JP7328579B2 - Ａｄコンバータ - Google Patents

Description

本発明は、ＡＤコンバータに関する。

ＡＤコンバータは、既知の電圧を出力するＤＡコンバータ部、アナログ入力の電圧値を保持するサンプルホールド部と比較器で構成され、ＤＡコンバータ部の出力値を順次変化させ比較器の出力が低出力電圧から高出力電圧に変化する最小のＤＡコンバータ部の出力値を設定した時のデジタル値をＡＤコンバータの変換値として使用する（非特許文献１）。

ＡＤコンバータでは入力の電圧値と変換値（コード）の誤差を小さくするために非線形性を小さくすることが重要であり、非線形性には微分非線形性と積分非線形性がある（非特許文献２）。このうち微分非線形性がそのＡＤコンバータで定義された最小単位の電圧（LSB）より大きい場合では入力の電圧値に対応した変換値（コード）が出力されないミッシングコードと称される現象が発生する（非特許文献３）。このミッシングコードが発生している場合では異なる入力の電圧値に対して同じコードが出力されることも併せて発生しており、入力の電圧値と変換値（コード）の関係が単調でなくなる。

A/D変換の概要と仕組み － ミームス(MEMEs)のサポートページ〔平成30年9月10日検索〕、インターネット（URL: http://memes.sakura.ne.jp/memes/?page_id=1120） A/Dコンバータの性能仕様値の意味〔令和元年9月9日検索〕、インターネット（URL: http://ww1.microchip.com/downloads/jp/AppNotes/00693A_JP.pdf） 最新アナログ基礎用語集 －DNLとINL－〔令和元年9月9日検索〕、インターネット（URL: http://www.tij.co.jp/lsds/ti_ja/analog/glossary/dnl_inl.page）

ミッシングコードが発生しＡＤコンバータの入力の電圧値と変換値（コード）の関係が単調でない場合では、変換値から換算した入力の電圧値と実際の入力の電圧値との誤差が大きいだけでなく、実際には入力されているが変換値では存在しない入力の電圧値があるためＡＤコンバータ後段の信号解析の精度が劣化するという課題がある。

本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、ミッシングコードがなくＡＤコンバータ後段の信号解析の精度を劣化させないＡＤコンバータを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るＡＤコンバータは、入力電圧を初期値とし、該入力電圧に2種の単位電圧の一方又は両方の単位電圧を積算する動作を繰り返して積算電圧を生成する積算部と、前記積算する動作を終了させる2種のしきい値電圧を備えた切替しきい値電圧部と、前記積算電圧と前記しきい値電圧を比較する比較器と、前記積算する動作を開始する前に、前記入力電圧と、大きい方の前記単位電圧に対応する粗調整しきい値電圧とを前記比較器に比較させる積算判定部と、前記粗調整しきい値電圧の方が大きい場合は2種の前記単位電圧を用いて前記積算電圧を生成するように前記積算部を制御する単位電圧切替制御部と、前記粗調整しきい値電圧の方が小さい場合は小さい方の前記単位電圧のみを用いて前記積算電圧を生成するように前記積算部を制御する単一単位電圧制御部とを備えることを要旨とする。

また、本発明の他の態様に係るＡＤコンバータは、入力電圧を初期値とし、該入力電圧に2種の単位電圧の一方又は両方の単位電圧を積算する動作を繰り返して積算電圧を生成すると共に、大きい方の前記単位電圧よりも大きな確認電圧を生成する単位電圧確認積算部と、前記積算する動作を終了させるしきい値電圧を備えたしきい値電圧部と、前記積算電圧と前記しきい値電圧を比較する比較器と、前記積算する動作を開始する前に、前記入力電圧と前記確認電圧の和の和電圧と、前記しきい値電圧とを前記比較器に比較させる積算判定部と、前記しきい値電圧の方が前記確認電圧よりも大きい場合は2種の前記単位電圧を用いて前記積算電圧を生成するように前記単位電圧確認積算部を制御する単位電圧切替制御部と、前記しきい値電圧の方が前記確認電圧よりも小さい場合は小さい方の前記単位電圧のみを用いて前記積算電圧を生成するように前記単位電圧確認積算部を制御する単一単位電圧制御部とを備えることを要旨とする。

