JPS6011492B2 - Analog to digital converter - Google Patents

Analog to digital converter

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JPS6011492B2
JPS6011492B2 JP13975377A JP13975377A JPS6011492B2 JP S6011492 B2 JPS6011492 B2 JP S6011492B2 JP 13975377 A JP13975377 A JP 13975377A JP 13975377 A JP13975377 A JP 13975377A JP S6011492 B2 JPS6011492 B2 JP S6011492B2
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JP
Japan
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mode
voltage
capacitor
operational amplifier
input
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JP13975377A
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珪紀 山口
信重 鮫島
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Yokogawa Electric Corp
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Yokogawa Hokushin Electric Corp
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  • Analogue/Digital Conversion (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高速度で分解能の高いアナログ・デジタル変換
器に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a high speed, high resolution analog-to-digital converter.

従来、逐次比較形のァナoグ・デジタル変換器では「高
速素子を使用することにより、変換処理時間がlowS
以下で分解館が14ビット以上のものも設計されている
が、価格が極めて高価である。
Conventionally, successive approximation type analog-to-digital converters use high-speed elements to reduce conversion processing time to lowS.
The following models with a disassembly of 14 bits or more have been designed, but they are extremely expensive.

一方、近年マイクロ・コンピュータが発達し、相当高度
の処理を行なう制御回路が小型かつ安価に得られるよう
になった。本発明は、高速度でかつ高分解能のアナログ
・デジタル変換器を安価に提供することを目的とする。
On the other hand, with the development of microcomputers in recent years, control circuits that perform fairly sophisticated processing can now be obtained in a small size and at low cost. An object of the present invention is to provide a high-speed, high-resolution analog-to-digital converter at low cost.

すなわち、本発明はアナログ・デジタル変換器の制御に
、上述のようなマイクロ・コンピュータによる制御回路
あるいは相当のロジック回路を利用しても、従釆品より
安価に高度のアナログ・デジタル変換器が得られること
に着目したものである。
In other words, the present invention provides an advanced analog-to-digital converter at a lower cost than conventional products even if a microcomputer-based control circuit as described above or an equivalent logic circuit is used to control the analog-to-digital converter. It focuses on the fact that

本発明は、演算増幅器に対し、入力信号、基準電圧およ
びコンデンサ、抵抗器等の回路素子をスイッチにより切
り換えて接続し、標本化、比較、2倍電圧発生、帰還等
のモードを作り、アナログ信号をデジタル信号に変換す
ることを特徴とする。
The present invention connects an input signal, a reference voltage, and circuit elements such as capacitors and resistors to an operational amplifier by switching between them to create modes such as sampling, comparison, double voltage generation, and feedback, thereby creating an analog signal. It is characterized by converting it into a digital signal.

実施例図面によりさらに詳しく説明する。This will be explained in more detail with reference to the drawings.

第1図は本発明実施例の回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram of an embodiment of the present invention.

