JPH11136129A - Pwm変換回路およびそれを用いたセンサ装置 - Google Patents

Pwm変換回路およびそれを用いたセンサ装置

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JPH11136129A
JPH11136129A JP9295765A JP29576597A JPH11136129A JP H11136129 A JPH11136129 A JP H11136129A JP 9295765 A JP9295765 A JP 9295765A JP 29576597 A JP29576597 A JP 29576597A JP H11136129 A JPH11136129 A JP H11136129A
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circuit
signal
output
counter
pwm
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JP9295765A
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Yukihiko Tanizawa
幸彦 谷澤
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Denso Corp
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Denso Corp
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/02Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/06Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K7/00Modulating pulses with a continuously-variable modulating signal
    • H03K7/08Duration or width modulation ; Duty cycle modulation

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 集積化に適したPWM変換回路を提供する。 【解決手段】 クロック信号CLKを発生するクロック
発生回路21と、クロック信号CLKをカウントするカ
ウンタ22と、カウンタ22のカウント出力をアナログ
信号に変換するD/A変換回路23と、D/A変換回路
23にて変換されたアナログ信号と入力信号Vinを比較
してリセット信号を出力するコンパレータ24と、カウ
ンタ22のカウント値が最大になる毎にANDゲート2
6から出力されるセット信号によりセットされコンパレ
ータ24から出力されるリセット信号によりリセットさ
れて、入力信号Vinに応じたデューティ比のPWM信号
を出力するRSフリップフロップ25を備えている。こ
のRSフリップフロップ25は、クロック信号CLKと
立ち下がりタイミングが異なるクロック信号CLK’に
同期してセット信号、リセット信号によりセット、リセ
ットされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、センサ信号などの
入力信号をPWM信号に変換して出力するPWM変換回
路およびそれを用いたセンサ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、自動車用圧力センサ等の出力は、
アナログ電圧値出力が主流である。しかしながら、セン
サ出力を受ける制御コンピュータ側には、A/D変換器
を設ける必要があり、増大するセンサ群に対応して、A
/D変換器のポートを増設するなどの必要がでてきてい
る。
【0003】これに対し、A/D変換器を不要とし一本
の信号線で通信を行う方法として、PWM(パルス幅変
調)変換回路を用いたものがある。この場合、図10に
示すように、センサ回路1の出力をPWM変換回路2で
PWM信号に変換して出力する構成となり、制御コンピ
ュータは、送信された信号のパルス幅をタイマーで計測
するだけでよくなる。
【0004】従来のPWM変換回路の一例を図11に示
す。このPWM変換回路は、ヒステリシス・コンパレー
タ201、スイッチ素子202、コンデンサ203、定
電流源204、205、およびコンパレータ206から
構成されている。このような構成において、今、ヒステ
リシス・コンパレータ201の出力が、スイッチ素子2
02を実質的にOFFしたとすると、コンデンサ203
は、定電流源204からの電流Iによって充電されるた
め、ヒステリシス・コンパレータ201の入力電位は、