本発明によれば、ミッシングコードがなくＡＤコンバータ後段の信号解析の精度を劣化させないＡＤコンバータを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るＡＤコンパータの構成例を示す機能ブロック図である。 積算動作時の積算電圧の変化を模式的に示す図である。 図１に示すＡＤコンバータの変形例の構成例を示す機能ブロック図である。 図３に示す積算部の等価回路モデルを示す図である。 本発明の第２実施形態に係るＡＤコンパータの構成例を示す機能ブロック図である。 図５に示すＡＤコンバータの変形例の構成例を示す機能ブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。

〔第１実施形態〕
図１に本発明にかかる第１実施形態のＡＤコンバータの機能ブロック図を示す。図１に示すＡＤコンバータ１００は、制御部１０と積算変換部２０を備える。制御部１０は、積算判定部１１、単位電圧切替制御部１２、及び単一単位電圧制御部１３を備える。積算変換部２０は、入力部２１、積算部２２、切替しきい値電圧部２３、及び比較器２４を備える。積算部２２は、第１スイッチSW1、第２スイッチSW2、容量Co、及び正電流源２２０を備える。

積算部２２において入力電圧を初期値として単位電圧を積算し生成した積算電圧Voとしきい値電圧Vtを比較器２４により比較して入力電圧Vinをデジタル値に変換する。積算電圧の変化量の単位である単位電圧に関しては、比較的大きな単位電圧の粗調整単位電圧VG2と最小単位の電圧である微調整単位電圧VG1の２種の単位電圧が本ＡＤコンバータには存在する。しきい値電圧Vtおよび入力電圧Vinの差と粗調整単位電圧の大小を確認し、粗調整単位電圧のほうが大きい場合は微調整単位電圧のみでしきい値電圧まで積算し、粗調整単位電圧のほうが小さい場合は粗調整単位電圧と微調整単位電圧を用いてしきい値電圧まで積算する機能を持つ。

また、本実施形態では粗調整単位電圧で積算する際に使用する粗調整しきい値電圧と微調整単位電圧で積算する際に使用する微調整しきい値電圧の2種のしきい値を有する切替しきい値電圧部２３を有する。

図２に変換時での積算の例を示す。積算部２２の積算電圧を入力電圧Vinで初期化した後、はじめに粗調整単位電圧VG2を用いて積算した積算電圧が粗調整しきい値電圧をはじめて超える積算回数k2を測定し、次に微調整単位電圧VG1を用いて微調整しきい値電圧Vtをはじめて超える積算回数k1+1を計測する。積算電圧が粗調整しきい値電圧または微調整しきい値電圧を超えたかどうかは比較器２４で検出する。積算電圧と微調整しきい値電圧Vtが等しくなった時では次式が成立する。

式（１）でδk1は0以上1未満の実数であり、δk1 VG1がk1回目の積算でのVtと積算電圧の差を表す。Vt、VG2、VG1は回路設計や製造後および動作中の校正により既知のパラメータとなるため、式（１）と測定したk2、k1からVG1の誤差でVinを求められる。

積算部２２を用いたＡＤコンバータにおいて電圧の精度を向上させると、単位電圧を小さくする必要があり、これに伴いしきい値電圧までの積算の時間が長くなる、すなわち変換時間が長くなる。電圧の精度を向上させて変換時間の長期化を防ぐためには、比較的大きな粗調整単位電圧で積算した後、所望の電圧の分解能に相当する微調整単位電圧で積算する方法が有望である。

この方法では、はじめに粗調整単位電圧で積算するため入力電圧が粗調整しきい値電圧より大きい時に、１回の粗調整単位電圧の積算で微調整しきい値電圧Vtを超える場合がある。この場合では微調整積算電圧で積算することなくk1=0で変換動作が終了する。このときの精度はVG2となり式（１）の場合と比較して誤差が大きくなる。また、入力電圧Vinが以下の式を満たす場合、本ＡＤコンバータ１００での最小単位の電圧が微調整積算単位VG1であるにも関わらず、変換後のVinは全てVt-VG2と１個の値となりミッシングコードと同じ現象が発生する。

