JP6371646B2 - Feedback type pulse width modulator - Google Patents

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Description

本発明は、帰還型パルス幅変調器に関し、詳しくは、その分解能の改善に関するものである。   The present invention relates to a feedback type pulse width modulator, and more particularly to improvement of its resolution.

帰還型パルス幅A/D変換装置は、高精度のA/D変換器として、各種の測定器で広く用いられている。   Feedback type pulse width A / D converters are widely used in various measuring instruments as high-precision A / D converters.

図4は従来の帰還型パルス幅変調装置の一例を示すブロック図であり、(A)は詳細構成図、(B)は(A)の概略構成図である。図4において、帰還型パルス幅変調装置は、大きくは、帰還型パルス幅変調器(以下PWMともいう)10と、カウンタ20と、デジタルフィルタ30と、所定周波数のクロックパルスfCLKを出力するクロック発生器40と、所定の矩形波ECを出力する搬送波発生器50とで構成されている。   4A and 4B are block diagrams showing an example of a conventional feedback type pulse width modulation device. FIG. 4A is a detailed configuration diagram, and FIG. 4B is a schematic configuration diagram of FIG. In FIG. 4, the feedback type pulse width modulation apparatus generally includes a clock generation that outputs a feedback type pulse width modulator (hereinafter also referred to as PWM) 10, a counter 20, a digital filter 30, and a clock pulse fCLK having a predetermined frequency. And a carrier wave generator 50 for outputting a predetermined rectangular wave EC.

図4は、従来の帰還形パルス幅変調器の一例を示すブロック図である。加算器1の一方の入力端子には入力信号が入力されて他方の入力端子にはレベル変換器5を介して比較器3の出力信号が帰還信号として入力され、その出力端子に接続された積分器2には入力信号から帰還信号を減じた値が出力される。   FIG. 4 is a block diagram showing an example of a conventional feedback pulse width modulator. An input signal is input to one input terminal of the adder 1, and an output signal of the comparator 3 is input as a feedback signal to the other input terminal via the level converter 5, and an integration connected to the output terminal. The value obtained by subtracting the feedback signal from the input signal is output to the device 2.

積分器2は、入力信号から帰還信号を減じた値を積分し、その積分結果を比較器3の一方の入力端子に入力する。比較器3の他方の入力端子には、三角波発生器4の出力端子が接続されている。   The integrator 2 integrates a value obtained by subtracting the feedback signal from the input signal, and inputs the integration result to one input terminal of the comparator 3. The output terminal of the triangular wave generator 4 is connected to the other input terminal of the comparator 3.

比較器3は、積分器2の出力値と三角波発生器4から出力される三角波を比較し、2値化された出力信号を得る。この2値化された出力信号の周波数は、三角波発生器4から出力される三角波の周波数と一致する。ただし、積分器2の出力レベルは、三角波の最小値から最大値の範囲とする。   The comparator 3 compares the output value of the integrator 2 with the triangular wave output from the triangular wave generator 4 to obtain a binarized output signal. The frequency of the binarized output signal matches the frequency of the triangular wave output from the triangular wave generator 4. However, the output level of the integrator 2 is in the range from the minimum value to the maximum value of the triangular wave.

比較器3から出力される2値化信号のデューティー比は、積分器2の出力値に応じて変化する。これら比較器3の出力信号のデューティー比と積分器2の出力値との対応関係は概ね線形であり、以下、比較器3の出力信号をパルス幅変調(PWM)信号ともいう。   The duty ratio of the binarized signal output from the comparator 3 changes according to the output value of the integrator 2. The correspondence relationship between the duty ratio of the output signal of the comparator 3 and the output value of the integrator 2 is substantially linear. Hereinafter, the output signal of the comparator 3 is also referred to as a pulse width modulation (PWM) signal.

比較器3から出力されるPWM信号はレベル変換器5で所定のレベルに変換されて加算器1に帰還信号として入力される。レベル変換器5は、PWM信号が「論理1」のときに入力レンジの上限値を出力し、「論理0」のときには入力レンジの下限値を出力する。帰還信号の平均値は、帰還信号がPWM信号のデューティー比(0〜100%)に対して線形に対応していることから、入力レンジの下限値と上限値間の値となる。   The PWM signal output from the comparator 3 is converted to a predetermined level by the level converter 5 and input to the adder 1 as a feedback signal. The level converter 5 outputs the upper limit value of the input range when the PWM signal is “logic 1”, and outputs the lower limit value of the input range when it is “logic 0”. The average value of the feedback signal is a value between the lower limit value and the upper limit value of the input range because the feedback signal linearly corresponds to the duty ratio (0 to 100%) of the PWM signal.

前述のように、帰還信号は入力信号から減じられるので、図4の回路全体として負帰還経路が構成される。   As described above, since the feedback signal is subtracted from the input signal, a negative feedback path is configured as the entire circuit of FIG.

このような構成において、帰還系が安定していてレベル変換器5の誤差が無視できるとすると、三角波発生器4から出力される三角波のオフセット、振幅、非直線性などの誤差や、比較器3のオフセット、立上り立下りの遅延時間差などの誤差は、負帰還の効果により補正される。   In such a configuration, if the feedback system is stable and the error of the level converter 5 can be ignored, errors such as the offset, amplitude, and nonlinearity of the triangular wave output from the triangular wave generator 4 and the comparator 3 Errors such as the offset and the rise / fall delay time difference are corrected by the negative feedback effect.

また、帰還信号の遷移時には、スイッチングに伴う雑音の混入により帰還信号の振幅が変動するなど誤差が生じやすいが、パルス幅変調(PWM)と同様な構成のパルス密度変調(2値ΔΣ変調)と比べてスイッチングの頻度を少なくできるため高精度化しやすい。   Further, at the time of transition of the feedback signal, an error is likely to occur due to fluctuation of the amplitude of the feedback signal due to the mixing of noise accompanying switching, but the pulse density modulation (binary ΔΣ modulation) having the same configuration as the pulse width modulation (PWM) is used. Compared to the frequency of switching can be reduced, it is easy to improve accuracy.

帰還系の安定動作について、図5のタイミングチャートを用いて説明する。
比較器3から出力される(c)に示すPWM信号が入力側の加算器1に帰還されるため、積分器2の出力信号は(b)に一点鎖線で示すように変動する。
The stable operation of the feedback system will be described with reference to the timing chart of FIG.
Since the PWM signal shown in (c) outputted from the comparator 3 is fed back to the adder 1 on the input side, the output signal of the integrator 2 fluctuates as shown by a one-dot chain line in (b).

ここで、(a)に示す三角波の傾きに比べて(b)に示す積分器2の出力信号の傾きが小さい場合には、(c)に示すように正常なPWM信号が得られる動作となる。   When the slope of the output signal of the integrator 2 shown in (b) is smaller than the slope of the triangular wave shown in (a), a normal PWM signal is obtained as shown in (c). .

一方、(a)に示す三角波の傾きに比べて(b)に示す積分器2の出力信号の傾きが大きい場合には帰還系は発振状態になり、PWM信号は得られない。積分器2の出力信号が立上り側において最大の傾きとなるのは、積分器2の入力が最大の場合である。   On the other hand, when the slope of the output signal of the integrator 2 shown in (b) is larger than the slope of the triangular wave shown in (a), the feedback system oscillates and a PWM signal cannot be obtained. The output signal of the integrator 2 has the maximum slope on the rising side when the input of the integrator 2 is maximum.

これは、入力信号が入力レンジの上限値よりわずかに下側で、PWM信号が論理0、すなわち帰還信号が入力レンジの下限値となっている場合である。   This is the case when the input signal is slightly below the upper limit of the input range and the PWM signal is logic 0, that is, the feedback signal is the lower limit of the input range.

積分器2の最大入力を求めると、
(積分器の入力)=(入力信号)−(帰還信号)
であることから、
(積分器の最大入力)=(入力レンジの上限値)−(入力レンジの下限値)
(積分器の最大入力)=(入力スパン)
となる。
When the maximum input of the integrator 2 is obtained,
(Integrator input) = (Input signal)-(Feedback signal)
Because
(Maximum integrator input) = (Upper limit of input range)-(Lower limit of input range)
(Maximum integrator input) = (Input span)
It becomes.

