JP4805746B2 - ΔΣ A / D converter - Google Patents
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Description
本発明は、アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器に係り、特に複数のアナログ入力信号をデジタル信号に変換する多入力のΔΣ型A/D変換器に関するものである。 The present invention relates to an A / D converter that converts an analog signal into a digital signal, and more particularly to a multi-input ΔΣ A / D converter that converts a plurality of analog input signals into digital signals.
従来より、オーバサンプリングとノイズシェーピングによって折り返し雑音及び量子化雑音を低減できる高分解能なA/D変換器として、ΔΣ型A/D変換器が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
図11に従来のΔΣ型A/D変換器の構成を示す。ΔΣ型A/D変換器は、アナログ入力信号を1ビットのデジタル信号に変換するΔΣ変調器1と、ΔΣ変調器1の出力信号のうち信号周波数帯域のみを通過させることにより、ΔΣ変調器1の量子化ノイズを除去して1ビットのデジタル出力信号を出力するデジタルフィルタ(LPF)2とを有する。ΔΣ変調器1はアナログ回路で構成され、デジタルフィルタ2はデジタル回路で構成されている。
Conventionally, a ΔΣ A / D converter has been proposed as a high-resolution A / D converter that can reduce aliasing noise and quantization noise by oversampling and noise shaping (for example,
FIG. 11 shows the configuration of a conventional ΔΣ A / D converter. The ΔΣ A / D converter includes a
図11に示した従来のΔΣ型A/D変換器では、デジタルフィルタ2以降のデジタル回路で発生するデジタルノイズがアナログ入力信号に混入するという問題点があった。例えば温調計などのコントローラの場合、センサの出力信号をA/D変換器でデジタル信号に変換してマイクロプロセッサに入力し、マイクロプロセッサで制御出力を演算するが、センサとコントローラとの距離が離れている場合、センサの出力信号にノイズが混入し易くなる。
The conventional ΔΣ A / D converter shown in FIG. 11 has a problem that digital noise generated in the digital circuit after the
また、図11に示した従来のΔΣ型A/D変換器を集積化すると、チップ面積の半分以上をデジタルフィルタ2が占有する。デジタル回路は設計ルールによる微細化が容易であり、回路面積の縮小が可能であるが、アナログ回路は耐ノイズ性を考慮すると微細化が難しいという問題がある。したがって、従来のΔΣ型A/D変換器のようにΔΣ変調器1とデジタルフィルタ2とを同一チップ上に形成すると、ΔΣ変調器1とデジタルフィルタ2の各々について最適な設計を行うことが難しくなり、またΔΣ変調器1とデジタルフィルタ2を絶縁することも難しくなるという問題点があった。
When the conventional ΔΣ A / D converter shown in FIG. 11 is integrated, the
図11に示した従来のΔΣ型A/D変換器の問題点を解決するために、ΔΣ型A/D変換器をΔΣ変調器とデジタルフィルタに分割してそれぞれ別の集積回路上に形成することが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。このような集積回路の構成によれば、ΔΣ変調器を含むアナログモジュールのグランドとデジタルフィルタを含むデジタルモジュールのグランドとの間での電気的なグランド分離を行うことができ、ΔΣ型A/D変換器の耐ノイズ性を向上させることができる。 In order to solve the problems of the conventional ΔΣ A / D converter shown in FIG. 11, the ΔΣ A / D converter is divided into a ΔΣ modulator and a digital filter and formed on different integrated circuits. (For example, refer nonpatent literature 1). According to such an integrated circuit configuration, electrical ground separation can be performed between the ground of the analog module including the ΔΣ modulator and the ground of the digital module including the digital filter. The noise resistance of the converter can be improved.
非特許文献1に開示された集積回路によれば、前述のとおり、アナログモジュールのグランドとデジタルモジュールのグランドとを分離することができる。しかしながら、非特許文献1に開示された集積回路では、多数のアナログ入力信号をデジタル信号に変換する場合、入力チャンネル数に応じた個数のΔΣ変調器とそれぞれに対応する出力端子とを設ける必要があり、チップ面積が増大するだけでなく、チップの消費電力が増加するという問題点があった。
According to the integrated circuit disclosed in Non-Patent
また、非特許文献1に開示された集積回路において、多数のアナログ入力信号をデジタル信号に変換する場合、ΔΣ変調器と後段のデジタルフィルタとの間の信号線の数が増大する。したがって、ΔΣ変調器とデジタルフィルタとの間に絶縁素子を挿入して、絶縁素子によるグランド分離を行う場合には絶縁素子の数が増大し、基板実装面積が増加することに加えて、経済的なデメリットが増加するという問題点があった。
In the integrated circuit disclosed in Non-Patent
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、耐ノイズ性に優れ、かつ回路面積、消費電力及びコストを低減することができる多入力のΔΣ型A/D変換器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a multi-input ΔΣ A / D converter that has excellent noise resistance and can reduce circuit area, power consumption, and cost. With the goal.
