JPH02131020A - 帰還形パルス幅変調方式a/d変換器 - Google Patents

帰還形パルス幅変調方式a/d変換器

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JPH02131020A
JPH02131020A JP28489688A JP28489688A JPH02131020A JP H02131020 A JPH02131020 A JP H02131020A JP 28489688 A JP28489688 A JP 28489688A JP 28489688 A JP28489688 A JP 28489688A JP H02131020 A JPH02131020 A JP H02131020A
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孝 桑原
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山根 康徳
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、帰還形パルス幅変調方式A/D変換器に関す
るものであり、詳しくは分解能の改善に関するものであ
る。
〈従来の技術〉 A/D変換器の一種に、帰還形パルス幅変調方式A/D
変換器がある。
第5図はこのようなA/D変換器の一例を示す構成説明
図である。第5図において、1は被変換アナログ入力信
号■χの入力端子、2は基準クロッつて用いる矩形波を
出力する矩形波信号発生器であり、これら入力端子1お
よび矩形波信号発生器2の出力端子は積分器3の入力端
子に接続されている。4はコンパレータであり、積分器
3の出力信号INTと接地電位とを比較する。このコン
パレータ4の出力端子はフリップフロップ6のデータ端
子に接続されている。5はカウントクロック発生器であ
り、その出力端子はフリップフロップ6のクロック端子
に接続されるとともにアンドゲート9の第3の入力端子
に接続されている。フリップフロップ6はコンパレータ
4の出力信号CMPをカウントクロックCL Kに同期
させるものであり、その出力信号PWMはアンドゲート
9の第3の入力端子に加えられるとともに切換スイッチ
回路8に切換駆動信号FBとして加えられている。切換
スイッチ回路8の一方の固定接点aには基準電圧源子V
sの陽極側が接続され、他方の固定接点には基準電圧源
−Vsの陰極側が接続され、可動接点は積分器3の入力
端子に接続されている。
なお、基準電圧源+Vsの陰極側および基準電圧源−v
sの陽極側はそれぞれ接地電位点に接続されている。7
は制御信号発生器であり、その出力端子はアンドゲート
9の第1の入力端子に接続されている。この制御信号発
生器7の出力信号CTLの周期は、矩形波信号発生器2
の出力信号ECの周期の少なくとも2倍に設定される。
10はアンドゲート9から出力されるクロックパルスC
LKをカウントするカウンタである。
第6図は、このような回路の動作を説明するためのタイ
ミングチャートである。第7図において、(ア)は矩形
波信号発生器2から出力される矩形波信号ECを示し、
(イ)は積分器3の出力信号INTを示し、(つ)はフ
リップフロップ6の出力信号PWMを示し、(1)はカ
ウントクロック発生器5の出力パルスCLKを示し、(
オ)は制御信号発生器7の出力パルスCTLを示し、(
力)はオアゲート9の出力信号OUTを示し、(キ)は
スイッチ回路8を介して積分器3に加えられる基準電圧
源±vsの出力電圧Esを示している。
矩形波信号発生器2の出力レベルは例えばHレベルで+
5V、Lレベルで一5vになるように設定され、基準電
圧源+Vs、−Vsの出力レベルも例えば+5V、 −
5Vになるように設定されている。積分器3の入力抵抗
に着目すると、矩形波信号発生器2から入力される電流
icか各基準電圧源+Vs、 −Vsから入力される電
流isの例えば2.5倍になるように設定されている。
また、被変換アナログ入力信号Vχとの関係は、被変換
アナログ入力信号Vχから積分器3に入力される電流i
χの最大値か各基準電圧源+Vs、 −Vsから入力さ
れる電流isと等しくなるように設定されている。
矩形波信号Ecが立ち上がる時刻t1において切換スイ