この現象を抑制するために、本実施形態では積算する前に入力電圧Vinと粗調整しきい値電圧を比較して、粗調整しきい値電圧のほうが大きい場合では粗調整単位電圧と微調整単位電圧を用いて積算する単位電圧切替モードで積算し、粗調整しきい値電圧のほうが小さい場合では微調整単位電圧のみで積算する単一単位電圧モードを使用して積算する。

本実施形態のＡＤコンバータ１００は、積算電圧の変化量の単位である2種の積算単位と、積算の終点となる2種のしきい値電圧と、積算電圧としきい値電圧を比較する比較器２４を有し、積算電圧をしきい値電圧となるまで積算する積算変換部２０と、積算開始前に積算電圧の初期値としきい値電圧を比較する処理を実施する積算判定部１１と、積算電圧の初期値が小さい場合に積算変換部２０の処理として実行させる単位電圧切替制御部１２と、積算電圧の初期値が大きい場合に積算変換部２０の処理として実行させる単一単位電圧制御部１３とを有する制御部１０とで構成される。

本実施形態での積算変換部２０は、積算電圧を発生させる積算部２２と、積算部２２に初期値を与える入力部２１と、粗調整単位電圧での積算と微調整単位電圧での積算において積算の終点となる粗調整しきい値電圧および微調整しきい値電圧を与える切替しきい値電圧部２３と、積算電圧と粗調整しきい値電圧または微調整しきい値電圧を比較した結果を出力する比較器２４とを有する。

積算部２２は、粗調整単位電圧と微調整単位電圧に対応した２種の電流値を有し積算電圧を発生させる電荷を出力する正電流源２２０と、電荷を蓄積して積算電圧を発生させる容量Coと、正電流源２２０からの電荷を容量Coに蓄積する際に接続する第１スイッチSW1と、初期値を容量に蓄積する際に接続する第２スイッチSW2とを有する。

第１・第２スイッチSW1，SW2と正電流源２２０の電流値および切替しきい値電圧部２３のしきい値の切替えは、それぞれ制御部１０からの動作制御信号CHG、HLD、MAGPを用いて制御する。

入力電圧Vinをデジタル値に変換する際では、はじめに切替しきい値電圧部２３から粗調整しきい値電圧を出力させた状態にして、入力部２１により入力電圧Vinを初期値として積算部２２に出力し、積算部２２において第２スイッチSW2を接続して容量Coを入力電圧Vinで初期化する。次に、制御部１０の積算判定部１１が、比較器２４での積算部２２の初期値と粗調整しきい値電圧の大小の比較の結果に基づいてモードを判定する。

粗調整しきい値電圧のほうが大きい場合では、単位電圧切替制御部１２により、はじめに正電流源２２０を粗調整単位電圧に対応した設定にした状態で、比較器２４から出力される比較信号の変化により積算電圧Voが粗調整しきい値電圧を超えたことを確認できるまで積算して積算回数k2を測定する。この後、しきい値電圧を微調整しきい値電圧に設定して正電流源２２０を微調整単位電圧に対応した設定にした状態で、比較信号の変化により積算電圧Voが微調整しきい値電圧を超えたことを確認できるまで積算して積算回数k1を測定する。得られたk2およびk1に基づいてVinの変換値を求める。

粗調整しきい値電圧のほうが小さい場合では、しきい値電圧を微調整しきい値電圧に設定して正電流源２２０を微調整単位電圧に対応した設定にした状態で、比較信号の変化により積算電圧Voが微調整しきい値電圧を超えたことを確認できるまで積算して積算回数k1を測定する。得られたk1に基づいてVinの変換値を求める。

