(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子と、オペアンプからなる積分器と、コンパレータと、フリップフロップとが直列に接続され、前記フリップフロップの出力信号を出力端子に送出すると共にＤ／Ａ変換器を介して前記オペアンプに帰還して、入力信号に対応するパルス密度信号を出力するΣΔＡＤ変換器において、
前記フリップフロップと前記Ｄ／Ａ変換器との間に接続されて前記フリップフロップの出力信号のＤＵＴＹ比をコントロールするコントローラを備え、
前記入力端子が前記オペアンプの非反転入力端子に接続され、前記Ｄ／Ａ変換器の出力が前記オペアンプの反転入力端子に接続されることを特徴とするΣΔＡＤ変換器。
【請求項２】
複数の抵抗と前記オペアンプとの間にマルチプレクサが接続され、該マルチプレクサにより前記オペアンプに入力される電圧を切り換えることを特徴とする請求項１に記載のΣΔＡＤ変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力信号に対応するパルス密度信号を出力するΣΔＡＤ変換器に関し、特にバッファを用いずに高入力インピーダンスを実現すると共に、抵抗値の測定を可能にするΣΔＡＤ変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のΣΔＡＤ変換器５９の構成を図７を用いて説明する。入力端子であるＶｉｎをオペアンプ５０の反転入力端子に接続し、オペアンプ５０からなる積分器５２とコンパレータ５４とフリップフロップ５６を直列に接続している。フリップフロップ５６の出力信号は１ビットのデジタル信号であり、通常は移動平均フィルタを通して、通常の多ビットのデジタル値を得るようになっている。
【０００３】
そのフリップフロップ５６の出力信号を出力端子側（図７の→ＤＡＴＡ）に接続すると共に、その出力信号をＤ／Ａ変換器５８を介してオペアンプ５０の反転入力端子に帰還している。ここで、Ｄ／Ａ変換器５８は、例えば、入力信号がＬｏｗ信号の時に＋Ｖｒｅｆ、Ｈｉｇｈ信号の時に−Ｖｒｅｆを出力するような、１ビットのＤ／Ａ変換器である。また、オペアンプは下記の式（１）を満足するように動作する。
【０００４】
【数１】
0003962942.tif 000002
【０００５】
つぎに図７に示すΣΔＡＤ変換器の動作を説明する。まずＶｉｎからの入力信号はオペアンプ５０を介して積分器５２に入力され、その出力はコンパレータ５４に入力される。
【０００６】
コンパレータ５４の出力は、フリップフロップ５６に入力され、その出力は出力側（図７の→ＤＡＴＡ）に出力される。また、フリップフロップ５６には、ΣΔＡＤ変換器のサンプリング信号となる内部クロック信号ＣＬＫが接続され、その出力はＤ／Ａ変換器５８を介してオペアンプ５０の反転入力端子に入力される。
【０００７】
このような構成のΣΔＡＤ変換器５９では入力信号は積分器５２によって積分され、積分された出力信号はコンパレータ５４の既定値と比較される。比較後の出力信号はフリップフロップ５６に入力され、クロック信号ＣＬＫのタイミングによってハイ、ロウを繰り返し出力信号を出力する。そして、フリップフロップ５６の出力信号はＤ／Ａ変換器５８によってアナログ信号に変換された後、オペアンプ５０によってＶｉｎからの入力信号と加算される。
【０００８】
このような動作を繰り返すことによって、ΣΔＡＤ変換器５９は、Ｖｉｎからの入力信号に対応したパルス密度信号を出力することが可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に示すΣΔＡＤ変換器５９の入力インピーダンスは抵抗Ｒ１であり、出力インピーダンスが大きい電圧の測定は困難である。そのために、図８に示すような入力インピーダンスが大きいオペアンプ８０からなるバッファを設けるのが一般的である。さらに、入力電圧に応じて電圧のレンジを切り替えるためには、抵抗Ｒ３又はＲ４の抵抗値をアナログマルチプレクサ等で切り替える必要がある。
【００１０】
本発明は上記の事情を背景としてなされたものであり、バッファを設けずに入力インピーダンスが大きくし、出力インピーダンスが大きい電圧の測定を可能にするΣΔＡＤ変換器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、入力端子と、オペアンプからなる積分器と、コンパレータと、フリップフロップとが直列に接続され、前記フリップフロップの出力信号を出力端子に送出すると共にＤ／Ａ変換器を介して前記オペアンプに帰還して、入力信号に対応するパルス密度信号を出力するΣΔＡＤ変換器において、
前記フリップフロップと前記Ｄ／Ａ変換器との間に接続されて前記フリップフロップの出力信号のＤＵＴＹ比をコントロールするコントローラを備え、