このときの傾き、すなわち(最大の傾き)は、積分ゲインを1/Ti(伝達関数は1/(sTi))とすると、
(積分器出力の最大の傾き)=(入力スパン)/Ti
になる。
安定なPWM動作のための(三角波の傾き最小値)は、
(三角波の傾き最小値)=(入力スパン)/Ti
である。
また、積分器2の出力が立下り側の場合における安定な動作の条件は、傾きが負であることを除き、立上り側と同様である。
The slope at this time, that is, (the maximum slope) is 1 / T i (transfer function is 1 / (sT i )).
(Maximum slope of integrator output) = (Input span) / Ti
become.
For stable PWM operation (minimum triangular wave slope) is
(Minimum slope of triangle wave) = (Input span) / Ti
It is.
The conditions for stable operation when the output of the integrator 2 is on the falling side are the same as those on the rising side, except that the slope is negative.

PWM信号の搬送波周波数をfpwmとすると、その周期TPWMは、
TPWM=1/fPWM
となる。
三角波の立上り時間と立下り時間を等しく0.5×TPWMとして、(三角波の振幅pp最小値)を求めると、
(三角波の振幅pp最小値)=0.5×(入力スパン)×(TPWM/Ti
になる。
If the carrier frequency of the PWM signal is f pwm , its period T PWM is
T PWM = 1 / f PWM
It becomes.
When the rise time and fall time of the triangular wave are set equal to 0.5 × T PWM and the (amplitude pp minimum value of the triangular wave) is calculated,
(Triangular wave amplitude pp minimum value) = 0.5 x (input span) x (T PWM / Ti )
become.

ここで前述の三角波の振幅について、帰還経路の安定を検討するために|経路ゲイン|が1となる「ゲイン交差周波数」の近似値ftを求める。 Here, with respect to the amplitude of the aforementioned triangular wave, an approximate value f t of “gain crossing frequency” at which | path gain | is 1 is obtained in order to examine the stability of the feedback path.

比較器3の入力信号を脈動のない直流とした場合、比較器3の入力が(三角波の振幅pp)分だけ変化するとPWM信号のデューティー比は0〜100%の変化をし、レベル変換器5の直流分は(入力スパン)分の変化をする。 When the input signal of the comparator 3 is a direct current without pulsation, when the input of the comparator 3 changes by (amplitude pp of the triangular wave), the duty ratio of the PWM signal changes from 0 to 100%, and the level converter 5 The direct current component of () changes by (input span).

このことから、比較器3の入力からレベル変換器5の出力までの利得を近似でき、
(比較器入力からレベル変換器出力までの利得)=(入力スパン)/(三角波の振幅pp
となる。
From this, the gain from the input of the comparator 3 to the output of the level converter 5 can be approximated,
(Gain from comparator input to level converter output) = (Input span) / (Triangle wave amplitude pp )
It becomes.

特に、三角波の振幅が(三角波の振幅pp最小値)の場合には(入力スパン)に依存せず、
(比較器入力からレベル変換器出力までの利得)=2×(Ti/TPWM
となる。
この利得と積分器の伝達関数1/(sTi)を用いて帰還経路の一巡伝達関数を求めると、
(一巡伝達関数)=2×(Ti/TPWM)×1/(sTi)
=2fPWM/s
になる。
In particular, when the amplitude of the triangle wave is (minimum amplitude pp of the triangle wave), it does not depend on (input span),
(Gain from comparator input to level converter output) = 2 x (T i / T PWM )
It becomes.
Using this gain and the integrator transfer function 1 / (sT i ),
(Circular transfer function) = 2 × (T i / T PWM ) × 1 / (sT i )
= 2f PWM / s
become.

一巡の周波数応答は、s=j2πfとすると、
(一巡の周波数応答)=fPWM/(jπf)
と表すことができる。
この式からゲイン交差周波数ftを求めると、
ft=fPWM
になる。
このゲイン交差周波数ftはfPWMの1/2よりもある程度低いため、帰還経路の応答は1次遅れ系として近似できて安定である。
The round frequency response is s = j2πf.
(Circular frequency response) = f PWM / (jπf)
It can be expressed as.
When the gain crossover frequency f t is obtained from this equation,
f t = f PWM / π
become.
Since this gain crossover frequency f t is somewhat lower than 1/2 of f PWM , the response of the feedback path can be approximated as a first-order lag system and is stable.

もし、三角波の振幅が上記(三角波の振幅pp最小値)より大きい場合には、経路ゲインが下がるので安定なPWM変調が可能であるが、入力変化に対する追従性が劣化する。 If the amplitude of the triangular wave is larger than the above (the triangular wave amplitude pp minimum value), the path gain is lowered and stable PWM modulation is possible, but the follow-up to input changes is degraded.

図5で使用する三角波は、矩形波を積分することにより得られるので、回路誤差が無ければ、図6(A)の三角波発生器4を図6(B)に示すように矩形波発生器6と積分器7に置き換えることができる。   Since the triangular wave used in FIG. 5 is obtained by integrating the rectangular wave, if there is no circuit error, the triangular wave generator 4 shown in FIG. 6 (A) is replaced with the rectangular wave generator 6 as shown in FIG. 6 (B). And an integrator 7.

ここで、説明を簡単にするため2つの積分器2、7の特性を同一とし、安定な動作の条件を図5と同様に(三角波の傾き)が(積分器出力の傾き)よりも大きいとすると、(矩形波の最小振幅)は、
(矩形波の最小振幅)=±(入力スパン)
となる。
Here, in order to simplify the explanation, the characteristics of the two integrators 2 and 7 are the same, and the condition of stable operation is that (slope of triangular wave) is larger than (slope of integrator output) as in FIG. Then, (the minimum amplitude of the square wave) is
(Minimum amplitude of rectangular wave) = ± (input span)
It becomes.

図7は従来の帰還型パルス幅変調器の他の例を示すブロック図であり、図4および図6と共通する部分には同一の符号を付けている。図7の構成では、矩形波発生器6の矩形波出力を加算器1に入力し、入力信号に加算して積分器2に与えることで、図6(B)では2個必要とした積分器を1個にまとめている。三角波の位相が反転するが、応答特性には影響しない。   FIG. 7 is a block diagram showing another example of a conventional feedback type pulse width modulator, and the same reference numerals are given to portions common to FIGS. In the configuration of FIG. 7, the rectangular wave output of the rectangular wave generator 6 is input to the adder 1, added to the input signal and supplied to the integrator 2, so that two integrators required in FIG. 6B are required. Are combined into one. The phase of the triangular wave is reversed, but the response characteristics are not affected.

前述のように、矩形波の振幅が±(入力スパン)よりも大きければ安定に動作するが、振幅が大きければ経路ゲインが低下して応答性が劣化する。   As described above, if the amplitude of the rectangular wave is larger than ± (input span), the operation is stable, but if the amplitude is large, the path gain is lowered and the response is deteriorated.

図4の構成における(三角波の振幅pp最小値)の場合に相当する条件、すなわち、入力信号の全範囲で安定に動作して応答性が良好な条件は、矩形波の振幅が、
(矩形波の最小振幅)=±(入力スパン)
の場合である。
そのときのゲイン交差周波数ftは、図5と同様に、
ft=fPWM
である。
The condition corresponding to the case of (amplitude pp minimum value of triangular wave) in the configuration of FIG. 4, that is, the condition that operates stably over the entire range of the input signal and has good responsiveness,
(Minimum amplitude of rectangular wave) = ± (input span)
This is the case.
The gain crossover frequency f t at that time is the same as in FIG.
f t = f PWM / π
It is.

図7に示すように、2つの積分器を1つにまとめることで、以下の利点が得られる。
1)部品点数を削減できる。
2)図6(B)に示すように2つの積分器2、7を使い、矩形波を積分する方法で三角波を発生した場合には、積分器の入力に直流成分(誤差)があると積分値が時間とともに増大(発散)して比較器3の動作範囲を逸脱するが、積分器を1つにまとめることでこの直流誤差も信号とともに帰還されることから、比較器3の入力として過剰な直流電圧が加わることがなくなる。
As shown in FIG. 7, combining the two integrators into one provides the following advantages.
1) The number of parts can be reduced.
2) As shown in FIG. 6 (B), when a triangular wave is generated by using two integrators 2 and 7 to integrate a square wave, integration occurs if there is a DC component (error) at the input of the integrator. Although the value increases (diverges) with time and deviates from the operating range of the comparator 3, this DC error is also fed back together with the signal by integrating the integrators into one. No DC voltage is applied.

