JP2017060041A - 信号変換装置及び発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ディジタル信号とアナログ電圧との間で信号の変換を行う信号変換装置において、入力値と出力値との相関関係を理想の線形性に近づけることのできる技術を提供する。【解決手段】Ｄ／Ａ変換器２０の前段に補正部２１を設け、Ｄ／Ａ変換器の入出力特性について、実特性と理想特性との差に応じた補正を入力ディジタル信号に対して行い、入力ディジタル値に応じた理想特性に近いアナログ電圧を出力するようにした。これにより、Ｄ／Ａ変換器を含む信号変換装置を適用した発振装置において、出力される周波数信号のスプリアスが低減できる。またＡ／Ｄ変換器の入出力特性についても、出力ディジタル信号に対して実特性と理想特性との差に応じた補正を行うことにより、入力アナログ信号のアナログ電圧に応じた理想特性に近いディジタル値を出力するようにして、Ａ／Ｄ変換器を用いた機器が良好な特性を得られるようにした。【選択図】図２

Description

本発明は、アナログ信号とディジタル信号との間で信号の変換を行う信号変換装置に関する。

標準信号発生器の一つとしてＰＬＬ（Phase Locked Loop）を用いた周波数シンセサイザが知られており、その応用としては例えば移動局における局発振部や無線通信機器の試験用信号源、放送機器などが挙げられる。例えばＰＬＬのリファレンス信号は、周波数設定信号をＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）回路部に入力し、ＤＤＳ回路部から出力されるディジタルの周波数信号をディジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器にてアナログの周波数信号に変換されて生成されている。

しかしながらディジタル信号は、例えば１ビット刻みの離間した数値を示すのに対して、アナログ信号は、連続した数値を示す。そのためＤ／Ａ変換器にてディジタル信号をアナログ信号に変換したときに、ディジタル信号のディジタル値と、変換されて出力されるアナログ信号の値（アナログ電圧）との相関特性は、完全な線形にはならないため、アナログ電圧はディジタル値に正確に対応する理想値に対してわずかな誤差が生じてしまう。従って例えば正弦波を示すディジタルの周波数信号をＤ／Ａ変換器にて変換したときに、アナログ信号である出力波形が僅かに歪み、このため周波数シンセサイザの出力周波数にスプリアスが発生してしまう問題があった。

またアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器によりアナログ信号をディジタル信号に変換する場合においても、Ｄ／Ａ変換器と同様にディジタル信号のディジタル値がアナログ電圧に正確に対応する理想値から僅かに外れてしまう。このためＡ／Ｄ変換器を用いたモジュールにおいては、アナログ信号からディジタル信号への変換誤差に伴う問題が起こる場合がある。例えば電圧制御発振器の出力をＰＬＬとして当該電圧制御発振器の制御電圧の入力側に戻す発振装置であって、前記出力をディジタル信号に変換してから処理を行い、処理後の信号をアナログ電圧に変換する発振装置などにおいては周波数信号の精度が低下してしまう。

特許文献１にはＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplex）送信機において発生する、入出力信号の非線形歪みを補正関数を用いて補正する技術が記載されている。しかしながらパワーアンプなどの非線形動作に基づく波形の歪みを補正する技術であり、Ｄ／Ａ変換部あるいは、Ａ／Ｄ変換部にて周波数信号を変換したときに生じる周波数の歪みや、周波数の歪みにより発生するスプリアスを抑制するものではない。

特開２００３−６９５２７号公報

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的はディジタル信号とアナログ電圧との間で信号の変換を行う信号変換装置において、入力値と出力値との相関関係を理想の線形性に近づけることのできる技術を提供することにある。また本発明の他の目的は、本発明の信号変換装置を用いることにより、出力信号においてスプリアスを低減できる発振装置を提供することにある。

