JP6260206B2 - アナログデジタル変換装置 - 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技術に関する。
従来、アナログデジタル変換においては、高速にサンプリングし、ローパスフィルタ(LPF)を作用させて不要な高周波領域のノイズをカットすることにより量子化ノイズを圧縮することができる、いわゆるノイズシェーピング効果が得られることが知られている。
この技術を具体化するアナログデジタル(AD)変換装置の一例が、特許文献1等に記載されている。即ち、図16に示すように、AD変換装置100では、同じ周波数fsを有し180度位相が異なる二つの動作クロックCK1,CK2をサンプリングクロックとし、二つのAD変換器111,112を動作させることで変換データAD1,AD2を取得する。この変換データAD1,AD2を、マルチプレクサ121によってマージすることにより、変換データAD1,AD2の2倍のサンプリングレートを有するマージデータMXDを生成し、このマージデータMXDから、移動和演算器122によって4移動和データADDを求める。更に、ダウンサンプラ123によってダウンサンプリングを行うことによって、変換データAD1,AD2と同じサンプリングレートの高分解能なAD変換データDoutを得る(図17参照)。但し、図16に示す構成は、特許文献1に記載された構成を簡略化したものである。
なお、マルチプレクサ121での選択を切り替える切替信号SWを生成するSW信号生成部124および移動和演算器122は、動作クロックCK1,CK2の2倍の周波数を有する動作クロックCK3によって動作させている。
米国特許出願公開第2012/0154192号明細書
図17にも示したように、2倍のサンプリングレートを有するマージデータMXDを用いて4移動和を求める演算をリアルタイムで実行するには、動作クロックCK1,CK2の2倍の速度を有する動作クロックCK3が必要である。このため、処理速度の高速化に伴い演算処理を行うデジタル回路のタイミング制約が厳しく設計が困難になるという問題や、高速なクロックのために消費電力も増大するという問題があった。
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、回路設計が容易で低消費電力なアナログデジタル変換装置を提供することを目的とする。
本発明のアナログデジタル変換装置は、変換実行部とフィルタ処理部とを備える。変換実行部は、同じ周波数の動作クロックに従って動作するm個のアナログデジタル変換器を、動作クロックの1/m周期分ずつ位相をずらして動作させることによって、動作クロックの1周期当たりm個の変換データを生成する。フィルタ処理部は、変換実行部で生成された変換データに基づき、前記動作クロックの1周期当たり1個のAD変換データを生成する。但し、フィルタ処理部は、加算器と移動和演算器を備えている。そして、加算器は、動作クロックの1周期毎に、該動作クロックの1周期の間に生成されるm個の変換データの加算値を求める。移動和演算器は、動作クロックの1周期毎に、加算器の出力n個分の移動和を求め、該移動和をAD変換データとして出力する。
このような構成によれば、フィルタ処理部を、変換実行部で使用する動作クロックと同じ周波数のクロックによって動作させることができる。その結果、回路設計が容易にすることができ、消費電力も抑えることができる。
なお、フィルタ処理部は、以下のように構成されていてもよい。即ち、変換実行部を構成するアナログデジタル変換器のそれぞれについて移動和演算器を設け、これらm個の移動和演算器がそれぞれ対応するアナログデジタル変換器の出力n個分の移動和を、動作クロックの1周期毎に求める。そして、加算器が、動作クロックの1周期毎に、動作クロックの1周期の間に生成されるm個の移動和の加算値を求め、該加算値をAD変換データとして出力する。
この場合も、フィルタ処理部を、変換実行部で使用する動作クロックと同じ周波数のクロックによって動作させることができるため、上述の構成を有するものと同様の効果を得ることができる。
なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
また、本発明は、前述したアナログデジタル変換装置の他、当該アナログデジタル変換装置を構成要素とするシステムなど、種々の形態で実現することができる。