図8も従来の帰還型パルス幅変調器の他の構成例であり、(A)は回路図、(B)はそのブロック図であって、図7と共通する部分には同一の符号を付けている。図8(A)において、入力電圧Exは抵抗Rxにより電流Ex/Rxに変換される。この電流は、演算増幅器OP1とコンデンサC1により構成された加算積分器に入力され積分される。   FIG. 8 is another example of the configuration of the conventional feedback type pulse width modulator. FIG. 8A is a circuit diagram, and FIG. 8B is a block diagram thereof. ing. In FIG. 8A, the input voltage Ex is converted into a current Ex / Rx by a resistor Rx. This current is input to and integrated with an addition integrator formed by an operational amplifier OP1 and a capacitor C1.

この演算増幅器OP1の反転入力端子に接続されるノードの電位はほぼ0Vであり、このノードに流れ込む電流の総和は0になるので、コンデンサC1の充電電圧は、コンデンサC1以外の経路から流れ込んだ電流の和を積分したものとなる。なお、演算増幅器OP1の出力電圧は反転極性となるが、帰還経路が一巡で負帰還となるように経路内のいずれかのブロックで再度反転すれば動作の本質には影響しない。   Since the potential of the node connected to the inverting input terminal of the operational amplifier OP1 is almost 0 V, and the total current flowing into this node is 0, the charging voltage of the capacitor C1 is the current flowing from a path other than the capacitor C1. The sum of is integrated. Although the output voltage of the operational amplifier OP1 has an inverted polarity, the essence of the operation is not affected if it is inverted again in any block in the path so that the feedback path becomes a negative feedback in one cycle.

積分器2の出力は比較器3で0Vと比較され、2値のPWM信号となる。ただし、極性反転している。   The output of the integrator 2 is compared with 0V by the comparator 3 and becomes a binary PWM signal. However, the polarity is reversed.

そのPWM信号はフリップフロップFFに入力され、クロック発生器8で生成されたクロック・パルスの整数倍のパルス幅を持つPWM信号を出力することになり、PWM変調器として機能する。   The PWM signal is input to the flip-flop FF and outputs a PWM signal having a pulse width that is an integral multiple of the clock pulse generated by the clock generator 8 and functions as a PWM modulator.

なお、ゲート回路AGでPWM信号とクロック・パルスとの論理積を求めてバースト信号に変換しているが、このゲート回路AGはPWM変調器の動作には影響しない。   Although the gate circuit AG obtains the logical product of the PWM signal and the clock pulse and converts it into a burst signal, the gate circuit AG does not affect the operation of the PWM modulator.

レベル変換器5は、スイッチSW1,SW2、抵抗R1,R2および電圧源+Es,-Esにより電流出力型として構成されていて、フリップフロップFFのQ出力が論理1のときスイッチSW1がONになり、論理0のときスイッチSW2がONになるように駆動される。   The level converter 5 is configured as a current output type by switches SW1, SW2, resistors R1, R2 and voltage sources + Es, -Es. When the Q output of the flip-flop FF is logic 1, the switch SW1 is turned on. When the logic is 0, the switch SW2 is driven to be turned on.

レベル変換器5の出力電流は、以下のようになる。
フリップフロップFFのQ出力が論理0のとき:-Es/R1
フリップフロップFFのQ出力が論理1のとき:+Es/R2
The output current of the level converter 5 is as follows.
When Q output of flip-flop FF is logic 0: -Es / R1
When Q output of flip-flop FF is logic 1: + Es / R2

レベル変換器5の出力は演算増幅器OP1の反転入力端子が接続されたノードに帰還され、負帰還経路が構成される。   The output of the level converter 5 is fed back to the node to which the inverting input terminal of the operational amplifier OP1 is connected, and a negative feedback path is configured.

演算増幅器OP1の反転入力端子が接続されたノードに、クロック・パルスを分周して生成された電圧レベルが±Ecの矩形波を抵抗Rcを介して±Ec/Rcの電流に変換して注入することにより、PWM信号の周波数を矩形波の周波数に同期させている。   A rectangular wave with a voltage level of ± Ec generated by dividing the clock pulse is converted into a current of ± Ec / Rc via resistor Rc and injected into the node connected to the inverting input terminal of operational amplifier OP1 By doing so, the frequency of the PWM signal is synchronized with the frequency of the rectangular wave.

この矩形波電流の振幅は、図7と同様に、±(入力電流スパン)すなわち±(Es/R1+Es/R2)よりも大きい必要がある。ここで、抵抗Rcに直列接続されているコンデンサC2は直流成分を除去するための素子であり、動作の本質には影響しない。   The amplitude of this rectangular wave current needs to be larger than ± (input current span), that is, ± (Es / R1 + Es / R2), as in FIG. Here, the capacitor C2 connected in series with the resistor Rc is an element for removing a DC component, and does not affect the essence of the operation.

電流入力としたときの入力レンジの上限は+Es/R1になり、下限は-Es/R2になることから、入力電流スパンはEs/R1+Es/R2になる。   When the current is input, the upper limit of the input range is + Es / R1, and the lower limit is -Es / R2, so the input current span is Es / R1 + Es / R2.

そして、矩形波発生器6の電流出力振幅は、以下のようになる。
(矩形波発生器の電流出力振幅)=±(入力電流スパン)
=±(Es/R1+Es/R2)
The current output amplitude of the rectangular wave generator 6 is as follows.
(Current output amplitude of rectangular wave generator) = ± (Input current span)
= ± (Es / R1 + Es / R2)

図8(B)は図7とほぼ同様に構成されていて、図7とほぼ同様に動作するが、以下の点で異なる。
a)クロック発生器8を付加している。
b)矩形波発生器としてクロック発生器8のクロック・パルスを分周する分周器9を使用する。
c)フリップフロップFFを比較器3とレベル変換器5の間に挿入し、クロック発生器8のクロック・パルスによりPWMパルスの遷移タイミングを量子化(離散化)している。
FIG. 8B is configured in substantially the same manner as FIG. 7 and operates in substantially the same manner as FIG. 7, but differs in the following points.
a) A clock generator 8 is added.
b) A frequency divider 9 that divides the clock pulse of the clock generator 8 is used as a rectangular wave generator.
c) A flip-flop FF is inserted between the comparator 3 and the level converter 5, and the transition timing of the PWM pulse is quantized (discretized) by the clock pulse of the clock generator 8.

このような構成をA/D変換器に応用して、PWMパルスの遷移タイミングを後段のカウンタのクロックで量子化することにより、帰還量が量子化されてカウント値と一致することから、PWMの1周期で生じた量子化誤差が積分器に蓄積したままとなって次のPWMの周期に繰り越される。   By applying such a configuration to the A / D converter and quantizing the PWM pulse transition timing with the counter clock of the subsequent stage, the feedback amount is quantized and matches the count value. The quantization error generated in one cycle remains accumulated in the integrator and is carried over to the next PWM cycle.

その蓄積された量子化誤差が1カウントに相当する量になると1クロック分パルス幅が広がり、蓄積された量子化誤差から相当する量が除去される。   When the accumulated quantization error becomes an amount corresponding to one count, the pulse width is increased by one clock, and the corresponding amount is removed from the accumulated quantization error.

一般に、帰還型PWM変調器は、入力の変化に対して出力が整定するまでに5〜10周期程度の遅れが生じるため、応答性を向上させるには搬送波周波数を高くする必要がある。   In general, the feedback PWM modulator has a delay of about 5 to 10 cycles until the output is settled with respect to a change in input. Therefore, it is necessary to increase the carrier frequency in order to improve the response.

これに対し、パルス幅が量子化されたPWM信号のパルス幅を複数周期にわたり累算することで、高い分解能と応答性の向上が両立できる。   On the other hand, by accumulating the pulse width of the PWM signal whose pulse width is quantized over a plurality of periods, both high resolution and improved responsiveness can be achieved.

