JPH09116438A - ディジタル/アナログ変換器 - Google Patents

ディジタル/アナログ変換器

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JPH09116438A
JPH09116438A JP27392995A JP27392995A JPH09116438A JP H09116438 A JPH09116438 A JP H09116438A JP 27392995 A JP27392995 A JP 27392995A JP 27392995 A JP27392995 A JP 27392995A JP H09116438 A JPH09116438 A JP H09116438A
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signal
digital
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circuit
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JP27392995A
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Homare Masuda
誉 増田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 要求されるアナログ出力の範囲全体にわたっ
て高精度のD/A変換出力を生成できるD/A変換器を
提供する。 【解決手段】 二進数のコードで表わされるディジタル
信号に対してデューティ比を定めるPWM信号を発生
し、このPWM信号に応じたデューティ比を有するディ
ジタル入力信号を生成してこれをディジタル/アナログ
変換回路に入力し、この変換回路から出力されたアナロ
グ信号をフィルタ回路で平滑化する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ディジタル信号を
アナログ信号に変換するディジタル/アナログ(以下
“D/A”と記載する)変換器に関する。
【0002】
【従来の技術】初めに、ディジタル信号をアナログ信号
に変換する場合の原理について説明する。
【0003】例えば、図12に示すように、2ビットの
D/A変換回路1の場合、2つの入力ポートP1 ,P2
に“0”又は“1”のディジタル信号を入力し、出力ポ
ートからこれら2つの入力信号に対応した電圧で表わさ
れるアナログ信号を出力する場合、図13の表に示すよ
うに、D/A変換回路1は、4種のディジタル信号“0
0”,“01”,“10”,“11”にそれぞれ対応し
た4種の電圧1V,2V,3V,4Vを出力するように
構成される。そして、D/A変換回路1の出力信号か
ら、ディジタル入力信号に応じた電圧信号を生成するた
め、図14に示すように、D/A変換回路1の入力ポー
トの一つ(下位ビット入力ポートP2 )に、PWM(パ
ルス幅変調)信号がPWM信号発生装置(通常、マイク
ロコンピュータ)から与えられる。
【0004】例えば“1.5 V”を生成したい場合には、
図15の表に示すように、ディジタル信号のデューティ
比を定めるタイミングT1 ,T2 ,T3 ,T4 で、D/
A変換回路1の上位ビットの入力ポートP1 に“0”を
入力すると共に、下位ビットの入力ポートP2 にPWM
信号として順次“0”,“1”,“0”,“1”を入力
する。これに応じて、D/A変換回路1は、上記タイミ
ングで順次“1V”,“2V”,“1V”,“2V”を
出力するので、この出力信号をフィルタで平滑化するこ
とにより、“1.5 V”の電圧信号が得られる。
【0005】このような原理に基づく公知のD/A変換
器として、例えば、実開平1−169831号公報に示
されたものがある。これは、ディジタル信号の下位ビッ
ト分をPWM信号としてD/A変換回路に入力するよう
にしたものであり、少ないビット数のD/A変換回路と
PWM生成回路を組み合わせることで、多いビット数の
D/A変換器を構成し、安価に高分解能のアナログ出力
が得られるようにしている。
【0006】具体的な構成として、このD/A変換器
は、nビットの入力ディジタル信号を上位(n−m)ビ
ットの信号と下位(m)ビットの信号とに分配する分配
回路と、分配した下位(m)ビット信号に応じたPWM
信号を生成するPWM生成回路と、分配した上位(n−
m)ビット信号をそのまま上位ビット信号とし、前記P
WM生成回路で生成したPWM信号を最下位ビットとし
たディジタル信号をD/A変換するD/A変換回路と、
アナログ変換された信号を波形整形して出力信号にする
ローパスフィルタとを備えている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来のD/A変換の原理では、常に所望の電圧信
号が得られるわけではない。例えば、前述の例で“2.5
V”を生成したい場合、この電圧は“2V”(“01”
に対応)と“3V”(“10”に対応)との間であるか
ら、上記のようにD/A変換回路1の上位ビットの入力
ポートP1 に“0”を入力し、且つ下位ビットの入力ポ
ートP2 に“0”又は“1”を入力しても、“2.5 V”
は得られない。また、D/A変換回路1の入力ポートP
1 に“1”を入力すると、D/A変換回路1は、入力ポ
ートP2 が“0”のとき“3V”,入力ポートP2 が
“1”のとき“4V”を出力するので、この場合も“2.
