CN107040258A - 测量机和测量机用的信号处理设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种测量机和测量机用的信号处理设备，其可以进行动态范围宽且分辨率高的测量。第一模数(AD)转换器将传感器信号AD转换成上位数字信号。第一数模(DA)转换器将上位数字信号DA转换成上位模拟信号。第一合成单元通过从传感器信号中减去上位模拟信号来生成下位模拟信号。放大器通过放大下位模拟信号来生成放大下位模拟信号。第二AD转换器将放大下位模拟信号AD转换成下位数字信号。第二合成单元将被视为上位侧的数位的上位数字信号与被视为下位侧的数位的下位数字信号进行合成。

Description

测量机和测量机用的信号处理设备
技术领域
本发明涉及一种测量机和测量机用的信号处理设备。
背景技术
要求测量机以高分辨率检测传感器的输出信号。
这里，基于前置放大器的放大率和模数(AD)转换器的位数来确定分辨率。另一方面，如果传感器输出在宽范围内改变，则需要扩大动态范围。
动态范围还基于前置放大器的放大率和AD转换器的位数来确定。分辨率和动态范围具有消长关系(trade-off relation)；随着分辨率变高，动态范围变窄。
传统上，前置放大器的增益(放大率)已根据范围进行了切换。例如，在JP 2002-162251 A所公开的测量机用的信号处理设备中，用户可以根据需要逐渐地切换范围。CPU根据用户所选择的范围来自动调整增益。
发明内容
然而，只要AD转换器的位数是固定的，分辨率和动态范围就保持消长关系，并且难以进行动态范围宽且分辨率高的测量。
本发明的目的是提供测量机用的可以进行动态范围宽且分辨率高的测量的信号处理设备。
本发明的方面中的一种测量机用的信号处理设备，所述信号处理设备用于将与测量值相对应的模拟传感器信号转换成数字信号以用作测量数据，所述信号处理设备包括：
第一模数转换器即第一AD转换器，其被配置为将所述传感器信号AD转换成上位数字信号；
第一数模转换器即第一DA转换器，其被配置为将所述上位数字信号DA转换成上位模拟信号；
第一合成单元，其被配置为通过从所述传感器信号中减去所述上位模拟信号来生成下位模拟信号；
放大器，其被配置为通过放大所述下位模拟信号来生成放大下位模拟信号；
第二AD转换器，其被配置为将所述放大下位模拟信号AD转换成下位数字信号；以及
第二合成单元，其被配置为将被视为上位侧的数位的所述上位数字信号与被视为下位侧的数位的所述下位数字信号进行合成。
在本发明的方面中，所述第一DA转换器的分辨率可以被设置得等于或低于所述第一AD转换器的分辨率。
在本发明的方面中，所述第一AD转换器的分辨率可以被设置得等于所述第一DA转换器的分辨率。
本发明的方面中的一种测量机，其包括上述的测量机用的信号处理设备和传感器。
附图说明
图1是根据第一典型实施方式的信号处理设备的功能框图；
图2是示出传感器信号E1的示例的图；
图3是示出通过对传感器信号E1进行AD转换所获得的结果的示例的图；
图4是示出上位模拟信号E3的示例的图；
图5是示出反相上位模拟信号E4的示例的图；
图6是示出下位模拟信号E5的示例的图；
图7是示出放大下位模拟信号E6的示例的图；
图8是示出下位数字信号E7的示例的图；
图9是示出合成数字信号E8的示例的图；以及
图10是示出作为实施例1的电路的结构示例的图。
具体实施方式
参考添加至附图中的各元件的附图标记来例示并说明本发明的实施方式。
第一典型实施方式
图1是根据本发明的第一典型实施方式的信号处理设备100的功能框图。
沿着信号的路径顺次说明各功能单元所进行的处理。
首先，从传感器电路400向信号处理设备100输入传感器信号E1。在图2中示出传感器信号E1的示例。传感器电路400是用于例如检测形状测量机的触针的位移的差动电感，并且输出根据触针的位移而改变的模拟信号。
例如，如图2所示，传感器信号E1包括轮廓线整体上叠加有波纹和细微凹凸的信号。
传感器信号E1分支成如下的两个传感器信号；一个传感器信号被输入至第一模数(AD)转换器10，并且另一传感器信号被输入至第一合成单元140。
利用第一AD转换器110将传感器信号E1转换成数字信号。在图3中示出AD转换后的传感器信号E1的结果的示例。
将利用第一AD转换器110转换成数字信号的信号称为上位数字信号E2。
如图3所示，为了扩大第一AD转换器110的范围，第一AD转换器110相对粗略地进行数字转换。
上位数字信号E2分支成如下的两个上位数字信号；一个上位数字信号被输入至第二合成单元170，并且另一上位数字信号被输入至第一数模(DA)转换器120。
利用第一DA转换器120将上位数字信号E2再次转换成模拟信号。将利用第一DA转换器120转换成模拟信号的信号称为上位模拟信号E3。
在图4中示出上位模拟信号E3的示例。
上位模拟信号E3是通过从传感器信号E1中去除第一AD转换器110的分辨率以下的变动所获得的。
上位模拟信号E3在反相电路130进行反相处理之后，被输入至第一合成单元140。将反相电路130反相后的信号称为反相上位模拟信号E4，并且在图5中示出该反相上位模拟信号E4的示例。
将传感器信号E1从一个输入端输入至第一合成单元140，并且将反相上位模拟信号E4从另一输入端输入至第一合成单元140。
第一合成单元140将传感器信号E1与反相上位模拟信号E4合成。将通过将传感器信号E1与反相上位模拟信号E4合成所获得的信号称为下位模拟信号E5，并且在图6中示出该下位模拟信号E5的示例。
下位模拟信号E5是通过从传感器信号E1中去除第一AD转换器110的分辨率以下的变动所获得的。
利用放大器150放大下位模拟信号E5，并且将放大后的信号称为放大下位模拟信号E6。
在图7中示出放大下位模拟信号E6的示例。然后，利用第二AD转换器160将放大下位模拟信号E6转换成数字信号。
将利用第二AD转换器160转换成数字信号的信号称为下位数字信号E7，并且在图8中示出该下位数字信号E7的示例。下位数字信号E7是通过对下位模拟信号E5先进行放大然后再进行AD转换所获得的、即通过从传感器信号E1中提取第一AD转换器110的分辨率以下的变动作为数字数据所获得的。
将下位数字信号E7输入至第二合成单元170。
将上位数字信号E2从一个输入端输入至第二合成单元170，并且将下位数字信号E7从另一输入端输入至第二合成单元170。
第二合成单元170将上位数字信号E2与下位数字信号E7合成。
此时，将上位数字信号E2视为上位侧的位，并且将下位数字信号E7视为下位侧的位。然后，获得图9所示的合成数字信号E8。
这样所获得的合成数字信号E8是具有宽动态范围和高分辨率的测量数据。
实施例1
图10示出作为实施例1的电路的结构示例。
在图10中，反相电路130、第一合成单元140和放大器150分别利用运算放大器AMP1～AMP3来实现。注意，第一合成单元140是反相加法电路，并且放大器150是反相放大电路。
此外，作为示例，按照如下所述设置电路条件：
传感器的测量范围是819.2um，并且传感器信号E1是振幅为10V的电气信号。
第一AD转换器110和第一DA转换器120的输入范围为10V并且它们的分辨率为7位。
注意，第一AD转换器110的分辨率被设置得等于第一DA转换器120的分辨率。
分别构成反相电路130和第一合成单元140的运算放大器AMP1和AMP2的增益是1倍，并且构成放大器150的运算放大器AMP3的增益是64倍。
第二AD转换器160的输入范围为10V并且其分辨率是16位。
此时，在第一AD转换器110和第一DA转换器120的最低位(LSB)中，振幅水平是78.125mV，并且分辨率相当于6.4μm。
这里，说明第二AD转换器160。
将第一AD转换器110和第一DA转换器120的最低位(LSB)以下的位(6.4μm)放大为10V的振幅(即，128倍)，并且利用16位来表示。
因而，第二AD转换器160的最低位(LSB)相当于0.000097656um。
换句话说，第二合成单元170将上位数字信号与下位数字信号合成意味着可以利用相当于23位的高分辨率来进行数字转换。
819.2um/0.000097656um＝8388629＝(相当于)23位
注意，为了使第一合成单元140将传感器信号E1与反相上位模拟信号E4合成，需要考虑到反相上位模拟信号E4相对于传感器信号E1的延迟。
在假定传感器信号E1是正弦波的情况下，需要在传感器信号E1的半个周期内生成反相上位模拟信号E4。
假定第一AD转换器110、第一DA转换器120和反相电路130的总延迟是td，并且第一AD转换器110(第一DA转换器120)的位数是n。
此外，假定传感器信号E1的最短周期是Tmin、并且最大频率是Fmax。
此时，Tmin/2＝td×2n成立，因而Fmax＝1/(2×td×2n)成立。
注意，本发明不限于上述实施例，并且可以在没有背离范围的情况下进行适当改变。
在上述示例中，插入了反相电路130，但例如，如果第一DA转换器120以反相方式进行输出，则不需要反相电路130。
可选地，只要第一合成单元140用作减法装置，就可以省略反相电路130。
在本实施方式中，例示了第一AD转换器110的分辨率应等于第一DA转换器120的分辨率，但第一AD转换器110的分辨率可能不同于第一DA转换器120的分辨率，并且例如，第一DA转换器120的分辨率可能低于第一AD转换器110的分辨率。
无需说明，没有限制传感器的种类。
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求2015年9月29日提交的日本专利申请2015-190868的优先权，在此通过引用包含其全部内容。