量子化雑音は、比較操作およびD/Aのブロックを多値にした1次のΔ−Σ変調器の場合と同様に量子化が積分器の後段で行われているため、6dB/octで低域が減衰する1次ノイズ・シェーピングの特性を持っている。   The quantization noise is low at 6 dB / oct because the quantization is performed after the integrator as in the case of the first-order Δ-Σ modulator in which the comparison operation and the D / A block are multi-valued. It has the characteristic of first-order noise shaping that attenuates the band.

図9はΔ−Σ変調回路の一例を示すブロック図であり、図7と共通する部分には同一の符号を付けている。図9において、比較器3から積分器2の値を2値化したパルスが出力され、比較器3の出力信号は遅延回路10およびD/A変換器11を介して加算器1に帰還信号として入力される。なお、比較器3は、積分値が発散しないように出力パルスの1,0が設定されていて、D/A変換器11の出力平均値が入力信号を打ち消すように動作する。   FIG. 9 is a block diagram showing an example of the Δ-Σ modulation circuit, and the same reference numerals are given to the portions common to FIG. In FIG. 9, a pulse obtained by binarizing the value of the integrator 2 is output from the comparator 3, and the output signal of the comparator 3 is sent as a feedback signal to the adder 1 via the delay circuit 10 and the D / A converter 11. Entered. Note that the comparator 3 is set such that the output pulse is set to 1 and 0 so that the integral value does not diverge, and the output average value of the D / A converter 11 cancels the input signal.

このように、図9の回路は出力パルスの密度(パルスが1の割合)が入力信号に応じて変化することから、パルス密度(頻度)変調器として動作する。   Thus, the circuit of FIG. 9 operates as a pulse density (frequency) modulator because the density of output pulses (ratio of 1 pulse) changes according to the input signal.

ここで、このΔ−Σ変調器の出力のパルス列に含まれる量子化雑音のスペクトルについて検討する。量子化雑音を発生しているブロックは、2値化を行っている比較ブロックと考えられる。   Here, the spectrum of the quantization noise included in the pulse train of the output of the Δ-Σ modulator will be considered. A block that generates quantization noise is considered a comparison block that is binarized.

この量子化雑音を白色雑音と考えて入力レベルに換算すると、負帰還システムの性質により比較ブロックの前段の積分器の利得で除されるため、概ね6dB/octで低域が減衰するスペクトルとなる。これは、1次ノイズ・シェーピングの特性である。   If this quantization noise is considered as white noise and converted to the input level, it will be divided by the gain of the integrator in the previous stage of the comparison block due to the nature of the negative feedback system, so the spectrum will attenuate at about 6 dB / oct. . This is a characteristic of primary noise shaping.

このΔ−Σ変調器を使用してA/D変換器を構成した場合、高周波領域に偏った量子化雑音を後段に設けるディジタル・フィルタで除去することで、フィルタの帯域幅に応じた分解能を得ることができる。   When an A / D converter is configured using this Δ-Σ modulator, the quantization noise biased to the high frequency region is removed by a digital filter provided in the subsequent stage, so that the resolution corresponding to the bandwidth of the filter can be obtained. Can be obtained.

図10は2次Δ−Σ変調回路の一例を示すブロック図であり、図9に示したΔ−Σ変調回路の前段に、さらに加算器12と積分器13を縦続接続したものである。単純に積分器を2段縦続接続した場合の位相は180°遅れとなり系が不安定になるが、図10では、後段の積分器2にD/A変換器11の出力を加算することで経路一巡の伝達関数にゼロ点を挿入し、高周波域の位相を戻して系を安定化している。   FIG. 10 is a block diagram showing an example of a second-order Δ-Σ modulation circuit, in which an adder 12 and an integrator 13 are further connected in cascade before the Δ-Σ modulation circuit shown in FIG. When the integrators are simply cascaded in two stages, the phase is delayed by 180 ° and the system becomes unstable. In FIG. 10, the path is obtained by adding the output of the D / A converter 11 to the integrator 2 in the subsequent stage. A zero point is inserted into the transfer function of one round, and the system is stabilized by returning the phase in the high frequency range.

図10の構成における量子化雑音スペクトルは、比較器3の前段で2段積分しているため、量子化雑音に着目すると、低周波域で12db/octで減衰する2次ノイズ・シェーピングの特性となる。   Since the quantization noise spectrum in the configuration of FIG. 10 is two-stage integrated at the front stage of the comparator 3, focusing on the quantization noise, the characteristic of secondary noise shaping that attenuates at 12 db / oct in the low frequency range Become.

これにより、A/D変換器の通過帯域幅を同一としたとき、積分器が1つの場合に比べて、2段積分構成の方が高分解能にできる。同一の分解能とした場合には、この2段積分構成の方が広帯域化でき、入力の変化に対して高速に応答できる。   As a result, when the passband widths of the A / D converters are the same, the two-stage integration configuration can have higher resolution than the case of one integrator. In the case of the same resolution, this two-stage integration configuration can broaden the bandwidth and can respond to input changes at high speed.

特開昭57-49866号公報JP-A-57-49866

特許文献1には、帰還型パルス幅変調器とそれを用いたディジタル電圧計に関する発明が開示されている。   Patent Document 1 discloses an invention relating to a feedback type pulse width modulator and a digital voltmeter using the same.

しかし、図8の回路構成によれば、変調器の量子化雑音は、1次ノイズ・シェーピングの特性となっているが、入力が直流の場合には、長周期で周期性の強い雑音が生じる。たとえば1回のPWM周期で繰り越される量子化誤差がクロック・パルスの1/100の場合には、100周期に1回の周期でクロック・パルスの幅だけ出力パルス幅が増加する。   However, according to the circuit configuration of FIG. 8, the quantization noise of the modulator has a primary noise shaping characteristic. However, when the input is a direct current, a long-period and highly periodic noise is generated. . For example, when the quantization error carried over in one PWM cycle is 1/100 of the clock pulse, the output pulse width is increased by the width of the clock pulse once in 100 cycles.

このPWM変調器を使用したデジタル電圧計用のA/D変換器は、後段に設けたカウンタを使用して複数の周期にわたってパルス幅を積算するが、(計測時間)と(クロック周期)とスパンで正規化した(分解能)の関係は、
(分解能)=(クロック周期)/(計測時間)
になる。
This digital voltmeter A / D converter using a PWM modulator integrates the pulse width over a plurality of periods using a counter provided in the latter stage, but (measurement time), (clock period), and span (Resolution) relationship normalized by
(Resolution) = (Clock period) / (Measurement time)
become.

たとえば、0.1ppmの分解能を10msの計測時間で得るためには、周期が1nsのクロックを使用する必要があるが、これは高次のΔ‐Σ方式に比べて高速のクロックが必要であり、コスト的に不利である。   For example, in order to obtain a resolution of 0.1 ppm with a measurement time of 10 ms, it is necessary to use a clock with a period of 1 ns, but this requires a faster clock than the higher-order Δ-Σ method, It is disadvantageous in cost.

また、積分器にコンデンサを使用した場合、入力に応じてコンデンサの直流電圧成分が変化するので、コンデンサの誘電吸収特性の影響を受けて応答特性が劣化し、誤差の要因となる。   In addition, when a capacitor is used for the integrator, the DC voltage component of the capacitor changes according to the input, so that the response characteristic deteriorates due to the influence of the dielectric absorption characteristic of the capacitor, causing an error.

図9の回路構成によれば、変調器の量子化雑音が図8のPWMと同様に1次ノイズ・シェーピングの特性であるため、高性能化が困難である。   According to the circuit configuration of FIG. 9, since the quantization noise of the modulator is a primary noise shaping characteristic like the PWM of FIG. 8, it is difficult to achieve high performance.

また、クロック周期毎に出力パルスの1,0を判定しているため、PWMに比べて帰還信号の値が変化する頻度が高くなり、誤差が大きくなりやすい。   Further, since the output pulse of 1, 0 is determined every clock cycle, the frequency of the feedback signal changes more frequently than PWM, and the error tends to increase.

図10の回路構成によれば、2次ノイズ・シェーピングの特性となるため、1次ΔΣ方式に比べてクロック周波数を下げることができるが、PWMに比べると帰還信号が変化する頻度が高く、誤差が大きくなりやすい。   According to the circuit configuration of FIG. 10, since the characteristics of the secondary noise shaping are obtained, the clock frequency can be lowered as compared with the primary ΔΣ system, but the feedback signal changes more frequently than the PWM, and the error Tends to grow.

