JP3174608B2 - 直線補間方式 - Google Patents

直線補間方式

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JP3174608B2
JP3174608B2 JP03075992A JP3075992A JP3174608B2 JP 3174608 B2 JP3174608 B2 JP 3174608B2 JP 03075992 A JP03075992 A JP 03075992A JP 3075992 A JP3075992 A JP 3075992A JP 3174608 B2 JP3174608 B2 JP 3174608B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は一定間隔でサンプルされ
たアナログ信号を直線補間し、連続的なアナログ信号に
変換する直線補間方式に関する。
【0002】
【従来の技術】アナログ信号をサンプル・ホールド回路
により一定間隔でサンプルした波形はサンプル時点ごと
に階段状に不連続に変化する。また、DA変換回路の出
力信号も多くは同様の波形である。このような波形は立
ち上がりが速く、高い周波数成分を含んでいる。
【0003】アナログ回路の制御信号として、このよう
に不連続に変化する信号を使うと、制御出力信号が不連
続に変化したり、また、制御回路の応答速度が充分でな
いと出力が不安定になるなど、望ましくない現象が起こ
ることがある。また、音声帯域の信号では、高域成分が
多く、聞き苦しい音となる。上記のような問題を避ける
ため、通常、各サンプル時点での値を線分で連続的につ
ないだ三角波状の波形が用いられる。この波形は、隣合
うサンプル時点でのサンプル値の差を求め、それをサン
プル間隔ごとに積分する直線補間回路より得られる。
【0004】図7は本発明の前提となる従来の直線補間
回路を示す図であり、図8は図7に示す従来の直線補間
回路の動作を示すタイム・チャートである。図7におい
て、11はサンプラー、12はサンプル・ホールド回
路、13は遅延回路、14は減算回路、15は積分回路
である。また、図8において、はサンプル点、はサ
ンプル・ホールド回路12の出力C、は遅延回路13
の出力D、は積分回路15の入力Eおよび積分回路1
5の出力Fを示したタイム・チャートであり、また、
は積分回路15の出力Fおよびサンプル・ホールド回路
12の出力Cを重ねて描いた図である。
【0005】次に、図8のタイム・チャートを用いて、
図7に示す直線補間回路の動作を説明する。図7におけ
る、サンプラー11は図7の波形Aに示すアナログ信号
を図8のに示すサンプル周期Tでサンプリングし、図
7の波形Bに示すサンプル出力を発生する。
【0006】サンプル・ホールド回路12はサンプラー
11の出力であるサンプル信号Bを各サンプル周期の
間、保持し、図8のに示す階段状の波形Cに変換す
る。遅延回路13はサンプル・ホールド回路12の出力
Cを1サンプル周期だけ遅延させ、図8のに示す信号
Dを発生する。減算回路14はサンプル・ホールド回路
12の出力信号Cと、遅延回路13の出力信号Dを減算
し、1サンプル周期間の信号の大きさの変化分E(図8
のの実線)を求める。すなわち、図8に示すように、
遅延回路13によりサンプル周期N−1時点の入力信号
VN-1 を求め、減算回路14により下式に示す計算を行
い、入力信号VN-1 とサンプル周期N時点の入力信号V
N の差ΔVN を求める(図8では下式におけるkをk=
1としている)。
【0007】ΔVN =k(VN −VN-1 ) 積分回路15は減算回路14の出力Eを積分し、図8の
の点線に示す出力F信号を発生する。ここで、積分回
路15の出力Fは、積分回路15の入力Eに比例した傾
きで上昇(または減少)し、その出力Fの傾きは、その
サンプル周期のサンプル・ホールド回路12の出力VN
と1サンプル周期前のサンプル・ホールド回路12の出
力VN-1 の差をΔVN とすると、ΔVN /τである。
(τは積分定数であり、図8においては、τ=Tとして
いるため積分回路15の出力EN(t)の傾きはΔVN/T
となる)。また、積分回路15の出力Fが各サンプル周
期間に増加する(または減少する)量は積分回路15の