本発明のΔΣ型A/D変換器は、アナログ入力信号を1ビットのデジタル信号に変換するΔΣ変調器と、このΔΣ変調器の出力のうち信号周波数帯域のみを通過させるデジタルフィルタと、複数の入力チャンネルの中から何れか1つを選択し、選択した入力チャンネルのアナログ入力信号を前記ΔΣ変調器に入力すると共に、前記選択した入力チャンネルを示す識別信号を生成する切替回路と、前記ΔΣ変調器と前記デジタルフィルタとの間に設けられ、前記ΔΣ変調器の出力信号を非電気信号に変換した後に電気信号に戻して前記デジタルフィルタに入力する第1の絶縁素子と、前記識別信号を非電気信号に変換した後に電気信号に戻して前記デジタルフィルタを含むデジタルモジュールに入力する第2の絶縁素子とを有し、前記切替回路と前記ΔΣ変調器とを含むアナログモジュールのグランドと、前記デジタルフィルタを含むデジタルモジュールのグランドとを分離したことを特徴とするものである。 A ΔΣ A / D converter according to the present invention includes a ΔΣ modulator that converts an analog input signal into a 1-bit digital signal, a digital filter that passes only a signal frequency band in the output of the ΔΣ modulator, and a plurality of A switching circuit that selects any one of the input channels, inputs an analog input signal of the selected input channel to the ΔΣ modulator, and generates an identification signal indicating the selected input channel, and the ΔΣ modulation A first insulating element that is provided between the digital filter and the digital filter, converts the output signal of the ΔΣ modulator into a non-electric signal, converts the output signal back into an electric signal, and inputs the signal to the digital filter; A second insulating element that converts the electric signal into an electric signal and inputs the digital signal to the digital module including the digital filter, and the switching circuit and the ΔΣ The analog module ground including the modulator and the digital module ground including the digital filter are separated from each other.
また、本発明のΔΣ型A/D変換器の1構成例は、さらに、前記デジタルモジュールで生成されるクロック信号を非電気信号に変換した後に電気信号に戻して前記アナログモジュールに入力する第3の絶縁素子を有し、前記切替回路は、前記クロック信号に同期して複数の入力チャンネルの中から何れか1つを順次選択するものである。
また、本発明のΔΣ型A/D変換器の1構成例において、さらに、前記アナログモジュールは、前記クロック信号を整流してアナログモジュールの電源電圧を生成する整流回路を備えるものである。
また、本発明のΔΣ型A/D変換器の1構成例において、前記第1、第2、第3の絶縁素子は、フォトカプラ又はトランスである。
In addition, according to one configuration example of the ΔΣ type A / D converter of the present invention, a clock signal generated by the digital module is converted into a non-electric signal, and then converted back to an electric signal and input to the analog module. The switching circuit sequentially selects any one of the plurality of input channels in synchronization with the clock signal.
In the configuration example of the ΔΣ A / D converter of the present invention, the analog module further includes a rectifier circuit that rectifies the clock signal to generate a power supply voltage of the analog module.
In one configuration example of the ΔΣ A / D converter of the present invention, the first, second, and third insulating elements are photocouplers or transformers.
本発明によれば、ΔΣ変調器とデジタルフィルタとを異なるモジュールに分離することで、例えばセンサからΔΣ変調器に入力されるアナログ入力信号の信号線を引き回す代わりに、ΔΣ変調器のデジタル出力の信号線を伸ばすことが可能になるので、アナログ入力信号へのノイズの混入を抑制することができる。また、本発明では、ΔΣ変調器を含むアナログモジュールのグランドとデジタルフィルタを含むデジタルモジュールのグランドとを分離することで、デジタルモジュールからアナログ入力信号へのノイズ混入を抑制することができる。また、本発明では、ΔΣ変調器とデジタルフィルタとの間の信号の送受を第1の絶縁素子を介して行うことにより、デジタルモジュールからアナログ入力信号へのノイズ混入を更に抑制することができる。さらに、本発明では、ΔΣ変調器とデジタルフィルタとを異なるモジュールに分離することで、アナログモジュールとデジタルモジュールの各々について最適な設計を行うことができる。また、本発明では、デジタルモジュールとアナログモジュールとの間の識別信号の送受を第2の絶縁素子を介して行うことにより、マルチチャンネルのΔΣ型A/D変換器においてデジタルモジュールからアナログ入力信号へのノイズ混入を抑制することができる。また、本発明では、切替回路を用いて入力チャンネルを切り替えるようにしたことにより、ΔΣ変調器とデジタルフィルタとを入力チャンネル毎に設ける必要がなくなり、各入力チャンネルで共用することができる。また、本発明では、この共用化により、ΔΣ変調器とデジタルフィルタとの間に設ける第1の絶縁素子の個数を削減することができる。したがって、本発明によれば、ΔΣ変調器を入力チャンネル毎に設ける必要がある従来のΔΣ型A/D変換器に比べて、回路面積、消費電力及びコストを低減することができる。さらに、本発明では、アナログモジュールからデジタルモジュールに対して識別信号を送信するようにしたので、デジタルフィルタのデジタル出力信号に基づいて所定の処理を行うCPU等の処理手段は、デジタル出力信号が複数の入力チャンネルのうちどのチャンネルからの信号であるかを識別することができる。 According to the present invention, by separating the ΔΣ modulator and the digital filter into different modules, for example, instead of routing the signal line of the analog input signal input from the sensor to the ΔΣ modulator, the digital output of the ΔΣ modulator Since the signal line can be extended, it is possible to suppress noise from being mixed into the analog input signal. Further, in the present invention, by mixing the ground of the analog module including the ΔΣ modulator and the ground of the digital module including the digital filter, it is possible to suppress noise from the digital module to the analog input signal. Further, according to the present invention, transmission / reception of a signal between the ΔΣ modulator and the digital filter is performed via the first insulating element, thereby further suppressing noise from the digital module to the analog input signal. Furthermore, in the present invention, the ΔΣ modulator and the digital filter are separated into different modules, so that an optimum design can be performed for each of the analog module and the digital module. In the present invention, the identification signal is transmitted and received between the digital module and the analog module via the second insulating element, so that the multi-channel ΔΣ A / D converter converts the digital module to the analog input signal. Noise can be suppressed. In the present invention, since the input channel is switched using the switching circuit, it is not necessary to provide a ΔΣ modulator and a digital filter for each input channel, and the input channels can be shared. In the present invention, the number of first insulating elements provided between the ΔΣ modulator and the digital filter can be reduced by this sharing. Therefore, according to the present invention, the circuit area, power consumption, and cost can be reduced as compared with the conventional ΔΣ A / D converter in which a ΔΣ modulator needs to be provided for each input channel. Further, in the present invention, since the identification signal is transmitted from the analog module to the digital module, the processing means such as a CPU that performs predetermined processing based on the digital output signal of the digital filter has a plurality of digital output signals. It is possible to identify from which input channel the input signal is.
