JP3111410B2 - A/d変換装置 - Google Patents

A/d変換装置

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JP3111410B2
JP3111410B2 JP05090073A JP9007393A JP3111410B2 JP 3111410 B2 JP3111410 B2 JP 3111410B2 JP 05090073 A JP05090073 A JP 05090073A JP 9007393 A JP9007393 A JP 9007393A JP 3111410 B2 JP3111410 B2 JP 3111410B2
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洋寿 小高
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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A/D変換装置の高分解
能化の改善に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来のA/D変換装置において、高分解
能化を図る技術の一貫として、図7に示すものがあっ
た。図において1は加算器、2は信号の接続切断を行う
スイッチ、3はアナログの入力信号をアナログ/デジタ
ル変換するA/Dコンバータ(以下ADCと呼ぶ)、4
はデジタルフィルタ部で、ADC3からの出力をローパ
スフィルタを通過させるか否かを制御信号に基づいて切
り換えるものである。ローパスフィルタは、ADC3に
よる量子化ノイズを遮断すべく設けられたものである。
また31はディザー信号源である。従って、ディザー信
号源31の信号が加算されるとき連動してデジタルフィ
ルタ部4ではローパスフィルタにADC3からの出力を
通過させる。このような構成においては、入力信号にデ
ィザー信号を重畳したものをA/D変換し、その後デジ
タルフィルタを通過させることにより得られ出力を用い
ることでA/D変換装置の高分解能化を図っていた。し
かし、この方法ではADC3の出力信号に含まれる量子
化ノイズは白色ノイズとなるため、分解能を上げるには
効率的でない。というのも、量子化ノイズの周波数とそ
のパワースペクトル密度の関係を示す図8(イ)(ロ)
からも理解されるように、ノイズシェイピング(量子化
雑音がデジタルフィルタによって遮断される領域にシフ
トしていることをいう)された場合のパワースペクトル
と比較すると、ホワイトノイズが信号に加算された場合
はローパスフィルタの通過帯域である低周波領域ではS
N比がよくないからである。なお、(イ)(ロ)両図に
おいて横軸は周波数(f)を表し、縦軸はパワースペク
トル密度(sp)を表す。またfsはナイキスト周波数であ
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このため、A/D変換
器に単なるディザー信号を重畳しただけでは、A/D変
換装置の高分解能化は効率よく行えないという問題があ
る。本発明はこの課題を解決し、A/D変換器にその量
子化ノイズをノイズシェイピングした雑音を加えること
でA/D変換装置の高分解能化を効率よく行うことを目
的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、入力信号若し
くは入力信号にシェイピングノイズを重畳した信号をア
ナログ/デジタル変換するアナログ/デジタル変換器
と、このアナログ/デジタル変換器により得るデジタル
信号をそのまま出力するかあるいはローパスフィルタを
通過させて出力するか否かを選択するデジタルフィルタ
部と、前記アナログ/デジタル変換器からの出力を再び
アナログ値に変換するデジタル/アナログ変換器と、こ
のデジタル/アナログ変換器からの出力を遅延させる遅
延素子と、この遅延素子からの出力と入力信号との電圧
値を比較し、その差分を信号として出力する引算器と、
この引算器からの出力を積分する積分器と、この積分器
からの信号を入力信号に重畳するか否かを選択する手段
とを設けたことを特徴とするA/D変換装置である。
【0005】
【作用】A/D変換装置において、A/D変換器に、そ
の量子化雑音を利用したノイズシェイピングされた雑音
を、A/D変換器に入力する信号に重畳するから、量子
化雑音を高周波領域にシフトさせ、A/D変換装置の高
分解能化を効率よく行うことを実現できる。
【0006】
【実施例】図1に本発明の基本的構成図を示す。図にお
いて、図7と同様のものは同符号を付ける。2はスイッ
チで、積分器14からの信号をアナログ入力信号に重畳
するか否かを選択する。3はアナログ/デジタル変換器
(以下、ADCと呼ぶ)で、入力信号若しくは入力信号