以上説明したように本実施形態のＡＤコンバータ１００は、入力電圧Vinを初期値とし、該入力電圧Vinに2種の単位電圧の一方又は両方の単位電圧を積算する動作を繰り返して積算電圧を生成する積算部２２と、積算する動作を終了させる2種のしきい値電圧を備えた切替しきい値電圧部２３と、積算電圧としきい値電圧を比較する比較器２４と、積算する動作を開始する前に、入力電圧Vinと、大きい方の単位電圧に対応する粗調整しきい値電圧とを比較器２４に比較させる積算判定部１１と、粗調整しきい値電圧の方が大きい場合は2種の単位電圧を用いて積算電圧を生成するように積算部２２を制御する単位電圧切替制御部１２と、粗調整しきい値電圧の方が小さい場合は小さい方の単位電圧のみを用いて積算電圧を生成するように積算部２２を制御する単一単位電圧制御部１３とを備える。これによれば入力電圧がしきい値近傍であってもミッシングコードがなくＡＤコンバータ後段の信号解析の精度を劣化させない積算型ＡＤコンバータを提供することができる。

（変形例１）
図３に第１の実施形態の積算部２２の変形例を示す。図３に示す変形例１の積算部２５は、容量Coとグランドの間に差分演算部２５０を設けたところが、図１の積算部２２と異なる。差分演算部２５０は、ベース電圧部２５１と切替スイッチ２５２を備える。

図１の構成では入力電圧Vinが微調整しきい値電圧以上になると変換できない。しかし、図３の構成では、入力電圧Vinが微調整しきい値電圧以上の場合では差分演算部２５０を用いて入力電圧Vinとベース電圧部２５１が生成するベース電圧の差分を容量Coに保持する処理を行うことにより、入力電圧Vinの範囲を広げることができる。

図４に変換状態で入力電圧Vinとベース電圧Vbsの差をとる時の等価回路を示す。Cpは配線、切替スイッチ２５２と比較器２４の入力の寄生容量を表す。入力電圧Vinが基準電圧より大きい場合では、変換状態において第２スイッチSW2を接続した時に差分演算部２５０の切替スイッチ２５２a20とc20を接続する。この時等価回路は図４（ａ）となる。次に第２スイッチSW２を切断した後、差分演算部２５０の切替スイッチ２５２のa20とb20を接続する（図４（ｂ））。図４（ａ）と（ｂ）でCoとCpに蓄積されている電荷は保存されるため以下の式（３）が成立し、積算開始前の初期値の電圧Vo,0は式（４）で表される。

以上説明したように変形例１の積算部２５は、入力電圧より低いベース電圧Vbsを生成するベース電圧部２５１と、積算電圧を保持する容量Coの接地電位に接続される側の端子を、該接地電圧又はベース電圧Vbsに切替える切替スイッチ２５２を備える。これにより、ベース電圧Vbsを適切に設定することにより、入力電圧Vinが正電流源２２０の出力端子の電圧範囲外でも、Vo,0を正電流源２２０の出力端子の電圧範囲内にすることができる。このあとの処理は図１のＡＤコンバータと同じであるため説明を割愛する。

本構成により入力範囲がしきい値より大きい場合やしきい値近傍でもミッシングコードがなくＡＤコンバータ後段の信号解析の精度を劣化させないＡＤコンバータを提供することができる。

〔第２実施形態〕
図５に本発明にかかる第２実施形態のＡＤコンバータのブロック図を示す。図５に示すＡＤコンバータ２００は、制御部３０と積算変換部４０を備える。制御部３０は、積算判定部３１、単位電圧切替制御部３２、及び単一単位電圧制御部３３を備える。積算変換部４０は、入力部２１、単位電圧確認積算部４２、しきい値電圧部４３、及び比較器２４を備える。単位電圧確認積算部４２は、第１スイッチSW1、第２スイッチSW2、第３スイッチSW3、容量Co、抵抗部４２０、及び正電流源２２０を備える。