時間に比例して上昇する。
【0005】そして、ヒステリシス・コンパレータ20
1の入力電位が設定された電位に達すると、ヒステリシ
ス・コンパレータ201の出力は反転し、スイッチ素子
202をONにして、定電流源205により電流2Iが
流れる。このため、コンデンサ203は、2I−I=I
の電流で放電され、時間に比例してヒステリシス・コン
パレータ201の入力電位は下降する。これにより、コ
ンパレータ206の反転入力端子に三角波信号が入力さ
れる。
【0006】また、コンパレータ206の非反転入力端
子には、PWM変換される入力信号Vinが入力される。
コンパレータ206は、三角波信号と入力信号Vinとを
比較し、入力信号Vinに応じたデューティ比のPWM信
号を出力する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】近年、半導体圧力セン
サ等においては、コストダウンのため、部品点数の低減
が進んでおり、歪みゲージ等のセンシング部と信号処理
回路とを一体化した集積化センサになってきている。こ
のため、PWM変換回路も1チップ内に集積化すること
が考えられる。
【0008】そこで、図11に示すPWM変換回路の集
積化について検討してみる。コンパレータ等の入力バイ
アス電流でコンデンサ203の充放電に影響がないよう
にするためには、通常I=10μA以上に設定する必要
がある。時間ΔTに対する三角波信号の電位変化ΔV
は、ΔV=1/C・I・ΔTで表される。なお、Cはコ
ンデンサ203の容量である。ここで、三角波信号の繰
り返し周波数を50Hz、ΔVを3Vとすると、C=3
00nFとなる。
【0009】しかしながら、集積化できる実用的な容量
値は数十pFであるため、容量値がその1000〜10
000倍もあるコンデンサを集積化することは困難であ
る。このため、上記したPWM変換回路を用いる場合に
は、チップコンデンサ等の部品を用いて、厚膜基板等に
組み付けたハイブリッドICとする必要がある。本発明
は上記問題に鑑みたもので、集積化に適したPWM変換
回路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】上記目的を達成するた
め、請求項1乃至4に記載のPWM変換回路において
は、クロック信号を発生するクロック発生回路(21)
と、クロック発生回路(21)からのクロック信号をカ
ウントするカウンタ(22)と、カウンタ(22)のカ
ウント出力をアナログ信号に変換するD/A変換回路
(23)と、D/A変換回路(23)にて変換されたア
ナログ信号とPWM変換される信号とを比較する比較回
路(24)と、カウンタ(22)のカウント出力が変化
するタイミングとずれたラッチ信号により比較回路(2
4)の出力をラッチしてPWM信号を出力するラッチ回
路(25)とを備えたことを特徴としている。
【0011】このように、クロック発生回路(21)か
らのクロック信号をカウンタ(22)にてカウントし、
カウンタ(22)のカウント出力をD/A変換回路(2
3)にてアナログ信号に変換して、PWM変換される信
号と比較回路(24)にて比較することによって、従来
のPWM変換回路のような大きな容量値のコンデンサが
必要でなく、集積化に適したPWM変換回路とすること
ができる。
【0012】この場合、カウンタ(22)のカウント出
力が変化する期間とタイミングのずれたラッチ信号によ
り比較回路(24)の出力をラッチ回路(25)にラッ
チするようにしているから、カウンタ(22)のカウン
ト出力の切替わり時に、D/A変換回路(23)の出力
にグリッジ(スパイク状のノイズ)が現われても、それ
とタイミングをずらして比較回路(24)の出力をラッ
チすることによって、グリッジに影響されずPWM変換
を正確に行うことができる。
【0013】また、請求項5に記載のセンサ装置におい
ては、請求項1に記載のPWM変換回路を用い、センサ
回路(1)からのセンサ信号をPWM信号に変換して出
力することができる。この場合、請求項6に記載のよう
に、センサ回路(1)およびPWM変換回路の各構成要
素を、集積化した1チップ構成のものとすることができ
る。
【0014】また、請求項6に記載の発明のように、セ
ンサ回路(1)からのセンサ信号の所望の変化範囲に対
応して、ラッチ回路(25)から出力されるPWM信号
を、最低パルス幅と最大パルス幅の間に設定する回路
(27〜31)を設けるようにすれば、正常時に必ず所
定のパルス幅を有するPWM信号が出力されるため、故
障などにより出力信号が一定になる場合と区別すること
ができる。
【0015】なお、上記各手段に付した括弧内の符号
は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を
示すものである。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。図1に、本発明の一実施形態を示す