第1実施形態のAD変換装置の構成を示すブロック図である。 移動和演算器の詳細な構成を示す回路図である。 第1実施形態のAD変換装置の動作を説明するタイミング図である。 第1実施形態の変形例のAD変換装置の構成を示すブロック図である。 第1実施形態の変形例のAD変換装置の動作を説明するタイミング図である。 第2実施形態のAD変換装置の構成を示すブロック図である。 第2実施形態のAD変換装置の動作を説明するタイミング図である。 第3実施形態のAD変換装置の構成を示すブロック図である。 第3実施形態のAD変換装置の動作を説明するタイミング図である。 第4実施形態のAD変換装置の構成を示すブロック図である。 第4実施形態のAD変換装置の動作を説明するタイミング図である。 第5実施形態のAD変換装置の構成を示すブロック図である。 第5実施形態のAD変換装置の動作を説明するタイミング図である。 第6実施形態のAD変換装置の構成を示すブロック図である。 第7実施形態のAD変換装置の構成を示すブロック図である。 従来装置の構成を示すブロック図である。 従来装置の動作を説明するタイミング図である。
以下に本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
[第1実施形態]
<全体構成>
図1に示すアナログデジタル(AD)変換装置1は、変換実行部10と、フィルタ処理部20と、クロック生成部30とを備える。
クロック生成部30は、基準クロックCLK(周波数fs)に基づき、基準クロックCLKと同じ周波数を有し、互いの位相が180度異なる二つの動作クロックCK1,CK2を生成する。なお、動作クロックCK1,CK2のうち一方は、基準クロックCLKそのものであってもよい。
変換実行部10は、アナログ入力信号Ainを動作クロックCK1に従ってAD変換するAD変換器11と、アナログ入力信号Ainを動作クロックCK2に従ってAD変換するAD変換器12とを備える。
フィルタ処理部20は、加算器21と移動和演算器22とを備える。加算器21は、動作クロックCK1に従って動作し、動作クロックCK1の1周期毎に、AD変換器11による変換データAD1とAD変換器12による変換データAD2とを加算した結果である加算データMDを出力する。移動和演算器22は、動作クロックCK1に従って動作し、動作クロックCK1の1周期毎に、2周期分の加算データMDの移動和を求め、その移動和をAD変換データDoutとして出力する。なお、移動和演算器22は、図2に示すように、動作クロックCK1に従って加算データMDをシフトする2段のシフトレジスタを構成する一対のD型フリップフロップ(DFF)回路221,222と、両DFF回路221,222の出力を加算する加算器223とで構成されている。但し、加算器223は、図中で明示はしないが、加算結果を、DFF回路221,222を動作させるものと同じ動作クロックCK1でラッチした結果を出力するものとする。
<動作>
このように構成されたAD変換装置1では、図3に示すように、二つのAD変換器11,12は、アナログ入力信号AinをAD変換した結果S1,S2,…を、変換データAD1,AD2として、動作クロックCK1,CK2の1/2半周期毎に交互に出力する。そして、加算器21は、動作クロックCK1の立ち上がりタイミングで、その時点でAD変換器11,12が出力している変換データAD1,AD2を加算し、その加算した結果を加算データMDとして出力する。従って、加算データMDの値は、変換データAD1の値がS1からS3に切り替わるタイミングでS1+S2に切り替わり、以下1周期毎に同様のタイミングでS3+S4,S5+S6…に切り替わる。また、移動和演算器22は、2周期前の加算データMDと1周期前の加算データを加算した結果をAD変換データDoutとして出力する。従って、AD変換データDoutの値は、加算データMDがS3+S4からS5+S6に切り替わるタイミングでS1+S2+S3+S4に切り替わり、以後1周期毎に同様のタイミングで、S3+S4+S5+S6,S5+S6+S7+S8…に切り替わる。
<効果>
以上説明したように、AD変換装置1によれば、タイムインタリーブにより動作クロックCK1,CK2の2倍のサンプリングレートとなる変換データAD1,AD2を生成し、その変換データAD1,AD2に対してフィルタ処理を施すことによってAD変換データDoutの量子化雑音を低減する、いわゆるノイズシェーピングを行っているため、図16,図17に示した従来装置と同様に、高分解能なAD変換データDoutを得ることができる。
しかも、フィルタ処理部20は、動作クロックCK1,CK2の2倍のサンプリングレートを有する変換データAD1,AD2を扱うにも関わらず、動作クロックCK1によって動作させることができるため、回路設計を容易にすることができると共に、消費電力を抑えることができる。
<変形例>
