JP2007267126A - デジタル出力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】校正用基準電源を常態的に接続しておく必要や、ゲイン校正に先立って校正用基準電源を接続する必要がなく、したがって優れた取り扱い性を有するデジタル出力装置を提供する。
【解決手段】演算装置１３で校正用基準デジタル信号を生成するとともに、これを入力ポート１０にフィードバックさせてＡ／Ｄ変換器１２でデジタル信号に変換して、当該フィードバックしたデジタル信号と基礎とされた校正用基準デジタル信号との比較に基づいて、補正用のゲインパラメータを得るようにした。これにて、デジタル出力装置自身で生成した校正用基準デジタル信号を用いて、ゲインパラメータを得ることができるので、校正用基準電源を常態的に接続しておく必要や、ゲイン校正処理に先立って校正用基準電源を接続する必要がなくなり、ゲイン校正を少ない手間で迅速に、しかも精度良く実行することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アナログゲイン回路に入力されたアナログデータをデジタルデータに変換し、出力するデジタル出力装置において、とくにゲイン校正の品質向上を図る技術に関する。

この種のゲイン校正方法の従来例としては、例えば特許文献１を挙げることができる。特許文献１は、デジタルデータをアナログデータに変換して出力するアナログ出力装置に関するものであり、この出力装置は、入力されたデジタルデータをアナログ量に変換するＤ／Ａ変換器と、Ｄ／Ａ変換器の出力であるアナログ量をデジタル量に変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器の出力するデジタル量に基づいてＤ／Ａ変換器の誤差を算出し、この誤差に基づいて、Ｄ／Ａ変換器に入力されるデジタルデータを補正する演算回路とを備える。この装置には、Ａ／Ｄ変換器を校正するための校正用基準電源が内蔵、或いは外付けされており、かかる校正用基準電源に基づいて、Ａ／Ｄ変換器は自動的に校正される（特許文献１の段落［００１１］〜段落［００１３］、段落［００１７］参照）。
特開平８−２３２７５号公報

特許文献１の問題は、周囲環境の影響を完全に排除するためには、Ａ／Ｄ変換器に校正用基準電源を常態的に接続しておく必要があり、当該基準電源の分だけ出力装置の全体コストが増加することにある。
また、同じ種類・タイプの校正用基準電源を用いた場合でも、各校正用基準電源からの出力値には、僅かではあるが製品間で微差があることは避けられず、全ての校正用基準電源を一致させることも難しい。このため、同じデジタルデータを扱った場合でも、アナログ出力装置の製品間で、出力されるアナログ量に微差が生じるおそれがあり、したがって、特許文献１のような出力装置ごとに校正用基準電源を備える形態は、大量生産には適さない。
尤も、一台の校正用基準電源を、複数台のアナログ出力装置の基準電源として使用すれば、上述のように、出力値に製品差が生じることを効果的に抑えることができる。しかし、この場合には、校正処理を行うたびに、校正用基準電源を接続する必要があり、接続処理に多くの手間がかかり、校正処理に時間がかかる。加えて、基準電源からの出力値が周囲環境の影響を受けるおそれがあり、全てのアナログ出力装置に対して、同一条件でゲイン校正を行うことは難しく、アナログ出力装置からの出力値に製品差が生じるおそれがある。同時に複数台のアナログ出力装置に対する校正処理を行うことが、不可能である点にも不利がある。

本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであり、校正用基準電源を常態的に接続しておく必要や、校正処理に先立って校正用基準電源を接続する必要がなく、したがって優れた取り扱い性を備え、しかも周囲環境の変化の影響を受けることなく適切なゲイン校正が可能であり、優れた入出力特性を有する高精度なデジタル出力装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明に係るデジタル出力装置は、アナログ波形データを入力する入力ポートと、該入力ポートに入力されるアナログ波形データをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器で生成されたデジタル信号の補正を行うとともに、校正用基準デジタル信号を生成する演算装置と、該校正用基準デジタル信号をアナログ波形データに変換するＤ／Ａ変換器と、該Ｄ／Ａ変換器からのアナログ波形データを出力する校正用出力ポートと、該校正用出力ポートと前記入力ポートとを短絡可能とする接続手段と、補正用ゲインパラメータが格納されるメモリと、補正後のデジタル信号を出力する出力ポートを備え、
校正用基準デジタル信号をＤ／Ａ変換器でアナログ波形データに変換し、接続手段を介して入力ポートにフィードバックさせ、Ａ／Ｄ変換器で変換したデジタル信号と前記校正用基準デジタル信号を比較して補正用ゲインパラメータを生成して記憶し、該補正用ゲインパラメータを用いて、入力ポートから入力されるデータをデジタルデータに変換してから補正して出力することを特徴とする。