端子8xはアナログ信号入力、端子0dはデジタル信号
出力である。差動演算増幅器Uの非反転入力には、スイ
ッチSoを介して基準電圧Esが、スイッチS,を介し
て入力端子Exの電位が、スイッチS7を介して共通電
位がそれぞれ与えられるよう構成されている。また演算
増幅器Uの反転入力には、スイッチS2を介して増幅器
Uの出力電圧が与えられるよう結合されている。またこ
の反転入力には、コンデンサC,の一端が接続され、そ
の他端はスイッチS3を介して共通電位点に接続されて
いる。演算増幅器Uの出力は、スイッチS9および抵抗
器R3を介して、デジタル出力端子○dに結合されると
ともに、スイッチS6、2個の値の等しい直列抵抗器R
,およびR2を介して共通電位に接続されている。この
抵抗器R,とR2の接続点電位は、前述のスイッチS3
に結合されている。スイッチS6には、スイッチS3を
介して接地電位が接続されるとともに、コンデンサC2
の一端が接続され、その他端は、スイッチS4を介して
増幅器Uの非反転入力に、またスイッチS5を介して接
地電位にそれぞれ接続されている。デジタル出力端子0
dは、共通電位との間にゼナーダィオードD,が接続さ
れるとともに、制御回路CONTに導かれている。この
制御回路CONTは、上述のスイッチSo〜S8の開閉
を制御するためのもので、マイクロ・コンピュータまた
は論理回路により構成されている。なおスイッチSo〜
Ssは半導体スイッチにより構成される。このように構
成された回路の動作を説明する。
The terminal 8x is an analog signal input, and the terminal 0d is a digital signal output. The non-inverting input of the differential operational amplifier U is configured to be supplied with the reference voltage Es via the switch So, the potential of the input terminal Ex via the switch S, and the common potential via the switch S7. There is. Further, the inverting input of the operational amplifier U is coupled to the output voltage of the amplifier U via a switch S2. Further, one end of a capacitor C is connected to this inverting input, and the other end is connected to a common potential point via a switch S3. The output of the operational amplifier U is coupled to the digital output terminal ○d via a switch S9 and a resistor R3, and a switch S6 and two equal-value series resistors R.
, and connected to a common potential via R2. The potential at the connection point between these resistors R and R2 is determined by the switch S3 mentioned above.
is combined with The switch S6 is connected to the ground potential via the switch S3, and is connected to the capacitor C2.
The other end is connected to the non-inverting input of the amplifier U via the switch S4, and to the ground potential via the switch S5. Digital output terminal 0
A Zener diode D is connected between d and the common potential, and is led to the control circuit CONT. This control circuit CONT is for controlling the opening and closing of the above-mentioned switches So to S8, and is constituted by a microcomputer or a logic circuit. In addition, switch So~
Ss is constituted by a semiconductor switch. The operation of the circuit configured in this way will be explained.

第2図は制御回路CONTの制御流れ図である。第2図
で■〜■はそれぞれ第一〜第五のモードを示し、その各
モードにおけるスイッチSo〜S9の状態は第1表のと
おりである。第一モードの等価回路図は第3図のように
なる。
FIG. 2 is a control flowchart of the control circuit CONT. In FIG. 2, ■ to ■ indicate the first to fifth modes, respectively, and the states of the switches So to S9 in each mode are as shown in Table 1. The equivalent circuit diagram of the first mode is shown in FIG.

この状態で、アナログ入力電圧Exと等しい電圧が、コ
ンデンサC,の両端の電位V,として標本化される。第
二モードの等価回路は第4図のようになる。
In this state, a voltage equal to the analog input voltage Ex is sampled as the potential V, across the capacitor C. The equivalent circuit of the second mode is as shown in FIG.

第1表この状態では、標本化されたコンデンサC,の両
端の電位V,が、基準電圧Esと比較される。
Table 1 In this state, the potential V, across the sampled capacitor C, is compared with the reference voltage Es.

ゼナーダィオードD,のゼナー電圧を、TTLレベルで
ある5Vにしておけば、出力端子○dの電圧はV,くE
sのとき OVV.>Esのとき 5V となる。
If the zener voltage of the zener diode D, is set to 5V, which is the TTL level, the voltage of the output terminal ○d will be V, kuE.
When s OVV. >Es, it becomes 5V.

これは、第2図の流れ図に示すように、制御回路CON
Tにより判断される。いま、V,<Esであるならば、
第三モードが設定される。
This is done by controlling the control circuit CON as shown in the flowchart of FIG.
It is determined by T. Now, if V,<Es, then
A third mode is set.

このときの等価回路は第5図のとおりである。すなわち
、抵抗器R,とR2の値は等しいので、コンデンサC,
の両端電圧V,の一2倍の電圧が増幅器Uの出力に現わ
れ、コンデンサC2に充電される。前述の第二モードの
比較において、V,>ESならば、第2図の流れ図に示
すとおり第四モードが設定される。
The equivalent circuit at this time is shown in FIG. That is, since the values of resistors R and R2 are equal, the capacitors C,
A voltage 12 times the voltage V, across the voltage V, appears at the output of the amplifier U and charges the capacitor C2. In the comparison of the second mode described above, if V,>ES, the fourth mode is set as shown in the flowchart of FIG.