PWM変換回路の構成を示す。また、図2に、図1中の
各部の信号波形を示す。この実施形態におけるPWM変
換回路は、クロック発生回路21と、カウンタ22と、
D/A変換回路(以下、DACという)23と、コンパ
レータ24と、同期信号入力付きのSRフリップフロッ
プ25と、ANDゲート26から構成されている。
【0017】クロック発生回路21は、図2に示すよう
に、クロック信号CLKと、このクロック信号CLKと
立ち下がりタイミングがずれたクロック信号CLK’を
出力する。カウンタ22は、クロック発生回路21から
出力されるクロック信号CLKをカウントし、DAC2
3は、カウンタ22のカウント値を示すディジタル信号
をアナログ信号に変換する。
【0018】従って、カウンタ22のカウント動作に従
ってDAC23からは階段状に変化する階段波電圧が出
力される。コンパレータ24は、DAC23から出力さ
れる電圧と入力電圧Vinとを比較し、DAC23から出
力される電圧が入力電圧Vinを超えたときにハイレベル
のリセット信号を出力する。ANDゲート26は、1周
期終了検出用デコーダとして機能するもので、カウンタ
22のカウント値が最大になる毎に、セット信号を出力
する。
【0019】SRフリップフロップ25は、クロック発
生回路21からのクロック信号CLK’(ラッチ信号)
の立ち下がりタイミングで、セット信号、リセット信号
によって、セット、リセットされるものである。従っ
て、SRフリップフロップ25は、ANDゲート26か
らのセット信号により所定周期毎にセットされ、入力電
圧Vinに応じたリセットタイミングでリセットされるた
め、一定周期で入力電圧Vinに応じたパルス幅の信号、
すなわち入力電圧Vinに応じたデューティ比のPWM信
号を出力する。
【0020】次に、図1に示すクロック発生回路21の
具体的な構成について説明する。クロック発生回路21
は、図3に示すように、RC発振器211と、3ビット
カウンタ212と、クロック信号CLK’を発生する回
路213から構成されている。RC発振器211は、コ
ンパレータ211aと、抵抗211b、211c、21
1dと、コンデンサ211eから構成されており、例え
ば抵抗211b、211c、211dをそれぞれ16k
Ω、4kΩ、55kΩとし、コンデンサ211eを25
pF、基準電圧Vref を3Vにすると、出力Vout とし
て102.4kHzの方形波の発振信号Vout が出力さ
れる(図4(a)参照)。
【0021】3ビットカウンタ212は、3つのTフリ
ップフロップ212a、212b、212cから構成さ
れており、RC発振器211から出力される発振信号V
outをカウントする。Tフリップフロップ212a、2
12b、212cは、入力信号の立ち下がりで出力が反
転するもので、Tフリップフロップ212aのQ端子、
Qバー端子からは、図4(b)、(c)に示す信号が出
力され、Tフリップフロップ212bのQ端子、Qバー
端子からは、図4(d)、(e)に示す信号が出力さ
れ、Tフリップフロップ212cのQ端子、Qバー端子
からは、図4(f)、(g)に示す信号が出力される。
そして、Tフリップフロップ212cのQ端子から図4
(f)に示すクロック信号CLKが出力される。
【0022】なお、3ビットカウンタ212に用いられ
るTフリップフロップ212a、212b、212c
は、I2 Lゲートを用いて構成されている。また、クロ
ック信号CLK’を発生する回路213は、図1に示す
RSフリップフロップ25のクロック信号CLK’を発
生するもので、3つのI2 Lゲート213a、213
b、213cから構成されている。この回路213は、
Tフリップフロップ212a、212b、212cの各
Qバー端子から出力される信号(図4(c)、(e)、
(g)参照))により、図4(h)に示すクロック信号
CLK’を出力する。このクロック信号CLK’は、図
4(f)に示すクロック信号CLKに対し、立ち上がり
タイミングが同じで、立ち下がりタイミングが遅れた信
号となる。
【0023】次に、図1に示すカウンタ22の具体的な
構成について説明する。カウンタ22は、図5に示すよ
うに、I2 Lゲート221と、8つのTフリップフロッ
プ222、223、224、225、…、228、22
9から構成されており、クロック発生回路21からのク
ロック信号CLKをカウントし、8ビットのディジタル
信号をDAC23に出力する。なお、このTフリップフ
ロップ222〜227も、入力信号の立ち下がりで出力
が反転するもので、I2 Lゲートを用いて構成されてい
る。また、ANDゲート26も、実際にはI2 Lゲート
にて構成されている。
【0024】そして、DAC23は、このカウンタ22
のカウント出力をアナログ信号に変換する。この場合、
上述したRC発振器211の発振信号Vout が102.
