JPH04297131A - Pwm方式a/d変換器 - Google Patents

Pwm方式a/d変換器

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JPH04297131A
JPH04297131A JP6221091A JP6221091A JPH04297131A JP H04297131 A JPH04297131 A JP H04297131A JP 6221091 A JP6221091 A JP 6221091A JP 6221091 A JP6221091 A JP 6221091A JP H04297131 A JPH04297131 A JP H04297131A
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JP
Japan
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time
fractional
clock
signal
pulse width
Prior art date
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Pending
Application number
JP6221091A
Other languages
English (en)
Inventor
Yasunari Yamane
康徳 山根
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はA/D変換器に関し、更
に詳しくはPWM(パルス幅変調)方式A/D変換器の
改良に関する。
【0002】
【従来の技術】A/D変換方式としては、従来より種々
の方式が知られており、高速形の逐次比較方式や低速形
の積分方式がある。このうち、積分方式としては、二重
積分方式や帰還型パルス幅変調(PWM)方式がある。 これら積分方式は、低速ではあるが、入力未知電圧の積
分時間を電源周波数の整数倍にとれば、電源に起因する
ノイズを除去できることから、高精度、高安定のA/D
変換方式として多用されている。特に、帰還型PWM方
式A/D変換器は、出願人の発明に係るものであり、前
記積分方式の特徴に加えて、入力未知電圧を断続する必
要がない、使用部品例えば積分コンデンサ等に高精度の
ものが必要でない等の多くの優れた特長を有している。
【0003】第5図は従来のPWM方式A/D変換器の
一例の構成を示す回路図である。
【0004】この従来例では、入力信号(直流電圧)V
x は加算器4を介して積分器5に入力される。この加
算器4の入力端子には測定用クロックとしてのキャリア
Ec (+Ec ,−Ec )及び帰還信号Es (+
Es ,−Es )が供給されている。この測定用クロ
ックは、クロック発生回路1から発生する基準クロック
を分周器2で分周することにより得られる。
【0005】積分器5の出力信号はコンパレータ6に入
力され、このコンパレータ6の出力は帰還信号発生部7
に入力される。帰還信号発生部7では、コンパレータ6
の出力により内部のスイッチが切り換えられ、これによ
り極性の異なる2つの帰還信号+Es ,−Es が交
互に出力される。
【0006】また、コンパレータ6の出力は、コントロ
ーラ8の制御信号及びクロック発生回路1からのクロッ
クと共に、アンド回路9に入力される。そして、アンド
回路9の出力がカウンタ10の入力に供給される。
【0007】この従来例におけるA/D変換動作を図6
のタイムチャートも参照して説明する。
【0008】加算器4の入力端子に入力信号Vx が印
加される。これに加えてデューティー50%の測定用ク
ロックEc (+Ec ,−Ec )が供給される(図
6■)。また、コンパレータ6の出力の極性に合わせて
、帰還信号Es (+Es ,−Es )が供給される
(図6■)。
【0009】この動作によって1規定サイクル中に、t
1 ,t2 ,t3 ,t4 の各積分期間が発生する
。入力信号Vx が正の場合、t1 期間中は(−Ec
 +Es +Vx )で、t2 期間中は(+Ec +
Es +Vx )で、t3 期間中は(+Ec −Es
 +Vx)で、t4 期間中は(−Ec−Es +Vx
 )でそれぞれ積分することになり、この積分動作は、
t1 +t4 =t2 +t3 を満足するように行わ
れる。この結果、次の変換式が得られる。
【0010】 Vx =R1 ・Es ・(T2 −T1 )/(T1
+T2 )尚、R1 は入力抵抗である。
【0011】従って、コパレータ6の出力が反転するま
での期間をカウントすれば、そのカウント値を上記変換
式にあてはめることによりデジタル値は一意的に決まる
。そこで、アンド回路9の出力(図6■)に含まれるク
ロックのパルス数をカウンタ10でカウントすることに
より、入力信号Vx をデジタル信号に変換することが
できる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】PWM方式A/D変換
器の欠点は、前述したように高速化が困難なことである
。高速化を困難ならしめている原因は、積分器5を動作
