JP2004147326A - アナログ・デジタル変換器のダイナミックレンジを拡張するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】　本発明は、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを拡張するための新しく改善されたシステム及び方法を提供する。
【解決手段】　Ａ／Ｄ変換器の作動が監視され、オフセット信号がアナログ入力信号と組み合わされて、該Ａ／Ｄ変換器の作動をダイナミックレンジの範囲内に保持する、該Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを改善するためのシステム及び方法である。
【選択図】　　　図１

Description

　本発明は、一般にアナログ形式からデジタル形式への信号の変換に関し、より具体的にはアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器のダイナミックレンジを拡張するためのシステム及び方法に関する。

　一般的に、温度にわたって所定の範囲のバイアスを有するセンサ・システムは、デジタル化の前にアナログ領域において温度にわたる較正を行うことによって較正され、ゼロ出力安定性を得る。較正を行うための、より経済的で安定した方法は、これをデジタル領域において行うことである。しかしながら、このようなシステムにおいては、入力信号とオフセットの変化との間でＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを共有しなければならず、較正された信号のダイナミックレンジが低減されることになる。

　ダイナミックレンジの減少を克服する１つの方法は、信号のアナログ・スケーリングを減少させることである。しかしながら、そのことにより、低い信号対雑音比及びデジタル信号の解像度の低下がもたらされる。

　高解像度のＡ／Ｄ変換器を用いることによって解像度の低下を回避することができる。高解像度のＡ／Ｄ変換器は、デジタル信号の解像度を保持又は改善するが、より高価なＡ／Ｄ変換器を必要とすることになる。

　一般に、本発明の目的は、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを拡張するための新しく改善されたシステム及び方法を提供することである。

　本発明の別の目的は、従来技術の制限及び不利な点を克服する上の特徴をもつ改善されたシステム及び方法を提供することである。

　これら及び他の目的は、Ａ／Ｄ変換器の作動が監視され、オフセット信号がアナログ入力信号と組み合わされて、該Ａ／Ｄ変換器の作動をダイナミックレンジの範囲内に保持する、該Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを改善するためのシステム及び方法を提供することによって、本発明に従って達成される。

　図１において、測定されることになる物理的特性に対応するアナログ電気信号を提供するトランスデューサ１１と共に、システムが示される。このトランスデューサからの信号は、前処理回路１２に適用され、前処理された信号は、加算回路１３の第１の入力に適用される。この加算回路の出力は、Ａ／Ｄ変換器１４の入力に接続される。

　Ａ／Ｄ変換器の作動は、オフセット制御信号を加算回路の第２の入力に適用するデジタル信号処理・制御回路１６によって監視され、該オフセット制御信号は、この加算回路においてアナログ信号と組み合わせられる。Ａ／Ｄ変換器１４及び処理・制御回路１６は、共に処理ユニット１７を構成する。

　Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジのどこで作動しているかによって、処理・制御回路は、３つの異なるレベルの信号を生成する。図１の実施形態において、Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの範囲内で作動している場合には、オフセット制御信号をゼロとする。変換器がそのダイナミックレンジの上限に達した場合には、処理・制御回路は、負のオフセット信号を生成し、加算回路からのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジ内に戻す。補償された信号がダイナミックレンジの範囲内に戻った場合には、オフセット信号はゼロに戻る。Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの下限に達した場合には、処理・制御回路は正のオフセット信号を生成し、加算回路からのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジ内に戻す。補償された信号がダイナミックレンジの範囲内に戻った場合には、オフセット信号はゼロに戻る。

　Ａ／Ｄ変換に続いて、オフセット信号を補償するためにデジタル化された信号を処理し、デジタル出力信号がオリジナルのアナログ入力信号を正確に表すようにする。このことは、デジタル化された信号からアナログ・オフセット信号のデジタル等価物を減算することによって行われる。所定の変換器の場合には、オフセット信号は、システムの較正中に設計又は測定のいずれかによって定めることができる周知の一定値を有する。

　図１の実施形態の作動が、図２の波形図に示される。この例において、Ａ／Ｄ変換器は、０．５ボルトから４．５ボルトまでのダイナミックレンジを有し、前処理されたアナログ信号１８は、−０．５ボルトから５．５ボルトまでのダイナミックレンジを有する。アナログ信号が０．５ボルトから４．５ボルトまでの間にとどまる限り、加算回路にオフセットは適用されない。アナログ信号がＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジの下限しきい値（０．５ボルト）まで下がった場合には、１．５ボルトの正のオフセット電圧がアナログ電圧に加えられ、該変換器の入力における電圧（波形１９）をダイナミックレンジの範囲内に戻す。アナログ入力信号が下限しきい値の電圧より下にとどまる限り、オフセット電圧が適用される。アナログ入力信号が下限しきい値レベルまで上がった場合には、オフセット電圧は取り除かれる。