積算部４２において入力電圧Vinを初期値として単位電圧を積算し生成した積算電圧Voとしきい値電圧Vtを比較器２４により比較して入力電圧Vinをデジタル値に変換する。積算電圧の変化量の単位である単位電圧に関しては、比較的大きな単位電圧の粗調整単位電圧VG2と最小単位の電圧である微調整単位電圧VG1の２種の単位電圧が本ＡＤコンバータには存在する。単位電圧確認積算部４２を用いてしきい値電圧および入力電圧の差と粗調整単位電圧の大小を確認し、粗調整単位電圧のほうが大きい場合は微調整単位電圧のみでしきい値電圧まで積算し、粗調整単位電圧のほうが小さい場合は粗調整単位電圧と微調整単位電圧を用いしてしきい値電圧まで積算する機能を持つ。

本実施形態のＡＤコンバータ２００は、積算電圧の変化量の単位である2種の積算単位と、積算の終点となるしきい値電圧と、積算電圧としきい値電圧を比較する比較器２４を有し、積算電圧をしきい値電圧となるまで積算する積算変換部４０と、積算開始前に積算電圧の初期値としきい値電圧を比較する処理を実施させる積算判定部３１と、積算電圧の初期値が小さい場合に積算変換部４０の処理として実行させる単位電圧切替制御部３２と、積算電圧の初期値が大きい場合に積算変換部４０の処理として実行させる単一単位電圧制御部３３とを有する制御部３０とで構成される。

本実施形態での積算変換部４０は、積算の終点となるしきい値電圧を与えるしきい値電圧部４３と、確認電圧により入力電圧Vinがしきい値近傍であることを確認する機能を持ち積算電圧を発生させる単位電圧確認積算部４２と、単位電圧確認積算部４２に初期値を与える入力部２１と、積算電圧としきい値電圧を比較した結果を出力する比較器２４とを有する。

単位電圧確認積算部４２は、粗調整単位電圧と微調整単位電圧に対応した2種の電流値を有し積算電圧を発生させる電荷を出力する正電流源２２０と、電荷を蓄積して積算電圧を発生させる容量Coと、正電流源２２０からの電荷を容量Coに蓄積する際に接続する第１スイッチSW1と、初期値を容量Coに蓄積する際に接続する第２スイッチSW2と、粗調整単位電圧より大きな確認電圧を発生させる抵抗部４２０および第３スイッチSW3とを有する。

入力電圧Vinをデジタル値に変換する際では、入力部２１により入力電圧Vinを初期値として単位電圧確認積算部４２に出力し、単位電圧確認積算部４２において第２スイッチSW2を接続して容量Coを入力電圧Vinで初期化する。次に、制御部３０の積算判定部３１は、積算電圧の初期値としきい値電圧の大小を判定する。

積算電圧の初期値としきい値電圧の大小の判定時には、正電流源２２０を粗調整単位電圧に対応した電流値に設定し第３スイッチSW3を接続して抵抗部４２０に粗調整単位電圧より大きい確認電圧を発生させる。この時、積算電圧は確認電圧と入力電圧Vinの和となる。積算電圧がしきい値電圧Vtより小さい場合では、入力電圧Vinはしきい値近傍でないと判定して、単位電圧切替制御部３２が積算変換部４０を制御して積算する。積算電圧がしきい値電圧Vtより大きい場合では、入力電圧はしきい値近傍と判定して単一単位電圧制御部３３が積算変換部４０を制御して積算する。以降の動作はＡＤコンバータ１００と同じである。

以上説明したように本実施形態のＡＤコンバータ２００は、入力電圧Vinを初期値とし、該入力電圧に2種の単位電圧の一方又は両方の単位電圧を積算する動作を繰り返して積算電圧を生成すると共に、大きい方の前記単位電圧よりも大きな確認電圧を生成する単位電圧確認積算部４２と、積算する動作を終了させるしきい値電圧を備えたしきい値電圧部４３と、積算電圧としきい値電圧を比較する比較器２４と、積算する動作を開始する前に、入力電圧Vinと確認電圧の和の和電圧と、しきい値電圧とを比較器２４に比較させる積算判定部３１と、しきい値電圧の方が確認電圧よりも大きい場合は2種の単位電圧を用いて積算電圧を生成するように単位電圧確認積算部４２を制御する単位電圧切替制御部３２と、しきい値電圧の方が確認電圧よりも小さい場合は小さい方の単位電圧のみを用いて積算電圧を生成するように単位電圧確認積算部４２を制御する単一単位電圧制御部３３とを備える。これにより入力電圧がしきい値近傍であってもミッシングコードがなくＡＤコンバータ後段の信号解析の精度を劣化させないＡＤコンバータを提供することができる。