させるための最小限必要な積分時間を設ける必要がある
こと、その積分時間幅内でカウントするクロックの数及
び周期等で一定の制約があることである。帰還型PWM
方式を考えた場合、出力パルス幅の時間精度は容易に1
0−6程度までのものが得られる。
【0013】しかしながら、高速化しようとすると、計
数クロックとして(変換時間)×(精度)の周期をもつ
パルスを必要とし、高精度かつ高速のA/D変換器を実
現することが技術的に困難になってくる。特に、A/D
変換器をIC化等するため小形化することを考えると、
計数クロックの周波数は数10MHz 以下に限定され
てしまうため、この点からも高速化が制約を受けてしま
う。また、各素子の動作スピードにも限界があり、むや
みにクロック周波数を上げることはできない。以上のよ
うな理由により、高速化には限度があった。
【0014】本発明はこのような点に着目してなされた
ものであり、その目的は、クロック周波数や回路定数を
変更することなく、高分解能の計測が可能な帰還型のP
WM方式A/D変換器を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明は、積分器の入力端にA/D変換すべきアナログ信号
を入力し、このアナログ信号とは別に入力端に測定用キ
ャリアを供給し、積分器の出力をコンパレータに入力し
PWM信号を得ると共に、コンパレータの出力の極性に
合わせて極性の異なる2つの基準電圧を交互に切換えな
がら積分器の入力端に帰還し、PWM信号のパルス幅を
カウントすることでアナログ信号をデジタル信号に変換
するPWM方式A/D変換器において、PWM信号のパ
ルス幅をクロックパルス(周期T0 )で計数するカウ
ンタと、PWM信号のうちクロックパルスに非同期の端
数のパルス幅Δt1 ,Δt2 を検出する端数時間検
出装置と、端数時間のそれぞれを時間的にM倍に拡張す
るタイムイクスパンダ手段と、時間的に拡張された端数
時間を計数する端数時間測定装置と、カウンタの計数値
nと端数時間測定装置の計数値n1 ,n2 に基づい
てT2 =nT0 +(T0 /M)(n1 −n2 
)で表される演算を行い、PWM信号のうちクロックパ
ルスに同期した時間とPWM信号のうちクロックパルス
に非同期の端数時間との全体のパルス幅T2 を求める
演算手段とで構成されたことを特徴とするものである。
【0016】
【作用】本発明において、コンパレータの出力にはパル
ス幅T2 のPWM信号が得られ、このPWM信号をク
ロックパルスに基づいてカウントすることにより、PW
M信号のうちクロックパルスに同期した時間nT0 が
計数される。
【0017】一方、タイムイクスパンダでクロックパル
スに非同期の端数時間のパルス幅がM倍に拡張され、こ
のようにして拡張された端数時間n1 (MΔt1 )
,n2 (MΔt2 )が端数時間測定装置により測定
される。
【0018】そして、演算装置で、nT0 +(T0 
/M)(n1−n2 )なる演算が行われ、PWM信号
のうちクロックパルスに同期した時間とPWM信号のう
ちクロックパルスに非同期の端数時間との全体のパルス
幅T2 が求められる。
【0019】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
【0020】図1は本発明の一実施例を示す構成図であ
り、図2は図1に示した構成の動作状態におけるタイム
チャート、図3は更に細かいタイムチャートである。
【0021】既に従来例において説明したものについて
は同一番号を付し、再度の説明は省略する。構成が異な
る点は、コンパレータ6の出力から計数クロックと非同
期な端数時間を検出する端数時間検出装置11と、端数
時間を測定する端数時間測定装置13と、カウンタ10
のカウント値と端数時間とからA/D変換値を得る演算
装置14とを備えていることである。
【0022】以下、図2及び図3のタイムチャートも参
照して本実施例装置の動作を詳細に説明する。
【0023】コンパレータ6の出力にはパルス幅T2 
のPWM信号(図2■)が得られ、このPWM信号を計
数クロック(図2■)に基づいてカウントすることによ
り、カウンタ10にA/D変換値が得られる。
【0024】このPWM信号と計数クロックとの関係を
図3に詳細に示す。このPWM信号(図3(2))と計
数クロック(図3(1))との間には、1クロックパル
ス(T0 )未満の非同期成分(以下、端数時間という
。 ここでは、Δt1 ,Δt2 )を含んでいる。このた
め、通常の方法で測定される計数時間は、nT0 (n
は自然数)になる。従って、上記した端数時間も含めて
正確に計測するためには、一般的には計数クロックの周
波数を上げる必要がある。
【0025】本実施例では、この端数時間を計測するた
めに、タイムイクスパンダ12等を使用し、計数クロッ
クで計数できるように端数時間のパルス幅をM倍に拡張
する(図2■■)。端数時間測定装置13は、このよう
にして拡張された端数時間n1 (MΔt1 ),n2
 (MΔt2 )をカウンタ13a,13bにより測定
する。この測定は、積分時間中のEc の周期数回分を
計測蓄積することにより、安定な測定が可能になる。
【0026】そして、演算装置14で、T2 =nT0