ッチ回路8の可動接点は基準電圧源+VS側の固定接点
aに切換接続され、制御信号発生器7の出力信号CTL
も立ち上がる。この状態では、積分器3には被変換アナ
ログ入力信号Vχ。
矩形波信号子Ecおよび基準電圧源子vsのそれぞれに
関連した電流iχ+IC+ISか入力され、積分器3の
出力信号INTは最大傾斜で減少して時刻t2で零レベ
ルになる。積分器3の出力信号INTが零レベルになる
とコンパレータ4の出力信号CMPは反転し、フリップ
フロップ6の出力信号PWMもHレベルになる。フリッ
プフロップ6の出力信号PWMがHレベルになることに
より切換スイッチ回路8の可動接点は基準電圧源−■S
側の固定接点すに切換接続される。これにより、積分器
3には被変換アナログ入力信号Vχ、矩形波信号十Ec
および基準電圧源−VSのそれぞれに関連した電流iχ
+IC+ −19が入力され、積分器3の出力信号IN
Tは最大傾斜よりも緩い傾斜で減少する。また、フリッ
プフロップ6の出力信号PWMかHレベルになることに
よりアンドゲート9が開かれ、カウントクロック発生器
5の出力パルスCL Kはカウンタ10に加えられてカ
ウントされることになる。矩形波信号ECは立ち上がり
時刻t、から一定の時間T/2が経過した時刻t3で立
ち下がる。これにより、積分器3には被変換アナログ入
力信号Vχ、矩形波信号−ECおよび基準電圧源−Vs
のそれぞれに関連した電流iχ+   IC+  i9
が入力されて積分器3の出力信号INTは反転し、最大
傾斜で増加して時刻t4で零レベルになる。積分器3の
出力信号INTが零レベルになるとコンパレータ4の出
力信号CMPは再び反転してフリップフロップ6の出力
信号PWMはLレベルになる。フリップフロップ6の出
力信号PWMがLレベルになることにより切換スイッチ
回路8の可動接点は基準電圧源+Vs側の固定接点すに
切換接続される。この状態では、積分器3には被変換ア
ナログ入力信号Vχ、矩形波信号−Ecおよび基準電圧
源+Vsのそれぞれに関連した電流1χ+  IC+I
Gが入力され、積分器3の出力信号INTは最大傾斜よ
りも緩い傾斜で増加する。また、フリップフロッグ6の
出力信号PWMがLレベルになることによりアンドゲー
ト9は閉じられ、カウンタ10はカウントクロック発生
器5から出力されるクロックパルスCLKのカウントを
中断してカウント値を保持する。矩形波信号ECは立ち
下かり時刻t3から一定の時間T/2が経過しな時刻t
5で立ち上がる。以下、同様の動作を時刻t6で制御信
号CTLが立ち下がるまでの間繰り返す。第7図では、
制御信号CTLは矩形波信号Ecの3周期間Hレベルが
保たれている。
これにより、カウンタ10は、矩形波信号Ecの3周期
間の積分によるパルス幅信号PWMの時間に関連したク
ロックパルスCLKをカウントする。従って、被変換ア
ナログ入力信号■χが零の時とフルスケールの時におけ
るカウンタ/nのカウント値を予め校正しておくことに
より、カウンタ100カウント値から未知の被変換アナ
ログ入力信号■χの値を求めることができる。
また、制御信号CTLを矩形波信号ECのN周期分に設
定してパルス幅信号PWMをカウントするのにあたって
、スイッチ回路8はカウントクロックCLKに同期した
信号FBで駆動されることからM−1周期までの誤差は
M周期目のパルス幅信号PWMで補正されることになり
、全カウントの誤差はN周期口のパルス幅信号PWMに
依存して±1パルスになる。
〈発明か解決しようとする課題〉 ところで、このように構成されるA/D変換器の分解能
はカウンタ10に加えられるクロックパルスCLKの周
波数と制御信号CTLにより制御されるカウンタ/nの
カウント時間によって決定される。すなわち、従来の構
成では、カウンタ10に加えられるクロックパルスCL
Kの周波数を高くし、カウンタ/nのカウント時間を長
くすることにより測定分解能を高めることができる。
しかし、クロックパルスCI、Kの周波数を高くした場
合には回路素子としてクロックパルスの周波数に応じて
高速素子を用いなければならず、コストが高くなってし
まう。
また、カウント時間を長くすると測定時間が長くなり、
高速測定が行えなくなる。
本発明は、このような点に着目したものであり、その目
的は、比較的低速の回路素子を用いながら比較的短時間