請求項２記載の本発明のように、前記入力ポートとＡ／Ｄ変換器との間に増幅率の異なる複数の増幅回路を接続したことを特徴とする。

請求項３記載の本発明のように、前記校正用基準デジタル信号は複数の周波数帯からなることができる。

請求項１記載の本発明においては、演算装置で校正用基準デジタル信号を生成するとともに、これを入力ポートにフィードバックさせてＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換して、当該フィードバックしたデジタル信号と基礎とされた校正用基準デジタル信号との比較に基づいて、補正用のゲインパラメータを得るようにした。つまり、装置自身で生成した校正用基準デジタル信号を用いて、ゲインパラメータを得て、ゲイン校正を自動的に実行できるようようにした。

これによれば、従来のように校正用基準電源を常態的に接続しておく必要がなくなるので、当該基準電源の分だけ、デジタル出力装置の低コスト化を図ることができる。そして、校正用基準電源は基板等に組み込むと変更や調整は困難となるが、演算装置で校正用基準デジタル信号を生成する場合には、ソフトにより容易に変更可能となる。
また、従来のようにアナログ信号同士を比較するのではなく、デジタル信号同士を比較するので、精度向上を図ることができ、優れた入出力特性を備えたデジタル出力装置を得ることができる。
また、校正用基準電源を常態的に接続する形態では不可避であった、当該電源が周囲環境の影響を受けて変化することに起因する、ゲインパラメータにばらつきが生じる不具合を確実に解消することができ、誤差が生じることを確実に抑えて、デジタルデータの信頼性の向上を図ることができる。すなわち、ゲイン校正の品質向上を図り、優れた入出力特性を備えたデジタル出力装置を得ることができる。
また、デジタル出力装置ごとに、校正用基準電源を備える形態ではないので、大量生産にも適している。そして、校正処理のたびに校正用基準電源を接続する必要がなく、接続手段を操作するだけで済むので、ゲイン校正を少ない手間で迅速に実行できる点でも優れている。

アナログゲイン回路からＡ／Ｄ変換器に与えられるアナログ波形データの出力値が小さいと、Ａ／Ｄ変換器においてデジタル化することができない場合がある。この点、請求項２に記載の本発明のように、増幅率の異なる複数の増幅回路を設けてあると、入力ポートから入力されるアナログ波形データの値が小さい場合でも、当該データを最適な増幅率で以って、大きな値に変換して、安定的にデジタル化することができる。これによっても、デジタルデータの精度向上を図ることができ、優れた入出力特性を備えたデジタル出力装置を得ることができる。

請求項３記載の本発明のように、校正用基準デジタル信号が複数の周波数帯を有することにより、周波数帯の広いアナログ波形データが入力された場合であっても、高い周波数から低い周波数で精度良く校正することが可能となり、ゲイン校正の品質が向上する。

以下に、本発明に係るデジタル出力装置を、プラズマ発生用の高周波電源（高周波加熱装置用電源）から供給される電力を検出する装置に適用した実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、デジタル出力装置を示すブロック図、図２は、デジタル出力装置の使用形態を示すブロック図、図３は、ゲイン校正方法によって得られたゲインパラメータを用いた補正動作を説明するための図、図４は、デジタル出力装置におけるゲイン校正方法を説明するための図である。

図２において、符号１は本発明に係るデジタル出力装置を、符号２は高周波電源２を示す。この高周波電源２は、数十ｋＨｚ以上の周波数を有する交流電力を発するものであり、電力供給線を介してプラズマチャンバー３（以下、単にチャンバーと記す）に向けて、プラズマ発生用の高周波電力を供給する。該電力供給線の任意位置に検知手段５が配置され、電力を検知できるようにしている。該検知手段５は後述するデジタル出力装置１の入力ポート１０と接続され、該デジタル出力装置１の後述する出力ポート１５は、制御装置４と接続されている。該制御装置４にはキーボード等の入力手段や表示手段４ａと、前記高周波電源２に接続されている。該制御装置４により高周波電源２から供給する電力（出力）を制御するようにしている。
そして、高周波電源２からの出力電力であるアナログ波形データを検知手段５により検出して、このアナログ波形データをデジタルデータに変換して、制御装置４に向けて出力する。そして、制御装置４の表示手段４ａに、高周波電源２の出力電圧や出力電流や位相差等が表示され、入力手段で高周波電源２の出力調整や設定等を可能としている。