前記入力端子が前記オペアンプの非反転入力端子に接続され、前記Ｄ／Ａ変換器の出力が前記オペアンプの反転入力端子に接続されることを特徴とする。
【００１２】
このような構成によれば、入力端子をオペアンプの非反転入力端子に接続することで入力インピーダンスを非常に大きくすることができ、出力インピーダンスが大きい電圧の測定も可能となるほか、ＤＵＴＹ比αをコントロールすることで測定するための入力電圧のレンジを可変とすることが可能になる。
【００１５】
さらに、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に加え、複数の抵抗と前記オペアンプとの間にマルチプレクサが接続され、該マルチプレクサにより前記オペアンプに入力される電圧を切り換えることを特徴とする。
【００１６】
このような構成によれば、リファレンスとなる複数の抵抗を用いΣΔＡＤ変換器に入力される電圧をマルチプレクサで順次切り替え、オフセット及び基準電圧の影響を排除することで、更には、リファレンスとなる複数の抵抗に温度特性の優れた抵抗を用いることによって、周囲温度の影響を受けにくくすることができるとともに正確な温度特性を得ることができ、抵抗値測定に正確を期すことが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
つぎに本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明に係るΣΔＡＤ変換器の構成図である。従来と同様に、オペアンプ１０からなる積分器１２とコンパレータ１４とフリップフロップ１６を直列に接続してあり、そのフリップフロップ１６の出力信号を出力端子側（図１の→ＤＡＴＡ）に接続すると共に、その出力信号をＤ／Ａ変換器１８を介してオペアンプ１０に帰還している。
【００１８】
従来と異なる構成は、入力端子であるＶｉｎがオペアンプ１０の非反転入力端子に接続し、Ｄ／Ａ変換器１８を介しているフリップフロップ１６の出力信号をオペアンプ１０の反転入力端子に接続していることである。
【００１９】
そのため、オペアンプ１０は以下に示す式（２）を満足するように動作する。
【００２０】
【数２】
0003962942.tif 000003
【００２１】
従って、ΣΔＡＤ変換器の出力（ＤＡＴＡ）は以下に示す式（３）で表せられる。
【００２２】
【数３】
0003962942.tif 000004
【００２３】
つぎに図２はΣΔＡＤ変換器のフリップフロップ１６からＤ／Ａ変換器の途中に信号のＤＵＴＹをコントロールする回路（コントローラ２０）を追加した構成であり、他は図１の構成と同じである。そして、フリップフロップ１６とコントローラ２０とでマイクロプロセッサ２２の役割を果たす。
【００２４】
図３はコントローラ２０の動作を示すタイムチャートである。コントローラ２０では、Ｌｏｗ信号が入力されたときにＬｏｗ信号を出力する。そして、Ｈｉｇｈ信号が入力されたときには、所定の幅のＤＵＴＹ比αのＨｉｇｈ信号（波形）を出力する。また、Ｄ／Ａ変換器ではＬｏｗ信号が入力されたときに０を出力し、Ｈｉｇｈ信号が入力されたときにＶｒｅｆを出力する。
【００２５】
このような条件下では、オペアンプ１０は下記の式（４）で示されるように動作する。
【００２６】
【数４】
0003962942.tif 000005
【００２７】
従って、ΣΔＡＤ変換器の出力は下記の式（５）で示すことができ、信号の分解能がＤＵＴＹ比αでコントロールすることができる。
【００２８】
【数５】
0003962942.tif 000006
【００２９】
また、Ａ／Ｄ変換して得られるデジタル出力は、通常、マイクロプロセッサ２２により処理され、適切な出力形態に変換される。また、ＤＵＴＹ比αを決定するためのコントロール回路はマイクロプロセッサ２２へのプログラムの入力により実現することが容易である。つまり、Ａ／Ｄ変換して得られるデジタル出力を処理するマイクロプロセッサ２２をＤＵＴＹのコントロールに使用すれば、ＤＵＴＹをコントロールするハードウェアは不要となる。
【００３０】
つぎに抵抗値測定器４０を図４に示す。抵抗値測定器４０は図１及び図２に記載の入力端子であるＶｉｎの代わりに抵抗ＲＬとバイアス抵抗ＲＬに接続された測定対象である抵抗Ｒｓがオペアンプ１０の非反転入力端子に接続されている。そして、抵抗ＲＬ、電圧ＶＬ及び電圧Ｖｒｅｆが既知の場合、測定対象である抵抗Ｒｓの抵抗値を以下の式（６）で求めることができる。
【００３１】
【数６】
0003962942.tif 000007
【００３２】
ここで、Ｒｓが小さいときにはＲｓの両端に発生する電圧が小さいため、電圧を正確に測定するためにはΣΔＡＤ変換器の分解能を上げる必要がある。このときマイクロプロセッサ内のプログラムによりＤＵＴＹ比αをコントロールして小さくし（図５参照）、小さな電圧でも高分解能で測定できる。マイクロプロセッサをコントロールすることにより小さな抵抗値でも正確に測定することができる。