で高分解能の測定が行える帰還形パルス幅変調方式A/
D変換器を提供することにある。
〈課題を解決するための手段〉 本発明の帰還形パルス幅変調方式A/D変換器は、 基準クロック発生手段と、 正負一対の基準電圧源と、 この基準電圧源の出力を選択的に送出するスイッチ回路
と、 前記基準クロック、前記スイッチ回路を介して送出され
る基準電圧源の出力信号および被変換アナログ入力信号
を加算して積分する積分器と、この積分器の出力信号と
接地電位を比較するコンパレータと、 前記基準クロックの周期よりも短い周期を有し基準クロ
ックに同期したn相(nは2以上)のカウントクロック
パルスを出力するカウントクロックパルス発生手段と、 前記基準クロックのN倍(Nは2以上)の周期を有し基
準クロックに同期した第1の制御信号と、この第1の制
御信号の周期内における基準クロックのN番目の周期間
のみ立ち上がる第2の制御信号と、第1の制御信号に先
行してクリア信号を出力する制御信号発生手段と、 前記コンパレータの出力信号と各相のカウントクロック
パルスを入力として前記コンパレータの出力信号の立ち
上かりおよび立ち下がりの端数時間をカウントクロック
パルスの周期の1 / nの分解能で検出する端数時間
検出手段と、 前記コンパレータの出力信号、基本カウントクロックパ
ルスに同期化されたコンパレータの出力信号および前記
第2の制御信号を入力として前記積分器に入力される電
流の平均値が零になるように前記スイッチ回路をカウン
トクロックパルスの周期の1 / nの分解能で駆動す
るスイッチ駆動手段と、 基本カウントクロックパルス、基本カウントクロックパ
ルスに同期化されたコンパレータの出力信号および前記
第1の制御信号が入力されるゲートと、 このゲートから出力されるカウントクロックパルスをカ
ウントするカウンタ、 とで構成されたことを特徴とする。
(実施例) 以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
第1図は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、第
5図と同一部分には同一符号を付けている。
第1図において、11はカウントクロック発生器であり
、このカウントクロック発生器11からは位相が180
°すれた基本カウントクロックパルスCLKと反転カウ
ントクロックパルスCLK−が出力されている。
12は制御信号発生器であり、この制御信号発生器12
からは、基準クロックとして用いる矩形波信号ECのN
倍(Nは2以上)の周期を有し基準クロックECに同期
した第1の制御信号CT Lと、この第1の制御信号C
T Lの周期内における基準クロックEcのN番目の周
期間のみ立ち上がる第2の制御信号EOCと、第1の制
御信号CT1−に先行したクリア信号CLRが出力され
る。
13は端数時間検出回路であり、コンパレータ4の出力
信号CMPと各相のカウントクロックパルスCLK、C
LK−を入力としてコンパレータ4の出力信号CMPの
立ち上がりおよび立ち下がりの端数時間をカウントクロ
ックパルスCLKの周期の1/2の分解能で検出する。
端数時間検出回路13において、14〜17はD形フリ
ップフロップ、18〜23はアンドゲート、24.26
はJKフリップフロップである。D形フリップフロップ
14.16のデータ端子りにはコンパレタ4の出力信号
CMPが入力され、D形フリップフロップ14.15の
クロック端子にはクロックCLKが入力され、D形フリ
ップフロップ16゜17のクロック端子にはクロックC
LK−が入力されている。D形フリップフロップ14の
出力端子QはD形フリヅプフロップ15のデータ端子り
に接続されるとともにアンドゲート18の一方の入力端
子に接続され、出力端子Q゛はアンドゲート19の一方
の入力端子に接続されている。D形フリップフロップ1
5の出力端子Qはアンドゲート19の他方の入力端子に
接続され、出力端子Q゛はアンドゲート18の他方の入
力端子に接続されている。D形フリップフロップ16の
出力端子QはD形フリップフロップ17のデータ端子り
に接続されるとともにアンドゲート20の一方の入力端
子に接続され、出力端子Q−はアンドゲート21の一方
の入力端子に接続されている。D形フリップフロップ1
7の出力端子Qはアンドゲート21の他方の入力端子に