本発明の信号変換装置は、ディジタル信号に基づいて補正値を出力する補正値出力部と、
ディジタル信号と、補正値と、を加算した加算値を出力する加算部と、
前記加算部から出力された補正後のディジタル信号をアナログ信号に変換するディジタル／アナログ変換器と、を備え、
前記補正値は、ディジタル信号のディジタル値に対して理想の直線関係となるように設定された理想のアナログ値を前記ディジタル／アナログ変換器により出力するためのディジタル値と、ディジタル信号のディジタル値と、の差分値であることを特徴とする。

本発明の発振装置は、ＤＤＳ回路部と、このＤＤＳ回路部から出力されるディジタル信号が入力される上述の信号変換装置と、この信号変換装置の出力信号を参照信号とするＰＬＬと、を備えたことを特徴とする。

また本発明の信号変換装置は、入力されたアナログ電圧に対応するディジタル信号を出力する信号変換装置において、
前記アナログ電圧をディジタル信号に変換するアナログ／ディジタル変換器と、
前記アナログ／ディジタル変換器の後段に接続され、前記ディジタル信号のディジタル値に補正値を加算した加算値に相当する補正後のディジタル値を出力する補正部と、を備え、
前記補正値は、アナログ電圧を前記ディジタル／アナログ変換器に入力したときに理想の入出力特性から得られるディジタル値と、実測またはシミュレーションにより取得した実際の入出力特性から得られるディジタル値と、の差分に相当する値であることを特徴とする。

本発明は、Ｄ／Ａ変換器の入出力特性について実特性と理想特性との差に応じた補正を行うことにより、ディジタル信号のディジタル値に応じた理想の（あるいは理想に近い）アナログ電圧を出力するようにしている。従ってＤ／Ａ変換器を用いた機器について良好な特性が得られる。例えば本発明の信号変換装置を適用した発振装置においては、出力される周波数信号についてスプリアスが低減できる効果がある。

また他の発明は、Ａ／Ｄ変換器の入出力特性について実特性と理想特性との差に応じた補正を行うことにより、アナログ信号のアナログ電圧に応じた理想の（あるいは理想に近い）ディジタル値を出力するようにしている。従ってＡ／Ｄ変換器を用いた機器について良好な特性が得られる。

第１の実施の形態に係る発振装置の概要を示すブロック図である。 第１の実施の形態に係る信号変換装置の概要を示すブロック図である。 Ｄ／Ａ変換器におけるディジタル値とアナログ値との相関特性を示すイメージ図である。 ディジタル値と補正値とを示すイメージ図である。 第１の実施の形態に係る信号変換装置の変形例を示すブロック図である。 第２の実施の形態に係る感知装置の概要を示すブロック図である。 Ａ／Ｄ変換器におけるアナログ値とディジタル値との相関特性を示すイメージ図である。 参考例及び比較例におけるアナログ電圧とディジタル値との相関特性を示す特性図である。 参考例において出力されるアナログ信号を示す特性図である。 実施例及び比較例において出力されるアナログ信号の参考例との差分を示す特性図である。 参考例、実施例及び比較例において出力されるアナログ信号のスペクトラム波形を示す特性図である。

[第１の実施の形態]
本発明の第１の実施の形態として、ディジタル／アナログ変換器を含む信号変換装置１を発振装置に適用した例について説明する。この発振装置は、図１に示すようにアナログ信号（アナログ電圧）であるリファレンス信号に発振器の出力周波数を同期させて出力するＰＬＬ回路を備えている。ＰＬＬ回路は、例えば周波数を出力するための発振器である電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled crystal Oscillator）１０と、ＶＣＸＯ１０の発振出力を分周する分周回路１１と、アナログのリファレンス信号と分周回路１１からの周波数信号の位相とを比較して位相の差分値を取り出す位相比較部１２と、チャージポンプ１３と、ループフィルタ１４と、を備えている。

