JPH07245555A - 電圧/周波数変換装置 - Google Patents

電圧/周波数変換装置

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JPH07245555A
JPH07245555A JP6034391A JP3439194A JPH07245555A JP H07245555 A JPH07245555 A JP H07245555A JP 6034391 A JP6034391 A JP 6034391A JP 3439194 A JP3439194 A JP 3439194A JP H07245555 A JPH07245555 A JP H07245555A
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    • H03KPULSE TECHNIQUE
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電圧/周波数変換装置にあって、積分器の演
算増幅器がオフセット電圧を持っていても、直線誤差を
少なくすることを目的とする。 【構成】 入力電圧Eとマイナス基準電圧VSSとによる
合成電流I3 の充電電荷を、入力電圧Eによる積分にて
放電させ、逆極性入力電圧ENとプラス基準電圧VDDと
による合成電流I3 の充電電荷を、逆極性入力電圧EN
による積分にて放電させて、この充放電を繰返すことに
より、演算増幅器の入力オフセット電圧により影響を少
なくした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電子式電力量計などに
使用される入力電圧を入力電圧に対応する周波数に変換
する電圧/周波数変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】入力電圧を入力電圧に対応する周波数に
変換する電圧/周波数変換装置の従来例を図7に示す。
また、図8は図7の各部の波形を示す。図7は入力電圧
Eに対して入力電流I1 と基準電流I2 との合成電流I
3 を得る選択器8を備え、この選択器8の合成電流I3
を積分して積分電圧Aを得る積分器1を更に備え、つい
で積分電圧Aを基準電圧AGと比較しこの積分電圧Aが
基準電圧AGより高い場合ロウレベルを出力し低い場合
ハイレベルを出力するコンパレータ2を備え、そして、
コンパレータ2の出力信号Jと信号Kが一致しないでパ
ルス信号CLKがロウレベルからハイレベルに変化した
場合に選択信号Kを出力するJKフリップ・フロップを
有する選択信号発生器3を備える。なお、この選択信号
Kは前述の選択器8の基準電流I2 を流すスイッチSW
1を制御する。また、図中5は、パルス信号発生器であ
る。
【0003】かかる回路構成において、選択信号発生器
3のJKフリップ・フロップ31の出力信号Kがハイレ
ベルのときスイッチSW1は閉じ、積分器1のコンデン
サC1に流れ込む電流I3 は I3 =I1 −I2 (<0) I1 <I2 となり、積分器1はプラス方向に積分を始める。積分器
1の出力電圧Aが基準電位AGより高くなるとコンパレ
ータ2の出力信号Jはロウレベルになる。コンパレータ
2の出力信号JがロウレベルになるとJKフリップ・フ
ロップ31の入力は J:ロウレベル K:ハイレベル(=Q出力) となり、パルス信号CLKの立ち上がりでJKフリップ
・フロップ31の出力信号Kはロウレベルとなる。
【0004】JKフリップ・フロップ31の出力信号K
がロウレベルのときスイッチSW1は開き、積分器1の
コンデンサC1に流れ込む電流I3 は、 I3 =I1 (>0) となり、積分器1はマイナス方向に積分を始める。積分
器1の出力電圧Aが基準電位AGより低くなるとコンパ
レータ2の出力信号Jはハイレベルになる。JKフリッ
プ・フロップ31の入力は J:ハイレベル K:ロウレベル(=Q出力) となり、パルス信号CLKの立ち上がりでJKフリップ
・フロップ31の出力信号Kはハイレベルとなる。JK
フリップ・フロップ31の出力信号Kがハイレベルのと
きスイッチSW1は閉じ最初の状態に戻る。
【0005】ここで、スイッチSW1が閉じているとき
積分器1のコンデンサC1に蓄えられる電荷量Q1 は、 Q1 =(I2 −I1 )×T1 となる。一方、スイッチSW1が開いているとき積分器
1のコンデンサC1から放電される電荷量Q2 は、 Q2 =I1 ×T2 となる。そして、充放電の電荷量Q1 とQ2 とは等しい
ので、 (I2 −I1 )×T1 =I1 ×T21 ×(T1 +T2 )=I2 ×T1 1/(T1 +T2 )=I1 /(I2 ×T1 ) となる。ここで、T1 はパルス信号CLKの周波数f