さらに積分段数を増やして高次のΔ−Σ方式とすれば、低いクロック周波数で十分なS/N比(分解能)を得ることができるが、回路規模の増大だけでなく、入力信号が急変したときに積分器が飽和して帰還経路の安定が損なわれやすいなどの問題がある。   If the number of integration stages is increased and the higher-order Δ-Σ method is used, a sufficient S / N ratio (resolution) can be obtained at a low clock frequency, but not only the circuit scale increases but also the input signal changes suddenly. Sometimes the integrator is saturated and the stability of the feedback path is easily lost.

本発明は、これらの課題を解決するもので、その目的は、所定の分解能を維持しながら変換時間を短縮でき、同一の変換時間であれば分解能を向上させることができる帰還型パルス幅変調器を提供することにある。   The present invention solves these problems, and an object of the present invention is to provide a feedback type pulse width modulator that can shorten the conversion time while maintaining a predetermined resolution and can improve the resolution if the conversion time is the same. Is to provide.

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
積分器と出力信号の負帰還経路を備え、所定の周期を有するパルス信号のパルス幅をアナログ入力信号の大きさに応じて変化させるように構成された帰還型パルス幅変調器において、
前記積分器と縦続接続され、前記アナログ入力信号と前記負帰還経路を介して帰還される出力信号との差分の低周波成分を増幅する増幅器を設け
前記増幅器を前記積分器の前段に配置するとともに、前記積分器の入力信号に矩形波信号を加算する矩形波信号系統を設け、前記積分器の出力信号を所定の値と比較してパルス幅信号に変換することを特徴とする。
In order to achieve such a problem, the invention according to claim 1 of the present invention is:
In a feedback type pulse width modulator comprising an integrator and a negative feedback path of an output signal, and configured to change the pulse width of a pulse signal having a predetermined period according to the magnitude of an analog input signal,
An amplifier that is cascade-connected to the integrator and amplifies a low frequency component of a difference between the analog input signal and an output signal fed back through the negative feedback path ,
The amplifier is arranged in front of the integrator, and a rectangular wave signal system for adding a rectangular wave signal to the input signal of the integrator is provided, and a pulse width signal is compared with the output signal of the integrator with a predetermined value. It is characterized by converting into.

請求項2記載の発明は、
積分器と出力信号の負帰還経路を備え、所定の周期を有するパルス信号のパルス幅をアナログ入力信号の大きさに応じて変化させるように構成された帰還型パルス幅変調器において、
前記積分器と縦続接続され、前記アナログ入力信号と前記負帰還経路を介して帰還される出力信号との差分の低周波成分を増幅する増幅器を設け、
前記積分器の出力信号を三角波信号と比較してパルス幅信号に変換することを特徴とする。
The invention according to claim 2
In a feedback type pulse width modulator comprising an integrator and a negative feedback path of an output signal, and configured to change the pulse width of a pulse signal having a predetermined period according to the magnitude of an analog input signal,
An amplifier that is cascade-connected to the integrator and amplifies a low frequency component of a difference between the analog input signal and an output signal fed back through the negative feedback path,
The output signal of the integrator is compared with a triangular wave signal and converted into a pulse width signal.

請求項3記載の発明は、
積分器と出力信号の負帰還経路を備え、所定の周期を有するパルス信号のパルス幅をアナログ入力信号の大きさに応じて変化させるように構成された帰還型パルス幅変調器において、
前記積分器の前段に配置され、前記アナログ入力信号と前記負帰還経路を介して帰還される出力信号との差分の低周波成分を増幅する増幅器を設けたことを特徴とする。
The invention described in claim 3
In a feedback type pulse width modulator comprising an integrator and a negative feedback path of an output signal, and configured to change the pulse width of a pulse signal having a predetermined period according to the magnitude of an analog input signal,
An amplifier is provided in front of the integrator and amplifies a low frequency component of a difference between the analog input signal and an output signal fed back through the negative feedback path.

本発明によれば、量子化雑音の低周波成分を低減した帰還型パルス幅変調器を提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide a feedback type pulse width modulator in which low frequency components of quantization noise are reduced.

本発明の一実施例を示す構成図である。It is a block diagram which shows one Example of this invention. 本発明の他の実施例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the other Example of this invention. 本発明の他の実施例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the other Example of this invention. 従来の帰還型パルス幅変調器の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the conventional feedback type pulse width modulator. 図4の動作を説明するタイミングチャートである。5 is a timing chart for explaining the operation of FIG. 4. 従来の帰還型パルス幅変調器の主要部のブロック図である。It is a block diagram of the principal part of the conventional feedback type pulse width modulator. 従来の帰還型パルス幅変調器の他の例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the other example of the conventional feedback type pulse width modulator. 従来の帰還型パルス幅変調器の他の例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the other example of the conventional feedback type pulse width modulator. Δ−Σ変調回路の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a delta-sigma modulation circuit. 2次Δ−Σ変調回路の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a secondary Δ-Σ modulation circuit.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明の一実施例を示す構成図であって、図7と共通する部分には同一の符号を付けたものであり、(A)は回路図、(B)はそのブロック図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, in which parts common to FIG. 7 are given the same reference numerals, (A) is a circuit diagram, and (B) is a block diagram thereof. is there.

図1の構成は、図10に示した2次Δ−Σ変調回路と似ている。特にΔ−Σ変調器において、量子化雑音のスペクトルを分散させるために「ディザ信号」と呼ばれる小振幅の交流信号を信号に加算した場合と同様の構成であるが、本発明で注入する矩形波は出力信号の周波数を決定してしまう程度の大振幅であり「ディザ信号」ではない。   The configuration of FIG. 1 is similar to the secondary Δ-Σ modulation circuit shown in FIG. In particular, the Δ-Σ modulator has the same configuration as the case where a small-amplitude AC signal called a “dither signal” is added to the signal in order to disperse the spectrum of quantization noise. Is a large amplitude that determines the frequency of the output signal and is not a “dither signal”.

本発明に基づく変調器は、大振幅の矩形波を注入することによりその矩形波周波数のPWM信号を得ているため、2値パルスのパルス密度を出力するΔ−Σ変調器とは異なるものである。   Since the modulator according to the present invention obtains a PWM signal having a rectangular wave frequency by injecting a rectangular wave having a large amplitude, it is different from a Δ-Σ modulator that outputs a pulse density of a binary pulse. is there.

また、本発明に基づく変調器を多値量子化器を使用したΔ−Σ変調器として解釈する場合、その動作の基本周期は注入した矩形波(搬送波)の周期となるが、本発明に基づく変調器ではその周期でのサンプリングを行っておらず、基本周期毎のサンプリングを前提とした従来のΔ−Σ変調器の動作とは異なっている。   When the modulator according to the present invention is interpreted as a ΔΣ modulator using a multilevel quantizer, the basic period of operation is the period of the injected rectangular wave (carrier wave). The modulator does not perform sampling at that period, and is different from the operation of a conventional Δ-Σ modulator that assumes sampling at every basic period.

演算増幅器OP1の反転入力端子には抵抗Riを介して入力電圧Eiが入力されるとともに、抵抗RfbおよびフリップフロップFFのQ出力により切換駆動される切換スイッチSW3を介して基準電圧±Vrefも入力されている。演算増幅器OP1の反転入力端子と出力端子間にはコンデンサC1が接続され、非反転入力端子は共通電位点に接続されている。   The input voltage Ei is input to the inverting input terminal of the operational amplifier OP1 via the resistor Ri, and the reference voltage ± Vref is also input to the inverting input terminal SW via the changeover switch SW3 that is switched by the resistor Rfb and the Q output of the flip-flop FF. ing. A capacitor C1 is connected between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier OP1, and the non-inverting input terminal is connected to a common potential point.

演算増幅器OP3の反転入力端子にはコンデンサC3と抵抗R3の直列回路と抵抗R4との並列回路を介して演算増幅器OP1の出力端子が接続されるとともに、抵抗R5および分周器9の出力により切換駆動される切換スイッチSW4を介して基準電圧±Vrefも入力されている。演算増幅器OP3の反転入力端子と出力端子間にはコンデンサC4が接続され、非反転入力端子は共通電位点に接続されている。   The inverting input terminal of the operational amplifier OP3 is connected to the output terminal of the operational amplifier OP1 through a parallel circuit of a series circuit of a capacitor C3 and a resistor R3 and a resistor R4, and is switched by the output of the resistor R5 and the frequency divider 9 A reference voltage ± Vref is also input via the driven changeover switch SW4. A capacitor C4 is connected between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier OP3, and the non-inverting input terminal is connected to a common potential point.