なお、本実施形態では、フィルタ処理部20を、動作クロックCK1に従って動作するように構成したが、図4に示すAD変換装置2のように、動作クロックCK2に従って動作するように構成してもよい。この場合、図5に示すように、フィルタ処理部20の動作が、動作クロックCK1,CK2の1/2周期分だけずれる以外は、AD変換装置1の場合と同様に動作する。
[第2実施形態]
第2実施形態は、基本的な構成は第1実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。
前述した第1実施形態およびその変形例では、フィルタ処理部20を、変換実行部10を動作させる動作クロックCK1,CK2のいずれかによって動作させている。
これに対し、本実施形態のAD変換装置3では、図6に示すように、クロック生成部30aによって、動作クロックCK1,CK2とは同じ周波数で、かつ、いずれとも位相が異なる動作クロックCK3を生成し、この動作クロックCK3によって、フィルタ処理部20を動作させている。
なお、動作クロックCK3は、例えば図7に示すように、動作クロックCK2より90度遅れた位相を有するように設定する。なお、動作クロックCK3のタイミング(位相)は、これに限るものではなく、変換データAD1,AD2の信号レベルが安定したタイミングで立ち上がりエッジが現れるように設定されていればよい。
<効果>
AD変換装置3によれば、第1実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、これらより早いタイミングでAD変換データDoutを得ることができる。
[第3実施形態]
第3実施形態は、基本的な構成は第1実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。
前述した第1実施形態では、AD変換器11,12が出力する変換データAD1,AD2をそのまま加算器21に供給している。
これに対し、本実施形態のAD変換装置4では、図8に示すように、フィルタ処理部20aに、加算器21および移動和演算器22に使用するものと同じ動作クロックCK1に従って、変換データAD1をラッチするDFF23と、同じく動作クロックCK1に従って、変換データAD2をラッチするDFF24とを設け、このDFF23が出力するラッチデータADF1およびDFF24が出力するラッチデータADF2を加算器21に供給するように構成されている。
<効果>
このように構成されたAD変換装置4では、第1実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、図9に示すように、加算器21での加算対象となる二つのデータADF1,ADF2が同じタイミングで供給されるため、加算器21の動作時間に余裕を持たせることができ、加算器21を容易かつ安価に設計することができる。
<変形例>
なお、本実施形態では、フィルタ処理部20aに動作クロックCK1を供給するように構成したが、第1実施形態の変形例と同様に動作クロックCK2を供給するように構成したり、第2実施形態と同様に、クロック生成部30aが生成する動作クロックCK3を供給するように構成したりしてもよい。
[第4実施形態]
第4実施形態は、基本的な構成は第1実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。
本実施形態のAD変換装置5は、フィルタ処理部20bの構成が第1実施形態とは異なっている。即ち、図10に示すように、フィルタ処理部20bは、一対の移動和演算器25,26と加算器27とを備える。移動和演算器25は、動作クロックCK1に従って動作し、動作クロックCK1の1周期毎に、2周期分の変換データAD1の移動和を求める。一方、移動和演算器26は、動作クロックCK2に従って動作し、動作クロックCK2の1周期毎に、2周期分の変換データAD2の移動和を求める。そして、加算器27は、動作クロックCK1に従って動作し、動作クロックCK1の1周期毎に、移動和演算器25の演算結果ADD1と、移動和演算器26の演算結果ADD2とを加算した結果である加算データを、AD変換データDoutとして出力する。なお、移動和演算器25,26は、移動和演算器22と同様に構成されたものである(図2参照)。
<動作>
