JPH06104751A - Δς変調型a/d変換器 - Google Patents

Δς変調型a/d変換器

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JPH06104751A
JPH06104751A JP24795592A JP24795592A JPH06104751A JP H06104751 A JPH06104751 A JP H06104751A JP 24795592 A JP24795592 A JP 24795592A JP 24795592 A JP24795592 A JP 24795592A JP H06104751 A JPH06104751 A JP H06104751A
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signal
input
clock
clock dither
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JP24795592A
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Kinji Kawada
金治 川田
Koji Tokiwa
耕司 常盤
Seiji Miyoshi
清司 三好
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はΔΣ変調型A/D変換器に関し、変
換器で発生し易い高周波成分を自動的に分散させ、S/
N特性を著しく改善することを目的とする。 【構成】 ΔΣ変調型A/D変換器において、デジタル
フィルタFILの出力を受ける信号レベル検出部SLD
と、信号レベル検出部の出力を受け、出力信号のレベル
に応じてクロックディザ信号を選択するクロックディザ
処理を行うクロックディザ設定部CDSと、クロックデ
ィザ処理の結果に基づき、数種のクロックディザ信号を
発生するクロックディザ供給部CDKと、クロックディ
ザ信号と入力信号を加算し、加算結果を該差動アンプの
正側入力に供給する加算器ADDとを備え、デジタルフ
ィルタの出力Doutを入力側に帰還させるように構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はΔΣ変調型A/D変換器
に関する。本発明のA/D変換器によれば、この形式の
変換器で発生し易い高周波成分を自動的に分散させるこ
とができ、その結果S/N特性を著しく改善することが
できる。
【0002】
【従来の技術】図9は従来のΔΣ変調型A/D変換器の
構成図あり、図10は図9構成で変換範囲の誤差が無い
場合の信号レベルの説明図であり、図11は図10の積
分器出力をグラフ化したものである。図9において、A
inはアナログ入力、AMP1は差動アンプ、AMP2
は積分器、COMP1は比較器、FILはデジタルフィ
ルタ、DACは1ビットD/A変換器である。FFT解
析はS/N算出のために高速フーリエ変換された出力で
ある。
【0003】アナログ入力Ainは差動アンプAMP1
の正側に入力され、負側にはD/A変換器出力が入力さ
れる。差動アンプAMP1の出力V1は積分器AMP2
を経て比較器COMP1の一方に入力され(V2)、し
きい値電圧Vcと比較される。比較結果のデジタル値V
dはD/A変換器によりアナログ値となる。この場合、
比較結果VdがHレベルのときはアナログ出力V3は+
1vであり、Lレベルのときはアナログ出力V3は−1
vである。比較器COMP1の出力は同時にデジタルフ
ィルタFILに入力され、平均化フィルタリング処理が
なされ、デジタル出力Doutを得る。この出力Dou
tはS/N値算出のために高速フーリエ変換(FFT)
されて解析される。
【0004】ここで、説明を簡素化するために、アナロ
グ入力Ainを0vとし、比較器COMP1のしきい値
電圧をVc=0.5vとし、D/A変換器DACのダイ
ナミックレンジ(変化の範囲)を±1vとする。図9構
成の動作を図10に沿って以下に説明する。本例は変換
範囲に誤差を含まない理想的な場合である。
【0005】動作0、即ち、クロック周期T=0(初
期状態)において、差動アンプAMP1の出力信号V1
は出力されない。よって、積分器AMP2の出力信号V
2=0.0v、比較器COMP1の出力VdはL、D/
A変換器の出力V3=−1.0vとなる。 動作1、即ち、クロック周期T=1(1回目クロッ
ク)において、差動アンプAMP1の負入力に−1.0
vを、正入力に0.0vを入力することで、差動アンプ
AMP1の出力電圧V1=1.0vが出力され、積分器
AMP2の入力となる。積分器AMP2では1クロック
前の出力V2の値0.0vに出力V1=1.0vが加算
され、出力V2=1.0vとなる。よって、比較器CO