（変形例２）
図６に単位電圧確認積算部４２の変形例を示す。図６に示す変形例２の単位電圧確認積算部４４は容量Coとグランドの間に差分演算部４４０を設けたところが、図５と異なる。差分演算部４４０は、ベース電圧部４４１と切替スイッチ４４２を備える。

図５の構成では入力電圧Vinが微調整しきい値電圧以上になると変換できない。しかし、図５の構成では、入力電圧Vinが微調整しきい値電圧以上の場合では差分演算部４４０を用いて入力電圧Vinとベース電圧部４４１が生成するベース電圧の差分を容量Coに保持する処理を行うことにより、入力電圧Vinの範囲を広げることができる。これ以外の動作は、ＡＤコンバータ２００と同じである。

１０、３０：制御部
１１、３１：積算判定部
１２、３２：単位電圧切替制御部
１３、３３：単一単位電圧制御部
２０、４０：積算変換部
２１；入力部
２２、２５：積算部
２３：切替しきい値部
２４：比較器
４２、４４：単位電圧確認積算部
４３：しきい値電圧部
１００、２００：ＡＤコンバータ
２５１、４４１：ベース電圧部
２５２、４４２：切替スイッチ

Claims (4)

1. 入力電圧を初期値とし、該入力電圧に2種の単位電圧の一方又は両方の単位電圧を積算する動作を繰り返して積算電圧を生成する積算部と、
   前記積算する動作を終了させる2種のしきい値電圧を備えた切替しきい値電圧部と、
   前記積算電圧と前記しきい値電圧を比較する比較器と、
   前記積算する動作を開始する前に、前記入力電圧と、大きい方の前記単位電圧に対応する粗調整しきい値電圧とを前記比較器に比較させる積算判定部と、
   前記粗調整しきい値電圧の方が大きい場合は2種の前記単位電圧を用いて前記積算電圧を生成するように前記積算部を制御する単位電圧切替制御部と、
   前記粗調整しきい値電圧の方が小さい場合は小さい方の前記単位電圧のみを用いて前記積算電圧を生成するように前記積算部を制御する単一単位電圧制御部と
   を備えるＡＤコンバータ。
2. 前記積算部は、
   前記入力電圧より低いベース電圧を生成するベース電圧部と、
   前記積算電圧を保持する容量の接地電位に接続される側の端子を、該接地電位又は前記ベース電圧に切替える切替スイッチと
   を備える請求項１に記載のＡＤコンバータ。
3. 入力電圧を初期値とし、該入力電圧に2種の単位電圧の一方又は両方の単位電圧を積算する動作を繰り返して積算電圧を生成すると共に、大きい方の前記単位電圧よりも大きな確認電圧を生成する単位電圧確認積算部と、
   前記積算する動作を終了させるしきい値電圧を備えたしきい値電圧部と、
   前記積算電圧と前記しきい値電圧を比較する比較器と、
   前記積算する動作を開始する前に、前記入力電圧と前記確認電圧の和の和電圧と、前記しきい値電圧とを前記比較器に比較させる積算判定部と、
   前記しきい値電圧の方が前記確認電圧よりも大きい場合は2種の前記単位電圧を用いて前記積算電圧を生成するように前記単位電圧確認積算部を制御する単位電圧切替制御部と、
   前記しきい値電圧の方が前記確認電圧よりも小さい場合は小さい方の前記単位電圧のみを用いて前記積算電圧を生成するように前記単位電圧確認積算部を制御する単一単位電圧制御部と
   を備えるＡＤコンバータ。
4. 前記単位電圧確認積算部は、
   前記入力電圧より低いベース電圧を生成するベース電圧部と、
   前記積算電圧を保持する容量の接地電位に接続される側の端子を、該接地電位又は前記ベース電圧に切替える切替スイッチと
   を備える請求項３記載のＡＤコンバータ。
   

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