JP3092340B2 - Pdm変換装置 - Google Patents

Pdm変換装置

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JP3092340B2
JP3092340B2 JP04218042A JP21804292A JP3092340B2 JP 3092340 B2 JP3092340 B2 JP 3092340B2 JP 04218042 A JP04218042 A JP 04218042A JP 21804292 A JP21804292 A JP 21804292A JP 3092340 B2 JP3092340 B2 JP 3092340B2
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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、アナログ信号をパルス
密度変調(PDM)信号に変換する装置に関するもので
あり、本発明による装置の出力をディジタルフィルタに
入力することによりA/D変換器として応用できる。ま
た、本発明による装置の出力をフォトカプラを介して絶
縁し、その出力をD/A変換し、D/A変換された信号
をアナログフィルタに入力することにより、アナログ信
号の絶縁器としても応用できる。
【0002】
【従来の技術】図6は従来技術によるPDM変換装置の
ブロック図を示し、1は加算器、2は積分器、3は比較
器、4はサンプル・ホルダ、5は1ビットD/A変換器
である。また、図7はOPアンプを用いた積分器2の構
成図であり、11は抵抗(抵抗値R)、12はコンデン
サ(容量C)、13はOPアンプである。図6におい
て、アナログ信号U0 は加算器1を介して積分器2に入
力され、比較器3、サンプル・ホルダ4を経由してPD
M信号に変換されて出力される。また出力されるPDM
信号の一部は1ビットD/A変換器5によってアナログ
信号U0 ’に変換され、加算器1にアナログ信号U0
の差が調節器2に入力されるようにフィードバックされ
る。 アナログ信号U0 ,U0 ’はそれぞれ、抵抗11
により、 i1 =U0 /R (1) i2 =U0 ’/R (2) として、図7の如く加算器1で加算され(但し、U0
は負の値である)、この和であるi3 は次式で表され、 i3 =i1 +i2 =(U0 +U0 ’)/R (3) このi3 が積分器2に入力される。このi3 を積分する
と、
【0003】
【数1】
【0004】なる積分器2からのアナログ信号Uが得ら
れる。比較器3ではこのアナログ信号Uをしきい値と比
較し、このしきい値を境に“0”と“1”の2値に変換
したのち、サンプル・ホルダ4へ出力する。サンプル・
ホルダ4は比較器3の出力をクロックによりサンプル・
ホールドすることでPDM信号を形成する。図8はサン
プル・ホルダ4より出力されるPDM信号波形図であ
る。図8(a)はアナログ信号U0 としての入力が0%
のときの波形図であり、この場合には出力はすべてゼロ
である。入力が25%になると図8(b)の如く4クロ
ック周期で1が1回のパターンで出力される波形図とな
る。入力が50%になると図8(C)の如く1,0が交
互に出力される波形図となる。入力が75%になると図
8(d)に示すように4クロック周期で1が3回のパタ
ーンで出力される波形図となる。入力が100%になる
と図8(e)に示すようにすべて1が出力される波形図
となる。このように、PDM信号の平均値はアナログ信
号U0 と一致するように変換される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】図8に示したPDM信
号波形は積分器2が理想的なものの場合であり、実際に
用いられる積分器は安価なスルーレトの遅いものである
ため正常なPDM変換が行われない場合が生じる。例え
ば、図9はPDM信号波形であり、入力が50%付近の
ときPDM変換装置の出力波形は、積分器が理想的なも
のであれば図9(a)に示すサンプル・ホルダのクロッ
クの1クロック分のパルス波形として出力される。しか
し、実際に用いられるようなスルーレートの遅いOPア
ンプを使用すると、図9(b)に示す2クロックのパル
ス幅を持つ出力波形となる。
【0006】このことを図10に示す積分器の出力波形
図を用いて説明する。積分器2が理想的なものであるな
らば積分器の出力は図10(a)のように、T1 ,T2
間の立ち上がり電圧V1 と、T2 ,T3 間の立ち上がり
電圧V2 とは等しい。T2 においてしきい値をよぎらず
にT3 でしきい値をよぎる場合、入力が50%付近なの
で、次のT4 では、T2 での電圧レベルa点とほとんど
同じ電圧レベルb点まで下がる。立ち上がり電圧がしき
い値を2クロックかかってよぎっても立ち下がり電圧
は、1クロックでしきい値をよぎることができる。この
時のPDM変換装置の出力波形を図10(b)に示す。
【0007】しかし実際に積分器を構成するOPアンプ
はスルーレートが遅く、図10(c)に示す出力波形と
なる。図10(a)と同様に、1クロックでしきい値を
越えずに2クロックかかる場合、T4 の立ち下がり電圧
の電圧レベルはc点とほぼ同じ電圧レベルまで戻ること
ができず、しきい値をよぎるのにT5 までかかる。これ
はOPアンプの入力信号の極性が反転したときT1 から
2 までの立ち上がり電圧V1 とT2 からT3 までの立