入力Eに比例し、また、サンプル周期Tの長さに比例す
る。
【0008】したがって、サンプル周期をTとすると、
サンプル点N+1では、t=Tであるから、積分回路1
5の出力EN(t)が各サンプル周期の間に変化する量ΔE
N は下式となる(図8では、τ=Tとしたため、ΔEN
=ΔVN となっている)。 ΔEN =EN(T)=ΔVN ×T/τ=k(VN −VN-1 )×T/τ すなわち、積分回路15は図8のに示すように、階段
状に変化するサンプル・ホールド回路12の出力Cを積
分し、そのサンプル点での値を線分で結んだ、図8の
に示す三角波状の信号を出力する。
【0009】なお、実際には、積分回路の出力は初期状
態によって一定しない。そこで、積分回路の動作を僅か
に不完全にする(例えば、積分回路のコンデンサに高抵
抗を並列に接続するなど)ことにより、出力信号の平均
値を一定の値に固定することができる。ところで、上記
した直線補間回路はサンプル間隔を変えると、その出力
信号の振幅が変化するという問題点があった。
【0010】つぎに、この点を、図9のタイム・チャー
トを用いて説明する。同図はサンプル・ホールド回路1
2の出力の大きさを同一として、サンプル周期を2Tと
した場合のタイム・チャートであり、同図のはサンプ
ル点を示し、はサンプル・ホールド回路12の出力C
を示し、は積分回路15の入力Eおよび積分回路15
の出力Fを示す。
【0011】図9から明らかなように、サンプル・ホー
ルド回路12の出力の大きさ(図9)が図8の場合と
同じであると、減算回路14の出力E(図9のの積分
回路入力E)の大きさも変わらないので、積分回路15
の出力Fの傾きも図8の場合と同じとなる。一方、積分
回路15の出力Fはサンプル周期の長さに比例して増加
し、図9の場合はサンプル周期が図8の場合の2倍とな
っているので、積分回路15の出力Fもそれに応じて増
加し、その振幅は図8の場合と較べ2倍となる。
【0012】すなわち、直線補間回路の出力の振幅と、
その入力の変化分の比を利得とすると、サンプル周期を
長くすると、直線補間回路の利得は増加し、また、サン
プル周期を短くすると、上記の場合と逆に利得は減少す
ることとなる。以上のように、従来の直線補間回路にお
いては、サンプル周期の長さを変えると、直線補間回路
の利得も変化してしまうという欠点があった。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記した従来
技術の欠点を改善するためになされたものであって、サ
ンプル周期の長さを変えても、利得の変化することがな
い直線補間方式を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は図1に示すように構成したものであり、本
発明の請求項1の発明は、一定周期で入力信号をサンプ
ルして、つぎのサンプル時点まで前回のサンプル値を保
持することにより、階段状に不連続に変化する出力を発
生するサンプル・ホールド回路2と、サンプル・ホール
ド回路2の出力を1サンプル周期だけ遅延させる遅延回
路3と、遅延回路3とサンプル・ホールド回路2の出力
の差を求めることにより、サンプル・ホールド回路2の
出力の変化分を求める減算回路4と、減算回路4の出力
を積分する積分回路6とを備え、階段状に不連続に変化
する信号を、その各サンプル時点を線分で結んだ三角波
状の信号に変換する直線補間方式において、サンプル周
期に応じて、階段状に変化する信号から、三角波状の信
号に変換する際の変換利得を変化させる利得補償手段7
を設けたものである。
【0015】そして、利得補償手段7により、サンプル
周期の変化によっても、階段状に変化する信号から、三
角波状の信号に変換する際の変換利得が一定となるよう
補償する。また、本発明の請求項2の発明は、積分回路
6の時定数を可変とすることにより、利得の変化を補償
するものであり、また、請求項3の発明は、減算回路4
の利得を可変とすることにより、利得の変化を補償す
る。
【0016】さらに、請求項4の発明は、利得の変化を
補償する手段として、別途、可変利得回路5を付加する
ものである。
【0017】
【作用】サンプル・ホールド回路2は一定周期でサンプ
ルされる入力信号を、つぎのサンプル時点まで保持する
