vos including the offset voltage of the operational amplifier OP1 and the low-frequency noise voltage, the capacitance value of the capacitor C, and the resistance value of the resistor R. The first current flows to charge the capacitor C, and in the second integration period T2, a second current determined by the reference voltage V REF , the capacitance value of the capacitor C, and the resistance value of the resistor R flows to charge the capacitor C. Is discharged. The absolute value of the output voltage V out of the
なお、本実施形態では、第1積分期間T1、第2積分期間T2、リセット期間T3それぞれを各別に設定した一定値としてある。具体例としては、第1積分期間T1を2msec、第2積分期間T2を0.8msec、リセット期間T3を0.3msecとしてあるが、これらの値は一例であり、特に限定するものではない。 In the present embodiment, each of the first integration period T1, the second integration period T2, and the reset period T3 is a fixed value set separately. As a specific example, the first integration period T1 is set to 2 msec, the second integration period T2 is set to 0.8 msec, and the reset period T3 is set to 0.3 msec. However, these values are merely examples and are not particularly limited.
カウンタ4としては、12ビットのカウンタを用いている。なお、カウンタ4は、12ビットのカウンタに限らず、例えば、8ビットのカウンタや16ビットのカウンタなどを用いてもよい。また、クロックパルス発生部6は、例えば、発振器やクロックパルス発生回路などにより構成すればよい。また、クロックパルス発生部6は、制御回路5に設けてもよい。
As the counter 4, a 12-bit counter is used. The counter 4 is not limited to a 12-bit counter, and for example, an 8-bit counter or a 16-bit counter may be used. Further, the clock pulse generation unit 6 may be constituted by, for example, an oscillator or a clock pulse generation circuit. Further, the clock pulse generator 6 may be provided in the
ディジタル回路7は、第1の二重積分における第2積分期間T2に対応したカウント値からなる第1のカウント値と第2の二重積分における第2積分期間T2に対応したカウント値からなる第2のカウント値とが入力される。 The digital circuit 7 includes a first count value consisting of a count value corresponding to the second integration period T2 in the first double integration and a count value corresponding to the second integration period T2 in the second double integration. A count value of 2 is input.
このディジタル回路7は、第1のカウント値ごとに、第1のカウント値の前後1つずつの第2のカウント値の平均値を第1のカウント値から減算した差分値を求めてディジタル値として出力する機能を有している。ここにおいて、ディジタル回路7は、第1のカウント値および第2のカウント値を適宜記憶させるメモリ8と、平均値および差分値を求める演算器9とを備えている。したがって、第1のカウント値、第2のカウント値は、適宜、メモリ8に記憶され、演算器9において演算を行う際にメモリ8から読み出される。演算器9は、上述の前後1つずつの第2のカウント値を加算する加算器(図示せず)と、加算器により求められた加算値を2で除することにより上述の平均値を求める除算器(図示せず)と、第1のカウント値から平均値を減算する減算器(図示せず)とを備えている。
For each first count value, the digital circuit 7 obtains a difference value obtained by subtracting the average value of the second count values one before and after the first count value from the first count value as a digital value. It has a function to output. Here, the digital circuit 7 includes a
ディジタル回路7は、制御回路5からの読み出しタイミング信号が入力される度に、演算器9において上述の差分値を求める演算が行われ、求められた差分値をディジタル値として出力する。要するに、ディジタル回路7は、制御回路5からの読み出しタイミング信号が入力される度に、上述のディジタル値を出力する。なお、第1の二重積分を行うことにより第1のカウント値を求める状態を「信号サンプル」、第2の二重積分を行うことにより第2のカウント値を求める状態を「オフセット低周波雑音サンプル」、上述の平均値を求める状態を「平均値算出」、ディジタル値を出力する状態を「信号出力」と呼ぶことにすれば、A/D変換器の状態図は、図3のようになる。
Each time the read timing signal from the
ところで、第2のカウント値は、第1のカウント値に比べて小さく、第1のカウント値に比べて誤差が大きくなる可能性が高い。 By the way, the second count value is smaller than the first count value, and there is a high possibility that the error is larger than the first count value.