　アナログ信号が、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジの上限しきい値（４．５ボルト）に達した場合には、１．５ボルトの負のオフセット電圧がアナログ電圧に加えられ、Ａ／Ｄ変換器の入力における電圧をダイナミックレンジの範囲内に戻す。アナログ入力信号が上限しきい値電圧より上にとどまる限り、オフセット電圧が適用される。アナログ入力信号が、下限しきい値レベルまで下がった場合には、オフセット電圧は取り除かれる。このように、たとえアナログ入力信号がダイナミックレンジの外に揺れることがあっても、Ａ／Ｄ変換器はダイナミックレンジの範囲内で作動し続ける。

　図３の実施形態は、図１のものと概ね類似しており、２つの実施形態において、同じ参照番号が対応する要素を示す。図３の実施形態において、前処理されたアナログ信号は、入力レジスタＲ４を介して加算増幅器２１の非反転入力に適用される。この増幅器の出力は、Ａ／Ｄ変換器１４の入力に接続され、フィードバック・レジスタＲ３が、該増幅器の出力と非反転入力との間に接続される。この実施形態において、デジタル信号処理・制御回路１６は、等しい値のレジスタＲ１、Ｒ２によって増幅器の非反転入力に適用される２つの出力信号を提供する。増幅器の非反転入力は、電圧Ｖ_CC／２に接続される。

　増幅器２１の出力におけるアナログ信号が、Ａ／Ｄ変換器１４のダイナミックレンジの範囲内にある場合には、処理・制御回路１６は、＋Ｖ_CCの圧力をレジスタＲ１に加え、０の圧力をレジスタＲ２に加える。これらの電圧がレジスタに加えられた場合には、これらを通して流れる電流Ｉ₁、Ｉ₂は、Ｖ_CC／２Ｒ１及び−Ｖ_CC／２Ｒ１となる。Ｒ１＝Ｒ２なので、電流は互いに相殺し、増幅器の非反転入力における加算ノードにかけられる電流Ｉ_Sはゼロとなる。

　増幅器２１の出力におけるアナログ信号が、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジの上限しきい値より上である場合には、処理・制御回路は、レジスタＲ１、Ｒ２の両方に＋Ｖ_CCの電圧を加える。両方のレジスタにこの電圧が加えられた場合には、加算ノード内に流れる電流は、
Ｉ_S＝２Ｖ_CC／（Ｒ１＋Ｒ２）
となり、Ｒ１＝Ｒ２である場合には、負のオフセット電圧が加算ノードに加えられる：
Ｖ_{オフセット}＝−２Ｖ_CCＲ３／（Ｒ１＋Ｒ２）。

　増幅器２１の出力におけるアナログ信号が、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジの下限しきい値より下である場合には、処理・制御回路は、レジスタＲ１、Ｒ２の両方に０の圧力を加える。両方のレジスタに０ボルトが加えられた場合には、加算ノード内に流れる電流は、
Ｉ_S＝−２Ｖ_CC／（Ｒ１＋Ｒ２）
となり、Ｒ１＝Ｒ２である場合には、正のオフセット電圧が加算ノードにかけられる：
Ｖ_{オフセット}＝２Ｖ_CCＲ３／（Ｒ１＋Ｒ２）。

　この実施形態において、処理・制御回路１６が単一のトライステート出力を有し、３つのオフセット・レベルが、単一のレジスタＲ１を通して加算増幅器２１の非反転入力における加算ノードに適用される点を除いて、図４の実施形態は、図３の実施形態に概ね類似している。Ａ／Ｄ変換器への入力信号が該変換器のダイナミックレンジの下限値より下である場合には、トライステート信号はＶ_CCのレベルを有し、入力信号が該レンジの上限値より上である場合には、トライステート信号は相対的に負のＶ_SSのレベルを有する。入力信号がＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジの範囲内である場合には、処理・制御回路は、レジスタＲ１に対して高いインピーダンスを示し、オフセットは生じない。

　全てのオフセット信号が同じレジスタを通して適用された場合には、図４の実施形態は、部品の数を減らすことによってシステムを簡単化するだけでなく、該システム内の多数のレジスタの不整合からエラーが生じる如何なる可能性をも排除する。