ことにより、階段状に不連続に変化する出力を発生す
る。サンプル・ホールド回路2の階段状に変化する出力
信号は、遅延回路3により1サンプル周期遅延される。
減算回路4は遅延回路3の出力とサンプル・ホールド回
路2の差を求めることにより、サンプル・ホールド回路
2の出力の変化分を求める。積分回路6は減算回路4の
出力を積分し、階段状に変化する信号を、その各サンプ
ル時点を線分で結んだ三角波状の信号に変換する。
【0018】サンプル周期が変化すると、積分回路6の
出力の傾きは一定で、積分時間が変化するため、積分回
路の出力の振幅、すなわち利得が変化する。利得補償手
段7は、サンプル周期に応じて、積分回路の時定数、減
算回路の利得、もしくは別途付加された利得可変回路な
どの利得を変化させ、利得の変化を補償する。
【0019】
【実施例】図2および図3は本発明の第1および第2の
実施例を示す図である。本発明の第1および第2の実施
例は図7に示した積分回路15の積分時定数をサンプル
周期に応じて変化させ、サンプル周期による利得の変化
を補償する実施例であり、図2および図3には、積分時
定数を変化させるための積分回路15の実施例が示され
ている。
【0020】図2の第1の実施例において、OP1は演
算増幅器、C1はコンデンサ、R1ないしRNは抵抗、
S1はスイッチである。同図において、演算増幅器OP
1は帰還回路に設けられたコンデンサC1と入力回路に
設けられた抵抗R1ないし抵抗RNにより積分回路を構
成している。また、スイッチS1はリレーあるいは切換
えスイッチなどの手段により切り換えられるスイッチで
あり、サンプル周期に応じて抵抗R1ないし抵抗RNを
切り換え、積分時定数を変化させる。
【0021】同図における積分回路の積分時定数τは下
式(1)で表される(CはコンデンサC1の容量、Rは
抵抗R1ないしRNの抵抗値)。 τ=CR (1) また、積分回路の出力電圧Vo は(初期状態を無視すれ
ば)入力電圧Vi に対して下式(2)で表される。
【0022】 Vo =−Vi ×t/τ (2) したがって、図2に示す第1の実施例において、サンプ
ル周期の変化に対して、直線補間回路の利得が一定にな
るようにするためには、積分時定数τをサンプル周期T
に対して、τ/T=一定になるように変化させればよ
い。なお、上記実施例においては、スイッチS1によ
り、積分回路の入力抵抗R1ないしRNの値を切り換え
ているが、例えば、積分時定数の切り換え数が多い場合
あるいは積分時定数を連続的に変化させたい場合には、
積分回路の入力抵抗を変化させる手段として、可変抵抗
などの連続的に抵抗値を変化させる手段を用いることも
できる。
【0023】また、上記実施例においては、スイッチS
1により、積分回路の入力抵抗R1ないしRNの値を切
り換えているが、その他、例えば、積分回路のコンデン
サを複数設け、コンデンサをスイッチにより切り換える
ことにより、同様に積分時定数を変化させることができ
る。図3に示す本発明の第2の実施例において、図2と
同一のものには同一の符号が付されており、DA1は乗
算形DAコンバータである。
【0024】図3において、演算増幅器OP1は帰還回
路に設けられたコンデンサC1と入力回路に設けられた
乗算形DAコンバータDA1により積分回路を構成して
いる。また、DAコンバータDA1は電流出力形の乗算
形DAコンバータであり、その構成は図4に示されてい
る。図4において、同図の点線内がDAコンバータであ
り、端子T1ないしT6にデジタル入力が、端子VREF
に基準電圧が加えられ、端子OUT1,OUT2より出
力が得られる。なお、同図は出力端子OUT1,OUT
2に帰還回路にコンデンサを持つ演算増幅器0P2を接
続した例が示されている。
【0025】同図に示すDAコンバータは、抵抗Rをラ
ダー・ネットワーク形に接続し、端子T1ないしT6に
与えられるデジタル入力信号により切換スイッチSD1
ないしSD6を切り換え、端子T1ないしT6に与えら
れるデジタル信号に対応したアナログ信号を出力端子O
UT1,OUT2に得るものであり、端子VREF より与
えられる入力電流はR−2Rのラダー・ネットワークに
より同図に示すように、2進に重み付けられ、切換スイ
ッチSD1ないしSD6によって出力端子OUT1また