CLK からT1 =1/fCLKとなって一定である。
【0006】また、積分器1の演算増幅器OP1の−入
力電位は、この演算増幅器OP1の入力オフセット電圧
を零とした場合基準電位はAGとなるので、基準電流I
2 はマイナス基準電位VSSと抵抗器R2とから、I2
VSS/R2となり一定となる。また、入力電流I1 は電
圧/周波数変換装置の入力電圧Eと抵抗器R1とからI
1 =E/R1となる。この結果、電圧/周波数変換装置
の出力周波数fは、前掲の式を代入すると次のようにな
る。
【0007】
【数1】 f=1/(T1 +T2 ) =I1 /(I2 ×T1 )=(E×R2×fCLK )/(VSS×R1) こうして出力周波数fは入力電圧Eに比例した値とな
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述の説明では演算増
幅器OP1の入力オフセット電圧を零としているが、通
常入力オフセット電圧Vを持っており、この場合演算増
幅器OP1の−入力電位はVとなる。このため、電圧/
周波数変換装置の出力周波数fE は次式となる。
【数2】 fE =1/(T1 ×T2 ) ={(E−V)×R2×fCLK }/{(VSS+V)×R1} この結果、電圧/周波数変換装置の直線性が悪くなる。
演算増幅器OP1が入力オフセット電圧を持っていた場
合の入力電圧Eと直線性誤差ERRの関係は次式となり、
図9の特性を有する。
【0009】 ERR=(fE −f)×100/f [%] 本発明はこのような従来の問題を解決するためになされ
たものであり、積分器1の演算増幅器OP1が入力オフ
セット電圧Vを持っていた場合でも直線性誤差が非常に
少ない電圧/周波数変換装置を提供することを目的とす
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明は、入力電圧に基づく入力電流と通電をオンオフ制
御される基準電流との合成電流を積分器にて積分し、こ
の積分値を基準値と比較した変化時点に基づき、上記基
準電流通電用スイッチを制御させて上記積分器を逆方向
に積分する動作を繰返すことにより入力電圧に比例した
出力周波数を得る装置において、上記入力電圧を印加す
る他に、この入力電圧に対して逆極性入力電圧を加える
手段と、上記入力電圧に対して上記基準電流通電用スイ
ッチとしてマイナス基準電圧に接続するスイッチと、上
記逆極性入力電圧に対して上記基準電流通電用スイッチ
としてプラス基準電圧に接続するスイッチとを有し、上
記入力電圧及び逆極性入力電圧双方に基づき得られた周
波数から平均周波数を得ることを要旨とする。
【0011】また、請求項1記載の発明において、出力
周波数の出力数に基づき制御信号a,b,cを発生する
手段と、この制御信号のうち所定の状態内にあることを
示す制御信号aの範囲内にて積分器の出力電圧変化点が
あるとき選択信号Kを出力する選択信号発生器と、制御
信号aの反転、位相ずれの制御信号c,b及び選択信号
Kに基づき、入力電圧とマイナス基準電圧との合成電
圧、あるいは逆極性入力電圧とプラス基準電圧との合成
電圧、入力電圧あるいは逆極性入力電圧のいずれかを積
分器に加える選択手段と、を有することを要旨とする。
【0012】さらに、請求項2記載の発明において、出
力周波数によらず制御信号a,b,cを所定の周期によ
る切換え信号に基づいて発生するよう切換え信号発生器
を備えたことを要旨とする。
【0013】
【作用】入力電圧とマイナス基準電圧とによる合成電流
の充電電荷を、入力電圧の積分にて放電させ(プラス積
分周期)、逆極性入力電圧とプラス基準電圧とによる合
成電流の充電電荷を、逆極性入力電圧の積分にて放電さ
せ(マイナス積分周期)ており、このプラス積分周期と
マイナス積分周期とが相補的に所定数ごとに繰返され
る。これらの充電と放電に要する時間はそれぞれ入力電
圧と逆極性入力電圧に正比例するので、この動作の繰り
返しによって得られる選択信号Kの出力周期は入力電圧
に正比例する。このような手段を講じたことにより、入
力電圧および逆極性入力電圧も対応する周波数に変換で
きるので、積分手段の演算増幅器が入力オフセット電圧
を持っていた場合でも直線性誤差を非常に少なくするこ
とができる。
【0014】
【実施例】ここで、図1〜図6を参照して本発明の実施
例を説明する。なお、図7と同一部分には同符号を付
す。図1は本発明の一実施例を示す回路図である。同図
において、Eは周波数に変換する電圧入力端子及び入力
電圧双方を示す。また、AGは基準電位である。
【0015】1は選択器8から供給される電流を積分し