4kHzの方形波であり、それを3ビットカウンタ21
2およびカウンタ22による11個のTフリップフロッ
プによってカウントすることによって、DAC23から
は、102.4〔Hz〕×103 ÷211=50〔Hz〕
の階段波電圧が出力される。
【0025】また、8個のTフリップフロップ222〜
227の各Qバー端子出力は、ANDゲート26に入力
されている。そして、8個のTフリップフロップ222
〜227の各Q端子出力が全て1になったとき、AND
ゲート26からハイレベルのセット信号が出力さる。上
記した構成において、カウンタ22を用いた場合、カウ
ンタ22のLSB(最下位ビット)が反転するタイミン
グで、図2に示すように、DAC23の出力電圧の変わ
り目にグリッジ(スパイク状のノイズ)が現れる。この
グリッジは、カウンタ22の各ビットの切替わりのタイ
ミングがずれることなどに起因している。具体的には、
カウンタ22のLSBの立ち上がり、立ち下がりタイミ
ングにおいてDAC23の出力が変化するが、カウンタ
22の各ビットの切替わりタイミングが、MSB(最上
位ビット)に近づくにつれて遅れるので、DAC23の
出力にグリッジが現われる。図2では、DAC23の出
力がコンパレータ24の入力電圧Vinに近づいた場合を
示しているが、このグリッジのため、コンパレータ24
の出力にチャタリング(出力のばたつき)が生じる。
【0026】本実施形態では、コンパレータ24の出力
にチャタリングが発生する期間、すなわちカウンタ22
のカウント出力が変化する期間とずれたタイミングでク
ロック信号CLK’が立ち下がるようにしてコンパレー
タ24の出力信号をラッチするようにしている。このた
め、DAC23の出力に生じるノイズに影響されずにP
WM変換を行うことができる。
【0027】また、DAC23の出力には、図6に示す
ように、非直線性がありコンパレータ24の出力にチャ
タリングが生じる場合があるが、この場合もラッチする
ことによって、コンパレータ出力のチャタリングに影響
されずにPWM変換を行うことができる。なお、上記し
た構成によれば、RC発振器211における抵抗211
b、211c、211d、コンデンサ211eの値を、
上述したように集積化可能な値に設定することができる
ため、図1に示すPWM変換回路を集積化して1チップ
構成のものとすることができる。
【0028】次に、上記したPWM変換回路およびセン
サ回路を、半導体圧力センサに適用した実施形態につい
て説明する。この場合、センサ回路とPWM変換回路の
ブロク構成は、図10に示すようになる。図7(a)
に、半導体圧力センサの斜視構成を示し、図7(b)に
その断面構成を示す。半導体圧力センサは、台座13上
にシリコンチップ12が接合して構成されている。シリ
コンチップ12にはダイヤフラム13が形成され、この
ダイヤフラム13と台座11との間に真空室14が形成
されて、絶対圧を検出する構成となっている。
【0029】また、シリコンチップ12において、図7
(a)に示すように、ダイヤフラム13に、センシング
部としての4つの歪みゲージ1aが形成され、ダイヤフ
ラム13の周囲に、歪みゲージ1aからの信号を処理す
る信号処理回路1bが形成されている。なお、歪みゲー
ジ1aおよび信号処理回路1bにて、図10に示すセン
サ回路1が構成されている。また、ダイヤフラム13の
周囲には、PWM変換回路2が形成されている。
【0030】この圧力センサは、大気圧を基準に大気圧
よりP気圧高い圧力ま検出できるものとしている。この
場合、センサ回路1からのセンサ信号は、検出圧力の上
昇に比例して大きくなるが、大気圧の時にデューティ比
が0%で、(大気圧+P気圧)の時にデューティ比が1
00%とすると、大気圧あるいは大気圧より低い負圧の
場合には、PWM出力はローレベルのままとなり、また
(大気圧+P気圧)以上の場合には、PWM出力がハイ