5 V”は得られない。
【0008】また、入力ディジタル信号が3ビットの場
合には、D/A変換器の3つの入力ポートP1 ,P2 ,
P3 に“0”又は“1”のディジタル信号が入力され、
D/A変換器の出力ポートからこれら3つの入力信号に
対応した電圧で表されるアナログ信号が出力される。こ
の場合、図16の表に示すように、D/A変換器は、8
種のディジタル信号“000”,“001”,“01
0”,“011”,“100”,“101”,“11
0”,“111”にそれぞれ対応した電圧1V〜8Vを
出力するように構成される。
【0009】そして、例えば“2.5 V”を生成したい場
合、この電圧は“2V”(“001”に対応)と“3
V”(“010”に対応)との間であるから、2ビット
の場合と同様に、D/A変換器の上位ビットの入力ポー
トP1 に“0”を入力し、下位ビットの入力ポートP2
,P3 にそれぞれ“0”又は“1”を入力しても、
“2.5 V”は得られない。
【0010】このように、従来のD/A変換器におい
て、最下位ビットの入力を変えるだけでは、所望の電圧
信号が得られない場合があり、これを解決するには、入
力ディジタル信号の最下位ビットの状態変化と共に最下
位ビット以外のビット部分も変えなければならず、それ
をどのような構成で実現するかが課題となっていた。
【0011】このため、上記実開平1−169831号
公報に示されたD/A変換器では、最下位ビットの状態
に応じてディジタル信号のビット状態が変わるとき、そ
のビット状態を変化によるアナログ変換信号のバイアス
成分の変動分を補正するバイアス電圧コントロール回路
を設けている。
【0012】しかし、この公知技術では、上記のように
アナログ変換信号のバイアス成分の変動分を補正するた
めにバイアスコントロール回路を必要とし、その分、全
体の回路構成が複雑で価格も高くなる。また、実際上バ
イアス電圧は厳格に一定の電圧として印加することがで
きず、バイアスコントロール回路とD/A変換回路の最
下位ビットのマッチング誤差も精度を低下させるので、
D/A変換の高精度化は困難である。
【0013】本発明は、以上の問題点に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、要求されるアナログ出力の範
囲全体にわたって高精度のD/A変換出力を生成できる
D/A変換器を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明の基本となる原理
は、図1に示すように、例えば前述の2ビット信号のD
/A変換回路1の場合、2つの入力ポートP1 ,P2 の
両方ともにPWM(パルス幅変調)信号を与えることに
より、D/A変換回路1の出力ポートから所望の電圧の
アナログ信号を出力可能としたことである。
【0015】例えば、前述した従来のD/A変換の原理
では得られない“2.5 V”を生成したい場合、図2の表
に示すように、ディジタル信号のデューティ比を定める
タイミングT1 ,T2 ,T3 ,T4 で、D/A変換回路
1の上位ビットの入力ポートP1 には順次“0”,
“1”,“0”,“1”のPWM信号を入力すると共
に、下位ビットの入力ポートP2 には順次“1”,
“0”,“1”,“0”を入力する。これに応じて、D
/A変換回路1は、上記タイミングで順次“2V”,
“3V”,“2V”,“3V”を出力する。そこで、図
3に示すように、この出力信号の“3V”部分の時間a
と“2V”部分の時間bを等しくする、すなわち、デュ
ーティ比a:b=1:1となるようにタイミングT1 ,
T2 ,T3 ,T4 を設定し、この出力信号をフィルタで
平滑化すると、“2.5 V”の電圧信号が得られる。
【0016】上記の原理に基づき、本発明のD/A変換
器は、二進数のコードで表わされるディジタル信号に対
してデューティ比を定めるパルス幅変調信号を発生する
PWM信号発生回路と、該PWM信号発生回路からのパ