以上のような高周波電源２の出力調整に際しては、デジタル出力装置１には、周囲環境（温度や湿度など）の影響を受けることなく、交流電力である正弦波形を有するアナログデータ（検出信号）をデジタルデータに正確に変換し、これを制御装置４へ出力することが求められる。つまり、デジタル出力装置１は、校正処理を適宜に行うことにより周囲環境の変化に対応した適切な補正値であるゲインパラメータを得るとともに、当該ゲインパラメータを用いてアナログデータをデジタルデータに変換して、これを制御装置４へ出力することが求められる。

図１に示すように、デジタル出力装置１は、検出手段５により検知された検知信号となるアナログ波形データを受ける入力ポート１０と、入力ポート１０から入力されたアナログ波形データをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１２と、Ａ／Ｄ変換器１２で生成されたデジタル信号に対する補正処理およびゲイン校正処理、更に、校正用基準デジタル信号を生成する演算装置１３と、演算装置１３が補正処理を行う際に使用されるゲインパラメータ等が格納される不揮発性のメモリ１４などを備え、演算装置１３により補正されたデジタルデータを、デジタル出力ポート１５から制御装置４に向けて出力する。符号１６は、演算装置１３から出力される校正用基準デジタル信号をアナログデータに変換するＤ／Ａ変換器を示す。このＤ／Ａ変換器１６の出力側は校正用出力ポート１７と接続され、該校正用出力ポート１７と前記入力ポート１０との間には接続手段１８が配設されて短絡可能としている。該接続手段１８はジャックで構成してジャンパピン１８を差し込むことで、フィードバック回路１９を経て、入力ポート１０にフィードバックさせることができる。但し、接続手段１８はスイッチ等で構成することも可能であり、手動でＯＮ／ＯＦＦ操作することも可能であり、また、接続手段１８はリレー等により構成して、制御装置４と接続して、校正作業を行うときには自動的にＯＮするように構成することもできる。
前記演算装置１３はプログラミング可能な処理装置、つまり、ＦＰＧＡ（FieldProgrammableGateArray）により構成されており、任意のデジタル信号を生成可能としている。

更に、前記入力ポート１０とＡ／Ｄ変換器１２との間には、アナログ波形データが小さい場合に増幅するため、複数の増幅率、本実施例では１・２・４・８倍の増幅率を有する４個のアナログゲイン回路（増幅回路）１１が接続されており、アナログ波形データの大きさに応じて適宜増幅した値をＡ／Ｄ変換できるようにしている。なお、アナログゲイン回路１１の切替や、後述するゲイン校正処理を行うためのモード切替等は演算装置１３により行う。

このデジタル出力装置１の基本動作は、図３に示すとおりである。すなわち、入力ポート１０に入力された高周波電源２の交流電力であるアナログ波形データを、アナログゲイン回路１１でＮ倍率に変換し、これをＡ／Ｄ変換器１２でデジタル信号に変換する。次に、メモリ１４に格納されているゲインパラメータおよびアナログの出力差に基づいて、演算装置１３がデジタル信号に対する補正処理を実行し、補正後のデジタルデータをデジタル出力ポート１５から制御装置４に向けて出力する。
制御装置４に入力されたデジタルデータは、表示画面４ａに表示される。つまり、交流電力値が表示手段４ａに表示され、使用者は、この交流電力値に基づいて、高周波電源２の出力調整を行うことができる。交流電力値から、電圧波形や電流波形及びそれらの位相差等を表示手段４ａに表示させることもできる。

次に、デジタル出力装置１におけるゲイン校正方法について、図１および図４を参照して説明する。かかるゲイン校正においては、周囲環境に応じた適確なゲインパラメータを得ることを目的とする。

デジタル出力装置１の出荷前、設置前に校正処理が行われる。また、設置後において校正処理する場合には検知手段５からの入力は遮断されている。使用者（オペレーター）によりゲイン校正処理の実行モードが選択されると、接続手段１８が手動操作の場合、ジャンパピン１８が操作されて、アナログ出力ポート１７と、入力ポート１０とが短絡されると、演算装置１３から校正用基準デジタル信号が、Ｄ／Ａ変換器１６に入力される。Ｄ／Ａ変換器１６は、かかる校正用基準デジタル信号をアナログに変換し、この信号はフィードバック回路１９を介して、アナログ出力ポート１７から入力ポート１０にフィードバックされる。

具体的には、図４に示すように、演算装置１３により生成された校正用基準デジタル信号Ｄ１（α１、β１）は、Ｄ／Ａ変換器１６によってアナログ波形データＡ１（α１、β１）に変換されて、フィードバック回路１９を介して入力ポート１０にフィードバックされる。フィードバックされたアナログ波形データＡ１（α１、β１）は、アナログゲイン回路１１およびＡ／Ｄ変換器１２を通過するとき、振幅の減衰や鈍りなどの変動を生じ、その結果、Ａ／Ｄ変換器１２から生成されたデジタル信号は、Ｄ２（α２、β２）となる。

