JPH07273650A - 非線形信号用のａ／ｄ変換回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非線形入力信号の広い信号レベル範囲に対し
て高分解能となるＡ／Ｄ変換回路を得る。 【構成】 ゲインの高いアンプ２xから順次低位のゲイ
ンのアンプ２x-1へアンプ２の出力とＡ／Ｄ変換器４の
入力端子間を切換回路３が切換ることにより最適なゲイ
ンのアンプ２iを検索する。アナログ入力信号をサンプ
ルホール回路１が保持し、アンプ２の増幅信号をＡ／Ｄ
変換器４においてデジタルデータに変換する。デジタル
データは、オーバーフロー検出部５でオーバーフローし
ているか否かがチェックされる。オーバーフロー信号を
ゲイン制御部６が受信し、接続回路３の接続３a〜３xを
順次変更し、オーバーフロー信号の立たないアンプ２i
を選択する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非線形信号用のＡ／Ｄ
変換回路に関し、特に計測データ処理回路において、非
線形なアナログ信号を広帯域でアナログ／デジタル（Ａ
／Ｄ）変換するＡ／Ｄ変換回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、非線形信号用のＡ／Ｄ変換回路は
一般に、図２に示す様に固定ゲインの入力アンプとＡ／
Ｄ変換部から構成されている。入力アンプのゲインは、
入力されるアナログ信号の計測範囲の最大値が、Ａ／Ｄ
変換のフルスケールと一致するよう決定される。この設
定によればビット当たりの分解能は、計測範囲およびＡ
／Ｄ変換部のビット数の他に、入力信号特性の直線性に
依存して定まることとなる。

【０００３】Ａ／Ｄ変換器に関する従来技術例として、
特開昭６１−２４８６２２号公報に記載のものはアナロ
グ入力信号を複数段に分割し、レベルシフトをすると共
に増幅を行い、各段毎に低ビット数のＡ／Ｄ変換器を用
いて、高ビット数のＡ／Ｄ変換器を構成している。

【０００４】また、特開平１−１６２４２１号公報に記
載のものは、入力信号が所定の値より小さい場合、アン
プのゲインを上げ入力信号を大きくし、入力信号を増し
た分Ａ／Ｄ変換器の出力データのビット数を下位へシフ
トする。この手法により、低レベルの信号の変換精度を
向上させている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
Ａ／Ｄ変換回路では、非線形な入力信号をＡ／Ｄ変換す
るため、上述した様にｂｉｔ当たりの分解能が入力信号
の特性により大きく相違する。したがって、設計仕様に
関係無く、入力信号の領域において高分解能な範囲と低
分解能な範囲が生じる問題を伴う。この問題点の内容の
具体例を温度センサにおいて説明する。

【０００６】図３は一般的な温度センサの抵抗および出
力電圧特性例を示している。同図中の実線で表したグラ
フは、上記の温度センサをホイートストンブリッジ回路
（図示せず）に構成し、電圧信号として検出した特性を
示している。リニア特性の優れているホイートストンブ
リッジ回路からは、センサの抵抗変化にほぼ比例した電
圧値が検出される。

【０００７】この温度センサの対温度抵抗特性は、低温
部において感度が高く特性曲線の傾斜角度が大きい。つ
まりセンサの感度が高く出力電圧当たりの分解能が高
い。しかし高温部になるほど二次曲線的に特性曲線の傾
斜は緩慢となる。つまりセンサの感度が低く出力電圧当
たりの分解能が低い。このように一般的な温度センサ
は、低温部と高温部の感度の特性が相違する。

【０００８】上記の温度データに対応する電圧信号をデ
ジタル信号に変換する場合、低温部と高温部とで温度分
解能が極端に異なってくる。計測範囲が広くなるほど、
この傾向は顕著に現れる。よって、広い計測範囲と高精
度な計測特性を同時に得るには従来の回路構成では困難
を伴う。このため電圧変化の小さい部分、つまり温度が
大きく変わっても抵抗があまり変化しない部分の分解能
を犠牲にするか、検出範囲を狭く採り、計測範囲を犠牲
にした計測回路を組むこととなる。