また本発明の実施の形態に係る発振装置は、周波数設定信号に従いディジタル信号を出力するＤＤＳ１５を備えている。更にＤＤＳ１５から出力されるディジタル信号は、信号変換装置１にて、アナログ電圧に変換され位相比較部１２に入力される。
続いて本発明の実施の形態に係る信号変換装置１について説明する。信号変換装置１は、図２に示すようにＤ／Ａ変換器２０と補正部２１とを備えている。ＤＤＳ１５から出力されるディジタル信号は、補正部２１に入力される。Ｄ／Ａ変換器２０は、入力されるディジタル信号のディジタル値と出力されるアナログ電圧とが直線の関係にあることが理想であるが、実際には直線関係にはならない。そこで、補正部２１は、当該補正部２１に入力されるディジタル信号のディジタル値を補正してＤ／Ａ変換器２０に入力し、これにより補正部２１に入力されるディジタル値つまりＤＤＳ１５から出力されるディジタル値と、Ｄ／Ａ変換器２０から出力されるアナログ電圧と、の入出力関係（入出力特性）を実質的に理想の直線関係となるようにしている。

補正部２１は、例えばハード構成である演算器２２、２３を組み合わせて構成される。補正部２１におけるディジタル値の補正に関して述べる。図３中の実線（１）は、Ｄ／Ａ変換器２０の入出力特性の理想の線形性を表している。即ち実線（１）は、入力信号であるディジタル信号のディジタル値と出力信号であるアナログ電圧とが理想の直線関係にあるときの直線を表している。図３中の点線（２）は、シミュレーションにより求めたＤ／Ａ変換器２０の入出力特性を表している。シミュレーションは、Ｄ／Ａ変換器２０の回路に基づいて、入力信号であるディジタル信号の各ディジタル値ごとに出力信号であるアナログ電圧を求めることにより行われる。便宜上、実線（１）を理想の入出力特性（１）、点線（２）を実際の入出力特性（２）と呼ぶこととすると、Ｄ／Ａ変換器２０の実際の入出力特性（２）は、理想の入出力特性（１）からわずかに外れている。

このため信号変換装置１は、当該信号変換装置１に対する入力信号である、ＤＤＳ１５から出力されるディジタル信号のディジタル値と当該信号変換装置１の出力信号である、Ｄ／Ａ変換器２０から出力されるアナログ電圧とが理想の入出力特性（１）となるように、ＤＤＳ１５から出力されるディジタル信号のディジタル値に補正値を加えている。具体的には、次のようにして補正値が求められる。例えば図３に示すようにＤＤＳ１５から出力されるディジタル信号のディジタル値をｄ１とすると、理想の入出力特性（１）におけるディジタル値ｄ１に対応する理想アナログ電圧はＶ１´となる。一方、実際の入出力特性（２）において理想アナログ電圧Ｖ１´を得るためのディジタル値は、ｄ１よりも大きい値であるｄ１´である。

補正値をΔｄとすると、Δｄは（ｄ１´−ｄ１）となる。即ち、Ｄ／Ａ変換器２０からの出力されるアナログ電圧は、補正値Δｄを用いない場合には、実際の入出力特性（２）により理想アナログ電圧Ｖ１´よりも小さいＶ１となるが、補正値Δｄを用いることにより、理想の入出力特性（１）に対応する理想アナログ電圧Ｖ１´となる。即ち、この補正値Δｄを、ＤＤＳ１５から出力されるディジタル信号のディジタル値に加算することにより、Ｄ／Ａ変換器２０から、ＤＤＳ１５から出力されるディジタル値に対応するアナログ電圧の理想値が得られる。図４には、補正値Δｄと補正部２１に入力されるディジタル信号のディジタル値ｄ１の関係をイメージとして示してある。

ところで、補正値Δｄを求めてディジタル値ｄ１に加算するということは、実質、ディジタル値ｄ１に対応する理想アナログ電圧Ｖ１´が得られる実際の入出力特性（２）におけるディジタル値ｄ１´を求めるということである。
従って補正部２１では、図３における理想の入出力特性（１）を示す直線の傾きをｋとすると、先ず演算部２２においてｄ１にｋを掛けて理想アナログ電圧Ｖ１´を求める。そして演算部２３においてＶ１´を実際の入出力特性（２）に相当する関数をｙ＝ｆ（ｘ）とすると、この関数の逆関数ｆ（ｘ）^−１に対してｘ＝Ｖ１´の値を代入することにより、図３に示すディジタル値ｄ１´が求まる。