は、出力端子OUT2に流れる。
【0026】そして、端子T1ないしT6に加わるデジ
タル入力の論理が1のときは抵抗2Rに流れる電流は出
力端子OUT1に流れ、デジタル入力が論理0の場合に
は、抵抗2Rに流れる電流は出力端子OUT2に流れ
る。したがつて、出力端子OUT1,OUT2がアース
電位にあるとすると、端子VREF より見た入力抵抗は切
換スイッチSD1ないしSD6の切り換え位置に関係な
く一定となる。
【0027】上記のような乗算形のDAコンバータの出
力電流iは、外部から与えられる基準電圧をVREF 、D
をデジタル信号で0≦D<2N の整数、rをDAコンバ
ータ内のラダー抵抗の定数とすると、一般に、Nビット
のDAコンバータについて下式(3)で表される。 i=VREF ×(D/2N )/r (3) したがって、DAコンバータの入力電圧Vi と出力電流
iの関係は、下式(4)となる。
【0028】 Vi/i=r×2N /D (4) 図3において、図4に示すDAコンバータの端子VREF
は図3のE点に接続され、また、図4に示す出力端子O
UT1およびOUT2はそれぞれ図3の演算増幅器OP
1の入力端およびアースに接続される。図3に示す積分
回路において、その入力回路に上記した特性を持つDA
コンバータが接続されており、また、上記(4)式に示
す入力電圧Vi と出力電流iの比は積分時定数を決める
入力抵抗の値に相当するから、外部から与えるデジタル
制御データDを変えることにより、Vi /iを変えるこ
とができ、積分回路の時定数を変えることができる。
【0029】そして、Rを下式(5)のようにおくと、 R=Vi /i=r×2N /D (5) 積分時定数τは(6)式となるから τ=CR=Cr×2N /D (6) 積分回路の出力ΔEN は下式(7)となる。
【0030】 ΔEN =k(VN −VN-1 )×T×D/Cr×2N (7) したがって、デジタル制御データDを、サンプル周期T
に対して、つぎの(8)式のように定めることにより、
直線補間回路の利得をサンプル周期に対して、一定にす
ることが出来る。 T×D=一定 (8) なお、DAコンバータを用いる実施例の欠点として、一
般に、安価なDAコンバータではラダー抵抗の定数rが
幅広くばらつく(標準値に対して1/2ないし2倍程
度)ので、積分時定数を相対的に制御することが出来る
が、絶対的な正確さをもって制御するには充分でない。
このため、本実施例の場合には、各DAコンバータ毎に
積分時定数の値を個別に較正するための調整部分を設け
る必要がある。
【0031】以上説明した本発明の第1および第2の実
施例によれば、図7に示した積分回路15として、サン
プル周期の変化に応じて積分時定数τを変化させること
ができる積分回路を用いるので、例えば、前記した図9
に示すようにサンプル周期が2倍になった場合、積分時
定数τが2倍となり、図9おける積分回路15の出力F
の傾きを半分とすることができる。したがって、図9の
ように、サンプル周期が2倍になっても、利得を図8の
場合と同じとすることができる。
【0032】図5は本発明の第3の実施例を示す図であ
る。本発明の第3の実施例は図7に示した減算回路14
の利得をサンプル周期に応じて変化させ、サンプル周期
による利得の変化を補償する実施例であり、図5には減
算回路15の1実施例が示されている。図5において、
OP3は演算増幅器、RF1ないしRFN、R1ないし
RNおよびRI1,RI2は抵抗、S1,S2はスイッ
チである。
【0033】同図に示す本発明の第3の実施例におい
て、演算増幅器OP3は帰還回路に設けられた抵抗RF
1ないしRFNおよび入力回路に設けられた抵抗R1な
いしRNおよびRI1,RI2により差動増幅器を構成
しており、入力端子C,Dの差を出力端子Eに出力す
る。また、スイッチS1,S2は、連動して作動するリ
レーあるいは切換えスイッチなどの手段により切り換え
られるスイッチであり、サンプル周期に応じて抵抗RF
1ないしRFNおよび抵抗R1ないしRNを切り換え、
差動増幅器の利得を変化させる。
【0034】図5に示す減算回路において、入力端子C
の入力電圧をVi2,入力端子Dの入力電圧をVi1、差動
増幅器の利得をkとすると、出力端子Dの出力電圧Vo