【０００９】このように非線形の信号を入力信号とする
Ａ／Ｄ変換回路では、計測範囲あるいは分解能において
ある程度妥協した回路を構成しているため、十分な特性
または所望のデータを得ることが困難な状態にある。

【００１０】本発明は、非線形入力信号の広い信号レベ
ル範囲に対し高分解能が得られるＡ／Ｄ変換回路を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明の非線形信号用のＡ／Ｄ変換回路は、異なる
ゲインを有する複数の増幅手段と、増幅手段の何れか１
の出力をＡ／Ｄ変換手段のアナログ信号の入力端子へ接
続するための切換手段と、Ａ／Ｄ変換手段のデジタルの
出力信号の信号レベルを検出する信号レベル検出手段
と、信号レベル検出手段が検出した信号レベルの大きさ
に応じて切換手段の接続を切り換えるための切換信号を
出力するゲイン制御手段と、信号レベル検出手段が検出
した信号をデジタルの信号と共に出力する信号レベル出
力手段とを有することを特徴としている。

【００１２】また、信号増幅手段は、非線形信号の信号
感度の低い部位の増幅に信号感度の高い部位より細かく
配置され、非線形信号を増幅するとよい。

【００１３】更に、信号増幅手段の各々の感度調整によ
り、Ａ／Ｄ変換手段のアナログの入力端子へ入力される
アナログ信号を、より直線信号に補正するとよい。

【００１４】

【作用】したがって、本発明の非線形信号用のＡ／Ｄ変
換回路によれば、デジタル出力信号の信号レベルを検出
し、検出した信号レベルの大きさに応じてゲインの異な
る増幅信号をＡ／Ｄ変換手段のアナログ信号の入力端子
へ接続するため、入力信号の信号レベルに応じて異なる
ゲインの増幅器を設定することができる。

【００１５】

【実施例】次に添付図面を参照して本発明による非線形
信号用のＡ／Ｄ変換回路の実施例を詳細に説明する。図
１を参照すると本発明の非線形信号用のＡ／Ｄ変換回路
の実施例が示されている。

【００１６】（第１の実施例）図１のＡ／Ｄ変換部は、
温度抵抗特性をもつサーミスタ等の非直線信号をＡ／Ｄ
変換する構成例を表している。このＡ／Ｄ変換部は、非
線形の入力信号を一時保持するサンプルホールド回路
１、複数段のアンプ２、切換回路３、Ａ／Ｄ変換器４、
オーバーフロー検出回路５、ゲイン制御部６およびゲイ
ンフラグ出力部７により構成される。また入力信号は、
センサが固定抵抗器とホイートストンブリッジに回路構
成され（図示せず）、センサの抵抗値変化に比例した電
圧信号を出力信号として得ている。

【００１７】サンプルホールド回路１は、Ａ／Ｄ変換動
作を安定的に実行するために、入力信号を一時保持する
回路部である。アンプ２は、ゲインの異なるＸ個のアン
プ２a、２b、…、２xにより構成される。このゲイン特
性および段数Ｘは非線形の入力信号の特性・欲する精度
等により設定する。切換回路３は、複数のアンプ２の出
力のいずれか１を選択し次の段への接続を切り換えるた
めのスイッチであり、アンプの段数Ｘに対応する回路数
を有している。実施例におけるスイッチの種類は、アナ
ログスイッチを用いている。この切換回路３a、３b、
…、３xの各々の切換制御端子は、ゲイン制御部６と接
続され切換動作が制御される。

【００１８】Ａ／Ｄ変換器４は、アナログ信号をデジタ
ル信号に変換する回路部である。入力端子は切換回路３
のそれぞれの出力端子と並列に接続され、出力端子はＡ
／Ｄデータ出力部へ接続され、また、オーバーフロー検
出部５へも接続される。Ａ／Ｄ変換の方式および出力ビ
ット数は限定されない。

【００１９】オーバーフロー検出部５は、Ａ／Ｄ変換器
４で変換されたデジタル信号の状態を監視し、所定の状
態になった時フラグを出力する回路部である。実施例で
はデジタル信号がオール“１”（ＦＦH）の状態でフラ
グを立てるものとする。フラグはゲイン制御部６および
ゲインフラグ出力部７へ出力される。