MP1の出力VdはHレベル、D/A変換器の出力V3
=1.0vとなる。
【0006】動作2、即ち、クロック周期T=2(2
回目クロック)において、積分器AMP1の負入力に
1.0vを、正入力に0.0vを入力することで、差動
アンプAMP1の出力電圧V1=−1.0vが出力さ
れ、積分器AMP2の入力となる。積分器AMP2では
1クロック前の出力V2の値1.0vに、出力V1=−
1.0vが加算され、出力V2=0.0vとなる。よっ
て、比較器COMP1の出力VdはLレベル、D/A変
換器の出力V3=−1.0vとなる。
【0007】動作3(クロック周期T=3)以降も上
記と同様に動作する。以上の結果、比較器COMP1の
出力より得たデジタル信号Vdを、フィルタFILにて
平均化フィルタリング処理すると、デジタル出力Dou
tを得ることができる。図11は図9の積分器出力V2
(v)をグラフ表示した図である。積分器出力V2を比
較器COMP1によりデジタル化した後、フィルタFI
Lを経てFFT解析を行うと、直流成分と、クロック周
波数f=1/T(Hz)と等しいスペクトル成分を得る
ことができる。前述のように、この波形は誤差のない理
想的な場合である。
【0008】次に、図9構成において、誤差を含む実使
用状態での信号レベルについて図12、13により説明
する。この場合、1ビットD/A変換器DACの±両側
のダイナミックレンジの内、+側に0.2vの誤差(通
常、LSI化の際に数10mv程度生じる。今回は説明
の便宜上、0.2vと大幅な値とした)があると仮定す
る。従って、D/A変換器の入出力関係は、入力デジタ
ル値がHレベルのとき正側に+0.8v、Lレベルのと
きは負側に−1.0vとなる。D/A変換器のこのよう
な変化範囲において、前述と同様に、以下に説明する。
【0009】動作0、即ち、クロック周期T=0(初
期状態)において、差動アンプAMP1の出力信号V1
は出力されず、積分器AMP2の出力信号V2=0.0
v、比較器COMP1の出力VdはLレベル、D/A変
換器の出力V3=−1.0vとなる。 動作1、即ち、クロック周期T=1(1回目クロッ
ク)において、差動アンプAMP1の負入力に−1.0
vを、正入力に0.0vを入力することで、差動アンプ
AMP1の出力電圧V1=1.0vが出力され、積分器
AMP2の入力となる。積分器AMP2では1クロック
前の出力V2の値0.0vにV1=1.0vが加算さ
れ、出力V2=1.0v、比較器COMP1出力Vdは
Hレベルとなり、D/A変換器の出力V3は+方向に−
0.2vの誤差を含むためV3=0.8vを出力する。
【0010】動作2、即ち、クロック周期T=2(2
回目クロック)において、差動アンプAMP1の負入力
に0.8vを、正入力に0.0vを入力することで、差
動アンプAMP1の出力電圧V1=−0.8vが出力さ
れ、積分器AMP2の入力となる。積分器AMP2では
1クロック前の出力V2の値1.0vに、出力V1=−
0.8vが加算され、出力V2=0.2vとなる。よっ
て、比較器COMP1出力VdはLレベル、D/A変換
器の出力V3=−1.0vとなる。
【0011】動作3、即ち、クロック周期3以降も同
様に動作する。 このように、+側に0.2vの誤差があると、D/A変
換器の正側の出力誤差0.2vが積分器AMP2におけ
る入力信号の以降の加算(積分)に影響しつづけ、誤差
が累積されることになる。図13は図12の積分器出力
V2の表をグラフ化したものである。点線は通常動作時
における積分器出力V2である。図示するように、積分
器出力V2には新たに、実線で示すように、T1(周波
数f1)なる周期のエンベロープが現れる。この周期T
1、即ち、周波数f1(=1/T1)なるスペクトルが
入力信号帯域内に存在する場合、このスペクトルf1は
比較器COMP1、フィルタFILを通過してもデジタ
ル出力Dout(i)に含まれることになる。
【0012】図14はスペクトルf1の分散の説明図で
ある。図中、DCは入力信号の直流成分であり、f0は
入力信号の主信号成分、f1は上述のように回路内部で
発生する主なノイズ成分(=1/T1)、f11−f1n
クロックディザ入力によりスペクトルf1を分散させた
後、発生したスペクトル成分とする。なお、f’は入力
信号帯域である。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】以下に従来の技術にお
ける通常動作での問題点とその従来対策を説明する。 前述したように、通常動作時に、図13に示す周期T
1のスペクトルf1が入力信号帯域内に現れると、最終
段のFFT解析により求めるS/N特性が極度に劣化す
る問題がある。
【0014】上記の問題を解決するために、図9に
示す入力信号Ainにクロックディザと称する方形波の