　開示された実施形態の各々において、オフセット信号によって与えられた補償の精度は、システムの生成中のオフセットの大きさを測定し、補償値を処理ユニットのメモリに格納することによって改善することができる。

　重要な安全アプリケーションにおいて、命令されたオフセットの整定時間が、信号の帯域幅により定められるような信号の最低時定数に比較して低いものである限り、ソフトウェアによってオフセット・コマンドへの応答を監視することができる。

　本発明は、多数の重要な特徴及び利点を有する。本発明は、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを拡張するので、該変換器のダイナミックレンジのいずれをも犠牲にすることなく、信号のアナログ・スケーリングを減少させることなく、より多量のアナログ信号を処理することができる。

　Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを拡張するための新しく、改善されたシステム及び方法が提供されたことが、以上から明らかである。現在のところ好ましい特定の実施形態について詳細に説明されたが、当業者には明らかであるように、上記の特許請求の範囲に定められるように本発明の範囲から逸脱することなく、特定の変形及び修正をなすことができる。

本発明に従った、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを改善するためのシステムの１つの実施形態のブロック図である。 図１の実施形態においてＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジが改善される方法を示すグラフ表示である。 本発明に従った、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを改善するためのシステムの付加的な実施形態のブロック図である。 本発明に従った、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを改善するためのシステムの付加的な実施形態のブロック図である。

符号の説明

１４：アナログ・デジタル変換器
１６：処理・制御回路
１７：処理ユニット
２１：増幅器

Claims (17)