また、本発明では、デジタルモジュールとアナログモジュールとの間のクロック信号の送受を第3の絶縁素子を介して行うことにより、マルチチャンネルのΔΣ型A/D変換器においてデジタルモジュールからアナログ入力信号へのノイズ混入を抑制することができる。 In the present invention, the clock signal is transmitted and received between the digital module and the analog module via the third insulating element, so that the multi-channel ΔΣ A / D converter converts the digital module to the analog input signal. Noise can be suppressed.
また、本発明では、アナログモジュールに、クロック信号を整流してアナログモジュールの電源電圧を生成する整流回路を設けることにより、アナログモジュールの電源回路を簡略化することができ、アナログモジュールの回路サイズとコストを低減することが可能になる。 In the present invention, the analog module power circuit can be simplified by providing the analog module with a rectifier circuit that rectifies the clock signal to generate the power voltage of the analog module. Cost can be reduced.
[第1の実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施の形態に係るΔΣ型A/D変換器の構成を示すブロック図である。
本実施の形態のΔΣ型A/D変換器は、複数の入力チャンネルCH1,CH2,CH3,CH4の中から何れか1つを順次選択し、選択した入力チャンネルのアナログ入力信号を出力すると共に、選択した入力チャンネル及び選択のタイミングを示す識別信号SYNCを生成する切替回路となるマルチプレクサ(MUX)10と、マルチプレクサ10から出力されるアナログ入力信号を増幅するプログラマブルゲインアンプ(PGA)11と、プログラマブルゲインアンプ11から出力されるアナログ入力信号を1ビットのデジタル信号に変換するΔΣ変調器12と、マルチプレクサ10が選択する入力チャンネルを設定する設定回路13と、プログラマブルゲインアンプ11のゲインを設定する設定回路14と、マルチプレクサ10とプログラマブルゲインアンプ11とΔΣ変調器12とが必要とする多相クロック信号φ1,φ2,バーφ1,バーφ2・・・を生成する多相クロック回路15と、ΔΣ変調器12の出力信号のうち信号周波数帯域のみを通過させることにより、ΔΣ変調器12の量子化ノイズを除去して1ビットのデジタル出力信号を出力するデジタルフィルタ(LPF)20と、識別信号SYNCからCH同期信号を生成する同期信号生成回路21と、識別信号SYNCから同期クロックを生成する同期クロック生成回路22と、ΔΣ変調器12とデジタルフィルタ20との間を電気的に絶縁すると共に、ΔΣ変調器12の出力信号を非電気信号に変換した後に再び電気信号に変換してデジタルフィルタ20に入力する絶縁素子30と、マルチプレクサ10と同期信号生成回路21及び同期クロック生成回路22との間を電気的に絶縁すると共に、識別信号SYNCを非電気信号に変換した後に再び電気信号に変換して同期信号生成回路21及び同期クロック生成回路22に入力する絶縁素子31とを有する。
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a ΔΣ A / D converter according to a first embodiment of the present invention.
The ΔΣ A / D converter according to the present embodiment sequentially selects any one of a plurality of input channels CH1, CH2, CH3, and CH4, and outputs an analog input signal of the selected input channel. A multiplexer (MUX) 10 serving as a switching circuit for generating an identification signal SYNC indicating the selected input channel and selection timing, a programmable gain amplifier (PGA) 11 for amplifying an analog input signal output from the
図2はΔΣ変調器12の1構成例を示すブロック図である。ΔΣ変調器12は、プログラマブルゲインアンプ11から入力されたアナログ入力信号から後述するD/A変換器の出力信号を減算する演算器200と、演算器200の出力信号を積分する積分器201と、積分器201の出力信号を1ビットで量子化する量子化器202と、量子化器202の出力信号を所定タイミング遅延させる遅延回路203と、遅延回路203の出力信号をアナログ信号に変換するD/A変換器204とを備えている。
FIG. 2 is a block diagram showing one configuration example of the
マルチプレクサ10、プログラマブルゲインアンプ11、ΔΣ変調器12、設定回路13,14及び多相クロック回路15は、アナログ回路で構成され、アナログモジュール100に搭載されている。
デジタルフィルタ20、同期信号生成回路21及び同期クロック生成回路22は、デジタル回路で構成され、デジタルモジュール101に搭載されている。
The
The
絶縁素子30,31としては、フォトカプラやパルストランスなどがある。
フォトカプラは、発光ダイオード等の発光素子で入力信号を光に変換し、この光をフォトトランジスタ等の受光素子で電気信号に変換する、電気→光→電気の変換を行う絶縁素子である。
パルストランスは、入力信号を1次側で磁気変化に変換し、この磁気変化を2次側で電気信号に変換する、電気→磁気変化→電気の変換を行う絶縁素子である。
Examples of the
A photocoupler is an insulating element that converts electricity → light → electricity by converting an input signal into light by a light emitting element such as a light emitting diode and converting the light into an electric signal by a light receiving element such as a phototransistor.
