JP3028689B2 - A/d変換装置 - Google Patents

A/d変換装置

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JP3028689B2
JP3028689B2 JP4321900A JP32190092A JP3028689B2 JP 3028689 B2 JP3028689 B2 JP 3028689B2 JP 4321900 A JP4321900 A JP 4321900A JP 32190092 A JP32190092 A JP 32190092A JP 3028689 B2 JP3028689 B2 JP 3028689B2
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均 福澤
修作 島田
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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/デジタル変
換装置の分解能の改善および、分解能の周波数特性の改
善に関する。
【0002】
【従来の技術】アナログ/デジタル変換器(以下A/D
変換器と呼ぶ)の性能を示すものとして、高速性と高分
解能性がある。たとえば高速化が図られれば、より高い
周波数の電気信号を解析することができ、また高分解能
化が図られれば、より細かく電気信号の変化分を捕える
ことができる。この具体的に示すと、以下のことが言え
る。例えば、デジタル・オシロスコープ等で、入力した
信号をA/D変換して、その入力信号のデジタルデータ
をもとに、その信号を波形表示する場合その波形が滑ら
かに表現されるというようなものである。
【0003】このため、従来より信号をA/D変換する
にあたって、高分解能を図るため様々な工夫がされてい
た。単純には、A/D変換器のビット数を増やば分解能
は上がる。ところが、ビット数が増加すると素子数が増
加する。とりわけ高速A/D変換器として用いられてい
るフラッシュ型A/D変換器では、1ビット分解能を増
やすとその素子数がほぼ倍になるため、集積度を上げて
もチップ面積の増加が生じ、加えて消費電力が非常に増
加する等といった問題も生じる。そのため、ビット数を
増加するといった手段だけで分解能を上げることには限
界がある。
【0004】このような不具合を解決するため、A/D
変換器によってA/D変換されたデジタル信号をデジタ
ルのローパスフィルタに入力して量子化のノイズを取り
除くことにより、使用したA/D変換器のビット数以上
の分解能をもつA/D変換装置を構成する手段が従来か
ら用いられていた。しかし、この構成の回路では、ロー
パスのデジタルフィルタを通過するため周波数帯域が下
がる。このため、たとえばオシロスコープ等で観測する
際に、矩形波等の立ち上がりの早い波形は、高周波成分
が除去されることで、いわゆる波形がなまった状態(角
になるべきところで丸みがついて)となって観測され
る。
【0005】さらにこのような、矩形波等における波形
がなまった状態を改善するために本願出願人による出願
において、入力信号の周波数を検出し、高周波領域で
は、入力信号がデジタルフィルタを通過させないように
切り替えることで、周波数帯域を従来よりも広げること
ができる構成を用いたA/D変換装置が提案されてい
る。 この構成の場合は、フィルタを通過するかしない
かの境界の周波数の信号を観測すると波形の一周期の間
に、フィルタ通過の出力とフィルタを通過しない出力の
切り替えがおこなれる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】このため、入力波形を
表示した際その表示波形に段差が生じる。本発明はこの
課題を解決し、A/D変換器された結果のデータがデジ
タルフィルターの通過するか否かの境目の波形表示にお
いて段差が生じないように分解能を向上させることにあ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、入力されたア
ナログ信号をアナログ/デジタル変換するアナログデジ
タル変換手段と、前記アナログ/デジタル変換手段から
の信号を入力し、差分信号を出力する微分器と、前記微
分器からの信号を入力し、高周波成分を除去するローパ
スフィルタと、前記微分器からの信号とローパスフィル
タからの信号を減算する減算器と、前記減算器からの信
号を入力し絶対値化する絶対値化演算器と、前記絶対値
化演算器の出力値と設定値との大小比較を行うコンパレ
ータと、このコンパレータの出力に基づき前記絶対値化
演算器の出力が設定値より大きい場合は、前記微分器か
らの出力を選択し、逆の場合は、前記ローパスフィルタ
からの出力を選択するスイッチと、前記スイッチからの
信号を積算する積分器を設け、入力波形の出力周波数の
変動にも係わらず出力波形の変化が滑らかであることを
特徴とするアナログ/デジタル変換装置である。
【0008】
【作用】入力信号の周波数を検出し、高周波領域では、
入力信号がデジタルフィルタを通過しない様に切り替え
る構成のアナログデジタル変換装置において、フィルタ
通過の出力とフィルタを通過しない出力の滑らかな切り
替えを行うアナログ/デジタル変換装置を実現すること
ができる。
【0009】
【実施例】図1に本発明の基本構成図である。図におい
て、1は入力端子でアナログ信号を入力する。2はA/
D変換手段で通常はA/D変換器(以下、ADCと呼
ぶ)を示し、入力端子1から入力された信号をA/D変