1. 　Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを改善するためのシステムであって、
   　前記Ａ／Ｄ変換器の出力を監視し、該Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの上限値に達した場合には負のオフセット信号を提供し、該Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの範囲内で作動している場合にはゼロのオフセット信号を提供し、該Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの下限値に達した場合には正のオフセット信号を提供するための手段と、前記オフセット信号をアナログ入力信号と組み合わせ、たとえ前記アナログ入力信号が前記レンジの外にある場合でも該Ａ／Ｄ変換器がダイナミックレンジで作動するように、前記組み合わされた信号を該Ａ／Ｄ変換器の入力に適用するための手段とを備えることを特徴とするシステム。
2. 　前記Ａ／Ｄ変換器の出力を監視し、前記オフセット信号を提供するための前記手段が、デジタル処理・制御回路を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 　前記オフセット信号を前記アナログ信号と組み合わせるための前記手段が、前記Ａ／Ｄ変換器の入力に接続された加算増幅器を備え、該アナログ信号及び該オフセット信号が前記増幅器内に共に加えられたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 　前記オフセット信号をデジタル方式で補償し、該オフセット信号を有していない前記アナログ入力信号を表すデジタル出力信号を提供するために、前記Ａ／Ｄ変換器からのデジタル化された信号を処理しする手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 　前記デジタル化された信号を処理するための前記手段が、該デジタル化された信号からの前記オフセット信号のデジタル表現を減算するための手段を含むことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 　Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを改善する方法であって、
   　前記Ａ／Ｄ変換器の出力を監視し、該Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの上限値に達した場合には負のオフセット信号を提供し、該Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの範囲内で作動している場合にはゼロのオフセット信号を提供し、該Ａ／Ｄ変換器がダイナミックレンジの下限値に達した場合には正のオフセット信号を提供し、前記オフセット信号をアナログ入力信号と組み合わせ、たとえ前記アナログ入力信号が前記レンジの外にある場合でも該Ａ／Ｄ変換器がダイナミックレンジで作動するように、前記組み合わされた信号を該Ａ／Ｄ変換器の入力に適用する段階を含むことを特徴とする方法。
7. 　前記オフセット信号が加算増幅器内のアナログ信号と組み合わせられ、前記増幅器の出力が前記Ａ／Ｄ変換器の入力に適用されたことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 　前記オフセット信号をデジタル方式で補償し、該オフセット信号を有していない前記アナログ入力信号を表すデジタル出力信号を提供するために、前記Ａ／Ｄ変換器からのデジタル化された信号処理する段階を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
9. 　前記オフセット信号のデジタル表現が、前記デジタル化された信号から減算されたことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 　Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを改善するためのシステムであって、反対の極性をもつ第１及び第２の入力端子と前記Ａ／Ｄ変換器の入力に接続された出力端子とを有するアナログ加算増幅器と、アナログ入力信号を前記第１の入力端子に適用するための手段と、前記出力端子と該第１の入力端子との間に接続されたフィードバック・レジスタと、電圧Ｖ_CC／２を前記第２の入力端子に適用するための手段と、該第１の入力端子に接続された等しい値をもつ第１及び第２のレジスタと、該Ａ／Ｄ変換器の作動を監視し、該Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの範囲内で作動している場合には前記第１のレジスタをＶ_CCに且つ前記第２のレジスタを０ボルトに接続し、該Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの上限値に達した場合には該第１のレジスタ及び該第２のレジスタの両方をＶ_CCに接続し、該Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの下限値に達した場合には該第１のレジスタ及び該第２のレジスタの両方を０ボルトに接続するための手段とを備えることを特徴とするシステム。
11. 　Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを改善する方法であって、
    　第１の入力と反対の極性をもつ第２の入力と、前記Ａ／Ｄ変換器の入力に接続された出力と、前記出力と前記第１の入力との間に接続されたフィードバック・レジスタと、該第１の入力に接続された等しい値をもつ第１及び第２のレジスタとを有するアナログ加算増幅器の第１の入力にアナログ入力信号を適用し、
    　電圧ＶＣＣ／２を前記増幅器の前記第２の入力に適用し、
    　前記Ａ／Ｄ変換器の出力を監視して、該Ａ／Ｄ変換器がダイナミックレンジの範囲内で作動しているかどうかを判断し、
    　前記Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの範囲内で作動している場合には前記第１のレジスタをＶ_CCに且つ前記第２のレジスタを０ボルトに接続し、
    　前記Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの上限値に達した場合には前記第１のレジスタ及び前記第２のレジスタの両方をＶ_CCに接続し、
    　前記Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの下限値に達した場合には前記第１のレジスタ及び前記第２のレジスタの両方を０ボルトに接続する、
    段階を含むことを特徴とする方法。
12. 　Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを改善するシステムであって、
    　第１及び第２の入力端子と前記Ａ／Ｄ変換器の入力に接続された出力端子とを有するアナログ加算増幅器と、アナログ入力信号を前記増幅器の前記第１の入力端子に適用するための手段と、前記出力端子と該第１の入力端子との間に接続されたフィードバック・レジスタと、基準電圧を該加算増幅器の第２の入力端子に適用するための手段と、前記第２の入力端子に接続されたオフセット・レジスタと、該Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの範囲内で作動している場合には第１のレベルを有するオフセット信号を前記オフセット・レジスタに適用し、該Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの上限値に達した場合には第２のレベルを有するオフセット信号を該オフセット・レジスタに適用し、該Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの下限値に達した場合には第３のレベルを有するオフセット信号を該オフセット・レジスタに適用するように、該Ａ／Ｄ変換器の出力に接続された手段とを備えることを特徴とするシステム。
13. 　前記オフセット信号をデジタル方式で補償し、前記オフセット信号を有していない前記アナログ入力信号を表すデジタル出力信号を提供するために、前記Ａ／Ｄ変換器からのデジタル化された信号を処理するための手段を含むことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 　前記デジタル化された信号を処理するための前記手段が、該デジタル化された信号からの前記オフセット信号のデジタル表現を減算するための手段を含むことを特徴とする請求項１３のシステム。
15. 　Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを改善する方法であって、
    　前記Ａ／Ｄ変換器の入力に接続された出力と、前記出力と第１の入力との間に接続されたフィードバック・レジスタと。前記第１の入力に接続されたオフセット・レジスタとを有するアナログ加算増幅器の該第１の入力にアナログ入力信号を適用し、
    　基準電圧を前記増幅器の第２の入力に適用し、
    　前記Ａ／Ｄ変換器の前記出力を監視して、該Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの範囲内で作動しているかどうかを判断し、
    　前記Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの範囲内で作動している場合には第１のオフセット信号を前記オフセット・レジスタに適用し、
    　前記Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの上限値に達した場合には第２のオフセット信号を前記オフセット・レジスタに適用し、
    　前記Ａ／Ｄ変換器がそのダイナミックレンジの下限値に達した場合には第３のオフセット信号を前記オフセット・レジスタに適用する、
    段階を含むことを特徴とする方法。
16. 　前記オフセット信号をデジタル方式で補償し、該オフセット信号を有していない前記アナログ入力信号を表すデジタル出力信号を提供するために、前記Ａ／Ｄ変換器からのデジタル化された信号を処理する段階を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 　前記オフセット信号のデジタル表現が前記デジタル化された信号から減算されたことを特徴とする請求項１６に記載の方法。

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