The pulse transformer is an insulating element that converts an electric signal into a magnetic change on the primary side and converts the magnetic change into an electric signal on the secondary side, and performs conversion of electricity → magnetic change → electricity.
次に、本実施の形態のΔΣ型A/D変換器の動作を説明する。図3はマルチプレクサ10と同期クロック生成回路22とデジタルフィルタ20の動作を説明するためのタイミングチャートである。
複数の入力チャンネルCH1〜CH4は、マルチプレクサ10で順次切り替えられる。CH1からCH4までの入力チャンネルのうち、どれが使われるかの設定を設定回路13によって行う。
Next, the operation of the ΔΣ A / D converter of this embodiment will be described. FIG. 3 is a timing chart for explaining operations of the
The plurality of input channels CH1 to CH4 are sequentially switched by the
マルチプレクサ10から出力されるアナログ入力信号はプログラマブルゲインアンプ11によって増幅される。プログラマブルゲインアンプ11のゲインは設定回路14によって設定される。ΔΣ変調器12ならびに、マルチプレクサ10、プログラマブルゲインアンプ11の順次切替などの制御は多相クロック回路15によって行われる。図3(A)に示すΔΣ変調器12の出力信号DOは、第1の絶縁素子30を介してデジタルモジュール101内のデジタルフィルタ20に渡される。
The analog input signal output from the
アナログモジュール100におけるマルチプレクサ10の切り替えのタイミングを示す識別信号SYNCは、図3(A)、図3(B)に示すようにマルチプレクサ10が入力チャンネルCH1を選択したときに立ち上がりエッジで出力される。この識別信号SYNCは、第2の絶縁素子31を介してデジタルモジュール101内の同期信号生成回路21と同期クロック生成回路22に渡される。
The identification signal SYNC indicating the switching timing of the
アナログモジュール100で使用されるチャンネル数はデジタルモジュール101側にとっては既知であるため、アナログモジュール100から送信された識別信号SYNCを用いて、デジタルモジュール101の同期クロック生成回路22や同期信号生成回路21で再生クロックやCH同期信号を生成することは容易である。同期クロック生成回路22は、例えばCH1からCH4の4チャンネルが使われる場合、識別信号SYNCの4倍の周波数で再生クロックを発生させる(図3(C))。一方、同期信号生成回路21は、識別信号SYNCに応じて、CH1からCH4のうちどの入力チャンネルが選択されているかを示すCH同期信号を生成する。
Since the number of channels used in the
デジタルフィルタ20は、ΔΣ変調器12の出力信号DOの各ビットが入力チャンネルCH1,CH2,CH3,CH4のうちどのチャンネルからの信号であるかを、再生クロックとCH同期信号に基づいて識別する。このようにアナログモジュール100からの識別信号SYNCを用いることで、ΔΣ変調器12から各入力チャンネルの出力信号が時分割で出力されている中から、どの出力ビットがどの入力チャンネルからのものなのかを判別することができる。デジタルフィルタ20への信号のうち、どのタイミングが入力チャンネルCH1に対応するのかさえ分かれば、各入力チャンネルの出力信号は順次規則正しく送られてくるため、ΔΣ変調器12の出力信号DOの中から入力チャンネル毎の出力信号を切り分けることができる。
The
これら入力チャンネル毎のΔΣ変調器12の出力は、それぞれ図3(D)、図3(E)、図3(F)、図3(G)に示すようにチャンネルCH1,CH2,CH3,CH4毎に切り分けられてデジタルフィルタ20で平均化される。平均化された各チャンネル毎の値は複数ビットのデジタル変換結果として得られる。
なお、図1では、CH1からCH4の全ての入力チャンネルを用いたが、マルチプレクサ10の設定回路13の設定により、例えば入力チャンネルCH1とCH2のみを使うようにしても良い。
The output of the delta-
In FIG. 1, all the input channels CH1 to CH4 are used. However, for example, only the input channels CH1 and CH2 may be used depending on the setting of the setting
以上のようなΔΣ型A/D変換器において、本実施の形態では、ΔΣ変調器12とデジタルフィルタ20とを異なるモジュールに分離することで、ΔΣ変調器12を含むアナログモジュール100を例えばセンサの近くに配置して、デジタルフィルタ20を含むデジタルモジュール101を例えばコントローラの近くに配置するといった計装が可能になる。すなわち、本実施の形態では、センサ等からのアナログ入力の信号線を引き回してアナログモジュール100に接続する代わりに、ΔΣ変調器12のデジタル出力の信号線を引き伸ばすことが可能になるので、アナログ入力信号へのノイズの混入を抑制することができる。
In the above-described ΔΣ-type A / D converter, in the present embodiment, the
そして、本実施の形態では、マルチプレクサ10を用いて入力チャンネルを切り替えるようにしたことにより、ΔΣ変調器とデジタルフィルタとを入力チャンネル毎に設ける必要がなくなり、各入力チャンネルで共用することができる。また、本実施の形態では、ΔΣ変調器とデジタルフィルタとを各入力チャンネルで共用できることから、ΔΣ変調器とデジタルフィルタとの間にグランド分離のための絶縁素子を設ける場合に、絶縁素子の個数を低減することができる。絶縁素子は面積が大きく、またコストも高いので、絶縁素子を省略することができれば、A/D変換器のサイズとコストを低減することが可能になる。したがって、本実施の形態によれば、ΔΣ変調器を入力チャンネル毎に設ける必要がある非特許文献1の集積回路に比べて、回路面積、消費電力及びコストを低減することができる。
In this embodiment, since the input channel is switched using the
また、図1では記載を容易にするためにグランドを省略しているが、本実施の形態では、ΔΣ変調器12を含むアナログモジュール100のグランドとデジタルフィルタ20を含むデジタルモジュール101のグランドとを分離している。ここで、グランドの分離とは、アナログモジュール100とデジタルモジュール101との間の相互干渉が無視できるようにアナログモジュール100とデジタルモジュール101の互いの接地点を可能な限り離すことを意味している。