レベルのままになってしまう。このため、回路の故障な
どにより出力信号が一定になる場合との区別がつかなく
なる。
【0031】そこで、この実施形態においては、図8
(a)に示すように、センサ回路1からのセンサ信号が
大気圧の信号レベルの時にデューティ比が10%で、
(大気圧+P気圧)の信号レベルの時にデューティ比が
90%になるようにしている。この場合、PWM信号
は、図8(b)に示すように、デューティ比が10%か
ら90%の間で変化する。
【0032】図9に、この実施形態におけるPWM変換
回路2の具体的な構成を示す。このPWM変換回路2に
おいては、図1に示すPWM変換回路に対し、周期が1
0%になったことを検出する第1の周期検出回路27
と、周期が90%になったことを検出する第2の周期検
出回路28と、第1の周期検出回路27の出力によりセ
ットされ第2の周期検出回路28の出力によりリセット
されるフリップフロップ29と、ANDゲート30と、
ORゲート31が追加されている。
【0033】この構成において、第1の周期検出回路2
7が、カウンタ22における8個のTフリップフロップ
222〜227の各Q端子出力に基づき、周期が10%
になったことを検出すると、フリップフロップ29をセ
ットする。そして、フリップフロップ29からの出力に
よりANDゲートが開かれるため、コンパータ24から
のリセット信号がRSフリップフロップ25に出力でき
るようになる。
【0034】また、第2の周期検出回路28が、カウン
タ22における8個のTフリップフロップ222〜22
7の各Q端子出力に基づき、周期が90%になったこと
を検出すると、フリップフロップ29をリセットすると
ともに、ORゲート31を介してRSフリップフロップ
25にリセット信号を出力する。従って、センサ回路1
からのセンサ信号の所望の変化範囲(大気圧〜大気圧+
P気圧のセンサ信号範囲)に対応して、RSフリップフ
ロップ25から出力されるPWM信号を、最低パルス幅
と最大パルス幅の間に設定することができる。このこと
によって、正常時には必ず所定のパルス幅を有するPW
M信号が出力されるため、故障などにより出力信号が一
定になる場合と区別することができる。
【0035】なお、上記した実施形態においては、クロ
ック発生回路21およびカウンタ22をI2 Lゲートを
用いて構成しているため、センサ回路1をバイポーラI
Cプロセスで作製した場合、そのプロセスに比較的少な
いプロセスの追加でPWM変換回路2を実現することが
できる。なお、I2 Lゲート以外に、CMOSゲートで
実現することも可能である。なお、I2 Lゲートは、ハ
イレベルがトランジスタのVBE=0.7V程度、ローレ
ベルがVCE(sat )=0.1V以下程度で動作し、振幅
が0.7V程度と小さいため、必要に応じて振幅増大の
ための電力増幅器をつけるようにしてもよい。
【0036】また、カウンタ22として、アップカウン
トを行う構成のものとしたが、ダウンカウントを行うも
の、あるいはアップダウンカウントを行うものを用いて
構成してもよい。さらに、ラッチ回路として、同期信号
入力付きのRSフリップフロップ25を示したが、ラッ
チ機能があれば他の構成のものとしてもよい。また、D
AC23としては、R−2Rラダー形などのコンバータ
を使うことができる。
【0037】さらに、センサ装置として半導体圧力セン
サを示したが、その他のセンサ装置に本発明を適用する
ようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示すPWM変換回路の構
成を示す図である。
【図2】図1中の各部の信号波形を示す図である。
【図3】図1中のクロック発生回路21の具体的構成を
示す図である。
【図4】図4中の各部の信号波形を示す図である。
【図5】図1中のカウンタ22の具体的構成を示す図で
ある。
【図6】図1中のDAC23の出力に非直線性がある場