換する。3は微分器で、現在のデータから1つ前のデー
タを引いた値を出力する。4はデジタルローパスフィル
タ(以下、LPFと呼ぶ)で、具体的にはFIR型など
のLPFで実現する。このLPF4により、入力信号を
デジタル化したときの量子化ノイズを遮断することで高
分解能化を図っている。5は減算器で微分器3とLPF
4から入力した信号の差を演算し出力する。6はローパ
スフィルタで前記減算器から入力したデータを帯域制限
する。7は絶対値化演算器で、減算器5から入力したデ
ジタルデータを絶対値化する。8はコンパレータで、絶
対値化演算器7からの値とCPU等から設定されたデジ
タル値δとを比較し、その大小関係で出力レベルを切り
替える。9はスイッチで、コンパレータ8からの出力レ
ベルによって微分器3の出力もしくはLPF4の出力を
加算器10の一方の入力に接続し、ローパスフィルタ6
の出力もしくは”0”を加算器10のもう一方の入力に
接続する。11は積分器で、前記加算器10から入力さ
れた信号を積算し、出力端子12に結果を出力する。
【0010】このような構成における動作を簡単に説明
する。。入力端子1から入力したアナログの入力信号
は、A/D変換器2でA/D変換される。このデジタル
信号は、微分器3によって微分される。この微分された
デジタル信号は、LPF4によって帯域制限される。減
算器5では微分器3の出力であるもとのデータとLPF
4出力である帯域制限されたデータとの減算がおこなわ
れる。この減算結果に基づいて、微分器3の出力である
もとのデータとLPF4出力である帯域制限されたデー
タの値がある値δ以上となった場合にスイッチ9を切り
換えることで、その入力信号の周波数に見合った帯域制
限およびその滑らかな切り換えを行うことできA/D変
換装置の高分解能化を図ることができる。
【0011】この原理について、以下図2を用いて詳細
に説明する。図2の(a)はADC2のデジタル値出力
をアナログ的に図示したもので、(b)は微分器3のデ
ジタル値出力をアナログ的に図示したものであり、点線
(c)はLPF4のデジタル値出力をアナログ的に図示
したものである。また、(d)はコンパレータ8の出
力、(e)は加算器10の出力、(f)は積分器11の
出力を示す。各々図1内の地点に該当し、また、正弦波
が入力されているものとする。
【0012】(a),(b),(c)によって示される
ように、入力信号の周波数が高くなると、LPF4によ
る帯域制限で、(b)と(c)の振幅に差がでる。この
差は、(b)と(c)の離れ具合で示している。この差
は正弦波の極大の部分では正の値であり、極小の部分で
は負の値である。このため減算器5の出力値は絶対値化
演算器7で絶対値に演算する。この絶対値化演算器7か
らの出力は、CPU等から設定されたデジタル値δとコ
ンパレータ8で比較される。この設定値、デジタル値δ
は、具体的にはA/D変換した値の3LSB分位の値と
考えればよく入力値から演算した値を用いるか、適当な
固定値を設定するといった方法が考えられる。従って、
(c)の値と(b)の値の差が設定値δよりも大きいと
きは、コンパレータ8の出力は、Hレベルになり、スイ
ッチ9を微分器3の出力が(e)に現われるように切り
替える。また、(c)の値と(b)の値の差がδよりも
小さい場合は、LPF4の出力が(e)に現われるよう
にスイッチ9が切り替わる。ここで、加算器10の出力
(e)は、図2において実線と点線で表されている。実
線の部分はLPF4の出力であり、点線の部分は微分器
3の出力である。
【0013】(e)の値は、積分器11で積分されて、
積分器11の出力(f)となる。積分出力であるから、
このときスイッチの切り替わりの点では段差は現われな
い。この(f)と入力信号(a)を比較することで、入
力信号が正確に表現されていることが理解される。
【0014】図3は、入力が矩形波である場合の図1に
おける各地点の動作を示すものである。この場合、矩形
波の立ち上がり、立ち下がりの部分では、高周波成分が
含まれているため、(c)の値と(b)の値の差が設定
値δよりも大きくなる。従って、コンパレータ8の出力
(d)によりスイッチ9は、立ち上がり、立ち下がりの
部分では、微分器3の出力が加算器10に入力されるよ
うに切り替わる。 このためA/D変換装置の出力にお
ける矩形波のなまり等が改善される。
【0015】図3は、入力が矩形波である場合の図1に
おける各地点の動作を示すものである。この場合、矩形
波の立ち上がり、立ち下がりの部分では、高周波成分が
含まれているため、(c)の値と(b)の値の差が設定
値δよりも大きくなる。従って、コンパレータ8の出力
(d)によりスイッチ9は、立ち上がり、立ち下がりの
部分では、微分器3の出力が加算器10に入力されるよ
うに切り替わる。 このためA/D変換装置の出力にお
ける矩形波のなまり等が改善される。
【0016】なお、LPF6と加算器10は、スイッチ
9の切り替えによって発生する直流分の誤差を補正する
ためのものである。これらが必要な理由を図4を用いて
説明する。(b),(c)は図2及び図3と同様に、微
分器3、LPF4の出力である。ここでは仮想的にLP
F4を前後3点のデータの平均を出力するローパスフィ
ルタとして取り扱う。(d’)は減算器5の出力であ
る。ここで、(b),(c)が一致してる時は”0”コ
ンパレータ8のスレッショルドの値を2点鎖線で示す”
1”の値とする。 (e’)の値は、LPF6と加算器
10がなく、単に(c)と(b)とをスイッチ9にて切
り換えた場合に積分器11に入力される仮想的な値であ
る。ここで、各々の微分波形を積分した場合を考える。