このように構成されたAD変換装置5では、図11に示すように、二つのAD変換器11,12は、アナログ入力信号AinをAD変換した結果S1,S2,…を、変換データAD1,AD2として、動作クロックCK1,CK2の1/2半周期毎に交互に出力する。そして、移動和演算器25は、2周期前および1周期前の変換データAD1を加算した結果を演算結果ADD1として出力する。また、移動和演算器26は、2周期前および1周期前の変換データAD2を加算した結果を演算結果ADD2として出力する。従って、演算結果ADD1の値は、変換データAD1がS3からS5に切り替わるタイミングでS1+S3に切り替わり、以後1周期毎にS3+S5,S5+S7…に切り替わる。また、演算結果ADD2の値は、変換データAD2がS4からS6に切り替わるタイミングでS2+S4に切り替わり、以後1周期毎にS4+S6,S6+S8に切り替わる。また、加算器27は、クロックCK1の立ち上がりタイミングで、その時点で移動和演算器25,26が出力している演算結果ADD1,ADD2を加算し、その加算した結果をAD変換データDoutとして出力する。従って、AD変換データDoutは、変換データAD1がS5からS7に切り替わるタイミングで、S1+S2+S3+S4に切り替わり、以後、1周期毎に、S3+S4+S5+S6,S5+S6+S7+S8…に切り替わる。
<効果>
以上説明したように、AD変換装置5によれば、タイムインタリーブにより動作クロックCK1,CK2の2倍のサンプリングレートとなる変換データAD1,AD2を生成し、その変換データAD1,AD2に対してフィルタ処理を施すことによってAD変換データDoutの量子化雑音を低減する、いわゆるノイズシェーピングを行っているため、高分解能なAD変換データDoutを得ることができる。
しかも、フィルタ処理部20bは、動作クロックCK1,CK2の2倍のサンプリングレートを有する変換データAD1,AD2を扱うにも関わらず、動作クロックCK1,CK2によって動作させることができるため、回路設計を容易にすることができると共に、消費電力を抑えることができる。
<変形例>
なお、本実施形態では、加算器27を、動作クロックCK1に従って動作するように構成したが、動作クロックCK2に従って動作するように構成してもよい。
[第5実施形態]
第5実施形態は、基本的な構成は第4実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。
前述した第4実施形態およびその変形例では、加算器27を動作クロックCK1,CK2のいずれかによって動作させている。
これに対し、本実施形態のAD変換装置6では、図12に示すように、クロック生成部30aによって、動作クロックCK1,CK2とは同じ周波数で、かつ、いずれとも位相が異なる動作クロックCK3を生成し、この動作クロックCK3によって、加算器27を動作させている。
なお、動作クロックCK3は、例えば図13に示すように、動作クロックCK2より90度遅れた位相を有するように設定する。なお、動作クロックCK3のタイミング(位相)は、これに限るものではなく、変換データAD1,AD2の信号レベルが安定したタイミングで立ち上がりエッジが現れるように設定されていればよい。
<効果>
AD変換装置3によれば、第4実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、これらより早いタイミングでAD変換データDoutを得ることができる。
[第6実施形態]
第6実施形態は、基本的な構成は第4実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。
前述した第4実施形態では、移動和演算器25,26が出力する演算結果ADD1,ADD2をそのまま加算器27に供給するように構成されている。
これに対し、本実施形態のAD変換装置7では、図14に示すように、フィルタ処理部20cに、加算器27に使用するものと同じ動作クロックCK1に従って、演算結果ADD1をラッチするDFF23aと、同じく動作クロックCK1に従って、演算結果ADD2をラッチするDFF24aとを設け、このDFF23aが出力するラッチデータADF1およびDFF24aが出力するラッチデータADF2を加算器27に供給するように構成されている。
<効果>
このように構成されたAD変換装置7では、第4実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、加算器27での加算対象となる二つのデータADF1,ADF2が同じタイミングで供給されるため、加算器27の動作時間に余裕を持たせることができ、加算器27を容易かつ安価に設計することができる。
<変形例>
なお、本実施形態では、DFF23a,24a、加算器27を動作クロックCK1で動作させるように構成したが、動作クロックCK2や、クロック生成部30aが生成する動作クロックCK3で動作させるように構成してもよい。
[第7実施形態]
第7実施形態は、基本的な構成は第4実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。
前述した第4実施形態では、AD変換器11,12が出力する変換データAD1,AD2をそのまま移動和演算器25,26に供給するように構成されている。