て積分電圧Aを出力する積分器であって、演算増幅器O
P1およびコンデンサC1から構成されている。コンパ
レータ2は積分器1の出力電圧を基準電位AGと比較
し、積分器1の出力電圧が基準電位AGより高い場合ロ
ウレベル、低い場合ハイレベルの信号を出力する。
【0016】選択信号発生器3は、XORゲート32と
JKフリップ・フロップ31とから構成され、XORゲ
ート32はコンパレータ2の出力信号Bと後述の制御信
号発生器4からの制御信号aとが一致しないことを検出
して出力する不一致検出器であり、JKフリップ・フロ
ップ31は不一致検出器32の出力信号Jを入力端子J
の、パルス信号CLKを入力端子CKの、そして出力端
子Qの出力信号を入力端子Kの、各々入力信号としてい
るJKフリップ・フロップであり、信号Jと信号Kが一
致しないときパルス信号CLKがロウレベルからハイレ
ベルに変化した場合選択信号Kを出力する。
【0017】制御信号発生器4は、選択信号発生器3の
JKフリップ・フロップ出力Kを入力として制御信号
a,b,cを発生する回路であり、選択信号発生器3の
出力信号を入力信号とするインバータ41と、出力端子
QNと入力端子Dが接続されインバータ41の出力信号
を入力端子CKの入力信号としているDフリップ・フロ
ップ42と、Dフリップ・フロップ42の出力信号bを
入力端子D、選択信号発生器3の出力信号Kを入力端子
CKの各々入力信号としているDフリップ・フロップ4
3から構成されている。
【0018】また、7は電圧入力端子Eから入力された
入力電圧Eの極性を反転した逆極性入力電圧ENを発生
する反転増幅器であって、演算増幅器OP3および抵抗
器R3,R4から構成されている。
【0019】選択器8は図7のものと異なり、制御信号
発生器4からの制御信号cに基づいて入力電圧Eと反転
増幅器の出力である逆極性入力電圧ENとを相補的に切
換えて入力し入力電流I1 を生成するものであり、また
制御信号発生器4からの制御信号b及び選択信号発生器
3からの選択信号Kに基づいてプラス基準電圧VDD又は
マイナス基準電圧VSSを入力して基準電流I2 を生成
し、入力電流I1 と基準電流I2 との合成電流I3 を積
分器1に供給するものである。
【0020】ここで、選択器8は制御信号bを入力信号
とするインバータ83と、制御信号bおよび選択信号K
を入力信号とするANDゲート81と、インバータ83
の出力信号および選択信号Kを入力信号とするANDゲ
ート82と、ANDゲート81の出力信号がハイレベル
のとき閉じるスイッチSW1と、ANDゲート82の出
力信号がハイレベルのとき閉じるスイッチSW2と、制
御信号cを入力信号とするインバータ84と、制御信号
cがハイレベルのとき閉じるSW3と、インバータ84
の出力信号がハイレベルのとき閉じるSW4と、抵抗器
R1,R2から構成されている。なお、図中5は所定の
周期でパルス信号CLKを発生するパルス信号発生器で
あって、水晶振動子などから構成されている。
【0021】次に、以上の構成の回路について図2に示
す各部の波形のタイムチャートを参照しつつ動作を説明
する。ここで、制御信号発生器4の制御信号cがハイレ
ベル区間をプラス積分周期、制御信号cがロウレベル区
間をマイナス積分周期と呼ぶ。
【0022】プラス積分周期では、制御信号cがハイレ
ベルであるから選択器8のスイッチSW3が閉じ、抵抗
器R1には入力電圧Eが入力される。更に、選択信号発
生器3のJKフリップ・フロップ31の出力信号Kがハ
イレベルのときDフリップ・フロップ42の出力である
制御信号bがハイレベルとなり選択器8内のアンドゲー
ト81の出力によってスイッチSW1が閉じる。したが
って、抵抗器R2にはマイナス基準電圧VSSが接続され
る。
【0023】この結果、積分器1のコンデンサC1に流
れ込む電流I3 は、 I3 =I1 −I2 (<0) I1 <I2 となり、積分器1はプラス方向に積分を開始する。
【0024】積分器1の出力電圧Aが基準電位AGより
高くなるとコンパレータ2の出力信号Bはロウレベルに
なる。コンパレータ2の出力信号Bがロウレベルになる
と制御信号aがロウレベルであるため不一致検出器32
の出力信号Jはロウレベルとなり、JKフリップ・フロ
ップ31の入力は J:ロウレベル K:ハイレベル(=Q出力) となり、パルス信号CLKの立ち上がりでJKフリップ
・フロップ31の出力信号Kはロウレベルとなる。JK
フリップ・フロップ31の出力信号Kがロウレベルのと
きスイッチSW1は開き、積分器1のコンデンサC1に
流れ込む電流I3は I3 =I1 (>0) となり、積分器1はマイナス方向に積分を始める。積分
器1の出力電圧Aが基準電位AGより低くなるとコンパ