 +(Δt1 −Δt2 )=nT0 +(T0 /M
)(n1 −n2 )なる演算を行い、計数クロックの
周波数を上げずに、端数時間をも含めた正確な計測を行
う。すなわち、PWM信号のうちクロックパルスに同期
した時間とPWM信号のうちクロックパルスに非同期の
端数時間との全体のパルス幅T2 が求められる。
【0027】従って、以上のような端数時間測定を行う
ことにより、計数クロックT0 未満の分解能をもつこ
とが可能になる。尚、この場合の分解能は、タイムイク
スパンダ12の拡張係数Mにより決定される。
【0028】このように、従来は無視されていた端数時
間の計測を行うようにしたことで、積分時間を長くして
総計数値を多くする必要もなくなる。従って、A/D変
換の速度も向上する。
【0029】図4は本発明の他の実施例の構成を示す構
成図である。図1と同一物には同一番号を付してある。 この実施例では、端数時間の検出,測定のために、時間
−電圧(T−V)変換器22、A/D変換器,加算器,
ラッチを用いて構成された端数時間累積回路23,24
、加算器制御のためのコントローラ25、Δt1 −Δ
t2 なる演算を行う減算器26を有している。
【0030】この実施例では、端数時間をT−V変換器
22で電圧に変換し、端数時間累積回路23,24でこ
の電圧をA/D変換し累積することで、それぞれΔt1
 ,Δt2 を求める。そして、減算器26でΔt1 
−Δt2 の演算を行い、その出力を演算装置14に印
加する。演算装置14では、T2 =nT0 +(Δt
1 −Δt2)なる演算を行う。この場合、減算器26
で端数時間の減算をあらかじめ行っているので、演算装
置14での負担が減少する。
【0031】以上詳細に説明したように、従来は測定対
象になっていなかった端数時間の測定を行うようにした
ため、同一積分時間内でのPWM波の分解能は向上する
。すなわち、従来の装置より短い時間で同じ分解能が得
られるため、全体として帰還型PWM方式A/D変換器
を高速動作させることができる。
【0032】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、クロック周波数や回路定数を変更することなく、
短時間での計測が可能な帰還型のPWM方式A/D変換
器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の構成を示す構成図である。
【図2】図1に示した装置の動作状態での信号波形を示
すタイムチャートである。
【図3】図2に示したタイムチャートの細部を示すタイ
ムチャートである。
【図4】本発明の他の実施例の構成を示す構成図である
【図5】従来例の全体構成を示す構成図である。
【図6】従来例による測定状態を示すタイムチャートで
ある。
【符号の説明】
1  クロック発生回路 2  文集器 3  キャリア発生器 4  加算器 5  積分器 6  コンパレータ 7  帰還信号発生部 8  コントローラ 9  アンド回路 10  カウンタ 11  端数時間検出装置 12  タイムイクスパンダ 13  端数時間測定装置 14  演算装置

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  積分器の入力端にA/D変換すべきア
    ナログ信号を入力し、このアナログ信号とは別に入力端
    に測定用キャリアを供給し、積分器の出力をコンパレー
    タに入力しPWM信号を得ると共に、コンパレータの出
    力の極性に合わせて極性の異なる2つの基準電圧を交互
    に切換えながら積分器の入力端に帰還し、PWM信号の
    パルス幅をカウントすることでアナログ信号をデジタル
    信号に変換するPWM方式A/D変換器において、PW
    M信号のパルス幅をクロックパルス(周期T0 )で計
    数するカウンタ(10)と、PWM信号のうちクロック
    パルスに非同期の端数のパルス幅Δt1 ,Δt2 を
    検出する端数時間検出装置(11)と、端数時間のそれ
    ぞれを時間的にM倍に拡張するタイムイクスパンダ手段
    (12)と、時間的に拡張された端数時間を計数する端
    数時間測定装置(13)と、カウンタ(10)の計数値
    nと端数時間測定装置(13)の計数値n1 ,n2に
    基づいてT2 =nT0 +(T0/M)(n1 −n
    2 )で表される演算を行い、PWM信号のうちクロッ
    クパルスに同期した時間とPWM信号のうちクロックパ
    ルスに非同期の端数時間との全体のパルス幅T2 を求
    める演算手段(14)とで構成されたことを特徴とする
    PWM方式A/D変換器。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013033455A (ja) * 2011-07-29 2013-02-14 Trendon Touch Technology Corp 電極アレイを検出するための制御回路、方法、及びこれを用いたタッチ制御検出システム
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