接続され、出力端子Q−はアンドゲート20の他方の入
力端子に接続されている。アンドゲート22にはアンド
ゲート18゜20の出力信号■、■および第2の制御信
号EOCが加えられ、その出力信号■はJKフリップフ
ロップ24のJ端子に加えられている。アンドゲート2
3にはアンドゲート19,21の出力信号■、■および
第2の制御信号BOCが加えられ、その出力信号■はJ
Kフリップフロップ26のJ端子に加えられている。J
Kフリップフロップ24の出力端子Q−からはフラグU
Pが出力端子25に出力され、JKフリップフロップ2
6の出力端子Q−からはフラグDNか出力端子27に出
力されている。なお、JKフリップフロップ24゜26
のに端子にはクリア信号CLR,が加えられ、クロック
端子には基本カウントクロックCLKが加えられている
。
アンドゲート9には基本カウントクロックCLK、第1
の制御信号CTLおよびD形フリッグフロップ14の出
力端子Qの出力信号PWMが入力され、その出力信号O
UTはカウンタ10に加えられている。カウンタ10に
はクリア信号CLRも加えられている。
28はセレクタであり、一方の入力端子Aにはコンパレ
ータ4の出力信号CMPか入力され、他方の入力端子B
にはD形フリップフロップ14の出力端子Qの出力信号
PWMが入力され、制御端子A”/Bには第1の制御信
号CTLが入力され、出力端子Yから出力される信号S
Lはオアゲート30の一方の入力端子に接続されている
。このセレクタ28は、第1の制御信号CTLがHレベ
ルの状態では端子Bに入力されるD形フリップフロップ
17の出力信号PWMを信号SLとしてオアゲート30
に出力し、第1の制御信号CTLがLレベルの状態では
端子Aに入力されるコンパレタ4の出力信号CMPを信
号SLとしてオアゲート30に出力する。
29はアンドゲートあり、一方の入力端子にはアンドゲ
ート20の出力信号■(SB)が入力され、他方の入力
端子には第2の制御信号EOCが入力され、出力信号S
Pはオアゲート30の他方の入力端子に加えられている
。オアゲート30の出力信号FBはスイッチ回路8に切
換駆動信号として加えられている。
第2図は第1図の要部における各信号のタイミングを示
したものであり、(ア)は矩形波信号発生器2の出力信
号ECを示し、(イ)は制御信号発生器12から出力さ
れる第1の制御信号CTLを示し、(つ)は制御信号発
生器12から出力される第2の制御信号EOCを示し、
(1)は制御信号発生器12から出力されるクリア信号
CLRを示し、(オ)はカウントクロックJ1%z11
から出力される基本カウントクロックCLKを示し、(
力)はD形フリップフロップ14から出力されるPWM
信号を示し、(キ)はアンドゲート9の出力信号OUT
を示している。
第1の制御信号CTLは矩形波信号ECの立ち上かりに
同期して時刻t3で立ち上がり、矩形波信号ECの4周
期間Hレベルになっている。第2の制御信号EOCは矩
形波信号ECの4周期目の立ち上がりに同期して時刻t
4で立ち上がって5周期目の立ち上がりに同期して時刻
t5で立ち下がり、4周期目の間だけ■]レベルになっ
ている。
クリア信号CLRは第1の制御信号CTLの立ち上がり
に先行する時刻t、で立ち上がって時刻t3に達する前
の時刻t2で立ち下がり、カウンタ10をクリアする。
なお、この間における積分器3の動作は従来と同じであ
る。
第3図および第4図は第2図の時刻t4からt5の間に
おける端数時間検出回路13の動作に着目したタイミン
グチャートであり、第3図はCMP信号とPWM信号の
ずれが立ち上かり、立ち下がりともカウントクロックの
周期の1/2よりも大きい状態を示し、第4図はCMP
信号とPWM信号のずれが立ち上がり、立ち下がりとも
カウントクロックの周期の1/2よりも小さい状態を示
している。これら図において、(ア)はカウントクロッ
ク発生器11から出力される基本カラン1へクロックC
LKを示し、(イ)はカウントクロック発生器11から
出力される反転カウントクロックCLK−を示し、(つ
)は制御信号発生器12から出力される第2の制御信号
EOCを示し、(1)はコンパレータ4の出力信号CM
Pを示している。(オ)はアンドゲート18の出力信号
■であってCMP信号の立ち上がりを基本カウントクロ