続いて上述の実施の形態の作用について説明する。発振装置の電源を投入し、ＤＤＳ１５に周波数設定信号が入力されると、ＤＤＳ１５から、ディジタル値群からなる正弦波の周波数信号が出力される。ディジタル値ｄは、補正部２１に入力され、既述のようにして補正値Δｄが加算されて補正された補正後のディジタル値（ｄ＋Δｄ）がＤ／Ａ変換器２０に出力される。Ｄ／Ａ変換器２０の入出力特性は（２）であることから、補正後のディジタル値（ｄ＋Δｄ）をアナログ信号に変換すると、ＤＤＳ１５から出力されたディジタル値ｄに対する理想のアナログ電圧Ｖ´（ｋｄ）が得られる。
こうしてＤＤＳ１５から出力されたディジタル値に正確に対応したアナログ電圧がＤ／Ａ変換器１から出力される。このため歪みのない正弦波の信号が位相比較部１２に入力されるので、発振装置の出力において、正弦波の信号の歪みから生じるスプリアスが抑制される。

上述の実施の形態によれば、Ｄ／Ａ変換器２０の入出力特性について実際の特性と理想の特性との差に応じて、Ｄ／Ａ変換器２０に入力されるディジタル信号のディジタル値を補正し、当該ディジタル値に応じた理想の（あるいは理想に近い）アナログ電圧を出力するようにしている。そのため信号変換装置１から出力される周波数信号の波形の歪みが抑制され、発振装置の出力信号においてスプリアスを低減できる。
上述の例では、Ｄ／Ａ変換器２０の実際の入出力特性（２）は、シミュレーションにより求めたＤ／Ａ変換器２０の入出力特性を表しているが、実測により求めた入出力特性であってもよい。
また補正部２１による補正処理は、ソフトウエアにより行ってもよいし、あるいはソフトウエアとハードウエハとを組み合わせてもよい。図５に一例を示すと、図５に示す補正部２１は、例えばコンピュータから構成される制御部の一部として構成される補正値出力部３と、補正値Δｄを求めるための補正値算出プログラム３２と、補正値算出プログラム３２（詳しくは、補正値算出プログラム３２を格納したプログラム格納部を備えているが、便宜上補正値算出プログラム３２として記載する）を実行するためのＣＰＵ３３と、記憶部であるメモリ３４と、を備えている。３０は、バスである。メモリ３４は、ＤＤＳ１５から出力されるディジタル信号のディジタル値に対応した補正値を算出するための演算式が記憶されている。

メモリ３４は、ＤＤＳ１５から出力されるディジタル信号のディジタル値に対応した補正値を算出するための演算式が記憶されている。即ち、メモリ３４には、理想の入出力特性（１）の直線を表す式と実際の入出力特性（２）の曲線を表す式とこれらの式からΔｄを求めるための式とを含む情報に相当する演算式が記憶されている。例えば直線（１）をｙ＝ｋｘ、曲線（２）をｙ＝ｆ（ｘ）とすると、Δｄ＝ｘ−ｆ（ｙ）^−１で表される式がメモリ３４に記憶される。ｋは定数、ｆ（ｙ）^−１はｆ（ｘ）の逆関数であるｆ（ｘ）^−１についてｘとｙとを入れ替えた関数である。