ルス幅変調信号に応じたデューティ比を有するディジタ
ル入力信号を生成するディジタル入力信号生成回路と、
該ディジタル入力信号をアナログ信号を変換して出力す
るD/A変換回路と、該D/A変換回路から出力された
アナログ信号を平滑化するフィルタ回路とを備えたこと
を特徴とする。
【0017】本発明の一実施態様によると、前記PWM
信号発生回路はマイクロプロセッサであり、前記ディジ
タル入力信号生成回路は、該マイクロプロセッサから出
力されたディジタル信号を、前記パルス幅変調信号に応
じたデューティ比を有するディジタル入力信号として出
力するラッチ回路で構成される。
【0018】もう一つの実施態様によると、前記PWM
信号発生回路及び前記ディジタル入力信号生成回路は、
前記D/A変換回路から出力すべきアナログ信号の値に
対応したデューティ比を演算し、該デューティ比を有す
るディジタル入力信号を生成するようにプログラムされ
たマイクロプロセッサで構成される。
【0019】
【作用及び効果】本発明によれば、例えばnビットの分
解能(1/2n )を有するD/A変換器において、二進
数コード(m)に対応する電圧をVH 、その二進数コー
ド(m)から最小桁(1LSB)を減算した二進数コー
ド(m−1)に対応する電圧をVL とし、D/A変換回
路に入力されるディジタル信号に一方の二進数コード
(m)を入力する時間をa、他方の二進数コード(m−
1)を入力する時間をbとしたとき、D/A変換回路か
ら出力され且つフィルタ回路で平滑化されたアナログ電
圧信号VO は、 VO =(aVH +bVL )/(a+b) …(1) となり、最小桁1LSB以上の分解能が得られる。
【0020】上記のように、本発明によれば、所望のア
ナログ信号(電圧)を得るために、二進数コード(m)
に対応する電圧(VH )と、その二進数コード(m)か
ら最小桁(1LSB)を減算した二進数コード(m−
1)に対応する電圧(VL )との間の小さい範囲で、電
圧を平滑化することになり、フィルタ回路の時定数は小
さいものでよく、レスポンスが速くなると共に、デュー
ティ比を任意に設定することにより、二進数コードに対
応した2つの電圧VH とVL との間で任意の必要な電圧
を得ることができ、高精度のD/A変換が達成される。
【0021】
【発明の実施の形態】図4は、本発明のD/A変換器に
おいて、PWM信号に応じたデューティ比を有するディ
ジタル入力信号を生成する回路をハードウェアで構成し
た場合の実施例を示す。
【0022】このD/A変換器は、パルス幅変調(PW
M)信号発生回路としてマイクロプロセッサ11を備え
ている。この場合、マイクロプロセッサ11は、その出
力ポートの1つ(O1 )から二進数のコードで表わされ
るディジタル信号dを出力すると共に、他の出力ポート
(PWM) から、当該ディジタル信号dのデューティ比を定
めるPWM信号を発生するように構成されている。
【0023】図4のα点におけるPWM信号の波形は、
図5のようになる。PWM信号は、信号の“H”部分の
時間をa,“L”部分の時間をbとしたとき、そのデュ
ーティ比a:bを任意に設定できる。例として、図5
(A)はa:b=1:1の場合、図5(B)はa:b=
2:1の場合を示す。
【0024】上記マイクロプロセッサ11の出力ポート
(O1 )から出力されたディジタル信号dは、一対のラ
ッチ回路12,13に入力される。各ラッチ回路12,
13は、その出力可能化端子OEに供給されるPWM信
号が“H”のとき、2ビットのディジタル信号dに対応
して“0”又は“1”を出力する2つの出力ポートL1
,L2 を有する。各ラッチ回路の出力ポートL1 ,L2
は、後述のD/A変換回路15の入力ポートP1 ,P2
に接続されている。
【0025】図4の実施例では、マイクロプロセッサ1
1から出力されたPWM信号は、図の上方位置にあるラ
ッチ回路12に対しては、インバータ14で反転されて