にシェイピングノイズを重畳した信号をアナログ/デジ
タル変換する。4はデジタルフィルタ部で、図7で説明
した如くADC3によりアナログ/デジタル変換された
デジタル信号をそのまま出力するかあるいはローパスフ
ィルタを通過させて出力するか否かを選択して出力す
る。11はデジタル/アナログ変換器(以下DACと呼
ぶ)で、ADC3からの出力を再びアナログ値に変換す
る。12は遅延素子で、DAC11からの出力を遅延さ
せる。13は引算器でアナログ入力信号と遅延素子12
からの出力を比較する。14は積分器で引算器13から
の出力を積分する。
【0007】このような構成における動作を説明する。
図1の構成は、デジタル的に表現すると図3のように書
き直せる。すなわち、DAC11の出力の1サンプル前
の出力と入力信号の差分を積算して行くものと同等にな
る。なお、引算器13は上述のとうり入力信号と1次遅
れのDAC11の出力を比較し、差分の信号を出力する
ものであるから減算としても書き表されるので(実際の
設計上では、差動アンプを用いる)、図3には減算器と
して表現する。ここで入力をUとし、ADC3の出力を
Xとし、ADC3による雑音をQとすると以下のような
伝達関数の式に書き表せる。 X = (2−Z-1)*U + (1−Z-1)*Q … (2−Z-1)*Uの部分は信号成分を表し、(1−Z-1)*
Qは雑音成分を表している。なお、Z-1は1サンプル分
の遅延をZ変換して表したものである。従って、雑音は
周波数に関連するZに依存するからノイズシェイピング
されていることになる
【0008】上記に示す式をさらに詳しく説明する。
この式は、ADC3の入力は、加算器1の出力と同等
であることに着目して式をたて、さらにそれを変形して
得られたものである。ADC3の入力は図3内の(d)
に該当し、[X−Q]である。また、加算器1の出力は
引算器13の出力(a)と、積分器14における1次遅
れのデータ(b)と、入力(c)をしたものである。
(a)は[U−XZ-1]、(b)は[(X−Q−U)Z
-1]、(c)は[U]と書き表わされる。
【0009】以上を鑑み方程式をたてると [X−Q]=[U−XZ-1]+[(X−Q−U)Z-1]+[U] となり、左辺のQを右辺に移項して、 X=U−XZ-1+(X−Q−U)Z-1+U−Q という、ADC3の出力が得られる。これを求めたもの
が式である。
【0010】更に、式および図4,図5を用いて、加
算器1によって加算されている雑音がノイズシェイピン
グされたものであることを説明する。なお、これらのア
ナログ入力信号においては、ADCの上限および下限の
値以内の信号値が入力されるものとする。
【0011】最初にΔ方式アナログ/デジタル変換器お
よびΔΣ方式アナログ/デジタル変換器について説明す
る。
【0012】Δ方式アナログ/デジタル変換器について
は図4にその構成を示す。この時も上述と同様に、入力
をUとし、ADC3の出力をXとし、ADC3による雑
音をQとする。このとき [X−Q]=[U−(XZ-1/(1−Z-1))] … と表すことが出来る。X/(1−Z-1)は、積分器による
項である。従って、ADC3の出力を解析するために、
入力をUと雑音Qとによる伝達関数でADC3の出力X
を表す。式の両辺に(1−Z-1)を掛け、Xを移項する
ことにより、以下の式が得られる。 X=[(1−Z-1)*U+(1−Z-1)*Q] … この式の両辺を積分し実際のADC3のデジタル出力
を考えると[U+Q]で表されることとなるので、AD
C3のデジタル出力における雑音は、通常の量子化雑音
と同様のホワイトノイズとなる。
【0013】ΔΣ方式アナログ/デジタル変換について
は図5にその構成を示す。この構成と等価の構成のブロ
ック図を書くと、図6のようになる。従って [X−Q]=[(U−XZ-1/(1−Z-1))] … と表すことが出来る。
【0014】この式を展開し、入力をUと雑音Qとに
よる伝達関数でADC3の出力Xを表す。まず、 (1−Z-1)*X − (1−Z-1)*Q= U−XZ-1 と展開し、移項すると、 X = U + (1−Z-1)*Q … の式として与えられることとなる。式から理解される
ように、ADC3の出力Xは入力Uに雑音(1−Z-1)*
Qを加算したものとなる。(1−Z-1)*Qの周波数特性
は、従来例の説明で用いた図8の図である。従って式
における雑音成分はノイズシェイピングされていること
が理解される。
【0015】なお、このような構成とすることで、通常
のいわゆるΔAD変換器と比較し、以下の利点がある。
【0016】すなわちこのようにADC3の出力をフィ
ードバックさせた信号をアナログ入力信号に重畳する構
成になることで、フィードバックされた信号の電圧値を
制限することが可能になる。これは、請求項2に示す構