これに対し、本実施形態のAD変換装置8では、図15に示すように、フィルタ処理部20dに、動作クロックCK1に従って、変換データAD1をラッチするDFF23bと、同じく動作クロックCK1に従って、変換データAD2をラッチするDFF24bとを設け、このDFF23bが出力するラッチデータADF1を移動和演算器25に供給し、DFF24bが出力するラッチデータADF2を移動和演算器26に供給すると共に、移動和演算器26は、フィルタ処理部20dを構成せる他の部位と同様に動作クロックCK1に従って動作するように構成されている。
<効果>
このように構成されたAD変換装置8では、第4実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、加算器27での加算対象となる二つのデータADD1,ADD2が同じタイミングで供給されるため、第6実施形態と同様に、加算器27の動作時間に余裕を持たせることができ、加算器27を容易かつ安価に設計することができる。
<変形例>
なお、本実施形態では、フィルタ処理部20dを動作クロックCK1で動作させるように構成したが、動作クロックCK2や、クロック生成部30aが生成する動作クロックCK3で動作させるように構成してもよい。
[他の実施形態]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
(1)上記実施形態では、変換実行部10を、2個のAD変換器11,12によって構成したが、3個以上のAD変換器によって構成してもよい。
(2)本発明の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。
1〜8…アナログデジタル(AD)変換装置 10…変換実行部 11,12…AD変換器 20,20a〜20d…フィルタ処理部 21,27,223…加算器 22,25,26…移動和演算器 23,23a,23b,24,24a,24b,221,222…D型フリップフロップ(DFF)回路 30,30a…クロック生成部、

Claims (5)

  1. 同じ周波数の動作クロックに従って動作するm個のアナログデジタル変換器を、前記動作クロックの1/m周期分ずつ位相をずらして動作させることによって、前記動作クロックの1周期当たりm個の変換データを生成する変換実行部(10)と、
    前記変換実行部で生成された変換データに基づき、前記動作クロックの1周期当たり1個のAD変換データを生成するフィルタ処理部(20b,20c,20d)と、
    を備え、
    前記フィルタ処理部は、
    前記動作クロックの1周期毎に、前記変換実行部を構成する前記アナログデジタル変換器のそれぞれについて、該アナログデジタル変換器の出力n個分の移動和を求めるm個の移動和演算器(25,26)と、
    前記動作クロックの1周期毎に、該動作クロックの1周期の間に生成されるm個の前記移動和の加算値を求め、該加算値を前記AD変換データとして出力する加算器(27)と、
    を備えることを特徴とするアナログデジタル変換装置。
  2. 前記フィルタ処理部(20c)は、
    前記動作クロックの1周期毎に、該動作クロックの1周期の間に生成されるm個の前記移動和を同じタイミングでラッチするm個のラッチ回路(23a,24a)を備え、
    前記加算器は、前記ラッチ回路にラッチされたデータに従って前記加算値を求めることを特徴とする請求項1に記載のアナログデジタル変換装置。
  3. 前記移動和演算器を動作させるクロックとして、前記移動和の算出対象となる前記変換データの供給元となる前記アナログデジタル変換器と同じ動作クロックを用い、
    前記移動和演算器より後段を動作させるクロックとして、前記変換実行部で使用するm種類の前記動作クロックのうちいずれか一つを用いることを特徴とする請求項1または請
    求項2に記載のアナログデジタル変換装置。
  4. 前記フィルタ処理部(20d)は、
    前記動作クロックの1周期毎に、該動作クロックの1周期の間に生成されるm個のAD変換データを同じタイミングでラッチするm個のラッチ回路(23b,24b)を備え、
    前記移動和演算器は、前記ラッチ回路にラッチされたデータに従って前記移動和を求めることを特徴とする請求項1に記載のアナログデジタル変換装置。
  5. 前記フィルタ処理部を動作させるクロックとして、前記変換実行部で使用するm種類の前記動作クロックのうちいずれか一つを用いることを特徴とする請求項4に記載のアナログデジタル変換装置。
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