Although the ground is omitted in FIG. 1 for ease of description, in this embodiment, the ground of the
本実施の形態では、ΔΣ変調器12とデジタルフィルタ20とを異なるモジュールに分離することで、ΔΣ変調器12のグランドとデジタルフィルタ20のグランドとを容易に分離することができ、ΔΣ変調器12を含むアナログモジュール100のグランドとデジタルフィルタ20を含むデジタルモジュール101のグランドとを分離することで、デジタルモジュール101からアナログモジュール100のアナログ入力信号へのノイズ混入を抑制することができる。
In the present embodiment, by separating the
また、本実施の形態では、ΔΣ変調器12とデジタルフィルタ20との間のデジタル信号の送受を絶縁素子30を介して行い、マルチプレクサ10とデジタルモジュール101の同期信号生成回路21との間の識別信号SYNCの送受を絶縁素子31を介して行うようにしている。これにより、本実施の形態では、デジタルモジュール101からアナログ入力信号へのノイズ混入を更に抑制することができる。
In the present embodiment, digital signals are transmitted and received between the
さらに、本実施の形態では、ΔΣ変調器12とデジタルフィルタ20とを異なるモジュール(ICチップ)に分離することで、それぞれのモジュールの要求に応じた最適な設計を行うことができる。すなわち、アナログモジュール100については集積化の際に回路面積だけでなく、耐ノイズ性を重視したチップの設計を行うことができ、デジタルモジュール101については集積化の際に回路面積の縮小を重視したチップの設計を行うことができる。
Further, in the present embodiment, the
図4は本実施の形態のΔΣ型A/D変換器を搭載する装置の1例である温調計の構成を示すブロック図であり、図1と同様の構成には同一の符号を付してある。なお、図4では説明を簡単にするために、マルチプレクサ10、プログラマブルゲインアンプ11、設定回路13,14、多相クロック回路15、絶縁素子31、同期信号生成回路21及び同期クロック生成回路22を省略してある。
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of a temperature controller, which is an example of a device in which the ΔΣ A / D converter according to this embodiment is mounted. The same components as those in FIG. It is. In FIG. 4, the
ΔΣ変調器12と絶縁素子30とデジタルフィルタ20とからなるΔΣ型A/D変換器は、温度センサ102からのアナログ入力信号をデジタル信号に変換する。デジタルモジュール101のCPU4は、デジタルフィルタ20のデジタル出力信号を温度に換算した後に、この温度(制御量)が所定の設定値と一致するように例えばPID制御アルゴリズムにより操作量を算出して、この操作量をデジタル信号で出力する。D/A変換器5は、CPU4の出力信号をアナログ信号に変換する。D/A変換器5から出力されるアナログ出力信号(操作量)はヒータ103に与えられる。こうして、温調計により、測定点の温度が所定の設定値になるように制御される。
A ΔΣ A / D converter including the
このような温調計に本実施の形態のΔΣ型A/D変換器を適用すれば、前述のとおり温度センサ102の近くにアナログモジュール100を配置して、アナログモジュール100からデジタル出力の信号線をデジタルモジュール101まで引き伸ばすことが可能となり、アナログ入力信号へのノイズの混入を抑制することができる。
また、図4では温度センサ102を単数にしているが、本実施の形態によれば、複数の温度センサ102からのアナログ入力信号をマルチプレクサ10(図4では不図示)で切り替えることができるので、複数の測定点の温度が所定の設定値になるように制御することができる。
If the ΔΣ A / D converter according to the present embodiment is applied to such a temperature controller, the
Further, although the
図5は本実施の形態のΔΣ型A/D変換器を搭載する装置の他の例である圧力計の構成を示すブロック図であり、図1と同様の構成には同一の符号を付してある。なお、図5では説明を簡単にするために、マルチプレクサ10、プログラマブルゲインアンプ11、設定回路13,14、多相クロック回路15、絶縁素子31、同期信号生成回路21及び同期クロック生成回路22を省略してある。
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a pressure gauge, which is another example of a device in which the ΔΣ A / D converter according to the present embodiment is mounted. The same reference numerals are given to the same configurations as those in FIG. It is. In FIG. 5, the
ΔΣ変調器12と絶縁素子30とデジタルフィルタ20とからなるΔΣ型A/D変換器は、圧力センサ104からのアナログ入力信号をデジタル信号に変換する。デジタルモジュール101のCPU6は、デジタルフィルタ20のデジタル出力信号を圧力に換算し、換算した圧力値をデジタル信号で出力する。D/A変換器7は、CPU6の出力信号をアナログ信号に変換する。D/A変換器7から出力されるアナログ出力信号は、圧力値を4−20mAの電流で伝送する、4−20mA電流信号の形でコントローラ(不図示)に入力される。
A ΔΣ A / D converter including the
このような圧力計では、アナログ回路とデジタル回路が近接して配置されることになるが、本実施の形態のΔΣ型A/D変換器を適用すれば、ΔΣ変調器12を含むアナログモジュール100のグランドとデジタルフィルタ20を含むデジタルモジュール101のグランドとを分離することができ、アナログ入力信号へのノイズ混入を抑制することができる。
また、図5では圧力センサ104を単数にしているが、本実施の形態によれば、複数の圧力センサ104からのアナログ入力信号をマルチプレクサ10(図5では不図示)で切り替えることができるので、複数の測定点の圧力値をコントローラに送信することができる。
In such a pressure gauge, the analog circuit and the digital circuit are arranged close to each other. However, if the ΔΣ A / D converter of the present embodiment is applied, the
Further, although the
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図6は本発明の第2の実施の形態に係るΔΣ型A/D変換器の構成を示すブロック図であり、図1と同様の構成には同一の符号を付してある。