レータ2の出力信号Bはハイレベルになる。コンパレー
タ2の出力信号Bがハイレベルになると制御信号aがロ
ウレベルであるため不一致検出器32の出力信号Jはハ
イレベルとなり、JKフリップ・フロップ31の入力は J:ハイレベル K:ロウレベル(=Q出力) となり、パルス信号CLKの立ち上がりでJKフリップ
・フロップ31の出力信号Kはハイレベルとなる。この
とき、制御信号cはハイレベルからロウレベルに変わり
マイナス積分周期に移る。ここで、 I1 =E/R1 I2 =VSS/R2 である。従って、プラス積分周期の電圧/周波数変換装
置の出力周波数fp は、
【数3】 fp =1/(T1 +T2 )=(E×R2×fCLK )/(VSS×R1) となる。
【0025】マイナス積分周期では、制御信号cがロウ
レベルであるからSW4が閉じ、抵抗器R1には反転増
幅器7で入力電圧Eの極性を反転した逆極性入力電圧E
Nが入力される。JKフリップ・フロップ31の出力信
号Kがハイレベルのとき制御信号bがロウレベルである
からスイッチSW2が閉じ抵抗器R2にはプラス基準電
位VDDが接続される。積分器1のコンデンサC1に流れ
込む電流I3 は、 I3 =I1 −I2 (>0) I1 >I2 となり、積分器1はマイナス方向に積分を始める。積分
器1の出力電圧Aが基準電位AGより低くなるとコンパ
レータ2の出力Bはハイレベルになる。コンパレータ2
の出力信号Bがハイレベルになると制御信号aがハイレ
ベルであるため不一致検出器32の出力信号Jはロウレ
ベルとなり、JKフリップ・フロップ31の入力は J:ロウレベル K:ハイレベル(=Q出力) となり、パルス信号CLKの立ち上がりでJKフリップ
・フロップ31の出力信号Kはロウレベルとなる。JK
フリップ・フロップ31の出力信号Kがロウレベルのと
きスイッチSW2は開き、積分器1のコンデンサC1に
流れ込む電流I3は、 I3 =I1 (<0) となり、積分器1はプラス方向に積分を始める。積分器
1の出力電圧Aが基準電位AGより高くなるとコンパレ
ータ2の出力信号Bはロウレベルになる。コンパレータ
2の出力信号Bがロウレベルになると制御信号aがハイ
レベルであるため不一致検出器32の出力信号Jはハイ
レベルとなり、JKフリップ・フロップ31の入力は J:ハイレベル K:ロウレベル(=Q出力) となり、パルス信号CLKの立ち上がりでJKフリップ
・フロップ31の出力信号Kはハイレベルとなる。この
とき、制御信号cはロウレベルからハイレベルに変わり
プラス積分周期に移る。ここで、 I1 =EN/R1=−E/R1 I2 =VDD/R2=−VSS/R2 である。従って、マイナス積分周期の電圧/周波数変換
装置の出力周波数fm は次式となる。
【0026】
【数4】 fm =1/(T1 +T2 )=(−E×R2×fCLK )/(−VSS×R1) 以上述べた、プラス積分周期とマイナス積分周期とを相
補的に切換えることにより、電圧/周波数変換装置の出
力平均周波数fは次式となる。
【0027】
【数5】 f=(fp +fm )/2={(E×R2)/(VSS×R1) +(−E×R2)/(−VSS×R1)}×fCLK /2 =(E×R2×fCLK )/(VSS×R1) この結果、入力電圧Eに正比例した周波数を得る。
【0028】ここで、積分器1の演算増幅器OP1が入
力オフセット電圧Vを有している場合、演算増幅器OP
1の−入力電位はVとなる。従ってこの場合の出力周波
数fE は次式となる。
【0029】
【数6】 fE ={[(E−V)×R2]/[(VSS+V)×R1] +[(−E−V)×R2]/[(−VSS+V)×R1]} ×fCLK /2 =(E×VSS+V2 )/(VSS2 −V2 ) ×(R2)/(R1)×fCLK この式から判明するように、マイナス基準電位VSSを演
算増幅器OP1の入力オフセット電圧Vより十分大きく
することによって、入力オフセット電圧Vの電圧/周波
数変換装置の出力周波数への影響を少なくできる。
【0030】こうして、本実施例によれば入力電圧Eの
極性を反転した逆極性電圧も対応する周波数に変換でき
るので、積分器1の演算増幅器OP1が入力オフセット
電圧Vを持っていた場合でも直線性誤差の非常に少ない
高精度な電圧/周波数変換装置を得ることができる。
【0031】図1、図2では制御信号発生器4にてDフ
リップ・フロップ42,43を備えて周波数信号F(信
号K)が1パルス出力される度にプラス積分周期マイナ
ス積分周期とを切り換えたものであるが、図3、図4で
は制御信号発生器4にてDフリップ・フロップ42,4
3,44を備えており、周波数信号Fが2パルス出力さ
れる毎にプラス積分周期とマイナス積分周期とを切換え