このときは、図4からも理解されるように、(b)の波
形のみを積分したものと(c)のみを積分したものは同
一の値を有するが、本発明により波形の変動に伴って切
り換えを行った(e’)では図中にしめす斜線部分の値
分だけ積分した結果がずれることが理解される。上記の
記述による直流誤差とはこのことをいう。従ってこのよ
うな”誤差”を改善するためには切り換えた部分にかか
る(b)から(c)を退いた値をスイッチ9の出力に
(c)が出力されている間だけ、再び加算する必要があ
る。このため加算器10が構成要素として加わってい
る。さらに差分をそのまま加算しては(c)を積分する
のと何ら変わりはなく本発明にかかる意義が失われる。
従って切り換えた部分にかかる(c)と(b)の差分を
再び加算するにあたっては、その値を滑らかにして加算
する必要がある。そのために、LPF6は必要となる。
このLPF6は、任意の周波数特性を有するフィルタを
用いればよい。
【0017】なお、上述の直流誤差の補正は、スイッチ
9が微分器3の出力(b)の出力を出力するように選択
されている期間に、LPF4の出力(c)と微分器3の
出力(b)の値を加算器10にて加算して出力しても同
等の効果を得られる。従って請求項2に記載の構成も可
能である。
【0018】
【発明の効果】本発明により、入力波形に高周波成分が
含まれている場合であっても入力波形に対し、正確にA
/D変換させるから、本発明によりA/D変換器の分解
能は向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本的構成図である。
【図2】本発明の動作説明図である。
【図3】本発明の動作説明図である。
【図4】本発明の動作説明図である。
【符号の説明】
1 入力端子 2 A/D変換器 3 微分器 4 デジタルローパスフィルタ 5 減算器 6 ローパスフィルタ 7 絶対値化演算器 8 コンパレータ 9 スイッチ 10 加算器 11 積分器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−158727(JP,A) 特開 平5−129954(JP,A) 特開 平3−181228(JP,A) 特開 平3−297277(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03M 1/00 - 1/88

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入力されたアナログ信号をアナログ/デジ
    タル変換するアナログデジタル変換手段と、 前記アナログ/デジタル変換手段からの信号を入力し、
    微分信号を出力する微分器と、 前記微分器からの信号を入力し、高周波成分を除去する
    第1のローパスフィルタと、 前記微分器から出力された信号から第1のローパスフィ
    ルタから出力された信号を減算する減算器と、 前記減算器からの信号を入力し絶対値化する絶対値化演
    算器と、 前記絶対値化演算器の出力である差分出力値と設定値と
    の大小比較を行うコンパレータと、 このコンパレータの出力に基づき前記絶対値化演算器の
    差分出力値が設定値より大きい場合は、第1の出力とし
    て前記微分器からの出力、第2の出力としてゼロ値を選
    択し、差分出力値が設定値より小さい場合は、第1の出
    力として前記第1のローパスフィルタからの出力を選択
    し第2の出力として前記減算器からの出力を選択するス
    イッチと、 前記スイッチの第2の出力の高周波成分を除去するため
    の第2のローパスフィルタと、 前記第2のローパスフィルタからの出力と前記スイッチ
    からの第1の出力を加算する加算器と、 前記加算器からの出力信号を積算する積分器を設け、入
    力波形の出力周波数の変動にも係わらず出力波形の変化
    が滑らかであることを特徴とするアナログ/デジタル変
    換装置。
  2. 【請求項2】入力されたアナログ信号をアナログ/デジ
    タル変換するアナログデジタル変換手段と、 前記アナログ/デジタル変換手段からの信号を入力し、
    微分信号を出力する微分器と、 前記微分器からの信号を入力し、高周波成分を除去する
    第1のローパスフィルタと、 前記第1のローパスフィルタから出力された信号から微
    分器から出力された信号を減算する減算器と、 前記減算器からの信号を入力し絶対値化する絶対値化演
    算器と、 前記絶対値化演算器の出力である差分出力値と設定値と
    の大小比較を行うコンパレータと、 このコンパレータの出力に基づき前記絶対値化演算器の
    差分出力値が設定値より大きい場合は、第1の出力とし
    て前記微分器からの出力、第2の出力として前記減算器
    の出力を選択し、差分出力値が設定値より小さい場合
    は、第1の出力として前記第1のローパスフィルタから
    の出力を選択し第2の出力としてゼロ値を選択するスイ
    ッチと、 前記スイッチの第2の出力の高調波成分を除去するため
    の第2のローパスフィルタと、 前記第2のローパスフィルタからの出力と前記スイッチ
    からの第1の出力とを加算する加算器と、 前記加算器からの出力信号を積算する積分器を設け、入
    力波形の出力周波数の変動にも係わらず出力波形の変化
    が滑らかであることを特徴とするアナログ/デジタル変
    換装置。
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