合の作動説明に供する説明図である。
【図7】本発明を半導体圧力センサに適用した実施形態
における半導体圧力センサの構成を示す図である。
【図8】本発明を半導体圧力センサに適用した実施形態
における検出圧力とPWM信号の関係を示す図である。
【図9】本発明を半導体圧力センサに適用した実施形態
におけるPWM変換回路の具体的構成を示す図である。
【図10】センサ信号をPWM変換して出力する場合の
ブロック構成を示す図である。
【図11】従来のPWM変換回路の構成を示す図であ
る。
【符号の説明】
1…センサ回路、2…PWM変換回路、21…クロック
発生回路、22…カウンタ、23…DAC、24…コン
パレータ、25…SRフリップフロップ、26…AND
ゲート。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 クロック信号を発生するクロック発生回
    路(21)と、 このクロック発生回路(21)からのクロック信号をカ
    ウントするカウンタ(22)と、 このカウンタ(22)のカウント出力をアナログ信号に
    変換するD/A変換回路(23)と、 このD/A変換回路(23)にて変換されたアナログ信
    号とPWM変換される信号とを比較する比較回路(2
    4)と、 前記カウンタ(22)のカウント出力が変化する期間と
    タイミングのずれたラッチ信号により、前記比較回路
    (24)の出力をラッチしてPWM信号を出力するラッ
    チ回路(25)とを備えたことを特徴とするPWM変換
    回路。
  2. 【請求項2】 前記クロック発生回路(21)は、発振
    信号を出力する発振回路(211)と、この発振回路
    (211)からの発振信号により前記クロック信号と前
    記ラッチ信号を出力する回路(212、213)とを有
    することを特徴とする請求項1に記載のPWM変換回
    路。
  3. 【請求項3】 前記ラッチ回路(25)は、所定周期で
    出力される信号と前記比較回路(24)の出力を前記ラ
    ッチ信号にてラッチしてセット、リセットされる同期信
    号入力付きのフリップフロップ回路であることを特徴と
    する請求項2又は3に記載のPWM変換回路。
  4. 【請求項4】 センサ信号を出力するセンサ回路(1)
    と、 クロック信号を発生するクロック発生回路(21)と、 このクロック発生回路(21)からのクロック信号をカ
    ウントするカウンタ(22)と、 このカウンタ(22)のカウント出力をアナログ信号に
    変換するD/A変換回路(23)と、 このD/A変換回路(23)にて変換されたアナログ信
    号と前記センサ回路(1)からのセンサ信号とを比較す
    る比較回路(24)と、 前記カウンタ(22)のカウント出力が変化する期間と
    タイミングのずれたラッチ信号により、前記比較回路
    (24)の出力をラッチしてPWM信号を出力するラッ
    チ回路(25)とを備えたことを特徴とするセンサ装
    置。
  5. 【請求項5】 前記センサ回路(1)、前記クロック発
    生回路(21)、前記カウンタ(22)、前記D/A変
    換回路(23)、前記比較回路(24)、および前記ラ
    ッチ回路(25)が、集積化された1チップ構成のもの
    となっていることを特徴とする請求項4に記載のセンサ
    装置。
  6. 【請求項6】 前記センサ回路(1)からのセンサ信号
    の所望の変化範囲に対応して、前記ラッチ回路(25)
    から出力される前記PWM信号を、最低パルス幅と最大
    パルス幅の間に設定する回路(27〜31)を有するこ
    とを特徴とする請求項4に記載のセンサ装置。
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