成である。これは図2に示されている。請求項2では、
出力制限手段とあるが、出力制限手段はいわゆるリミッ
タで構成するか若しくは、図2に示すようにリミッタ2
1およびその出力を2値化する手段すなわち2値化手段
22にて構成されることも可能である。
【0017】このリミッタの意義を説明する。通常、図
6で表される様なΔΣ方式でのアナログ/デジタル変換
器における問題点に、データが発散してしまうというこ
とがある。図9により具体的に説明する。図9において
(イ)はアナログ入力信号で、(ロ)はアナログ入力信
号に加算するためのシェイピングノイズ、(ハ)はAD
Cに入力される信号である。アナログ入力信号(イ)
は、期間t1にはADCの入力値の限界の値(Vd)を超
えた値となる。なお、シェイピングノイズ(ロ)は、A
DCの出力に該当するのアナログ値とアナログ入力信号
との差分である。この図において、理解し易くするため
に、他の信号よりも大きい比率で記載されている。アナ
ログ/デジタル変換器の入力電圧の範囲の上限または下
限の値をこえて入力されてた場合には、その後のアナロ
グ/デジタル変換器の出力は期間t1に帰還による影響
の期間を足した期間に渡って、無意味なものとなる。
【0018】本発明の構成によれば、ADC3からの出
力を再びデジタル/アナログ変換器したものと、入力信
号そのものの差分の積分値をディザー信号としている。
従って、そもそも、出力制限手段を設ける以前の(図1
の)ディザー信号の大きさは高々数LSB程度の大きさ
となる。従って、このディザー信号を出力制限手段で制
限してもなんら問題はない。なおこの出力制限手段は、
ADC3に入力される信号の値によって制限を行うか否
かの選択も可能である。
【0019】
【発明の効果】本発明により、ノイズシェイピングされ
たディザー信号を重畳でき、かつ、基準電圧の上限また
は下限の値が入力されてもアナログ/デジタル変換によ
る出力に与える影響の少ないA/D変換装置が実現でき
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】本発明の第2の基本的構成図である。
【図3】本発明の説明図である。
【図4】本発明の説明図である。
【図5】本発明の説明図である。
【図6】本発明の説明図である。
【図7】従来例の説明図である。
【図8】従来例の構成図である。
【図9】従来例の説明図である。
【符号の説明】
1 加算器 2 スイッチ 3 A/D変換器 4 デジタルフィルタ部 11 D/A変換器 12 遅延素子 13 引算器 14 積分器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03M 1/00 - 1/88 H03M 3/00 - 11/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入力信号若しくは入力信号にシェイピング
    ノイズを重畳した信号をアナログ/デジタル変換するア
    ナログ/デジタル変換器と、 このアナログ/デジタル変換器により得るデジタル信号
    をそのまま出力するかあるいはローパスフィルタを通過
    させて出力するか否かを選択するデジタルフィルタ部
    と、 前記アナログ/デジタル変換器からの出力を再びアナロ
    グ値に変換するデジタル/アナログ変換器と、 このデジタル/アナログ変換器からの出力を遅延させる
    遅延素子と、 この遅延素子からの出力と入力信号との電圧値を比較
    し、その差分を信号として出力する引算器と、 この引算器からの出力を積分する積分器と、 この積分器からの信号を入力信号に重畳するか否かを選
    択する手段とを設けたことを特徴とするA/D変換装
    置。
  2. 【請求項2】入力信号若しくは入力信号にシェイピング
    ノイズを重畳した信号をアナログ/デジタル変換するア
    ナログ/デジタル変換器と、 このアナログ/デジタル変換器により得るデジタル信号
    をそのまま出力するかあるいはローパスフィルタを通過
    させて出力するか否かを選択するデジタルフィルタ部
    と、 前記アナログ/デジタル変換器からの出力を再びアナロ
    グ値に変換するデジタル/アナログ変換器と、 このデジタル/アナログ変換器からの出力を遅延させる
    遅延素子と、 この遅延素子からの出力と入力信号ととの電圧値を比較
    し、その差分を信号として出力する引算器と、 この引算器からの出力を積分する積分器と、 この積分器からの信号の電圧値の大きさを制限するため
    の出力制限手段と、 この出力制限手段からの信号を入力信号に重畳するか否
    かを選択する手段とを設けたことを特徴とするA/D変
    換装置。
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