は下式(9)で表される。 Vo =k(Vi1−Vi2) (9) 差動増幅器の利得kは、帰還回路に設けられた抵抗RF
1ないしRFNおよび入力回路に設けられた抵抗R1な
いしRNおよびRI1,RI2の4本の抵抗の比率によ
り定まるが、出力電圧Vo を2つの入力信号の差(Vi1
−Vi2)に比例させて利得kを変えるには、少なくとも
2本の抵抗(抵抗RF1ないしRFNおよび抵抗R1な
いしRN)を変える必要がある。
【0035】このため、図5に示すスイッチS1,S2
は連動して抵抗RF1ないしRFNおよび抵抗R1ない
しRNを切り換え、差動増幅器の利得kを変化させる。
すなわち、差動増幅器の利得kを、サンプル周期Tに対
して、次の(10)式のように定めることにより、直線
補間回路の利得をサンプル周期に対して、一定にするこ
とが出来る。
【0036】 T×k=一定 (10) 以上のように、本実施例によれば、図7に示した減算回
路14の利得をサンプル周期Tに応じて変化させること
ができるので、直線補間回路の利得をサンプル周期Tが
変化しても一定とすることができる。なお、上記実施例
においては、切り換える抵抗の数が図2に示した実施例
のものの2倍となり、構成が複雑となる欠点がある。
【0037】本発明の第4の実施例は図7に示す直線補
間回路に、別途、可変利得回路を設け、その利得をサン
プル周期に応じて変化させ、サンプル周期による利得の
変化を補償する実施例であり、図6には、可変利得回路
の1実施例が示されている。図6において、OP4は演
算増幅器、DA2は図4に示した乗算形DAコンバー
タ、RF1は抵抗である。演算増幅器OP4は帰還回路
に設けられた抵抗RF1と入力回路に設けられた乗算形
DAコンバータDA2により可変利得回路を構成してい
る。
【0038】また、DAコンバータDA2は図4に示し
た電流入力形の乗算形DAコンバータであり、図3に示
した場合と同様、DAコンバータの端子VREF は図6の
E1点に接続され、また、図4に示す出力端子OUT1
およびOUT2はそれぞれ図6の演算増幅器OP4の入
力端およびアースに接続される。本実施例において、図
6の可変利得回路は、図7における減算回路14と積分
回路15の間に設けることが望ましいが、その他、積分
回路15の出力側あるはサンプル・ホールド回路12の
入力側、出力側に設けることができる。
【0039】図6において、DAコンバータDA2の出
力電流iは前記した(3)式で表されるので、抵抗RF
1の抵抗値をR、DAコンバータDA2の入力電圧をV
i とすると、演算増幅器OP4の出力電圧Vo は下式
(11)で表される。 Vo =−R×i=−Vi ×(R/r)×(D/2N ) (11) ところで、前記したように、DAコンバータのラダー抵
抗の値はばらつくが、演算増幅器OP4の帰還抵抗RF
1として、DAコンバータDA2に内蔵された抵抗(図
4において、出力端子OUT1に一端が接続され、他端
が外部端子として出力されている抵抗)を用いれば、ラ
ダー抵抗の値のばらつきを相殺することができる。
【0040】すなわち、DAコンバータに内蔵された抵
抗はラダー抵抗と同一の条件で製造されるので、内蔵さ
れた抵抗とラダー抵抗の相互間のばらつきは非常にすく
なく、ラダー抵抗値の標準値からのずれを内蔵抵抗値の
標準値からのずれにより相殺することができる。DAコ
ンバータに内蔵された抵抗の抵抗値はDAコンバータ内
のラダー抵抗の定数rと等しいので、帰還抵抗RF1と
して、DAコンバータDA2に内蔵された抵抗を用いた
場合には、演算増幅器OP4の出力電圧Vo は下式(1
2)で表される。
【0041】 Vo =−Vi ×(D/2N ) (12) ここで、図6に示す可変利得回路の利得をGとすると、
利得Gは下式(13)で表される。 G=Vo /Vi =−(D/2N ) (13) 図7に示した直線補間回路に上記利得Gを持つ可変利得
回路を付加すると、直線補間回路全体の出力ΔEN は下
式(14)で表される。
【0042】 ΔEN =G×k(VN −VN-1 )×T/r =−(D/2N )×k(VN −VN-1 )×T/r (14) したがって、デジタル制御データDを下式(15)のよ
うに定めることによりサンプル周期が変化しても、直線
補間回路全体の利得を一定とすることができる。