第1の実施の形態では、アナログモジュール100とデジタルモジュール101でクロック信号を別個に生成していたのに対して、本実施の形態では、アナログモジュール105で使用するクロック信号をデジタルモジュール106で生成してアナログモジュール105に送るようにしている。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a ΔΣ A / D converter according to the second embodiment of the present invention. The same reference numerals are given to the same configurations as those in FIG.
In the first embodiment, the
アナログモジュール105は、切替回路となるマルチプレクサ10と、マルチプレクサ10から出力されるアナログ入力信号を増幅するプログラマブルゲインアンプ11と、ΔΣ変調器12と、設定回路13,14と、マルチプレクサ10とプログラマブルゲインアンプ11とΔΣ変調器12とが必要とする多相クロック信号φ1,φ2,バーφ1,バーφ2・・・をデジタルモジュール106からのクロック信号SCLKに基づいて生成する多相クロック回路15aとを備えている。
The
デジタルモジュール106は、デジタルフィルタ20と、マルチプレクサ10の識別信号SYNCからCH同期信号を生成する同期信号生成回路21と、クロック信号SCLKを生成してデジタルモジュール106及びアナログモジュール105に供給するクロック生成回路23とを備えている。
The
第3の絶縁素子32は、クロック生成回路23と多相クロック回路15aとの間を電気的に絶縁すると共に、クロック信号SCLKを非電気信号に変換した後に再び電気信号に変換して多相クロック回路15aに入力する。この絶縁素子32は、絶縁素子30,31と同様に、フォトカプラやパルストランスからなる。
The third insulating
図7はクロック生成回路23とマルチプレクサ10の動作を説明するためのタイミングチャートである。まず、クロック生成回路23は、図7(A)に示すようなクロック信号SCLKを生成してデジタルフィルタ20と絶縁素子32に入力する。
FIG. 7 is a timing chart for explaining the operation of the
クロック生成回路23から絶縁素子32を介してクロック信号SCLKを受け取った多相クロック回路15aは、クロック信号SCLKに同期して4つの入力チャンネルCH1,CH2,CH3,CH4を順次選択するための多相クロック信号φ1,φ2,バーφ1,バーφ2・・・を生成する。
マルチプレクサ10は、図7(B)に示すように、多相クロック信号φ1,φ2,バーφ1,バーφ2・・・に従って4つの入力チャンネルCH1,CH2,CH3,CH4を順次選択し、選択した入力チャンネルからのアナログ入力信号をΔΣ変調器12に入力する。
The
As shown in FIG. 7B, the
ΔΣ変調器12と絶縁素子30と同期信号生成回路21とデジタルフィルタ20の動作は、第1の実施の形態で説明したとおりである。
そして、マルチプレクサ10は、図7(C)に示すように、入力チャンネルCH1を選択しているときに有意のレベルとなる識別信号SYNCを絶縁素子31を介してデジタルモジュール106に出力する。
The operations of the
Then, as shown in FIG. 7C, the
本実施の形態のΔΣ型A/D変換器を例えば図4に示した温調計に適用する場合、デジタルモジュールのデジタルフィルタ20とCPU4は、ΔΣ変調器12から入力されるデジタル出力信号が入力チャンネルCH1,CH2,CH3,CH4のうちどのチャンネルからの信号であるかを、CH同期信号とクロック信号SCLKに基づいて識別することができる。
When the ΔΣ A / D converter of the present embodiment is applied to, for example, the temperature controller shown in FIG. 4, the
図6では記載を容易にするためにグランドを省略しているが、本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様にΔΣ変調器12を含むアナログモジュール105のグランドとデジタルフィルタ20を含むデジタルモジュール106のグランドとを分離している。また、本実施の形態では、ΔΣ変調器12とデジタルフィルタ20との間のデジタル信号の送受を絶縁素子30を介して行い、クロック生成回路23と多相クロック回路15aとの間のクロック信号SCLKの送受を絶縁素子32を介して行い、マルチプレクサ10と同期信号生成回路21との間の識別信号SYNCの送受を絶縁素子31を介して行っている。
Although the ground is omitted in FIG. 6 for ease of description, the ground of the
また、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、マルチプレクサ10を用いて入力チャンネルを切り替えることにより、ΔΣ変調器12とデジタルフィルタ20とを各入力チャンネルで共用している。
こうして、本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
In the present embodiment, as in the first embodiment, the input channel is switched using the
Thus, also in this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
なお、クロック信号は、アナログモジュールとデジタルモジュールで別個に生成することも可能なので、クロック信号SCLKをデジタルモジュールからアナログモジュールに送る第3の絶縁素子32は本発明の必須の構成要件ではない。
Since the clock signal can be generated separately for the analog module and the digital module, the third insulating
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。図8は本発明の第3の実施の形態に係るΔΣ型A/D変換器の構成を示すブロック図であり、図1、図6と同様の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態は、第2の実施の形態の応用例を示すものであり、アナログモジュール107の電源電圧を、デジタルモジュール106からのクロック信号を用いて生成するようにしたものである。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the ΔΣ A / D converter according to the third embodiment of the present invention. The same components as those in FIGS. 1 and 6 are denoted by the same reference numerals.