ち上がり電圧V2 との大きさがV2 >V1 という関係
に、またT3 からT4 までの立ち下がり電圧V3 と、T
4 からT5 までの立ち下がり電圧V4 との大きさがV4
>V3 という関係となる現象が起きるからである。図1
0(d)はこの時のPDM変換装置の出力波形である。
【0008】このように、従来の技術においては、スル
ーレートの遅いOPアンプをPDM変換装置に用いる
と、クロック周波数が高い場合には正常なPDM変換が
行われず、ディジタルフィルタを接続してA/D変換器
として使用すると出力リプルが大きくなる。本発明は上
記問題点に鑑みてなされ、高価な高速のOPアンプを用
いることなく、スルーレートの遅いOPアンプで構成し
た積分器を用いても正常な動作をするPDM変換装置の
提供を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
第1の発明は、従来の技術でPDM変換器に用いられて
いた積分器を比例積分器によって構成される調節器に換
え、調節器内でアナログ信号の補償を行うことを特徴と
する。第2の発明は、前記積分器に積分器の出力信号と
入力信号の極性に対応した定電圧を出力する定電圧素子
を加え、積分器の出力と前記定電圧素子との出力の和に
よってアナログ信号の補償を行うことを特徴とする。
【0010】第3の発明は、フィードバックされたアナ
ログ信号に比例定数を掛ける比例ゲインと、比例ゲイン
からの出力と積分器からの出力の差をとる第2の加算器
を設けたことを特徴とする。
【0011】
【作用】第1の発明においては、比例積分器の比例項に
よって得られる補償電圧V0 ,V0 ’によってアナログ
信号の補償を行うことにより、積分器の特性に左右され
ることなく、アナログ信号のPDM変換を行う。第2の
発明においては、積分器の出力に定電圧素子から得られ
る補償電圧V0,V0 ’によってアナログ信号の補償を
行うことにより積分器の特性に左右されることなく、ア
ナログ信号のPDM変換を行う。
【0012】第3の発明において、フィードバックされ
たアナログ信号に比例定数を掛けることによって得られ
る補償電圧V0 ,V0 ’を用いて、積分器からの出力の
差をとることにより、積分器の特性に左右されないアナ
ログ信号のPDM変換を行う。
【0013】
【実施例】以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。図1は本発明によるPDM変換装置の第1の実施例
を示すブロック図であり、従来の技術に対して、図6に
示した従来技術によるPDM変換装置の積分器2が、調
節器7に代わった点で相違している。図3は第1の発明
による調節器7の構成を示したものであって、11,1
4は抵抗、12はコンデンサ、13はOPアンプであ
る。第1の発明によれば、調節器7は、図7に示した積
分器に抵抗14(抵抗値r)を加えた比例積分器から構
成されている。比例積分器によって構成することによ
り、(3)式で示した入力に対し調節器7より出力され
るアナログ信号Uは、次式で与えられる。
【0014】
【数2】
【0015】次に、(5)式に示すアナログ信号Uによ
る補償作用について説明する。図11は本発明による補
償作用の説明図であり、図11(a)は、積分器から出
力されるアナログ信号を補償した波形図、図11(b)
は、補償したアナログ信号によって得られる出力波形図
である。(5)式で与えられた調節器7の出力のうち、 r(U0 +U0 ’)/R が、図11(a)に示した補償電圧V0 ,V0 ’に相当
する。この第1の発明によれば、この補償電圧V0 ,V
0 ’により積分器の出力が補償されるため、各クロック
毎にしきい値を境に“0”と“1”の2値に変換するこ
とができる。なお、補償電圧V0 ,V0 ’の値は抵抗1
4の抵抗値rを換えることにより変更することができ
る。
【0016】図4は第2の発明による調節器7の構成を
示した図であり、図7に示した積分器に定電圧素子を加
えた構成となっている。図4(a)は定電圧素子にダイ
オード15を、図4(b)は定電圧素子にツェナーダイ
オード16を用いて補償電圧を得ている。図4(a)、
図4(b)において、それぞれの定電圧素子より発生す
る電圧VZ はi3 の極性に対応していて、調節器出力U
は、次式で与えられる。
【0017】
【数3】
【0018】この(6)式にて与えられる調節器出力U
は第1の発明と同様に図11(a)の波形であり、図1
1(a)の補償電圧V0 ,V0 ’は(6)式の定数項V
Z で与えられ、定電圧素子を使用していることから、V
Z =V0 =V0 ’となる。したがって、第2の発明にお
いても、第1の発明と同様に補償電圧V0 ,V0 ’によ
り積分器の出力が補償される。
【0019】図2は本発明によるPDM変換装置の第2
の実施例による第3の発明を示したブロック図である。
図2において、図6に示した従来のPDM変換装置に対
し、比例ゲイン6と第2の加算器8が新たに加えられた
点で相違している。図2に示すブロック図の一部は、図
5に示す回路構成図と等価であり、実際には図5に示す
回路構成図により実施される。すなわち、図5は図2の
加算器1,第2の加算器8,積分器2,比例ゲイン6を
実施するための回路構成図である。図5において、サン
プル・ホルダ4より出力され、D/A変換器5によって
変換されたアナログ信号U0 ’は抵抗11と、コンデン
サ17の並列回路へ導かれ、(1),(2)式により求
められるi1 ,i2 と、
【0020】
【数4】
