JP2626352B2 - A/d変換装置 - Google Patents

A/d変換装置

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JP2626352B2 JP3275047A JP27504791A JP2626352B2 JP 2626352 B2 JP2626352 B2 JP 2626352B2 JP 3275047 A JP3275047 A JP 3275047A JP 27504791 A JP27504791 A JP 27504791A JP 2626352 B2 JP2626352 B2 JP 2626352B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はアナログ信号をディジタ
ル信号に変換するA/D変換装置に関し、特に簡単な構
成で高精度のディジタル出力を提供するA/D変換装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】アナログ信号をディジタル信号に変換す
る技術として積分型と逐次比較型が従来から知られてい
る。前者は所定間隔のクロック信号をカウンタで計数す
ると共に、該クロック信号を積分して傾斜電位を発生
し、該傾斜電位が入力アナログ信号のレベルに等しくな
る瞬間にカウンタによる計数を停止し、その時のカウン
タの内容をディジタル出力とする。
【0003】逐次比較型の場合は所定間隔のクロック信
号をカウンタで計数すると共に、カウンタの内容をD/
Aコンバータによりアナログ信号に変換し、その値を入
力のアナログ信号と比較して、両者のレベルが等しくな
った瞬間にカウンタによる計数を停止して、その時のカ
ウンタの内容をディジタル出力とする。最近のマイコン
に内蔵されているA/D変換器は後者の逐次比較型が多
い。
【0004】A/D変換の精度はカウンタ及びD/A変
換器の桁数により決定され、現在の4ビットマイコンに
内蔵されるA/D変換器はカウンタ及びD/A変換器が
8ビットのものが多い。この場合の分解能は0.4%
(=1/256)である。
【0005】一方、A/D変換器のひとつの応用例とし
て、気温、又は相対湿度などのセンサ出力をディジタル
表示する場合について考えてみると、0.1度又は0.
1%の精度での表示を行なうには少なくとも0.1%
(1/1000)の分解能が必要であり、従来の8ビッ
トのA/D変換器では不十分である。
【0006】分解能を上げるためにカウンタ及びD/A
変換器の桁数を増やすことは、装置のコスト上昇につな
がり好しくない。
【0007】そこで、A/D変換器のビット数で定まる
分解能を越える分解能をもつA/D変換装置として、ア
ナログ入力に傾斜電位を加算するとともに、A/D変換
器の出力に演算回路を接続して、複数回のA/D変換の
平均値を該演算回路により与え、該演算回路の分解能で
定まるA/D変換出力を与える装置が特願平03−18
1623により提案されている。
【0008】図2によりこの技術を説明する。
【0009】図2において、10は8ビットのA/D変
換器、12は加算器、14は演算回路、16はアナログ
信号Ainの入力端子、18は10ビットのディジタル
出力端子、20はディザ入力信号(傾斜電位)である。
ディザ入力信号は鋸歯状波又は三角波で、その振幅はA
/D変換器10の最小分解能の値(例えば10mV)と
する。
【0010】アナログ入力信号とディザ信号20とは加
算器12により加算されて、A/D変換器10により8
ビット精度のA/D変換が行なわれる。A/D変換の動
作はディザ信号の傾斜時間内に複数回(N回)行なわ
れ、その度毎に、ディジタル出力は演算回路14で累積
加算される。複数回のA/D変換及び累積加算の終了
後、演算回路14は、その内容を数値Nで割算し、結果
の商を10ビット精度で出力端子18に出力する。Nの
値は、本実施例では16が適当である。つまり演算回路
14はA/D変換器の16回の出力の平均値を算出して
いる。
【0011】ディザ信号の瞬時値をΔVとすると、A/
D変換器10へのアナログ入力はAin+ΔVであり、
ΔVの値はディザ信号の傾斜に従ってしだいに増加(又
は減少)する。
【0012】8ビットのディジタル出力のm回はAin
のディジタル変換出力(AinA/Dに等しくN−m
回は(AinA/D+1となる。(ΔVは最小分解能
の範囲を変動するので)N−mの値は、Ain−(A
inA/Dが最小分解能の巾のうちどの辺にあるかで
変化する。例えば最小分解能を10mVとし、Ain
(AinA/Dが7mVであればΔV>3mVでディ
ジタル出力は1増加するし、3mVであればΔV>7m
Vにならなければ増加しない。つまりディジタル出力が
(AinA/D+1となる回数N−mは、Ain