This embodiment shows an application example of the second embodiment, in which the power supply voltage of the
アナログモジュール107は、マルチプレクサ10と、プログラマブルゲインアンプ11と、ΔΣ変調器12と、設定回路13,14と、多相クロック回路15aと、デジタルモジュール106からのクロック信号SCLKを整流してアナログモジュール107の直流電源電圧を生成する整流回路16とを備えている。
図9は整流回路16の構成を示す回路図である。整流回路16は、ダイオードD1と、コンデンサC1とから構成される。
The
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of the
デジタルモジュール106からのクロック信号SCLKは、絶縁素子32を介してアナログモジュール107の多相クロック回路15aへ送られると共に、整流回路16へ入力される。整流回路16は、クロック信号SCLKを内部で整流することにより、アナログモジュール107で使用される直流電源電圧を生成する。第2の実施の形態と同様に、デジタルモジュール106とアナログモジュール107との間はグランド分離されているので、整流回路16はデジタルモジュール106とグランド分離された電源となる。この整流回路16から出力される電源電圧を利用してアナログモジュール107を動作させることにより、デジタルモジュール106とグランド分離された電源を利用することができる。
The clock signal SCLK from the
本実施の形態によれば、アナログモジュール側に電源電圧を供給する電源回路を簡略化することができるため、アナログモジュール107の回路サイズとコストを低減することが可能になる。
なお、グランド分離された電源は、デジタルモジュール側からのクロック信号を利用しなくても、別個に生成することも可能なのでクロック信号をデジタルモジュールからアナログモジュールに送る第3の絶縁素子32ならびに、電源を生成する整流回路16は本発明の必須の構成要件ではない。
According to the present embodiment, since the power supply circuit that supplies the power supply voltage to the analog module side can be simplified, the circuit size and cost of the
The ground-separated power source can be generated separately without using the clock signal from the digital module side. Therefore, the third insulating
[第4の実施の形態]
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。図10は本発明の第4の実施の形態に係るΔΣ型A/D変換器の構成を示すブロック図であり、図1、図6、図8と同様の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態は、第2の実施の形態の別の例を示すものであり、入力チャンネルの設定やゲインの設定をシリアル通信によってデジタルモジュール側から行うようにしたものである。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a ΔΣ A / D converter according to the fourth embodiment of the present invention. The same reference numerals are given to the same configurations as those in FIGS. It is.
This embodiment shows another example of the second embodiment, in which input channel setting and gain setting are performed from the digital module side by serial communication.
アナログモジュール108は、マルチプレクサ10と、プログラマブルゲインアンプ11と、ΔΣ変調器12と、多相クロック回路15aと、デジタルモジュール109から送られるデータ信号DIに応じてマルチプレクサ10の選択動作とプログラマブルゲインアンプ11のゲインを制御するレジスタ回路17とを備えている。マルチプレクサ10とレジスタ回路17は切替回路を構成している。
The
デジタルモジュール109は、デジタルフィルタ20と、同期信号生成回路21と、クロック生成回路23と、アナログモジュール108との制御用通信回路であるSPI(Serial Peripheral Interface )24と、CPU25とを備えている。
デジタルモジュール109のSPI24からはクロック信号SCLK、データ信号DIが出力される。SPIとしてのチップセレクト信号CSは、アクティブ側に接続されているものとし、図10ではアナログモジュール108からのSPIのデータ出力は省略している。
The
A clock signal SCLK and a data signal DI are output from the
本実施の形態のΔΣ型A/D変換器に必要なアナログモジュール108に含まれるマルチプレクサ10及びプログラマブルゲインアンプ11の設定は、デジタルモジュール109のSPI24からのデータ信号DIによって行われる。
CPU25は、所望の入力チャンネル設定やゲイン設定を行い、この設定に基づくデータ信号DIをSPI24に生成させて、アナログモジュール108のマルチプレクサ10やプログラマブルゲインアンプ11を制御する。
Setting of the
The
データ信号DIは、第4の絶縁素子33を介してアナログモジュール108に入力される。絶縁素子33は、絶縁素子30,31,32と同様に、フォトカプラやパルストランスからなる。
The data signal DI is input to the
アナログモジュール108のレジスタ回路17は、データ信号DIに従ってマルチプレクサ10を制御し、所望の入力チャンネルを選択させる。また、レジスタ回路17は、データ信号DIに従ってプログラマブルゲインアンプ11のゲインを設定する。そして、マルチプレクサ10は、選択した入力チャンネル及び選択のタイミングを示す識別信号SYNCを生成し、この識別信号SYNCを絶縁素子31を介してデジタルモジュール109に入力する。
The
多相クロック回路15a、ΔΣ変調器12、絶縁素子30,31,32、デジタルフィルタ20、同期信号生成回路21、及びクロック生成回路23の動作は、第1、第2の実施の形態で説明したとおりである。
こうして、本実施の形態によれば、第2の実施の形態に比べて基板面積の増加やコストの増加があるものの、デジタルモジュール109側から入力チャンネルの設定やゲインの設定をシリアル通信によって行うことができるため、設計の自由度を向上させることができる。
The operations of the
Thus, according to the present embodiment, the input channel setting and gain setting are performed by serial communication from the
また、図7では記載を容易にするためにグランドを省略しているが、本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様にΔΣ変調器12を含むアナログモジュール108のグランドとデジタルフィルタ20を含むデジタルモジュール109のグランドとを分離している。これにより、ΔΣ型A/D変換器において第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