【0021】により求められるi2 ’との和である、 i4 =i1 +i2 +i2 ’ (8) が積分器に入力される。この積分器出力Uは、次式にて
与えられる。
【0022】
【数5】
【0023】この(9)式における定数項U0 ’が図1
1(a)における補償電圧V0 ,V0’に相当する。但
し、(9)式では比例ゲインは“1”として与えられ
る。以上のように補償電圧を求め、これを積分器の出力
に加えアナログ信号波形を補償する。アナログ信号波形
が改善されると、積分器をスルーレートの遅いOPアン
プで構成した場合でも、A/D変換後、図11(b)に
示すPDM出力波形を得る。
【0024】
【発明の効果】本発明によると、積分器の出力信号に補
償電圧を加え補償を行うことにより、スルーレートの遅
いOPアンプを用いた積分器でも、正常なPDM変換を
行うことができ、ディジタルフィルタを接続することに
より本装置をA/D変換器として使用した場合でも、高
価な高速のOPアンプを使用する必要なくA/D変換器
としての出力リプルを抑え、装置全体のコストを抑える
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例によるPDM変換装置のブ
ロック図
【図2】本発明の第2実施例によるPDM変換装置のブ
ロック図
【図3】第1発明による調節器の構成図
【図4】第2発明による調節器の構成図
【図5】第3発明による積分器周辺の構成図
【図6】従来技術によるPDM変換装置の構成図
【図7】従来技術による積分器の構成図
【図8】PDM信号波形比較図
【図9】PDM信号波形比較図
【図10】従来技術によるPDM変換の説明図
【図11】本発明によるPDM変換の説明図
【符号の説明】
1 加算器 2 積分器 3 比較器 4 サンプル・ホルダ 5 1ビットD/A変換器 6 比例ゲイン 7 調節器 8 加算器 11 抵抗 12 コンデンサ 13 OPアンプ 14 抵抗 15 ダイオード 16 ツェナーダイオード 17 コンデンサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−15715(JP,A) 特開 平4−6917(JP,A) 特開 昭58−94219(JP,A) 実開 平3−110558(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03M 1/00 - 11/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アナログ入力信号を加算器を介して入力
    し、この入力とこの入力を積分したものとの線形和を出
    力する比例積分器により構成される調節器と、前記調節
    器に接続され、前記調節器の出力を所定しきい値と比較
    して2値信号を出力する比較器と、前記比較器に接続さ
    れたサンプル・ホルダと、前記サンプル・ホルダから出
    力されるPDM信号をアナログ信号に変換し、前記加算
    器にフィードバックする1ビットD/A変換器とから構
    成することを特徴とするPDM変換装置。
  2. 【請求項2】アナログ入力信号を加算器を介して入力
    し、積分器と入力信号の極性に対応した定電圧を出力す
    る定電圧素子とで構成され、積分器出力と定電圧素子出
    力の和を出力とする調節器と、前記調節器の出力を所定
    しきい値と比較して2値信号を出力する比較器と、前記
    比較器に接続されたサンプル・ホルダと、前記サンプル
    ・ホルダから出力されるPDM信号をアナログ信号に変
    換し、前記加算器にフィードバックする1ビットD/A
    変換器とから構成することを特徴とするPDM変換装
    置。
  3. 【請求項3】アナログ入力信号を第1の加算器を介して
    入力する積分器と、前記積分器の出力を入力する第2の
    加算器と、前記第2の加算器の出力を所定しきい値と比
    較して2値信号を出力する比較器と、前記比較器に接続
    されたサンプル・ホルダと、前記サンプル・ホルダから
    出力されるPDM信号をアナログ信号に変換し、前記第
    1および第2の加算器にフィードバックする1ビットD
    /A変換器と、前記1ビットD/A変換器と第2の加算
    器との間に挿入され、前記1ビットD/A変換器により
    変換されたアナログ信号に比例定数を掛ける比例ゲイン
    とから構成することを特徴とするPDM変換装置。
  4. 【請求項4】アナログ入力信号を第1の加算器を介して
    入力する積分器と、この積分器の出力を所定しきい値と
    比較して2値信号を出力する比較器と、前記比較器に接
    続されたサンプル・ホルダと、前記サンプル・ホルダか
    ら出力されるPDM信号をアナログ信号に変換し、前記
    第1の加算器にフィードバックする1ビットD/A変換
    器と、を備えたPDM変換装置において、前記加算器の
    入力抵抗に対して並列にコンデンサを接続したことを特
    徴とするPDM変換回路。
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JP4730242B2 (ja) * 2006-07-27 2011-07-20 トヨタ自動車株式会社 温度検出回路およびその補正方法
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