微小信号を加算することが一般的に知られている。そこ
で、このクロックディザの入力信号を微妙に変化させる
ことで、図14に示すようにf1なる高周波成分をf11
−f1nのように分散させてノイズ成分を軽減するように
している。
【0015】また、S/N特性は入力信号帯域f’内で
算出するため、後段に配置するローパスフィルタにより
高周波成分を遮断することができ、その結果、帯域外の
ノイズ成分は問題にならない。しかし、上記の対策は、
スペクトルf1の分散処理が面倒であり、現状では実用
化が難しいという問題がある。
【0016】本発明の目的は、ΔΣ変調型A/D変換器
で発生し易い高周波成分を自動的に分散させ、A/D変
換器出力のS/N特性の改善を図ることにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】図1は本発明によるΔΣ
変調型A/D変換器の原理構成図であり、本発明の特徴
は、図示のようにデジタルフィルタからのデジタル出力
に基づくクロックディザを帰還させることにある。即
ち、本発明のΔΣ変調型A/D変換器は、図9に示す従
来のΔΣ変調型A/D変換器に、デジタルフィルタFI
Lからのデジタル信号Doutを受ける信号レベル検出
部SLDと、出力信号レベルに応じて随時、クロックデ
ィザ信号を選択するクロックディザ設定部CDSと、予
め数種のクロックディザ信号を発生可能なクロックディ
ザ供給部CDKとをさらに付加して構成されている。
【0018】
【作用】図1のように、デジタルフィルタFILのデジ
タル出力Doutは信号レベル検出部SLDに入力さ
れ、クロックディザ設定部CDSを経てクロックディザ
供給部CDKに入力される。そして、クロックディザ供
給部CDKの出力はアナログ信号Ainが入力される加
算器ADDに入力される。
【0019】本発明のA/D変換器の出力信号、即ち、
デジタルフィルタFILの出力がノイズ成分を多く含む
場合(S/N特性が劣化する場合)、クロックディザ設
定部CDSは入力信号Ainに加算するクロックディザ
レベルを選択し、その命令をクロックディザ供給部CD
Kに通知する。クロックディザ供給部CDKでは必要に
応じた信号を出力し、入力信号Ainに加算する。
【0020】このような構成により、任意にクロックデ
ィザを可変することが可能になる。なお、従来と同様に
D/A変換器に入力されるデジタル信号VdがHレベル
のときは+Vであり、Lレベルのときは−Vになり、D
/A変換器の出力V3はこれらの値をとる。そして、差
動アンプAMP1,積分器AMP2,比較器COMP
1,デジタルフィルタFILも従来と同様である。
【0021】
【実施例】図2は本発明の一実施例構成図であり、図3
は本発明のクロックディザ設定のフローチャートであ
る。図2において、PCはパワー演算部、TMSはトレ
ーニングモード切換部、DHAはクロックディザ供給部
(ディザ振幅変換部)である。パワー演算部PCはフィ
ルタFILからの任意のデジタル信号Dout(i)を
入力し、関係式P=ΣDout2 (i) /Nを演算し、n
ビットをクロックディザ設定部に出力する。クロックデ
ィザ設定部CDSからのアナログ信号V4はクロック供
給部CDKに入力され、クロックディザ振幅値V5を加
算器ADDの一方に出力する。
【0022】加算器ADDの他方にはセレクタSELが
接続されている。セレクタSELはトレーニングモード
切換部TMSからの切換信号Vsに基づき、アナログ信
号Ainと基準入力Vtを切り換えている。図3のフロ
ーチャートについて以下に説明する。概略のステップ
は、図示のように、トレーニングモードへの切り換え
(1)と、初期設定(2)と、クロックディザの設定
(3)と、通常モードへの切り換え(4)とで構成され
る。
【0023】モード切り換え(1) 例えば、DSP等によりセレクタSELをトレーニン
グ・モードに切り換え、基準入力値Vtを入力する。初期設定(2) クロックディザ設定部からのアナログ信号V4をクロ
ックディザ信号として適切な振幅値V5に変換してお
く。この場合、加算器ADDへの入力は一時保留として
おく。
【0024】クロックディザ設定(3) アナログ入力信号AinをA/D変換したデジタル信
号Dout(i)についてパワー演算に必要なN個以上
をパワー演算部に取り込む。 例えば、デジタル信号処理装置(DSP)により、パ
ワー演算部はパワーP=ΣDout2 (i) /Nによりデ
ジタル出力Dout(i)をパワー演算する。入力信号
によっては平均値0となり得るので、本実施例ではこの
式のように2乗和の平均値を求める方法を用いる。
【0025】雑音成分を含まない理想的なパワー演算
値Pcを求めておき、目標範囲(下限値Pun≦Pc≦
上限値Pov)を定めた後、で求めた結果Pと比較す
る。 上記のの結果、Pが目標範囲内であれば(YE