そのラッチ回路12の出力可能化端子OEに供給される
一方、下方位置にあるラッチ回路13に対しては、その
ままラッチ回路13の出力可能化端子OEに供給され
る。
【0026】従って、PWM信号が“L”のとき、一の
ラッチ回路12の出力可能化端子OEに印加される信号
は“H”であるから、このラッチ回路12は出力可能化
され、マイクロプロセッサ11からのディジタル信号d
が、例えば“01”のとき、出力ポートL1 ,L2 にそ
れぞれ“0”,“1”を出力する。一方、他のラッチ回
路13の出力可能化端子OEに印加される信号は“L”
であるから、このラッチ回路13は出力しない。
【0027】また、PWM信号が“H”のとき、一のラ
ッチ回路12の出力可能化端子OEに印加される信号は
“L”であるから、このラッチ回路12は出力しない。
一方、他のラッチ回路13の出力可能化端子OEに印加
される信号は“H”であるから、このラッチ回路13は
出力可能化され、マイクロプロセッサ11からのディジ
タル信号dが、例えば“10”のとき、出力ポートL1
,L2 にそれぞれ“1”,“0”を出力する。
【0028】従って、上記ラッチ回路12及び13は、
各々の出力可能化端子OEに供給されるPWM信号の
“H”又は“L”の時間に応じたデューティ比をもって
D/A変換回路15に入力されるディジタル入力信号を
生成するディジタル入力信号生成回路を構成している。
【0029】次に、D/A変換回路15は、上記のよう
にしてラッチ回路12,13から出力されるディジタル
入力信号をアナログ信号を変換して出力するもので、例
えば図6に示した回路で構成される。
【0030】この回路は、複数(図6の場合5個)の抵
抗Rを直列接続し、その両端に所定の電圧(例えば0〜
5V)が印加される抵抗部17と、各抵抗Rの接続点に
おける電位を入力する複数(図6の場合4個)の入力端
子D1 〜D4 のいずれかに、外部からの入力信号に応じ
て切り換えられる電子スイッチSを介して接続される1
つの出力端子A1 を有するアナログスイッチ部18とで
構成されている。このようなアナログスイッチとして
は、CMOSトランジスタ等から成る公知のスイッチ回
路が用いられる。
【0031】この回路の電子スイッチSは、前述したラ
ッチ回路12,13からのディジタル入力信号の値に応
じて入力端子D1 〜D4 のいずれかに接続される。例え
ば、2ビットのディジタル入力信号の場合、“00”,
“01”,“10”,“11”の4種のディジタル信号
が前記入力ポートP1 ,P2 から入力されるので、電子
スイッチSは、入力が“00”の場合には入力端子D4
に、入力が“01”の場合には入力端子D3 に、入力が
“10”の場合には入力端子D2 に、入力が“11”の
場合には入力端子D1 にそれぞれ接続されるように、ア
ナログスイッチを構成する。これにより、4種のディジ
タル信号入力“00”,“01”,“10”,“11”
に対応して、抵抗部21の各抵抗Rで分圧された電圧1
V,2V,3V,4Vのいずれかが、出力端子A1 から
出力される。
【0032】上記のD/A変換回路15から出力された
アナログ(電圧)信号は、フィルタ回路16によって平
滑化される。このフィルタ回路16は、例えば図7
(A)、(B)に示すローパスフィルタで構成される。
【0033】図7(A)は、抵抗素子とキャパシタンス
素子とから成るR−C回路を複数段接続して構成したフ
ィルタ回路、同図(B)は、インダクタンス素子とキャ
パシタンス素子とから成るL−C回路を複数段接続して
構成したフィルタ回路である。いずれも、入力すなわち
上記D/A変換回路15からのアナログ信号を平滑化し
て出力する。
【0034】例えば、前述した公知技術によれば最下位
ビットの入力を変えるだけでは生成されない電圧信号を
得るために、本発明では、D/A変換回路1の上位ビッ
トの入力ポートP1 にもPWM信号が与えられる。そし