比較器3の反転入力端子には演算増幅器OP3の出力端子が接続され、非反転入力端子は共通電位点に接続され、出力端子はフリップフロップFFのD端子に接続されている。   The output terminal of the operational amplifier OP3 is connected to the inverting input terminal of the comparator 3, the non-inverting input terminal is connected to the common potential point, and the output terminal is connected to the D terminal of the flip-flop FF.

クロック発生器8で生成されるクロック信号はフリップフロップFFのクロック端子CKに入力されるとともに、分周器9に入力されている。   The clock signal generated by the clock generator 8 is input to the clock terminal CK of the flip-flop FF and also input to the frequency divider 9.

図1のように構成される変調器は、以下のように動作する。
1)入力信号Eiから帰還信号を減じ、
2)それを演算増幅器OP1よりなる増幅器15で増幅し、
3)その増幅された信号に矩形波発生器で生成された矩形波を加算し、
4)矩形波が加算された信号を演算増幅器OP3よりなる積分器2で積分し、
The modulator configured as shown in FIG. 1 operates as follows.
1) Subtract the feedback signal from the input signal Ei,
2) Amplify it with an amplifier 15 comprising an operational amplifier OP1,
3) Add the square wave generated by the square wave generator to the amplified signal,
4) Integrate the signal with the added square wave by integrator 2 consisting of operational amplifier OP3,

5)積分器2の出力を一定電圧(たとえば0V)と比較して2値の論理レベルの非同期PWM信号に変換し、
6)その非同期PWM信号をフリップフロップFFでクロックに同期させてPWM出力信号とする。
7)そのPWM出力信号をさらにレベル変換ブロックにより入力と同種(たとえば電流)の2値帰還信号に変換する。
8)帰還信号と入力信号は、1)で述べたように、入力信号から帰還信号を減じて次段の増幅器15に入力されるので、負帰還経路が構成される。
5) Compare the output of integrator 2 with a constant voltage (for example, 0V) and convert it into an asynchronous PWM signal of binary logic level,
6) The asynchronous PWM signal is synchronized with the clock by the flip-flop FF to obtain a PWM output signal.
7) The PWM output signal is further converted into a binary feedback signal of the same type (for example, current) as the input by the level conversion block.
8) As described in 1), the feedback signal and the input signal are subtracted from the input signal and input to the amplifier 15 at the next stage, so that a negative feedback path is configured.

ここで、演算増幅器OP1よりなる増幅器15の利得が1であれば、図9と全く同一の動作となる。増幅器15の利得を周波数によらずk倍(1<k)にしたときは、帰還信号の振幅をk倍にした場合と等価になるため、動作が不安定となる。   Here, if the gain of the amplifier 15 composed of the operational amplifier OP1 is 1, the operation is exactly the same as in FIG. When the gain of the amplifier 15 is increased k times (1 <k) regardless of the frequency, the operation becomes unstable because it is equivalent to the case where the amplitude of the feedback signal is increased k times.

このとき、矩形波の振幅をk倍にすれば従来例と同一の特性となり動作は安定するが、量子化雑音を低減する効果はない。   At this time, if the amplitude of the rectangular wave is increased by k times, the same characteristics as in the conventional example are obtained and the operation is stabilized, but there is no effect of reducing quantization noise.

量子化雑音を低減して安定なパルス幅変調動作を行うための増幅器15の利得は、後段に設けられる図示しないPWM復調器の通過帯域において大きな値を持つだけでなく、搬送波周波数fPWMの1/πで経路一巡の利得が1以下でなければならない。 The gain of the amplifier 15 for performing the stable pulse width modulation operation by reducing the quantization noise not only has a large value in the pass band of a PWM demodulator (not shown) provided in the subsequent stage, but also has a gain of 1 at the carrier frequency f PWM . The gain of one round of the path must be 1 or less at / π.

このため、増幅器15の利得は高周波域で減少する特性、すなわち積分、あるいは、低域通過特性でなければならない。   For this reason, the gain of the amplifier 15 must have a characteristic that decreases in a high frequency range, that is, an integral or a low-pass characteristic.

また、負帰還が安定するためには十分な位相余裕も必要であるため、少なくとも帰還信号に対して、ゲイン交差周波数、または、それより低い周波数にゼロ点を持ち、ゲイン交差周波数において概ね比例特性となる必要がある。   Also, sufficient phase margin is required to stabilize the negative feedback, so at least the feedback signal has a zero point at the gain crossover frequency or lower frequency, and is generally proportional to the gain crossover frequency. It is necessary to become.

図1に示した増幅器15には、入力信号と帰還信号の差を入力する主ポートと、帰還信号を直接入力する副ポートがあるが、副ポートは帰還側のみにゼロ点を挿入する場合に使用する。   The amplifier 15 shown in FIG. 1 has a main port for inputting the difference between the input signal and the feedback signal and a sub port for directly inputting the feedback signal. The sub port is used when a zero point is inserted only on the feedback side. use.

なお、ゼロ点は伝達関数の値を0にする複素周波数であり、ゼロ点が負の実数の場合には周波数軸(虚軸)上の伝達関数の値を0にすることはないが、原点とゼロ点の距離に相当する周波数よりも高い周波数において微分特性を与える効果を持っている。   Note that the zero point is a complex frequency that makes the value of the transfer function zero, and if the zero point is a negative real number, the value of the transfer function on the frequency axis (imaginary axis) will not be zero, And has the effect of giving a differential characteristic at a frequency higher than the frequency corresponding to the distance of the zero point.

ここで、説明を簡単にするために、Ri=Rfb=R4=Rとし、さらに増幅器15の利得を−1とするように変形する。すなわち、コンデンサC1と並列に抵抗Rを付加し、コンデンサC3をコンデンサC1と一致させ、抵抗R3を0Ωとする。この抵抗R3は演算増幅器の負荷インピーダンスを高周波域で抵抗性にして安定化するために挿入する小抵抗であり、原理的には不要である。   Here, in order to simplify the description, Ri = Rfb = R4 = R and the gain of the amplifier 15 is modified to be -1. That is, a resistor R is added in parallel with the capacitor C1, the capacitor C3 is matched with the capacitor C1, and the resistor R3 is set to 0Ω. This resistor R3 is a small resistor that is inserted in order to stabilize the load impedance of the operational amplifier in the high frequency range and is not necessary in principle.

このように変形すると、反転増幅器を挿入したことによる信号の極性反転を除き、図7に示した従来のPWM変調器と同様の構成になる。   With this modification, the configuration is the same as that of the conventional PWM modulator shown in FIG. 7 except for the polarity inversion of the signal due to the insertion of the inverting amplifier.

図1に示す実施例では、矩形波発生器6を、分周器9、基準電圧±Vref、基準電圧±Vrefを制御するスイッチSW3、SW4および抵抗R5により構成し、±Vref/R5の電流出力としている。   In the embodiment shown in FIG. 1, the rectangular wave generator 6 includes a frequency divider 9, a reference voltage ± Vref, switches SW3 and SW4 for controlling the reference voltage ± Vref, and a resistor R5, and a current output of ± Vref / R5. It is said.

積分器2に注入する矩形波の振幅は、帰還信号の2倍にすると安定なPWM変調動作と良好な応答性を得られることが知られている。そこで、本実施例では、抵抗R5の抵抗値を抵抗Rfbの1/2とすることで、矩形波電流を帰還信号電流の2倍にしている。   It is known that if the amplitude of the rectangular wave injected into the integrator 2 is double that of the feedback signal, a stable PWM modulation operation and good responsiveness can be obtained. Therefore, in this embodiment, the resistance value of the resistor R5 is set to ½ of the resistor Rfb, thereby making the rectangular wave current twice the feedback signal current.

増幅器15の利得を1、矩形波の振幅を帰還信号の2倍としたときのゲイン交差周波数ftを搬送波周波数fPWM(矩形波の周波数)で表すと、従来例と同様にft=fPWM/πになる。 When the gain crossover frequency f t when the gain of the amplifier 15 is 1 and the amplitude of the rectangular wave is twice that of the feedback signal is expressed by the carrier frequency f PWM (frequency of the rectangular wave), f t = f as in the conventional example. PWM / π.