これに対して、本実施形態のA/D変換器は、ディジタル回路7が、第1のカウント値ごとに、第1のカウント値の前後1つずつの第2のカウント値の平均値を第1のカウント値から減算した差分値を求めてディジタル値として出力する機能を有するので、第2のカウント値を決める雑音電圧Vosの影響をさらに低減することが可能となり、より一層の高精度化を図ることが可能となる。 On the other hand, in the A / D converter of the present embodiment, the digital circuit 7 calculates the average value of the second count values before and after the first count value for each first count value. Since it has a function of obtaining a difference value obtained by subtracting from the count value of 1 and outputting it as a digital value, it is possible to further reduce the influence of the noise voltage V os that determines the second count value, and further increase the accuracy. Can be achieved.
上述の例では、制御回路5が、図2に示すように、1回の第1の二重積分と1回の第2の二重積分とが交互に行われるように、入力切替部2を制御しているが、これに限らず、例えば、制御回路5が、図4に示すように、時系列的に並ぶ2回の第2の二重積分の間に、第1の二重積分が複数回(図示例では、3回であるが、2回以上であればよい)行われるように、入力切替部2を制御する機能を有するように構成してもよい。この場合も、ディジタル回路7は、第1のカウント値ごとに、第1のカウント値の前後1つずつの第2のカウント値の平均値を第1のカウント値から減算した差分値を求めてディジタル値として出力する機能を有する点は同じである。したがって、ディジタル回路7では、時系列的に並ぶ2回の第2の二重積分それぞれにおける第2積分期間T2に対応した第2のカウント値の平均値を、当該2回の第2の二重積分の間に行われる複数回の第1の二重積分それぞれにおける第2積分期間T2に対応した第1のカウント値から各別に減算して、各差分値それぞれをディジタル値として出力することとなる。なお、時系列的に並ぶ2回の第2の二重積分の間に第1の二重積分を3回行うものとし、第1の二重積分を行うことにより第1のカウント値を求める状態をそれぞれ「信号サンプル(1)」、「信号サンプル(2)」、「信号サンプル(3)」と呼び、第2の二重積分を行うことにより第2のカウント値を求める状態を「オフセット低周波雑音サンプル」、上述の平均値を求める状態を「平均値算出」、3つのディジタル値を出力する状態を「信号(1)−(3)出力」と呼ぶことにすれば、A/D変換器の状態図は、図5のようになる。
In the above example, as shown in FIG. 2, the
このようなA/D変換器では、複数のセンサ素子部を有するセンサから各センサ素子部の出力をプリアンプで増幅しアナログマルチプレクサにより順次入力させるような場合に、A/D変換の高精度化を図りながらも、全てのセンサ素子部それぞれの出力に対応するディジタル値を得るのに要する時間を短くすることが可能となる。したがって、例えば、センサが上記特許文献1に開示された赤外線アレイセンサであれば、フレームレートを短くすることが可能となる。なお、上記特許文献1に開示された赤外線アレイセンサでは、感温部および当該感温部の出力電圧を取り出すためのMOSトランジスタを具備する複数の画素部それぞれが、センサ素子部を構成する。
In such an A / D converter, when the output of each sensor element unit is amplified by a preamplifier from a sensor having a plurality of sensor element units and sequentially input by an analog multiplexer, the accuracy of A / D conversion is improved. In spite of this, it is possible to shorten the time required to obtain digital values corresponding to the outputs of all the sensor element units. Therefore, for example, if the sensor is the infrared array sensor disclosed in
1 積分器
2 入力切替部
3 コンパレータ
4 カウンタ
5 制御回路(制御手段)
6 クロックパルス発生部
7 ディジタル回路
8 メモリ
9 演算器
T1 第1積分期間
T2 第2積分期間
Vin 入力電圧
Vout 出力電圧
VAGND 第1の基準電圧(グラウンド電圧)
VREF 参照電圧
Vss 第2の基準電圧
DESCRIPTION OF
6 clock pulse generator 7
V REF reference voltage V ss second reference voltage
Claims (2)
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2010
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