演算装置１３は、これらデジタル信号Ｄ２（α２、β２）と、アナログ波形データＡ１（α１、β１）の基礎とされたデジタル信号Ｄ１（α１、β１）とを比較し、両デジタル信号（Ｄ１、Ｄ２）の信号値を一致させ得るような周波数と振幅とに係る二種のゲインパラメータＣ１を算出する。ここでは、（α１／α２）の演算で示される周波数に係るゲインパラメータ（Ｃα）と、（β１／β２）の演算で示される振幅に係るゲインパラメータ（Ｃβ）とを算出する。

次に、演算装置１３は、Ａ／Ｄ変換器１２からのデジタル信号Ｄ２（α２、β２）に、ゲインパラメータＣ１（Ｃα、Ｃβ）を乗算して、得られたデジタル信号Ｄ３（α３、β３）をＤ／Ａ変換器１６に向けて出力する。Ｄ／Ａ変換器１６は、デジタル信号Ｄ３をアナログ化して、再びアナログ波形データＡ３（α３、β３）を生成し、これを回路１９を介して、入力ポート１０にフィードバックする。このフィードバックされたアナログ波形データＡ３（α３、β３）は、アナログゲイン回路１１およびＡ／Ｄ変換器１２を通過したのちに、デジタル信号Ｄ４（α４、β４）として演算装置１３に入力される。演算装置１３は、デジタル信号Ｄ４と、アナログ波形データＡ３の基礎とされたデジタル信号Ｄ３とを比較して、補正用ゲインパラメータＣ２（Ｃα、Ｃβ）を算出する。

演算装置１３は、デジタル信号Ｄ４にゲインパラメータＣ２を乗算し、これにより得られるデジタル信号Ｄ５（α５、β５）と、先に得られたデジタル信号Ｄ３（α３、β３）とを比較し、両信号が一致しているか否かを調べる。両デジタル信号（Ｄ３、Ｄ５）が一致する場合には、ゲインパラメータＣ２を、補正時に使用する最終的なゲインパラメータとしてメモリ１４内に格納する。ゲインパラメータによる補正前後におけるデジタル信号の値が一致しない場合には、アナログ波形データの作成、フィードバック、デジタル信号の取得からなる一連のゲイン校正処理を、演算装置１３から出力されるデジタル信号の値が一致するまで繰り返して行う。

ゲイン校正処理が終了し、通常の動作モードに復帰されると、演算装置１３は、メモリ１４に格納されている最終的なゲインパラメータＣｎ（Ｃα、Ｃβ）を用いて、Ａ／Ｄ変換器１２から受け取ったデジタル信号に対して補正を行う。つまり、図３に示すように、高周波電源２の出力電力を示すアナログデータ（Ａ（α、β））が入力ポート１０に入力されると、これをアナログゲイン回路１１およびＡ／Ｄ変換器１２を通過させ、Ａ／Ｄ変換器１２で生成されたデジタル信号Ｄ１（α１、β１）に対して、補正用ゲインパラメータＣｎ（Ｃα、Ｃβ）乗算し、得られたデジタルデータ（Ｄ´（α´、β´））をデジタル出力ポート１５から制御装置４に向けて出力する。なお、以上のようなゲイン校正処理は、４つのアナログゲイン回路１１のそれぞれに対して実施する必要がある。

以上のようなゲイン校正処理を行っても、デジタル出力装置１の製品間に存在する出力差を完全に排除することはできない。つまり、同じラインで製造された装置１であっても、部製品間で出力値には微差がある。また、この微差は、上記のようなゲイン校正では排除できない。
そこで、本実施形態では、デジタル出力装置１の製品出荷に先立って、校正基準デジタル信号がＤ／Ａ変換器１６を介したときのアナログの出力差（周波数、振幅）をオシロスコープで計測し、これを製品差としてメモリ１４内に書き込んでおく。なお、以上のような出力差の計測は、全てのデジタル出力装置１に対して、同一条件（温度、湿度）で実施されることが好ましいことは言うまでもない。

その後、デジタル出力装置１が高周波電源の検査に供され、通常の動作モードが選択されると、図４に示すように、演算装置１３は、メモリ１４に格納されているゲインパラメータＣｎ（Ｃα、Ｃβ）に加えて、先に得た出力差を用いて、制御装置４に出力されるデジタルデータに対する補正処理を行う。