【００２０】ゲイン制御部６は、オーバーフロー検出部
５から出力されるフラグの状態に基づきゲイン制御信号
を出力する回路部である。ゲイン制御部６の出力するフ
ラグ制御信号は、切換回路３の切換制御端子と接続され
ている。

【００２１】ゲインフラグ出力部７は、ゲイン制御部６
によるゲインの切換状態を識別するためのフラグを出力
する回路部である。この信号は、Ａ／Ｄデータ８と共に
出力され、受信したＡ／Ｄデータ８を処理する部（図示
せず）においてアンプ２のゲイン状態を認識するために
用いられる。

【００２２】アンプ２のゲインと切換回路３とゲイン制
御部６との関係を、例えば、アンプ２a、アンプ２b、〜
アンプ２xと順次ゲインが上昇するＸ段のアンプ２で構
成された場合において述べる。

【００２３】測定開始時の当初は、アンプ２の一番ゲイ
ンの高いアンプ２xから順次低位のゲインのアンプ２iへ
切換ることにより最適なゲインのアンプを検索する。先
ず、アナログ入力信号をサンプルホール回路１で保持
し、最上位の段位のアンプ２ｘでサンプルホールドした
アナログ信号を増幅し、切換回路３を経由してＡ／Ｄ変
換器４においてデジタルデータに変換する。

【００２４】デジタルデータは、オーバーフロー検出部
５でオーバーフローしているか否かがチェックされる。
オーバーフローしている場合は、ゲイン制御部６はオー
バーフロー信号を受信し、最上位のアンプ２xから１段
下位のアンプ２x-1とＡ／Ｄ変換器とを接続するよう
に、制御信号を出力して切換回路の接続を変更させる。
アンプの段位を変更した後にオーバーフロー検出部５は
デジタルデータを再度チェックする。なお、最上位のア
ンプ２xとの接続でＡ／Ｄ変換器４のデジタル信号の出
力がオーバーフローしない場合は、当該アンプ２xとＡ
／Ｄ変換器との接続状態を保持する。

【００２５】上記のオーバーフロー検出部５におけるチ
ェックは順次実行され、オーバーフロー検出部５におけ
るオーバーフローフラグが立たなくなるまで、順次１段
下位のアンプへ接続回路の接続を変更する。また、上記
の最適段位のアンプを選択する過程におけるオーバーフ
ローフラグは、ゲインフラグ出力部７からデジタルデー
タと共に順次出力される。最下位のゲインのアンプの選
択状態でオーバーフローフラグが出力される場合は、入
力信号が過大であり入力信号を小さくすることが必要で
ある。

【００２６】上記の実施例では、Ａ／Ｄ変換器４の入力
信号に、複数の異なるゲインの高いゲイン側から低いゲ
イン側へ移行したが、ゲインの低い側から高い側へ順次
移行しても良い。この場合、オーバーフローフラグが立
つ直前のゲインのアンプを最適アンプとして選択する。

【００２７】（第２の実施例）第２の実施例では、オー
バーフロー検出部５において、オーバーフロー状態とア
ンダーフロー状態の２種類のチェックを実行し、これら
の識別フラグを出力する。オーバーフローフラグの出力
の条件は第１の実施例の場合と同一である。アンダーフ
ローフラグの出力条件は、例えばＡ／Ｄ変換器４のフル
スケールの１／２以下で出力させる。この出力条件はア
ンプの段数およびセンサの感度の低い範囲を細かく分割
し、感度の高い範囲を粗く分割する等の配慮の基に行う
と、センサの直線性を向上させる上でより良い結果が得
られる。本実施例の説明は、図１を用いて行う。

【００２８】ゲイン制御部６は上記の２種類のフラグを
受信し、切換回路３の切換を制御する。その他の構成は
第１の実施例の場合と同一である。動作状態において、
第２の実施例では予め定めた段位のアンプから測定を開
始する。この段位は前回測定時の最終の段位を用いるの
も良い。但し、第１の実施例のように最下位のゲインの
アンプから開始してもよい。実施例では所定の段位のア
ンプ２iから測定を開始する。