Claims (4)

1.一种测量机用的信号处理设备，所述信号处理设备用于将与测量值相对应的模拟传感器信号转换成数字信号以用作测量数据，所述信号处理设备包括：
第一模数转换器即第一AD转换器，其被配置为将所述传感器信号AD转换成上位数字信号；
第一数模转换器即第一DA转换器，其被配置为将所述上位数字信号DA转换成上位模拟信号；
第一合成单元，其被配置为通过从所述传感器信号中减去所述上位模拟信号来生成下位模拟信号；
放大器，其被配置为通过放大所述下位模拟信号来生成放大下位模拟信号；
第二AD转换器，其被配置为将所述放大下位模拟信号AD转换成下位数字信号；以及
第二合成单元，其被配置为将被视为上位侧的数位的所述上位数字信号与被视为下位侧的数位的所述下位数字信号进行合成。
2.根据权利要求1所述的测量机用的信号处理设备，其中，所述第一DA转换器的分辨率被设置得等于或低于所述第一AD转换器的分辨率。
3.根据权利要求2所述的测量机用的信号处理设备，其中，所述第一AD转换器的分辨率被设置得等于所述第一DA转换器的分辨率。
4.一种测量机，包括：
根据权利要求1所述的测量机用的信号处理设备；以及
传感器。
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