た例を示している。
【0032】図5、図6は、本発明の更に他の実施例を
示すもので、図5に示す回路中にて切換え信号発生器6
は、所定の周期で切り換え信号CNTを発生してDフリ
ップ・フロップ42のD入力を生成するものであり、パ
ルス信号CLKを入力信号として、パルス信号CLKが
所定の回数入力される毎にハイレベル信号とロウレベル
信号を交互に出力する分周器などで構成されている。
【0033】制御信号a,b,cを発生する制御信号発
生器4は、選択信号発生器3の出力信号Kを入力信号と
するインバータ41と、切換え信号発生器6の出力信号
CNTを入力端子D、インバータ41の出力信号を入力
端子CKそれぞれの入力信号としているDフリップ・フ
ロップ42と、このDフリップ・フロップ42の出力信
号bを入力端子D、選択信号発生器3の出力信号Kを入
力端子CKそれぞれの入力信号としているDフリップ・
フロップ43とから構成される。
【0034】よって、所定の時間毎にプラス積分周期と
マイナス積分周期とを交互に切換えられるので、図1と
同様の効果を得ることができる。また、反転増幅器7は
入力電圧Eの極性を反転した逆極性入力電圧ENが入力
される場合は必要ない。
【0035】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、積
分器の演算増幅器がオフセット電圧を持っていたとして
もプラス・マイナスの各積分周期ごとに相補的に信号を
取り込んで、オフセットを無くすようにできるので、直
線性誤差の極めて少ない高精度な変換器を得ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施例の回路図である。
【図2】図1のタイムチャートである。
【図3】変形例の回路図である。
【図4】図3のタイムチャートである。
【図5】他の実施例の回路図である。
【図6】図5のタイムチャートである。
【図7】従来例の回路図である。
【図8】図7のタイムチャートである。
【図9】直線性誤差の特性線図である。
【符号の説明】
1 積分器 2 比較器 3 選択信号発生器 4 制御信号発生器 5 パルス信号発生器 6 切換え信号発生器 7 反転増幅器 8 選択器 OP1,OP2,OP3 演算増幅器 41,83,84 インバータ 42,43,44 Dフリップ・フロップ 31 JKフリップ・フロップ SW1,SW2,SW3,SW4 スイッチ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力電圧に基づく入力電流と通電をオン
    オフ制御される基準電流との合成電流を積分器にて積分
    し、この積分値を基準値と比較した変化時点に基づき、
    上記基準電流通電用スイッチを制御させて上記積分器を
    逆方向に積分する動作を繰返すことにより入力電圧に比
    例した出力周波数を得る装置において、 上記入力電圧を印加する他に、この入力電圧に対して逆
    極性入力電圧を加える手段と、上記入力電圧に対して上
    記基準電流通電用スイッチとしてマイナス基準電圧に接
    続するスイッチと、上記逆極性入力電圧に対して上記基
    準電流通電用スイッチとしてプラス基準電圧に接続する
    スイッチとを有し、上記入力電圧及び逆極性入力電圧双
    方に基づき得られた周波数から平均周波数を得ることを
    特徴とする電圧/周波数変換装置。
  2. 【請求項2】 出力周波数の出力数に基づき制御信号
    a,b,cを発生する手段と、この制御信号のうち所定
    の状態内にあることを示す制御信号aの範囲内にて積分
    器の出力電圧変化点があるとき選択信号Kを出力する選
    択信号発生器と、制御信号aの反転、位相ずれの制御信
    号c,b及び選択信号Kに基づき、入力電圧とマイナス
    基準電圧との合成電圧、あるいは逆極性入力電圧とプラ
    ス基準電圧との合成電圧、入力電圧あるいは逆極性入力
    電圧のいずれかを積分器に加える選択手段と、を有する
    ことを特徴とする請求項1記載の電圧/周波数変換装
    置。
  3. 【請求項3】 出力周波数によらず制御信号a,b,c
    を所定の周期による切換え信号に基づいて発生するよう
    切換え信号発生器を備えたことを特徴とする請求項2記
    載の電圧/周波数変換装置。
JP03439194A 1994-03-04 1994-03-04 電圧/周波数変換装置 Expired - Fee Related JP3532237B2 (ja)

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