(AinA/Dの値に比例する。そして(N−m)/
Nは、Ain−(AinA/Dの値をlogNビッ
トでA/D変換した値となる。
【0013】従って、入力アナログ信号にディザ信号を
加算したアナログ信号を8ビットのA/D変換器で16
回A/D変換し、各ディジタル出力の累積和を16で除
した商を10ビット精度で得ることにより、10ビット
精度のA/D変換出力を得ることができる。
【0014】なお、必要な測定回数(上記説明では1
6)は、増加する桁数をKとするとき、2で十分で、
K=2なら4となるが、傾斜電位の直線性やノイズによ
る誤差の影響を除くために上記値の2〜4倍とすること
が好ましい。
【0015】又、入力アナログ信号にディザ信号を加算
することにより出力レベルがシフトすることを補償する
ため、出力ディジタル信号から所定値を減算するか、又
は、ディザ信号を0を中心として正負の両極性信号とす
る必要がある。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ディザ信号
(傾斜電位)を注入する加算器12は次の様な条件を満
足することが要求される。 (a)加算器の存在がアナログ入力信号に影響を与えな
いこと。 (b)アナログ入力信号に対し無限大に近いインピーダ
ンスをもつこと。 (c)雑音の発生や誘起をしないこと。 (d)加算器による電力消費がないこと。 (e)出来るだけ回路が簡単で安価なこと。
【0017】従来用いられる加算器として、ラダー抵抗
型、ラダー抵抗とオペアンプとの組合せなどがある。
【0018】ラダー抵抗型は、アナログ入力とディザ入
力とを、各々、抵抗を介して接続するもので、抵抗のた
めに、アナログ入力レベル及びディザ入力レベルが共に
減衰し好ましくない。
【0019】又、オペアンプを用いる加算器は、オペア
ンプによる雑音、温度ドリフト、オフセットなどの問題
が発生する他、回路が複雑となり消費電力が大きくなっ
て好ましくない。
【0020】従って、本発明の目的は、従来の技術の上
記欠点を改善し、ディザ信号により分解能を改善したA
/D変換装置におけるディザ信号の注入回路の改良を提
供することにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、入力の
アナログ信号に対し、予め定められる桁数のディジタル
出力を与えるA/D変換器と、アナログ入力信号又は該
A/D変換器の入力端子にA/D変換器の最小分解能に
ほぼ等しい振幅のディザ信号を加える手段と、A/D変
換器の桁数より大きな桁数を有し、A/D変換器の複数
回のディジタル変換出力の平均値を与える演算回路とを
有し、該演算回路の桁数により定まる精度のディジタル
出力を与えるA/D変換装置において、A/D変換器の
アナログ信号の入力部に設けられたコンデンサ及び抵抗
による時定数回路を含む第1の積分回路と、第1の積分
回路のコンデンサの接地側端子に出力が接続された第2
の積分回路とを有しており、ディザ信号が第2の積分回
路の入力に印加されるように構成されるA/D変換装置
にある。
【0022】本発明のもう1つの特徴は、第2の積分回
路が、ディザ信号として矩形波が入力される2重の積分
回路であるA/D変換装置にある。
【0023】本発明のもう1つの特徴は、第2の積分回
路が、ディザ信号として三角波が入力される単一積分回
路であるA/D変換装置にある。
【0024】
【実施例】図1は本発明によるA/D変換装置を示し、
図2と同じ参照番号は同じものを示す。
【0025】図1において、アナログ信号入力端子16
と接地点の間にコンデンサC01が挿入され、入力端子
は抵抗R11を介してA/D変換器10の入力に結合す
る。A/D変換器10の入力にはコンデンサC11の一
端が接続され、その他端は、抵抗R21、R22及びコ
ンデンサC21、C22による積分回路60の出力に接
続される。積分回路60の入力端子50には矩形波
(a)が印加される。
【0026】抵抗R11とコンデンサC11の時定数回
路はアナログ入力信号に対し積分回路70を構成し、こ
の積分回路は市販のA/D変換器の入力回路にノイズ吸
収のために備えられていることが多い。その場合、コン
デンサC11の一端は接地されている。
【0027】コンデンサC01はアナログ信号の出力イ
ンピーダンスが積分回路70の時定数を変動させること
を防止するために挿入される。
【0028】ディザ信号は積分回路60の入力端子50
に矩形波として印加される。積分回路60は2重積分回
路で、1度目の積分出力は(b)のごとき三角波とな
り、2度目の積分出力は(c)のごとき波形となる。
【0029】積分回路60の出力((c)の波形)は、
積分回路70を構成するコンデンサC11の一端80に
図示のごとく印加され、該コンデンサC11を介してA