ックCLKで同期微分したものであり、(力)はアンド
ゲート20の出力信号■であってCMP信号の立ち上が
りを反転カウントクロックCLK−で同期微分したもの
である。(キ)はアンドゲート22の出力信号■を示し
、(り)はJKフリップフロップ24の出力信号UPを
示している。
(ゲ)はアンドゲート19の出力信号■であってCMP
信号の立ち下がりを基本カウントクロックCLKで同期
微分したものであり、(コ)はアンドゲート21の出力
信号■であってCMP信号の立ち下がりを反転カウント
クロックCLK−で同期微分したものである。(す)は
アンドゲート23の出力信号■を示し、(シ)はJKフ
リップフロップ26の出力信号DNを示し、(ス)はD
形フリップフロップ14の出力信号PWMを示し、(セ
)はオアゲート30の出力信号FBを示している。
第3図では、信号■は反転カウントクロックCLK−の
立ち上かりに同期して時刻t1で立ち上がって反転カウ
ントクロックCLK−の次の立ち上がりに同期して時刻
t3で立ち下がり、信号■は基本カウントクロックCL
Kの立ち上がりに同期して時刻t2で立ち上がって基本
カウントクロックCLKの次の立ち上かりに同期して時
刻t4で立ち下がるので、信号■は時刻t2とt3の間
のカウントクロックの周期の1/2の間だけHレベルに
なる。これらの間では基本カウントクロックCLKは立
ち上がっていないのでフラグUPはHレベルのままであ
る。同様に、信号■は反転カウントクロックCLK−の
立ち上がりに同期して時刻t5で立ち上かって反転カウ
ントクロックCL K−の次の立ち上かりに同期して時
刻t7で立ち下かり、信号■は基本カウントクロックC
LKの立ち上がりに同期して時刻t6で立ち上がって基
本カウントクロックCLKの次の立ち上がりに同期して
時刻を日で立ち下がるので、信号■は時刻t6とt7の
間のカウントクロックの周期の1/2の間たけHレベル
になる。これらの間では基本カウントクロックCLKは
立ち上かっていないのでフラグDNもHレベルのままで
ある。信号FBは信号CMPが立ち上がった後の最初の
反転カウントクロックCLK−の立ち上がりに同期して
時刻t1で立ち上かり、信号CMPが立ち下がった後の
最初の基本カウントクロックCLKの立ち上がりに同期
して時刻t6で立ち下がるので、信号FBのパルス幅は
信号PWMのパルス幅に対してカウントクロックの周期
の1/2が加算されることになる。
これにより、矩形波信号ECの(N−1)周期までの誤
差はカウントクロックの周期の1/2の分解能で補正さ
れることになる。
第4図では、信号■は基本カウントクロックCL Kの
立ち上かりに同期して時刻t1で立ち上がって基本カウ
ントクロックCLKの次の立ち上がりに同期して時刻t
3で立ち下かり、信号■は反転カウントクロックCLK
”の立ち上かりに同期して時刻t2で立ち上がって反転
カウントクロックCLK−の次の立ち上がりに同期して
時刻t4で立ち下がるので、信号■は時刻t2とt3の
間のカウントクロックの周期の1/2の間だけト■レベ
ルになる。これらの間の時刻t3における基本カウント
クロックCLKの立ち上がりに同期してフラグUPはL
レベルに変化する。同様に、信号■は基本カウントクロ
ックCLKの立ち上がりに同期して時刻t5で立ち上が
って基本カウントクロックCLKの次の立ち上がりに同
期して時刻t7で立ち下がり、信号■は反転カウントク
ロックCLK−の立ち上がりに同期して時刻t6で立ち
上がって反転カウントクロックCL K−の次の立ち上
かりに同期して時刻tBで立ち下がるので、信号■は時
刻t6とt7の間のカウントクロックの周期の1/2の
間たけHレベルになる。これらの間の時刻t7における
基本カウントクロックCLKの立ち上かりに同期してフ
ラグDNもI−レベルに変化する。信号FBは信号CM
Pが立ち上がった後の最初の基本カウントクロックCL
Kの立ち上かりに同期して時刻t1で立ち上がり、信号
CMPが立ち下がった後の最初の基本カウントクロック
CLKの立ち上かりに同期して時刻t5で立ち下がるの
で、信号FBのパルス幅は信号PWMのパルス幅と等し
くなり、カウンタクロックの周期の1/2か加算される
ことはない。
ところで、第1の制御信号CTLかHレベルでカウンタ
10が信号PWMのパルス幅をカウントしている状態で