て、ディジタル信号のデューティ比を定めるタイミング
T1 ,T2 ,T3 ,T4 で、D/A変換回路1の上位ビ
ットの入力ポートP1 に順次“0”,“1”,“0”,
“1”を入力すると共に、下位ビットの入力ポートP2
には順次“1”,“0”,“1”,“0”を入力する
と、D/A変換回路1は、順次“2V”,“3V”,
“2V”,“3V”を出力する。この電圧信号を上記フ
ィルタ回路16に入力すると、フィルタ回路16は、入
力を“2V”と“3V”のデューティ比に応じた電圧に
平滑化する。例えば、前述のデューティ比a:b=1:
1の場合、図8に示すように、“2V”と“3V”が
1:1で平滑化され、結果として“2.5 V”が得られ
る。なお、デューティ比を任意に設定することにより、
“2V”と“3V”の間の任意の電圧を得ることができ
る。
【0035】すなわち、二進数コード“10”に対応す
る電圧VH =3,この二進数コード“10”から最小桁
(1LSB)を減算した二進数コード“01”に対応す
る電圧VL =2とし、D/A変換回路15に入力される
ディジタル信号に対して、二進数コード“10”を入力
する時間をa、他の二進数コード“01”を入力する時
間をbとすると、D/A変換回路15から出力されてフ
ィルタ回路16で平滑化されたアナログ出力信号VO
は、前記式(1) より VO =(3a+2b)/(a+b) …(2) となる。ここで、aとbの比(デューティ比)を1:1
とすれば、 VO =(3+2)/2= 2.5(V) が得られる。
【0036】次に、図9は、本発明のD/A変換器にお
いてPWM信号の発生のみならず、PWM信号に応じた
デューティ比を有するディジタル入力信号の生成をも、
ソフトウェアで行う、すなわちマイクロプロセッサで実
行する場合の構成を示す。
【0037】この場合、マイクロプロセッサ21は、二
進数のコードで表わされるディジタル信号を生成すると
共に、所望のアナログ変換出力の値に対応したデューテ
ィ比を有するディジタル入力信号を生成するように、プ
ログラムされている。
【0038】このマイクロプロセッサ21によるディジ
タル入力信号の生成は、図10に示す手順で行われる。
【0039】図10の動作手順において、マイクロプロ
セッサ21は、初めに、D/A変換によって出力したい
電圧(例えば 2.5V)を、外部の入力機器から或いは必
要な電圧に関するデータを予め格納した内部メモリから
読み込むと(ステップST1)、予め用意された、出力
電圧と二進数コードとの対応関係を示すデータテーブル
を参照し、ST1で読み込んだ電圧と二進数コードとの
対応をサーチする(ST2)。そして、上記 2.5Vのよ
うに、二進数コードと1対1に対応しない電圧の場合に
は、その電圧が、隣り合う2つの二進数コード(例え
ば、二進数コード“01”と“01”)の間にあると判
定し(ST3)、且つ、それらの二進数コードは2Vと
3Vの出力電圧に対応していることを認識する(ST
4)。
【0040】次に、デューティ比を演算する(ST
5)。この場合、デューティ比(%)は、図11に示す
ように、隣り合う2つの二進数コードに対応する出力電
圧に対する目的の電圧の割合である。例えば、2.5 Vの
場合は、2Vと3Vの間にあって、2Vのデューティ比
は0%、3Vのデューティ比は100%に相当するか
ら、2.5 Vのデューティ比は、次のようになる。
【0041】 (100%−0%)×(2.5V−2V)/(3V−2V) = 50% …(3) 上記のようにデューティ比が求められると、マイクロプ
ロセッサ21は、そのデューティ比でディジタル入力信
号を生成するように内部のタイマを設定し、そのデュー
ティ比を有するディジタル入力信号を出力する(ST
6)。
【0042】図9の実施例では、上記のようにマイクロ
プロセッサ21でディジタル入力信号を生成する点が、
図4の実施例と異なるところであり、生成されたディジ
タル入力信号をD/A変換回路15に入力して電圧信号