この等価回路は第6図に示すとおりである。すなわち、
演算増幅器Uの非反転入力に基準電圧Esが結合され、
その出力には−2(V‘一Es) が現われ、これがコンデンサC2に充電される。
This equivalent circuit is as shown in FIG. That is,
A reference voltage Es is coupled to the non-inverting input of the operational amplifier U;
-2 (V'-Es) appears at its output, which is charged to capacitor C2.

第三または第四モードで、コンデンサC2に得られた電
圧は負電圧であるので、第五モードによってその極性が
反転され帰還され、再びコンデンサC,に充電される。
第五モードの等価回路を第7図に示す。これにより新し
い電圧V2が得られ、再び第二モードへ循環する。この
ように、モードを循環させると、第二モ−ドにおいてコ
ンデンサC,の両端電圧Viと基準電圧Esを比較する
毎に、出力0dに得られるOVまたは5Vの電圧は、は
じめの入力電圧Bxがデジタル化されたバィナリ信号と
なる。
Since the voltage obtained across the capacitor C2 in the third or fourth mode is a negative voltage, its polarity is reversed and fed back in the fifth mode to charge the capacitor C again.
The equivalent circuit of the fifth mode is shown in FIG. This provides a new voltage V2 and cycles back to the second mode. When the modes are cycled in this way, each time the voltage Vi across the capacitor C and the reference voltage Es are compared in the second mode, the voltage of OV or 5V obtained at the output 0d is equal to the initial input voltage Bx becomes a digitized binary signal.

次にこの出力0dに得られる信号が、入力電圧Exのデ
ジタル化されたバィナリ信号となる理由を説明する。
Next, the reason why the signal obtained at this output 0d is a binary signal obtained by digitizing the input voltage Ex will be explained.

一般に第(i十1)回目のステップで、コンデンサC.
の両端電圧V…はV,十,=2(V,一aiEs)……
【11と表わすことができる。
Generally, in the (i11)th step, the capacitor C.
The voltage V... across the board is V, 10, = 2 (V, - aiEs)...
[11]

ここにa‘はそのときの出力○dの値で「1」または「
0」である。‘1}式を変形してVFa・ES十裏V…
‐‐‐‐‐‐{2,を得る。
Here a' is the value of the output ○d at that time, "1" or "
0". Transforming the '1} formula, VFa/ES Juura V...
‐‐‐‐‐‐{2, is obtained.

この‘21式にi=0、1、2、3、……nを代入する
ことによりとなる。
This is achieved by substituting i=0, 1, 2, 3, . . . n into this equation '21.

ここでVoははじめのアナログ入力端子の電圧Exに等
しいので、EX:必ず,称ES+芸(a・EべV2)=
もE3も・ES+影:偽す,E3十裏くa2ES+ざ3
):がS+(麦.十裏)Eすv3=偽十(麦,すa2十
・・・・・・十豪an)ES+券vM≠舷十(麦,すa
す‐・・・すan)ESとなる。
Here, Vo is equal to the voltage Ex of the first analog input terminal, so EX: must be ES+Ge(a・EbeV2)=
MoE3mo・ES+Shadow: False, E3 Juuraku a2ES+Za3
): is S + (mugi. juura) Esu v3 = false ten (mugi, sua20...juugo an) ES + ticket vM≠舷ju (mugi, sua
It becomes ES.

ここで、んは1回目の端子電圧Exを標本化するときの
値であるかちん=0となりEXi広i≧.享ar……■ を得る。
Here, n is the value when sampling the terminal voltage Ex for the first time, and it becomes 0, so EXi wide i≧. Enjoy... ■.

この【41式はデジタル・バイナリ出力にほかならない
。このように、簡単な回路構成でスイッチSo〜S9を
制御回路で制御することにより、アナログ・デジタル変
換器が得られる。
This [Formula 41] is nothing but a digital binary output. In this way, an analog-to-digital converter can be obtained by controlling the switches So to S9 with a control circuit using a simple circuit configuration.