以上のように、本実施形態に係るデジタル出力装置においては、演算装置で校正用基準デジタル信号を生成するとともに、これを入力ポート１０にフィードバックさせてＡ／Ｄ変換器１２でデジタル信号に変換して、当該フィードバックしたデジタル信号と校正基準デジタル信号との比較に基づいて、補正用のゲインパラメータＣｎ（Ｃα、Ｃβ）を得るようにした。つまり、装置自身で生成した校正用基準デジタル信号を用いて、ゲインパラメータを得て、ゲイン校正を自動的に実行できるようようにした。これによれば、従来のように校正用基準電源を常態的に接続しておく必要がなくなるので、当該基準電源の分だけ、デジタル出力装置の低コスト化を図ることができる。そして、校正用基準電源は基板等に組み込むと変更や調整は困難となるが、演算装置で校正用基準デジタル信号を生成する場合には、ソフトにより容易に変更可能となる。また、従来のようにアナログ信号同士を比較するのではなく、デジタル信号同士を比較するので、精度向上を図ることができ、優れた入出力特性を備えたデジタル出力装置を得ることができる。

また、校正用基準電源を常態的に接続する形態では不可避であった、当該電源が周囲環境の影響を受けて変化することに起因する、ゲインパラメータにばらつきが生じる不具合を確実に解消することができ、誤差が生じることを確実に抑えて、デジタルデータの信頼性の向上を図ることができる。すなわち、ゲイン校正の品質向上を図り、優れた入出力特性を備えたデジタル出力装置１を得ることができる。
また、デジタル出力装置１ごとに、校正用基準電源を備える形態ではないので、大量生産にも適している。そして、校正処理のたびに校正用基準電源を接続する必要がなく、接続手段１８を操作するだけで済むので、ゲイン校正を少ない手間で迅速に実行できる点でも優れている。

増幅率の異なる複数の増幅回路を設けてあると、入力ポートから入力されるアナログ波形データの値が小さい場合でも、当該データを最適な増幅率で以って、大きな値に変換して、安定的にデジタル化することができる。これによっても、デジタルデータの精度向上を図ることができ、優れた入出力特性を備えたデジタル出力装置を得ることができる。

校正用基準デジタル信号が複数の周波数帯を有することにより、周波数帯の広いアナログ波形データが入力された場合であっても、高い周波数から低い周波数で精度良く校正することが可能となり、ゲイン校正の品質が向上する。

ゲイン校正処理は、デジタル出力装置１の起動の度に、実行してもよい。また、計時手段を備え、一定時間ごとにゲイン校正処理を実行してもよい。

本発明に係るデジタル出力装置を示すブロック図である。 本発明に係るデジタル出力装置の使用形態を示すブロック図である。 ゲインパラメータを用いた補正動作を説明するための図である。 デジタル出力装置におけるゲイン校正方法を説明するための図である。

符号の説明

１ デジタル出力装置
１０ 入力ポート
１１ アナログゲイン回路
１２ Ａ／Ｄ変換器
１３ 演算装置
１４ メモリ
１５ 出力ポート（デジタル出力ポート）
１６ Ｄ／Ａ変換器
１７ 校正用出力ポート
１８ 接続手段

Claims (3)

1. アナログ波形データを入力する入力ポートと、該入力ポートに入力されるアナログ波形データをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器で生成されたデジタル信号の補正を行うとともに、校正用基準デジタル信号を生成する演算装置と、該校正用基準デジタル信号をアナログ波形データに変換するＤ／Ａ変換器と、該Ｄ／Ａ変換器からのアナログ波形データを出力する校正用出力ポートと、該校正用出力ポートと前記入力ポートとを短絡可能とする接続手段と、補正用ゲインパラメータが格納されるメモリと、補正後のデジタル信号を出力する出力ポートを備え、
   校正用基準デジタル信号をＤ／Ａ変換器でアナログ波形データに変換し、接続手段を介して入力ポートにフィードバックさせ、Ａ／Ｄ変換器で変換したデジタル信号と前記校正用基準デジタル信号を比較して補正用ゲインパラメータを生成して記憶し、該補正用ゲインパラメータを用いて、入力ポートから入力されるデータをデジタルデータに変換してから補正して出力することを特徴とするデジタル出力装置。
2. 前記入力ポートとＡ／Ｄ変換器との間に増幅率の異なる複数の増幅回路を接続したことを特徴とする請求項１記載のデジタル出力装置。
3. 前記校正用基準デジタル信号は複数の周波数帯からなることを特徴とする請求項１記載のデジタル出力装置。

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