【0043】 T×D=一定 (15) 以上のように、本実施例によれば、図7に可変利得回路
を付加して、その利得をサンプル周期Tに応じて変化さ
せることができるので、直線補間回路の利得をサンプル
周期Tが変化しても一定とすることができる。また、第
1および第3の実施例に示したように抵抗値を切り換え
るスイッチを用いる必要がないので、構成を簡単にする
ことができる。
【0044】さらに、演算増幅器OP4の帰還抵抗とし
て、DAコンバータ内蔵の抵抗を用いることができるの
で、第2の実施例のように、各DAコンバータのラダー
抵抗のばらつきを個別に較正するための調整部分を設け
る必要がない。なお、上記実施例においては、アナログ
信号をサンプルした階段状の波形を線分により補間する
場合について説明したが、本発明は上記実施例に限定さ
れるものではなく、例えば、DAコンバータの出力信号
など、階段状の変化する信号を補間する場合にも適用す
ることができる。
【0045】
【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明は、サンプル周期の変化にともなう直線補間回路
の利得の変化を、利得補償手段により補償しているの
で、サンプル周期が変化しても直線補間回路の利得を一
定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本構成を示す図である。
【図2】本発明の第1の実施例を示す図である。
【図3】本発明の第2の実施例を示す図である。
【図4】乗算形DAコンバータの構成を示す図である。
【図5】本発明の第3の実施例を示す図である。
【図6】本発明の第4の実施例を示す図である。
【図7】本発明の前提となる従来の直線補間回路を示す
図である。
【図8】従来の直線補間回路のタイム・チャートを示す
図である。
【図9】従来の直線補間回路のタイム・チャートを示す
図である。
【符号の説明】
2 サンプ
ル・ホールド回路 3 遅延回
路 4 減算回
路 5 可変利
得回路 6 積分回
路 7 利得補
償手段 OP1、OP2、OP3、OP4 演算増
幅器 C1 コンデ
ンサ DA1、DA2 乗算形
DAコンバータ R1…RN、RF1…RFN、RI1,RI2 抵抗 S1,S2 スイッ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03M 1/00 - 1/88

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一定周期で入力信号をサンプルして、つ
    ぎのサンプル時点まで前回のサンプル値を保持すること
    により、階段状に不連続に変化する出力を発生するサン
    プル・ホールド回路(2)と、 サンプル・ホールド回路(2)の出力を1サンプル周期
    だけ遅延させる遅延回路(3)と、 遅延回路(3)とサンプル・ホールド回路(2)の出力
    の差を求めることにより、サンプル・ホールド回路
    (2)の出力の変化分を求める減算回路(4)と、 減算回路(4)の出力を積分する積分回路(6)とを備
    え、階段状に不連続に変化する信号を、その各サンプル
    時点を線分で結んだ三角波状の信号に変換する直線補間
    方式において、 サンプル周期に応じて、階段状に変化する信号から、三
    角波状の信号に変換する際の変換利得を変化させる利得
    補償手段(7)を設け、利得補償手段(7)により、サ
    ンプル周期の変化によっても、階段状に変化する信号か
    ら、三角波状の信号に変換する際の変換利得が一定とな
    るよう補償することを特徴とする直線補間方式。
  2. 【請求項2】 前記利得補償手段として、積分回路
    (6)の時定数を可変とすることを特徴とする請求項1
    の直線補間方式。
  3. 【請求項3】 前記利得補償手段として、減算回路
    (4)の利得を可変とすることを特徴とする請求項1の
    直線補間方式。
  4. 【請求項4】 前記利得補償手段として、別途、可変利
    得回路(5)を付加することを特徴とする請求項1の直
    線補間方式。
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