S)、クロックディザを加えず、Pが目標範囲外であれ
ば(NO)、クロックディザ振幅値V5=V5−ΔV2
により設定したクロックディザを入力信号Ainに加算
し、クロックディザ更新回数iをi+1により更新す
る。
【0026】上記−を繰り返し、Pが目標範囲に
収まれば、クロックディザ信号を決定する。更新回数i
=0とはクロックディザを入力する必要がないことを意
味し、i=0の時はクロックディザV5を強制的に0v
に固定する。モード切り換え 例えば、DSP等により、セレクタSELを通常モー
ドに切り換える。
【0027】なお、目標S/N値を満たすようなパワー
演算結果を求めておけば(図14参照)、S/N値を後
段にて求める前にS/N特性を改善可能となる。さら
に、上記の実施例の他の実施例を以下に説明する。クロ
ックディザの周期は電圧制御発振器VCOの入力信号に
より可変可能とするため、クロックディザ信号を無数に
設定することができる。
【0028】モード切り換え 例えば、DSP等により、セレクタSELをトレーニ
ング・モードに切り換え、トレーニング用信号Vtを入
力する。初期設定 クロックディザ設定部からのアナログ信号V4をクロ
ックディザ信号として適切な振幅値V5に設定してお
く。但し、加算器ADDへの入力は一時保留とする。
【0029】クロックディザ設定 − 一実施例に同じ。 上記の結果 Pが目標範囲内であれば(YES)、クロックディザを
加えず、Pが目標範囲外であれば(NO)、クロックデ
ィザ振幅値TV=TV±ΔTにより設定したクロックデ
ィザを入力信号Ainに加算し、クロックディザ更新回
数iをi+1により更新する。
【0030】− 一実施例に同じ。 図4は図1構成のセレクタSELの具体例である。セレ
クタSELは、アナログ信号Ainを受けるスイッチS
W1と、基準入力Vtを受けるスイッチSW2と、トレ
ーニングモード切換部からの切換信号Vsを反転させる
インバータINVと、抵抗とコンデンサからなるローパ
スフィルタLPFで構成される。デジタル制御信号はト
レーニングモード切換部TMSから入力され、スイッチ
SW1,SW2の切り換えに使用される。ローパスフィ
ルタLPFはアナログスイッチSW1,SW2の切り換
え時に発生する雑音を除去するためのものである。
【0031】図5はクロックディザ設定部及びクロック
ディザ供給部の具体例である。クロックディザ設定部
は、所定のテーブルを格納するメモリ(ROM)と、メ
モリの出力により切換制御される複数のスイッチS1−
Snと、スイッチの各々に接続される複数の抵抗R1−
Rnと、第1のスイッチS1に接続される電圧制御発振
器VCOとで構成される。VCOの出力信号V4はクロ
ックディザ供給部CDKに入力される。
【0032】クロックディザ供給部は上記のメモリから
の出力に対応したバッファB1−Bnと、バッファの各
々の出力を受ける複数のスイッチS1’−Sn’と、ス
イッチに接続される抵抗R1’−Rn’で構成される。
そして、出力信号V5は加算器ADDに入力される。図
示のように、ROMから読み出された情報に沿ってスイ
ッチS1−Snが切り換えられ、オン/オフにより抵抗
の分圧が変化し、従って、電圧の変化がVCOに入力さ
れる。また、ROMから読み出された情報はバッファB
1−Bnを経てスイッチS1’−Sn’を切り換える。
【0033】図6は図5のメモリROMのテーブル内容
の例である。パワー演算値、対応するテーブル内容、V
CO入出力、出力信号V5等の関係が対応ずけられてい
る。本例では入力ビットn=5の場合である。図7は、
図5の発振器VCOのアナログ信号V4の波形図であ
る。振幅はVCOの電源電圧値と同じであり、通常5v
である。周期TvはVCOからの出力信号V4の周期で
あり、VCOを使用しているのでこの周期を可変とする
ことができる。
【0034】図8は図5のS/N特性改善用クロックデ
ィザ信号V5の例である。クロックディザ供給部からの
クロックディザ振幅値V5は可変することができる。V
5は通常、数mvである。
【0035】
【発明の効果】以上説明したように、ΔΣ変調型AD変
換器で発生し易い高周波成分を自動的に分散させること
でS/N特性の改善が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるΔΣ変調型A/D変換器の原理構
成図である。
【図2】本発明の一実施例構成図である。
【図3】本発明のクロックディザ設定のフローチャート
である。
【図4】図1構成のセレクタSELの具体例である。
【図5】本発明のクロックディザ設定部及びクロックデ
ィザ供給部の具体例である。
【図6】図5のメモリROMのテーブル内容である。
【図7】図5の発振器VCOのアナログ信号V4の波形
図である。
【図8】図5のS/N特性改善用クロックディザ信号V