/D変換器10の入力に印加される。このとき、回路7
0はアナログ入力信号に対しては積分回路として働く
が、端子80からのディザ信号に対しては微分回路とし
て働く。従って、A/D変換器10の入力におけるディ
ザ信号は図の(d)に示す三角波で、これは(b)の波
形と同じである。
【0030】コンデンサ及び抵抗の数値例は次のとおり
である。 C01=1μF R11=100KΩ R21=510KΩ R22=1MΩ C11=0.1μF C21=0.47μF C22=0.1μF
【0031】結局、矩形波のディザ波形(a)は、2重
積分回路60と微分回路を介して、波形(d)の三角波
となる。
【0032】なお、ディザ波形(a)のデューティ比を
50%とすると、三角波(d)のディザ信号の平均値は
A/D入力に対し自動的に0になるので、ディザ信号の
ための回路の初期設定は不要である。
【0033】時定数回路70は市販のA/D変換器にも
ともと備わっていることが多いので、ディザ信号の注入
のために必要な回路は積分回路60のみで、極めて安価
で、電力消費がなく、又、受動素子のみで構成されるの
で動作が安定である。又、アナログ入力信号に対し、積
分機能による雑音防止作用を有し、ディザ注入のための
回路はアナログ入力信号に対し充分に高インピーダンス
で入力信号に影響を与えることはない。
【0034】複数チャネルのアナログ入力を扱かう場合
には、積分回路60は全チャネルに共通に1個だけもう
け、その出力を、各チャネルの時定数回路70のコンデ
ンサC11の一端80に供給する。
【0035】なお、入力のディザ信号が矩形波でなく、
三角波で供給される場合には、積分回路60は2重積分
ではなく、単一積分回路とする。
【0036】本発明をマイコンにより実現する場合に
は、A/D変換器10、演算回路14、矩形波(a)等
は市販のマイコン自身に実装されていることが多い。
又、積分回路70は雑音防止のため通常挿入は必須であ
る。
【0037】
【発明の効果】本発明によると、アナログ入力信号に対
して雑音防止作用を有する第1の積分回路と、ディザ信
号から該第1の積分回路に供給する信号を生成する第2
の積分回路とから構成することで、極めて安価で、電力
消費が少なく、かつ受動素子のみで構成されるので動作
が安定して、ディザ信号を極めて簡単にかつ好適にアナ
ログ信号に加算することができる。これにより低精度の
A/D変換器により高精度のA/D変換を行うことがで
き、特に、日常生活で需要の多い0.1%精度の変換を
市販の4ビットマイコンにより行うことができるので、
本発明の適用領域は広い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるA/D変換装置の実施例である。
【図2】従来のA/D変換装置である。
【符号の説明】
10 A/D変換器 12 加算器 14 演算回路 16 アナログ信号入力端子 18 ディジタル信号出力端子 50 ディザ信号入力端子 60,70 積分回路
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−260821(JP,A) 特開 昭51−48262(JP,A) 特開 昭63−252015(JP,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力のアナログ信号に対し、予め定めら
    れる桁数のディジタル出力を与えるA/D変換器と、 アナログ入力信号又は該A/D変換器の入力端子にA/
    D変換器の最小分解能にほぼ等しい振幅のディザ信号を
    加える手段と、 A/D変換器の桁数より大きな桁数を有し、A/D変換
    器の複数回のディジタル変換出力の平均値を与える演算
    回路とを有し、該演算回路の桁数により定まる精度のデ
    ィジタル出力を与えるA/D変換装置において、 前記A/D変換器のアナログ信号の入力部に設けられた
    コンデンサ及び抵抗による時定数回路を含む第1の積分
    回路と、 前記第1の積分回路の前記コンデンサの接地側端子に出
    力が接続された第2の積分回路とを有しており、 前記ディザ信号が前記第2の積分回路の入力に印加され
    るように構成されたことを特徴とするA/D変換装置。
  2. 【請求項2】 前記第2の積分回路は、前記ディザ信号
    として矩形波が入力される2重の積分回路であることを
    特徴とする請求項1に記載のA/D変換装置。
  3. 【請求項3】 前記第2の積分回路は、前記ディザ信号
    として三角波が入力される単一積分回路であることを特
    徴とする請求項1に記載のA/D変換装置。
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