本来の増幅器15の利得を求めるためにコンデンサC1に対して並列に付加した抵抗を除去すると、周波数がゼロ点1/(2πC3R)よりも高い場合には容量比C3/C1の比例特性に近似でき、それよりも低い周波数では積分特性に近似できる。図1に示す実施例では、簡単のため特にC1=C3としているので、高周波で利得の絶対値は1となる。   By removing the resistor added in parallel to the capacitor C1 in order to obtain the original gain of the amplifier 15, if the frequency is higher than the zero point 1 / (2πC3R), it can be approximated to the proportional characteristic of the capacitance ratio C3 / C1. It is possible to approximate integral characteristics at lower frequencies. In the embodiment shown in FIG. 1, since C1 = C3 is particularly set for simplicity, the absolute value of the gain is 1 at a high frequency.

ゼロ点の周波数は、ゲイン交差周波数ft近傍またはそれよりも低く設定する。ここで、ゼロ点の周波数とftを一致させたときのC3およびC1は、
1/(2πC3R)=fPWM
より、
C1=C3=1/(2RfPWM)
になる。
The zero point frequency is set in the vicinity of the gain crossover frequency f t or lower. Here, C3 and C1 when the frequency of the zero point is matched with f t are
1 / (2πC3R) = f PWM / π
Than,
C1 = C3 = 1 / (2Rf PWM )
become.

積分器2を構成する演算増幅器OP3の帰還容量C4の値は、PWM変調器の特性に直接的な影響を与えないが、耐雑音性を向上するために積分器2および比較器3の正常動作範囲を超えない範囲で出力を大きくするように設定する。   The value of the feedback capacitor C4 of the operational amplifier OP3 constituting the integrator 2 does not directly affect the characteristics of the PWM modulator, but normal operation of the integrator 2 and the comparator 3 in order to improve noise resistance. Set to increase the output within the range not exceeding the range.

これらのように定数を定めることにより、入力範囲の大部分で安定に動作するPWM変調器を得ることができるが、厳密には上記ゼロ点における増幅器15の利得は+3dBであり、位相は45°遅れるため、やや振動的な挙動となる。   By determining the constants as described above, it is possible to obtain a PWM modulator that operates stably in most of the input range. Strictly speaking, the gain of the amplifier 15 at the zero point is +3 dB, and the phase is 45. Since it is delayed, it behaves somewhat like a vibration.

安定性を改善するには、たとえばコンデンサC1,C3の静電容量を増加してゼロ点を低周波側に移動させればよい。これにより、位相余裕が増加する。   In order to improve the stability, for example, the capacitance of the capacitors C1 and C3 may be increased to move the zero point to the low frequency side. This increases the phase margin.

また、入力範囲の上限あるいは下限に近い信号が入力されたときに出力信号が搬送波に同期せずに反転を繰り返す場合には、矩形波の振幅を増加させたり、静電容量比C3/C1を1より小さくすることで、動作範囲を広げることができる。   In addition, when the output signal repeats inversion without synchronizing with the carrier wave when a signal close to the upper limit or lower limit of the input range is input, the amplitude of the rectangular wave is increased or the capacitance ratio C3 / C1 is By making it smaller than 1, the operating range can be expanded.

このようにパルス幅を量子化する帰還型PWM変調器において、増幅器15と積分器2を縦列に接続することにより、量子化雑音を2次Δ−Σ変調器と同様のスペクトルにして低周波域におけるS/N比を向上させることができる。   In this way, in the feedback type PWM modulator for quantizing the pulse width, the amplifier 15 and the integrator 2 are connected in cascade, so that the quantization noise becomes the spectrum similar to that of the secondary Δ-Σ modulator and the low frequency region. S / N ratio can be improved.

前段の増幅器15の出力は直流成分が0Vとなるため、この増幅器15がコンデンサの誘電吸収特性の影響を殆ど受けることはなく、後段の積分器2はコンデンサの誘電吸収特性の影響を受けるものの、入力換算誤差は増幅器15の1/利得になるため、小さな値となる。   Since the output of the amplifier 15 at the front stage has a DC component of 0 V, the amplifier 15 is hardly affected by the dielectric absorption characteristics of the capacitor, and the integrator 2 at the rear stage is affected by the dielectric absorption characteristics of the capacitor. Since the input conversion error becomes 1 / gain of the amplifier 15, it becomes a small value.

同様の理由により、後段の積分器2のオフセット誤差や、注入する矩形波の直流成分による誤差も無視できる。   For the same reason, the offset error of the integrator 2 in the subsequent stage and the error due to the DC component of the injected rectangular wave can be ignored.

図1で用いる増幅器15の伝達関数としては、以下の特徴を持つことが望ましい。
a)矩形波の1/π程度の周波数、またはそれ以下の周波数に少なくとも1つのゼロ点を持ち、
b)ゼロ点よりも低い周波数(または0Hz)に少なくとも1つの極を持つ。
c)矩形波の周波数の1/πにおける帰還信号側からの利得は、概ね比例特性である。
The transfer function of the amplifier 15 used in FIG. 1 preferably has the following characteristics.
a) having at least one zero point at a frequency of about 1 / π of a rectangular wave or lower,
b) It has at least one pole at a frequency (or 0 Hz) lower than the zero point.
c) The gain from the feedback signal side at 1 / π of the frequency of the rectangular wave is approximately proportional.

なお、矩形波の振幅は、概ね(帰還信号の振幅)に、(矩形波周波数の1/πにおける増幅器15の倍率の2倍)を掛けた程度の大きさであることが望ましい。   The amplitude of the rectangular wave is preferably approximately the magnitude obtained by multiplying (amplitude of the feedback signal) by (twice the magnification of the amplifier 15 at 1 / π of the rectangular wave frequency).

図2は本発明の他の実施例を示すブロック図であり、離散時間システムに適用したものであって、図1と共通する部分には同一の符号を付けている。図2において、加算器16の一方の入力端子には±フルスケールの入力信号が入力され、他方の入力端子にはレベル変換器5を介して±フルスケールのPWM出力信号が一方の入力端子とは逆極性で入力されている。   FIG. 2 is a block diagram showing another embodiment of the present invention, which is applied to a discrete-time system, and the same reference numerals are given to parts common to FIG. In FIG. 2, a ± full scale input signal is input to one input terminal of the adder 16, and a ± full scale PWM output signal is connected to one input terminal via the level converter 5 at the other input terminal. Is input in reverse polarity.

加算器17の一方の入力端子には加算器16の出力信号が入力され、他方の入力端子には1計算周期前の値を記憶するレジスタ機能素子18の出力信号が一方の入力端子と同じ極性で帰還入力されて積分器を構成している。レジスタ機能素子18の記号z-1は、計算周期の遅延(T秒)をz変換したものであって、ラプラス変換とはz-1=e-sTの関係にある。レジスタ機能素子18の出力信号は、係数演算器19に入力されている。 The output signal of the adder 16 is input to one input terminal of the adder 17, and the output signal of the register function element 18 that stores the value of one calculation cycle before is input to the other input terminal with the same polarity as that of the one input terminal. Is fed back to form an integrator. The symbol z −1 of the register functional element 18 is obtained by z-converting the delay (T seconds) of the calculation cycle, and has a relationship of z −1 = e −sT with the Laplace transform. The output signal of the register function element 18 is input to the coefficient calculator 19.

係数演算器19は、
係数値=(矩形波周波数)/(クロック周波数)
の演算を行う。なお、クロック周波数は、計算周期の逆数である。この係数値は、積分を迂回した信号とともにゼロ点の周波数を決めている。この実施例では、ゼロ点の周波数は概ね(矩形波周波数)/(2π)であり、十分な位相余裕がある。係数演算器19の出力信号は加算器20の一方の入力端子に入力されている。
The coefficient calculator 19 is
Coefficient value = (rectangular wave frequency) / (clock frequency)
Perform the operation. The clock frequency is the reciprocal of the calculation cycle. This coefficient value determines the zero point frequency together with the signal bypassing the integration. In this embodiment, the frequency of the zero point is approximately (rectangular wave frequency) / (2π), and there is a sufficient phase margin. The output signal of the coefficient calculator 19 is input to one input terminal of the adder 20.