【００３３】
図４において、オペアンプ１０のオフセット電圧をＶｏｓとすると以下の式（７）により抵抗Ｒｓの抵抗値を求めることができる。また、下記の式（７）より明らかなようにオペアンプ１０のオフセット電圧が抵抗Ｒｓの抵抗値に大きく影響してくる。
【００３４】
【数７】
0003962942.tif 000008
【００３５】
ところで、ΣΔＡＤ変換器の特性は直線性が非常に優れるものの、オペアンプ１０のオフセット電圧が主な原因となりオフセットが生じる。また、Ｄ／Ａ変換器の基準電圧Ｖｒｅｆ、Ｒｓにバイアスするための電圧ＶＬ、バイアス抵抗ＲＬの影響でΣΔＡＤ変換器の特性の傾きも変化する。さらに、ΣΔＡＤ変換器の周囲温度が変化すると、上記に示したオフセット及び傾きが共に変化してしまい正確な抵抗値測定が困難となる。
【００３６】
図６にオフセットとΣΔＡＤ変換器の特性の傾きとを補正し、正確な抵抗値測定を可能にする抵抗測定回路を示す。図６ではリファレンスとなる複数の抵抗Ｒ１〜Ｒ４と測定対象である抵抗Ｒｓとが並列に接続してある。具体的には、リファレンスとなる抵抗Ｒ２〜Ｒ４と、リファレンスとなる抵抗Ｒ１及び測定対象である抵抗Ｒｓとが並列に接続されている。
【００３７】
そして、並列に接続された抵抗を経てＡＤ変換回路に入力する電圧を順次切り替えるためのマルチプレクサ６０が配置されている。マルチプレクサ６０でＶ３、Ｖ４及びＶｓの各点の電圧を測定する。そして、Ｖ３で測定したときの出力値をＤ３とし、Ｖ４で測定したときの出力値をＤ４とし、Ｖｓで測定したときの出力値をＤｓとすると下記の式（８）を導くことができる。
【００３８】
【数８】
0003962942.tif 000009
【００３９】
式（８）は、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の関数で表わされ、オペアンプ１０のオフセット電圧、基準電圧Ｖｒｅｆの影響が排除される。その結果、オフセット等に影響されずに測定対象である抵抗Ｒｓの抵抗値を求めることができる。更に、抵抗Ｒ１〜Ｒ４に温度特性の優れたものを使用すれば、ΣΔＡＤ変換器の周囲温度の影響をきわめて小さくできる。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、バッファを用いずにΣΔＡＤ変換器の入力端子をオペアンプの非反転入力端子に接続し、Ｄ／Ａ変換器の出力を反転入力端子に接続することにより高入力インピーダンスのΣΔＡＤ変換器を実現した。
【００４１】
請求項２に記載の発明によれば、マイクロプロセッサを用いて信号をコントロールすることで信号のＤＵＴＹ比αを決定することができ、測定レンジを可変とすることができる。また、マイクロプロセッサでＤＵＴＹ比αを決定するため処理が行われるためＤＵＴＹ比αを決定するハードウェアは不要となる。
【００４２】
請求項３に記載の発明によれば、リファレンスとなる複数の抵抗とマルチプレクサを用いることで、オペアンプのオフセット電圧、基準電圧の影響を受けずに正確な抵抗値測定を行うことができる。またリファレンスとなる抵抗Ｒ１〜Ｒ４に温度特性の優れた抵抗を用いれば周囲温度に影響されない抵抗値測定が可能になる。そして、オフセットドリフトのよいオペアンプ、温度特性のよい基準電源を用いることになるとコストが高くなるが、温度特性のよい抵抗を用いることで回路を構成することによってコストを低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示すΣΔＡＤ変換器の回路図である。
【図２】本発明の他の実施の形態の一例を示すΣΔＡＤ変換器の回路図である。
【図３】図２に示すΣΔＡＤ変換器のコントローラの動作を示すタイムチャートである。
【図４】図２に示すΣΔＡＤ変換器を用いた抵抗値測定器の回路図である。
【図５】図４に示す抵抗値測定器のコントローラの動作を示すタイムチャートである。
【図６】本発明の他の実施の形態の一例を示すΣΔＡＤ変換器の回路図である。
【図７】従来のΣΔＡＤ変換器の回路図である。
【図８】従来の他の形態のΣΔＡＤ変換器の回路図である。
【符号の説明】
１０  オペアンプ
１２  積分器
１４  コンパレータ
１６  フリップフロップ
１８  Ｄ／Ａ変換器
２０  コントローラ
２２  マイクロプロセッサ
６０  マルチプレクサ
【図１】
0003962942.tif 000010
【図２】
0003962942.tif 000011
【図３】
0003962942.tif 000012
【図４】
0003962942.tif 000013
【図５】
0003962942.tif 000014
【図６】
0003962942.tif 000015
【図７】
0003962942.tif 000016
【図８】
0003962942.tif 000017