近年マイクロ・コンビュー外こよる制御回路がかなり安
価に得られるので、本発明の回路は従来器に比べて十分
な経済性がある。また、本発明の回路によれば本質的に
自動零機能を備え、演算増幅器の零調整が不要である優
れた特徴がある。
In recent years, control circuits from outside the microcomputer have become available at fairly low cost, so the circuit of the present invention is sufficiently economical compared to conventional devices. Further, the circuit of the present invention has an excellent feature that it essentially has an automatic zero function and does not require zero adjustment of an operational amplifier.

すなわち、第一モ−ドまたは第五モードによって、コン
デンサC,に亀圧が充電されるとき、演算増幅器Uの両
差敷入力間にオフセット電圧V。sが生じると、Vi=
VI−,一V。
That is, when the capacitor C is charged with a voltage in the first mode or the fifth mode, an offset voltage V is generated between both differential inputs of the operational amplifier U. When s occurs, Vi=
VI-, 1V.

s………【51となる。s……[It becomes 51.

また第三モードまたは第四モードで2倍の電圧を得る際
に、抵抗器R,とR2の接続点の鰭位V^はV^i−(
V‘+VOS) となる。
Also, when obtaining twice the voltage in the third or fourth mode, the fin level V^ at the connection point of resistors R and R2 is V^i-(
V'+VOS).

これに【51式を代入するとV^=−VI−, となり、オフセット電圧V瓜は自動的に打ち消されるこ
とになる。
Substituting formula 51 into this, it becomes V=-VI-, and the offset voltage V is automatically canceled out.

これは、アナログ・デジタル変換器の精度を高くするこ
とのできる極めて優れた特長である。さらに、出力信号
は時系列的に転送されるので、信号線は1本でよい。
This is an extremely excellent feature that can increase the precision of analog-to-digital converters. Furthermore, since the output signals are transferred in time series, only one signal line is required.

また、同じステップを順次繰り返すことにより、分解能
を制限する要素はなく、原理的に無限大の分解館が得ら
れる。さらに、変換速度についてはスイッチとして使用
される半導体素子の応答速度および制御回路の処理速度
から定まるもので、1ミリ秒程度のものは極めて実用的
に構成することができる。なお、上記説明では制御回路
をこのアナログ・デジタル変換器に独自に備えるよう述
べたが、必ずしもこの制御回路はこのアナログ・デジタ
ル変換器に専用に使用されるのでなく、制御能力に余格
があれば、その他の周辺回路をも同時に制御するよう構
成することもできる。
Furthermore, by sequentially repeating the same steps, there is no element that limits the resolution, and in principle an infinitely large resolution library can be obtained. Furthermore, the conversion speed is determined by the response speed of the semiconductor element used as the switch and the processing speed of the control circuit, and a conversion speed of about 1 millisecond can be extremely practically constructed. In addition, in the above explanation, it was stated that this analog-to-digital converter is provided with its own control circuit, but this control circuit is not necessarily used exclusively for this analog-to-digital converter. For example, it is also possible to configure other peripheral circuits to be controlled simultaneously.

この場合他の制御回路により、このァナ。グ・デジタル
変換器が併せて制御されると考えても同様である。
In this case, other control circuits control this angle. The same holds true if we consider that the digital converter is also controlled.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明実施例の回路図。 第2図は制御回路の制御流れ図。第3図は第一モードの
等価回路図。第4図は第二モードの等価回路図。第5図
は第三モードの等価回路図。第6図は第四モードの等価
回路図。第7図は第五モードの等価回路図。稀1図 梢7図 舟2図 第3図 兼4図 兼5図 兼6図
FIG. 1 is a circuit diagram of an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a control flow diagram of the control circuit. FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the first mode. FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the second mode. FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the third mode. FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the fourth mode. FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of the fifth mode. Rare 1st figure, 7th figure, 2nd figure, 3rd figure, 4th figure, 5th figure, 6th figure