In FIG. 7, the ground is omitted for ease of description, but in this embodiment as well, the ground and digital filter of the
なお、クロック信号は、アナログモジュールとデジタルモジュールで別個に生成することも可能なので、クロック信号SCLKをデジタルモジュールからアナログモジュールに送る第3の絶縁素子32は本発明の必須の構成要件ではない。
また、第1〜第4の実施の形態では、絶縁素子30,31,32,33の搭載箇所を明記していないが、絶縁素子30,31,32,33はアナログモジュールに搭載してもよいし、デジタルモジュールに搭載してもよく、別のモジュールに搭載するようにしてもよい。
Since the clock signal can be generated separately for the analog module and the digital module, the third insulating
In the first to fourth embodiments, the mounting location of the insulating
本発明は、複数のアナログ入力信号を入力とする多入力のΔΣ型A/D変換器に適用することができる。 The present invention can be applied to a multi-input ΔΣ A / D converter that receives a plurality of analog input signals.
10…マルチプレクサ、11…プログラマブルゲインアンプ、12…ΔΣ変調器、13,14…設定回路、15,15a…多相クロック回路、16…整流回路、17…レジスタ回路、20…デジタルフィルタ、21…同期信号生成回路、22…同期クロック生成回路、23…クロック生成回路、24…SPI、25…CPU、30,31,32,33…絶縁素子。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
このΔΣ変調器の出力のうち信号周波数帯域のみを通過させるデジタルフィルタと、
複数の入力チャンネルの中から何れか1つを選択し、選択した入力チャンネルのアナログ入力信号を前記ΔΣ変調器に入力すると共に、前記選択した入力チャンネルを示す識別信号を生成する切替回路と、
前記ΔΣ変調器と前記デジタルフィルタとの間に設けられ、前記ΔΣ変調器の出力信号を非電気信号に変換した後に電気信号に戻して前記デジタルフィルタに入力する第1の絶縁素子と、
前記識別信号を非電気信号に変換した後に電気信号に戻して前記デジタルフィルタを含むデジタルモジュールに入力する第2の絶縁素子とを有し、
前記切替回路と前記ΔΣ変調器とを含むアナログモジュールのグランドと、前記デジタルフィルタを含むデジタルモジュールのグランドとを分離したことを特徴とするΔΣ型A/D変換器。 A ΔΣ modulator that converts an analog input signal into a 1-bit digital signal;
A digital filter that passes only the signal frequency band of the output of the ΔΣ modulator;
A switching circuit that selects any one of a plurality of input channels, inputs an analog input signal of the selected input channel to the ΔΣ modulator, and generates an identification signal indicating the selected input channel;
A first insulating element that is provided between the ΔΣ modulator and the digital filter, converts the output signal of the ΔΣ modulator into a non-electric signal, and then converts the output signal back into an electric signal and inputs the digital filter;
A second insulating element that converts the identification signal into a non-electric signal and then converts it back to an electrical signal and inputs it to the digital module including the digital filter;
A ΔΣ A / D converter characterized in that a ground of an analog module including the switching circuit and the ΔΣ modulator is separated from a ground of a digital module including the digital filter.
さらに、前記デジタルモジュールで生成されるクロック信号を非電気信号に変換した後に電気信号に戻して前記アナログモジュールに入力する第3の絶縁素子を有し、
前記切替回路は、前記クロック信号に同期して複数の入力チャンネルの中から何れか1つを順次選択することを特徴とすることを特徴とするΔΣ型A/D変換器。 In the delta-sigma type A / D converter according to claim 1,
And a third insulating element that converts the clock signal generated by the digital module into a non-electric signal and then converts the clock signal back to the electric signal and inputs the analog signal to the analog module.
The switching circuit sequentially selects any one of a plurality of input channels in synchronization with the clock signal. The ΔΣ A / D converter according to claim 1, wherein:
さらに、前記アナログモジュールは、前記クロック信号を整流してアナログモジュールの電源電圧を生成する整流回路を備えることを特徴とするΔΣ型A/D変換器。 The ΔΣ A / D converter according to claim 2,
The analog module further includes a rectifier circuit that rectifies the clock signal to generate a power supply voltage of the analog module.
前記第1、第2、第3の絶縁素子は、フォトカプラ又はトランスであることを特徴とするΔΣ型A/D変換器。 The ΔΣ type A / D converter according to claim 1 or 2,
The ΔΣ A / D converter characterized in that the first, second and third insulating elements are photocouplers or transformers.
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