【００２９】アナログ入力信号をサンプルホール回路で
保持し、所定の段位のアンプ２iでサンプルホールドし
たアナログ信号を増幅し、切換回路３iを経由してＡ／
Ｄ変換器４においてデジタルデータに変換する。デジタ
ルデータは、オーバーフロー検出部５でオーバーフロー
またはアンダーフローしているか否かがチェックされ
る。オーバーフローしている場合は低いゲインのアンプ
へ切り換え、またアンダーフローしている場合は高いゲ
インのアンプへ切り換えるべく制御信号を出力する。こ
の切り換え制御は、オーバーフロー検出部５からオーバ
ーフローまたはアンダーフローのどちらのフラグも出力
されない状態となる様に制御される。

【００３０】最下位のゲインのアンプの選択状態でオー
バーフローフラグが出力される場合は、入力信号が過大
であり、最上位のゲインのアンプの選択状態でアンダー
フローフラグが出力される場合は、入力信号が過小であ
る。

【００３１】第２の実施例のＡ／Ｄ変換回路は最適アン
プの選択動作に融通性、例えば飛び段、級数的な集練
等、があり、入力信号が変動する場合や長期間の追尾的
な測定に対応が可能である。

【００３２】上記実施例のＡ／Ｄ変換は、異なった複数
のゲインを持った入力アンプを信号の入力レベルに応じ
自動的に切り換えることにより、広い計測範囲をもつ非
線形信号でも、比較的一定の分解能でＡ／Ｄ変換を比較
的簡単に実現することができる。また、広い計測範囲の
データを得ると同時に、ある特定の範囲を高分解能で取
得したい場合なども、アンプのゲインと計測レンジの関
係を適切に設定することにより任意の計測範囲を自由な
分解能に設定することが可能となる。

【００３３】尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の
一例ではあるが、本発明はこれに限定されるものではな
く本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施
可能である。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明より明かなように、本発明の
非線形信号用のＡ／Ｄ変換回路は、デジタル出力信号の
信号レベルの大きさに応じてゲインの異なる増幅信号を
Ａ／Ｄ変換手段のアナログ信号の入力端子へ接続するた
め、入力信号の信号レベルに応じて異なるゲインの増幅
器を設定する。よって、レベルによって特性の異なる非
線形入力信号を、ゲインの異なる増幅器により補正する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の非線形信号用のＡ／Ｄ変換回路の実施
例を示す回路構成図である。

【図２】従来の非線形信号用のＡ／Ｄ変換回路の構成例
を示す回路図である。

【図３】非線形入力信号の形態例を示した図である。

【符号の説明】

１ サンプルホールド回路 ２ アンプ ３ 切換回路 ４ Ａ／Ｄ変換器 ５ オーバーフロー検出器 ６ ゲイン制御部 ７ ゲインフラグ出力部 ８ Ａ／Ｄデータ ９ フラグ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異なるゲインを有する複数の増幅手段
   と、 前記増幅手段の何れか１の出力をＡ／Ｄ変換手段のアナ
   ログ信号の入力端子へ接続するための切換手段と、 前記Ａ／Ｄ変換手段のデジタルの出力信号の信号レベル
   を検出する信号レベル検出手段と、 前記信号レベル検出手段が検出した信号レベルの大きさ
   に応じて前記切換手段の前記接続を切り換えるための切
   換信号を出力するゲイン制御手段と、 前記信号レベル検出手段が検出した信号を前記デジタル
   の信号と共に出力する信号レベル出力手段とを有するこ
   とを特徴とする非線形信号用のＡ／Ｄ変換回路。
2. 【請求項２】 前記信号増幅手段は、非線形信号の信号
   感度の低い部位の増幅に前記信号感度の高い部位より細
   かく配置され、前記非線形信号を増幅することを特徴と
   する請求項１記載の非線形信号用のＡ／Ｄ変換回路。
3. 【請求項３】 前記信号増幅手段の各々の感度調整によ
   り、前記Ａ／Ｄ変換手段のアナログの入力端子へ入力さ
   れるアナログ信号を、より直線信号に補正することを特
   徴とする請求項１または２記載の非線形信号用のＡ／Ｄ
   変換回路。