は信号PWMが信号FBとしてスイッチ回路8に帰還さ
れるが、第1の制御信号CTLがLレベルでカウンタ1
0が信号PWMのパルス幅をカウントしていない状態で
は信号CMPが信号FBとしてスイッチ回路8に帰還さ
れる。
これにより、カウンタ10が信号PWMのパルス幅をカ
ウントしていない状態での積分器3のコンデンサのチャ
ージは零になる。
カウンタ/nのカウント結果CNTに対する補正は、こ
のようにして端数時間検出回路13から出力されるフラ
グUP、DNのレベルを例えばソフトウェアで検出し、
次表に示すそれらのレベルの組合せに応じて選択的に(
CNT±0.5力ウントクロヅク周期)の演算を行うこ
とにより実行される。
(表) このような補正演算を行うことにより、測定分解能を従
来の2倍にすることができる。
このような構成によれば、従来と同じカウントクロック
周波数および測定時間で測定分解能を2倍にすることが
できる。
なお、上記実施例では、カウントクロックを2相化する
例を示したが、必要に応じて3相以上に多相化してもよ
い。
このように多相化することにより、得ようとする測定分
解能に従来必要とされた回路素子の動作速度条件を相対
的に緩和できて低コスト化を図ることかできる。
また、上記実施例では、基準クロックとして矩形波信号
を用いる例を示したが、例えば三角波信号であってもよ
い。
〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、比較的低速の回
路素子を用いながら比較的短時間で高分解能の測定が行
える帰還形パルス幅変調方式A/D変換器か実現でき、
実用上の効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示すブロック図、第2図〜
第4図は第1図の動作を説明するためのタイミングチャ
ート、第5図は従来の回路の一例を示す構成説明図、第
6図は第5図の動作を説明するためのタイミングチャー
トである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 基準クロック発生手段と、 正負一対の基準電圧源と、 この基準電圧源の出力を選択的に送出するスイッチ回路
    と、 前記基準クロック、前記スイッチ回路を介して送出され
    る基準電圧源の出力信号および被変換アナログ入力信号
    を加算して積分する積分器と、この積分器の出力信号と
    接地電位を比較するコンパレータと、 前記基準クロックの周期よりも短い周期を有し基準クロ
    ックに同期したn相(nは2以上)のカウントクロック
    パルスを出力するカウントクロックパルス発生手段と、 前記基準クロックのN倍(Nは2以上)の周期を有し基
    準クロックに同期した第1の制御信号と、この第1の制
    御信号の周期内における基準クロックのN番目の周期間
    のみ立ち上がる第2の制御信号と、第1の制御信号に先
    行してクリア信号を出力する制御信号発生手段と、 前記コンパレータの出力信号と各相のカウントクロック
    パルスを入力として前記コンパレータの出力信号の立ち
    上がりおよび立ち下がりの端数時間をカウントクロック
    パルスの周期の1/nの分解能で検出する端数時間検出
    手段と、 前記コンパレータの出力信号、基本カウントクロックパ
    ルスに同期化されたコンパレータの出力信号および前記
    第2の制御信号を入力として前記積分器に入力される電
    流の平均値が零になるように前記スイッチ回路をカウン
    トクロックパルスの周期の1/nの分解能で駆動するス
    イッチ駆動手段と、 基本カウントクロックパルス、基本カウントクロックパ
    ルスに同期化されたコンパレータの出力信号および前記
    第1の制御信号が入力されるゲートと、 このゲートから出力されるカウントクロックパルスをカ
    ウントするカウンタ、 とで構成されたことを特徴とする帰還形パルス幅変調方
    式A/D変換器。
JP28489688A 1988-11-11 1988-11-11 帰還形パルス幅変調方式a/d変換器 Granted JPH02131020A (ja)

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