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 差動演算増幅器の一方の入力にアナログ入力端子が
接続され他方の入力に第一のコンデンサC_1が接続さ
れ、 上記差動演算増幅器に十分な負帰還を与えて上記
アナログ入力端子の電圧を上記第一のコンデンサC_1
に標本化する第一モードと、 上記差動演算増幅器の一
方の入力に基準電圧E_sを与え他方の入力に上記第一
のコンデンサC_1を接続してそのコンデンサの両端電
圧V_iと上記基準電圧E_sとを比較する第二モード
と、 上記差動演算増幅器の他方の入力に上記第一のコ
ンデンサC_1を接続し出力に第二のコンデンサC_2
を接続して上記第一のコンデンサC_1の両端電圧V_
iの2倍の電圧(2×V_i)をその差動演算増幅器の
出力に得てその2倍の電圧(2×V_i)を上記第二の
コンデンサC_2に充電する第三モードと、 上記差動
演算増幅器の一方の入力に基準電圧E_sを与え他方の
入力に上記第一のコンデンサC_1を接続してそのコン
デンサの両端電圧V_iと基準電圧E_sとの差の2倍
の電圧(2(V_i−E_s))をその差動演算増幅器
の出力に得て上記第二のコンデンサC_2に充電する第
四モードと、 上記第二のコンデンサC_2に充電され
た電圧を上記差動演算増幅器の入力に帰還する第五モー
ドとを切り換えて設定することができるように構成され
た複数のスイツチを備え、 上記第一モードの後に上記
第二モード、上記第二モードで上記第一のコンデンサC
_1の両端電圧V_iが基準電圧E_sより低ければ上
記第二モードの後に上記第三モード、高ければ上記第二
モードの後に上記第四モード、上記第三モードまたは上
記第四モードの後に上記第五モード、上記第五モードの
後に再び上記第二モードとなるように、上記複数のスイ
ツチを制御する制御回路を備え、 上記第二モード毎の
上記差動演算増幅器の比較出力をデジタル出力とするよ
うに構成されたことを特徴とするアナログ・デジタル変
換器。
1 An analog input terminal is connected to one input of the differential operational amplifier, and a first capacitor C_1 is connected to the other input, and sufficient negative feedback is provided to the differential operational amplifier to increase the voltage of the analog input terminal to the above level. First capacitor C_1
A first mode in which the reference voltage E_s is applied to one input of the differential operational amplifier, the first capacitor C_1 is connected to the other input, and the voltage V_i across the capacitor and the reference voltage E_s are and a second mode in which the first capacitor C_1 is connected to the other input of the differential operational amplifier and the second capacitor C_2 is connected to the output.
The voltage across the first capacitor C_1 is V_
a third mode in which a voltage (2×V_i) twice that of i is obtained at the output of the differential operational amplifier and the second capacitor C_2 is charged with that twice the voltage (2×V_i); A reference voltage E_s is applied to one input of the operational amplifier, the first capacitor C_1 is connected to the other input, and a voltage (2(V_i - E_s) twice the difference between the voltage V_i across the capacitor and the reference voltage E_s is applied. )) at the output of the differential operational amplifier to charge the second capacitor C_2, and a fourth mode to feed back the voltage charged in the second capacitor C_2 to the input of the differential operational amplifier. The first mode is followed by the second mode, and the first capacitor C is set in the second mode.
If the voltage V_i across _1 is lower than the reference voltage E_s, the second mode is followed by the third mode; if it is higher, the second mode is followed by the fourth mode; the third mode or the fourth mode is followed by the fifth mode. a control circuit for controlling the plurality of switches so that the mode returns to the second mode after the fifth mode, and the comparison output of the differential operational amplifier for each of the second modes is made into a digital output. An analog-to-digital converter characterized by being configured as follows.
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US5027116A (en) * 1987-02-24 1991-06-25 Micro Linear Corporation Self-calibrating analog to digital converter
JP7344000B2 (en) * 2019-04-05 2023-09-13 株式会社ミツトヨ Analog-digital converter, analog-digital conversion method and displacement detection device

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