5の例である。
【図9】従来のΔΣ変調型A/D変換器の構成図であ
る。
【図10】図9構成で変換範囲の誤差が無い場合の信号
レベルの説明図である。
【図11】図10の積分器出力をグラフ表示した図であ
る。
【図12】図9構成で誤差がある場合の信号レベルの説
明図である。
【図13】図12の積分器出力をグラフ表示した図であ
る。
【図14】スペクトルf1の分散の説明図である。
【符号の説明】
CDK…クロックディザ供給部 CDS…クロックディザ設定部 SLD…信号レベル検出部 ADD…加算器 AMP1…差動アンプ AMP2…積分器 COMP1…比較器 FIL…デジタルフィルタ DAC…D/A変換器

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力信号(Ain)を正側入力に受ける
    差動アンプ(AMP1)と、該差動アンプの出力(V
    1)を得る積分器(AMP2)と、該積分器の出力(V
    2)を一方の入力に受け、他方の入力にしきい値電圧
    (Vc)を入力し、比較結果に基づきデジタル信号(V
    d)を出力する比較器(COMP1)と、該比較器の出
    力を受け、アナログ値に変換するD/A変換器(DA
    C)と、該デジタル出力を受けるデジタルフィルタ(F
    IL)を備えたΔΣ変調型A/D変換器において、 該デジタルフィルタの出力を受ける信号レベル検出部
    (SLD)と、該信号レベル検出部の出力を受け、出力
    信号のレベルに応じてクロックディザ信号を選択しクロ
    ックディザ処理を行うクロックディザ設定部(CDS)
    と、該クロックディザ処理の結果に基づき、数種のクロ
    ックディザ信号を発生するクロックディザ供給部(CD
    K)と、該クロックディザ信号と該入力信号を加算し、
    加算結果を該差動アンプの正側入力に供給する加算器
    (ADD)とを備え、該デジタルフィルタのデジタル出
    力(Dout)を入力側に帰還させることを特徴とする
    ΔΣ変調型A/D変換器。
  2. 【請求項2】 該信号レベル検出部は、デジタル信号処
    理装置(DSP)を備え、該デジタルフィルタからのデ
    ジタル信号(Dout)を2乗和平均したパワー(P)
    を演算する請求項1に記載のΔΣ変調型A/D変換装
    置。
  3. 【請求項3】 該クロックディザ設定部は、所定のテー
    ブルを格納するメモリ(ROM)と、該メモリの出力に
    応じて切り換え制御される複数のスイッチ(S1−S
    n)と、該スイッチの各々と電源(V)の間に接続され
    る複数の抵抗(R1−Rn)と、該スイッチ群の第1の
    スイッチ(S1)に接続される電圧制御発振器(VC
    O)を備え、 該テーブルは該信号レベル検出部で算出されたパワー演
    算値の大小関係と、該電圧制御発振器の入出力関係を格
    納し、該電圧制御発振器によりクロックディザの周期を
    可変したアナログ信号(V4)を該クロック供給部に出
    力する請求項1又は2に記載のΔΣ変調型A/D変換装
    置。
  4. 【請求項4】 該クロックディザ供給部は、該メモリ
    (ROM)の出力を受ける複数のバッファ(B1−B
    n)と、該バッファの各々からの出力に応じて切り換え
    制御される複数のスイッチ(S1’−Sn’)と、各ス
    イッチに接続される複数の抵抗(R1’−Rn’)を備
    え、該電圧制御発振器からの該アナログ信号(V4)を
    第1の抵抗(R1’)の一方の端部で受け、他の端部か
    らクロックディザ振幅値(V5)を得るようにした請求
    項1又は3に記載のΔΣ変調型A/D変換装置。
  5. 【請求項5】 該A/D変換器は、トレーニングモード
    を設定するトレーニングモード切換部(TMS)と、該
    トレーニングモード切換部からの切換信号(Vs)を受
    け、該アナログ入力信号(Ain)と基準入力(Vt)
    を切り換えるセレクタ(SEL)を、さらに備える請求
    項1に記載のΔΣ変調型A/D変換装置。
  6. 【請求項6】 該セレクタは、該アナログ入力信号(A
    in)を受ける第1のスイッチ(SW1)と、基準入力
    (Vt)を受ける第2のスイッチ(SW2)と、該切換
    信号(Vs)を反転するインバータ(INV)と、該第
    1及び第2のスイッチの共通接点に接続され、これらス
    イッチのスイッチングノイズを防止するローパス・フィ
    ルタ(LPF)を備える請求項5に記載のΔΣ変調型A
    /D変換装置。
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