加算器20の他方の入力端子には加算器16の出力信号が一方の入力端子と同じ極性で入力されている。   The output signal of the adder 16 is input to the other input terminal of the adder 20 with the same polarity as that of the one input terminal.

加算器21は3つの入力端子を有するものであり、第1の入力端子には加算器20の出力信号が入力され、第2の入力端子には矩形波発生器6の出力信号が第1の入力端子と同じ極性で入力され、第3の入力端子にはレジスタ機能素子22の出力信号が他の入力端子と同じ極性で帰還入力されている。   The adder 21 has three input terminals. The output signal of the adder 20 is input to the first input terminal, and the output signal of the rectangular wave generator 6 is the first input terminal to the first input terminal. The input signal is input with the same polarity as the input terminal, and the output signal of the register functional element 22 is fed back to the third input terminal with the same polarity as the other input terminals.

レジスタ機能素子22の出力信号は、比較器3に入力されている。   The output signal of the register function element 22 is input to the comparator 3.

比較器3は、入力と任意の定数(たとえば0)とを比較して2値化されたPWM信号を出力する。   The comparator 3 compares the input with an arbitrary constant (for example, 0) and outputs a binarized PWM signal.

図2の回路構成において、入力をデジタル値として数値計算を行えば、デジタル回路を用いて入力に対応するPWM信号を得られる。   In the circuit configuration of FIG. 2, if a numerical calculation is performed with the input as a digital value, a PWM signal corresponding to the input can be obtained using the digital circuit.

このPWM信号をレベル変換した後、ローパス・フィルタを使用して交流成分を除去することにより、D/A変換器として使用することができる。   After converting the level of this PWM signal, it is possible to use it as a D / A converter by removing the AC component using a low-pass filter.

図3も本発明の他の実施例を示すブロック図であり、図1と共通する部分には同一の符号を付けている。図3が図1と異なる点は、図1の矩形波注入に代えて図4と同様な三角波発生器4を設けていることである。   FIG. 3 is a block diagram showing another embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to the parts common to FIG. 3 differs from FIG. 1 in that a triangular wave generator 4 similar to FIG. 4 is provided instead of the rectangular wave injection of FIG.

図3において、比較器3の一方の入力端子には積分器2の出力信号が入力され、他方の入力端子には三角波発生器4の出力信号が入力されている。   In FIG. 3, the output signal of the integrator 2 is input to one input terminal of the comparator 3, and the output signal of the triangular wave generator 4 is input to the other input terminal.

これにより、比較器3は入力信号と三角波発生器4の三角波出力信号とを比較することになり、フリップフロップFFからPWM信号を得ることができる。   As a result, the comparator 3 compares the input signal with the triangular wave output signal of the triangular wave generator 4 and can obtain a PWM signal from the flip-flop FF.

なお、図3に示す増幅器15と積分器2の順番は入れ替えてもよい。   Note that the order of the amplifier 15 and the integrator 2 shown in FIG. 3 may be interchanged.

図3で用いる増幅器15の伝達関数としては、以下の特徴を持つことが望ましい。
a)三形波の1/π程度の周波数、またはそれ以下の周波数に少なくとも1つのゼロ点を持ち、
b)ゼロ点よりも低い周波数(または0Hz)に少なくとも1つの極を持つ。
c)三角波の周波数の1/πにおける帰還信号側からの利得は、概ね比例特性である。
The transfer function of the amplifier 15 used in FIG. 3 preferably has the following characteristics.
a) having at least one zero point at a frequency of about 1 / π of the three-dimensional wave or lower,
b) It has at least one pole at a frequency (or 0 Hz) lower than the zero point.
c) The gain from the feedback signal side at 1 / π of the frequency of the triangular wave is approximately proportional.

なお、三角波の振幅は、概ね次式で表すものであることが望ましい。
(三角波の振幅)=(帰還信号の振幅)×0.5×(TPWM/Ti)×A
Ti:1/(積分ゲイン)
TPWM:三角波の周期
A :三角波周波数の1/πにおける増幅器15の倍率
It is desirable that the amplitude of the triangular wave is approximately expressed by the following equation.
(Amplitude of triangle wave) = (Amplitude of feedback signal) x 0.5 x (T PWM / T i ) x A
T i : 1 / (integral gain)
T PWM : Triangular wave period
A: magnification of the amplifier 15 at 1 / π of the triangular wave frequency

以上説明したように、本発明によれば、量子化雑音を低周波域で低減したパルス幅変調器を実現でき、A/D変換装置に適用すれば比較的短い変換時間で高精度高分解能の変換出力が得られ、直流測定器や直流信号発生器などに好適である。   As described above, according to the present invention, a pulse width modulator in which quantization noise is reduced in a low frequency range can be realized. When applied to an A / D converter, high accuracy and high resolution can be achieved with a relatively short conversion time. A conversion output is obtained, which is suitable for a DC measuring instrument, a DC signal generator, and the like.

1、14 加算器
2 積分器
3 比較器
4 三角波発生器
5 レベル変換器
6 矩形波発生器
8 クロック発生器
15 増幅器
FF フリップフロップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 14 Adder 2 Integrator 3 Comparator 4 Triangular wave generator 5 Level converter 6 Rectangular wave generator 8 Clock generator 15 Amplifier FF Flip-flop

Claims (3)

積分器と出力信号の負帰還経路を備え、所定の周期を有するパルス信号のパルス幅をアナログ入力信号の大きさに応じて変化させるように構成された帰還型パルス幅変調器において、
前記積分器と縦続接続され、前記アナログ入力信号と前記負帰還経路を介して帰還される出力信号との差分の低周波成分を増幅する増幅器を設け
前記増幅器を前記積分器の前段に配置するとともに、前記積分器の入力信号に矩形波信号を加算する矩形波信号系統を設け、前記積分器の出力信号を所定の値と比較してパルス幅信号に変換することを特徴とする帰還型パルス幅変調器。
In a feedback type pulse width modulator comprising an integrator and a negative feedback path of an output signal, and configured to change the pulse width of a pulse signal having a predetermined period according to the magnitude of an analog input signal,
An amplifier that is cascade-connected to the integrator and amplifies a low frequency component of a difference between the analog input signal and an output signal fed back through the negative feedback path ,
The amplifier is arranged in front of the integrator, and a rectangular wave signal system for adding a rectangular wave signal to the input signal of the integrator is provided, and a pulse width signal is compared with the output signal of the integrator with a predetermined value. A feedback type pulse width modulator characterized by converting into a pulse width modulator.
積分器と出力信号の負帰還経路を備え、所定の周期を有するパルス信号のパルス幅をアナログ入力信号の大きさに応じて変化させるように構成された帰還型パルス幅変調器において、In a feedback type pulse width modulator comprising an integrator and a negative feedback path of an output signal, and configured to change the pulse width of a pulse signal having a predetermined period according to the magnitude of an analog input signal,
前記積分器と縦続接続され、前記アナログ入力信号と前記負帰還経路を介して帰還される出力信号との差分の低周波成分を増幅する増幅器を設け、An amplifier that is cascade-connected to the integrator and amplifies a low frequency component of a difference between the analog input signal and an output signal fed back through the negative feedback path,
前記積分器の出力信号を三角波信号と比較してパルス幅信号に変換することを特徴とする帰還型パルス幅変調器。A feedback type pulse width modulator characterized in that an output signal of the integrator is compared with a triangular wave signal and converted into a pulse width signal.
積分器と出力信号の負帰還経路を備え、所定の周期を有するパルス信号のパルス幅をアナログ入力信号の大きさに応じて変化させるように構成された帰還型パルス幅変調器において、In a feedback type pulse width modulator comprising an integrator and a negative feedback path of an output signal, and configured to change the pulse width of a pulse signal having a predetermined period according to the magnitude of an analog input signal,
前記積分器の前段に配置され、前記アナログ入力信号と前記負帰還経路を介して帰還される出力信号との差分の低周波成分を増幅する増幅器を設けたことを特徴とする帰還型パルス幅変調器。A feedback type pulse width modulation characterized in that an amplifier is provided in front of the integrator and amplifies a low frequency component of a difference between the analog input signal and an output signal fed back through the negative feedback path. vessel.
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