を変換し、更にフィルタ回路16で平滑化する点は同じ
である。
【0043】図9の実施例によれば、マイクロプロセッ
サがPWM信号の発生だけでなく、目的のアナログ信号
に対応するディジタル入力信号の生成も行うので、従来
のマイコンの他に、特別のハードウェア回路を必要とせ
ず、マイコンのプログラミングにより、所望のアナログ
信号に変換されるディジタル信号を発生することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のD/A変換器の基本的構成を示す図。
【図2】図1におけるPWM信号と出力電圧との関係を
示す図。
【図3】図2の出力電圧の時間変化を示す波形図。
【図4】本発明の一実施例の回路構成を示す図。
【図5】図4の回路におけるPWM信号の時間変化を示
す波形図。
【図6】図4の実施例におけるD/A変換回路の具体的
構成例を示す図。
【図7】図4の実施例におけるフィルタ回路の具体的構
成例を示す図。
【図8】図4の実施例におけるフィルタ回路で平滑化さ
れたアナログ信号の波形図。
【図9】本発明の別の実施例の構成を示す図。
【図10】図9の実施例におけるマイクロプロセッサの
動作を示すフローチャート。
【図11】所定の電圧範囲におけるデューティ比の割合
を示すグラフ。
【図12】従来のD/A変換器の原理を示す図。
【図13】図12のD/A変換器におけるディジタル入
力信号と出力電圧との関係を示す図。
【図14】従来のD/A変換器において入力の1つをP
WM信号とした場合を示す図。
【図15】図14のD/A変換器における入力信号と出
力電圧との関係を示す図。
【図16】3つのディジタル入力信号と出力電圧との関
係を示す図。
【符号の説明】
1…D/A変換回路、11…マイクロプロセッサ、1
2,13…ラッチ回路、14…インバータ回路、15…
D/A変換回路、16…フィルタ回路、17…抵抗部、
18…アナログスイッチ部、21…マイクロプロセッ
サ。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】二進数のコードで表わされるディジタル信
    号に対してデューティ比を定めるパルス幅変調信号を発
    生するPWM信号発生回路と、 該PWM信号発生回路からのパルス幅変調信号に応じた
    デューティ比を有するディジタル入力信号を生成するデ
    ィジタル入力信号生成回路と、 該ディジタル入力信号をアナログ信号を変換して出力す
    るディジタル/アナログ変換回路と、 該ディジタル/アナログ変換回路から出力されたアナロ
    グ信号を平滑化するフィルタ回路とを備えたことを特徴
    とするディジタル/アナログ変換器。
  2. 【請求項2】前記PWM信号発生回路はマイクロプロセ
    ッサであり、前記ディジタル入力信号生成回路は、該マ
    イクロプロセッサから出力されたディジタル信号を、前
    記パルス幅変調信号に応じたデューティ比を有するディ
    ジタル入力信号として出力するラッチ回路で構成されて
    いることを特徴とする、請求項1のディジタル/アナロ
    グ変換器。
  3. 【請求項3】前記PWM信号発生回路及び前記ディジタ
    ル入力信号生成回路は、前記ディジタル/アナログ変換
    回路から出力すべきアナログ信号の値に対応したデュー
    ティ比を演算し、該デューティ比を有するディジタル入
    力信号を生成するようにプログラムされたマイクロプロ
    セッサで構成されていることを特徴とする、請求項1の
    ディジタル/アナログ変換器。
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JP (1) JPH09116438A (ja)

Cited By (5)

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