また補正値出力部３には、データテーブルを記憶させてもよい。データテーブルの一例については、例えば１ビットごとのディジタル値ｄと補正値Δｄとを対応付けたデータテーブルを記憶させればよく、補正値算出プログラム３２により、ＤＤＳ１５から出力されるディジタル値ｄに対応するΔｄをデータテーブル読み出し、加算部４に入力することで同様の効果を得ることができる。
またメモリ３４に記憶させる演算式を求めるにあたって実際に信号変換装置を駆動して、入出力されるディジタル値とアナログ値との測定を行い実際の入出力特性のデータを取得し、実際の入出力特性を示すグラフを求めて、演算式を算出するようにしてもよい。

[第２の実施の形態]
第２の実施の形態に係る信号変換器として、アナログ／ディジタル変換器を感知装置に適用した例について説明する。図６は感知装置の全体構成を示す図である。図中５はセンサ部であり、このセンサ部５は水晶振動子５１の一方の面を石英などのケース５４により密閉すると共に他方の面が露出していて、感知対象物質が存在する溶液５２に浸漬されるように構成されている。前記水晶振動子５１における溶液に接触する面には、感知対象物質を吸着するための吸着層が形成されている。５３は水晶振動子５１を発振させる発振回路であり、例えば周波数信号としての正弦波の高周波信号を出力する。

発振回路５３から出力された高周波信号はアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器を含む信号変換装置１００に入力される。信号変換装置１００はＡ／Ｄ変換器１０１と、補正部１０２とを備えている。信号変換装置１００に入力された高周波信号は、まずＡ／Ｄ変換器１０１によりディジタル信号に変換され、その後ディジタル信号は、補正部１０２に入力される。

補正部１０２は、第１の実施の形態における補正部２１と同様にハード構成である演算器１０３、１０４を組み合わせて構成される。補正部２１におけるディジタル値の補正に関して述べる。図７中の実線（４）は、Ａ／Ｄ変換器１０１の入出力特性（理想の入出力特性）の理想の線形性を表している。図７中の点線（５）は、シミュレーションにより求めたＡ／Ｄ変換器１０１の入出力特性（実際の入出力特性）を表している。シミュレーションは、Ａ／Ｄ変換器１０１の回路に基づいて、入力信号であるアナログ電圧ごとに出力信号であるディジタル値を求めることにより行われる。

このため信号変換装置１は、当該信号変換装置１に対する入力信号である、発振回路５３から出力されるアナログ信号のアナログ電圧と当該信号変換装置１の出力信号である、データ処理部５４に入力されるディジタル値とが理想の入出力特性（４）となるように、Ａ／Ｄ変換器１０１から出力されるディジタル信号のディジタル値に補正値を加えている。具体的には、例えば図７に示すようにＡ／Ｄ変換器１０１に入力されるアナログ電圧Ｖ２に対して、実際の入出力特性（５）において出力されるディジタル値はｄ２となる。一方、理想の入出力特性（４）においてアナログ電圧Ｖ２から得られるディジタル値は、ｄ２よりも小さい値であるｄ２´である。

補正値をΔｄとすると、Δｄは（ｄ２´−ｄ２）となる。即ち、Ａ／Ｄ変換器１０１からの出力されるアナログ電圧は、補正値Δｄを用いない場合には、実際の入出力特性（５）により理想ディジタル値はｄ２´よりも大きいｄ２となるが、補正値Δｄを用いることにより、理想の入出力特性（６）に対応する理想アナログ電圧ｄ２´となる。即ち、この補正値Δｄを、Ａ／Ｄ変換器１０１から出力されるディジタル信号のディジタル値に加算することにより、データ処理部５４に、発振回路５３から出力されるアナログ電圧に対応するディジタル値の理想値が得られる。

従って補正部２１では、図７における直線の傾きをｍとすると、先ず演算部１０２において実際の入出力特性（２）に相当する関数をｙ＝ｇ（ｘ）とするとこの関数の逆関数ｇ（ｘ）^−１に対してｘ＝ｄ２の値を代入し、入力されたアナログ電圧Ｖ２を求める。次いで演算部１０３においてＶ２にｍを掛けて図７に示すディジタル値ｄ２´が求まる。従って信号変換装置１００に入力されるアナログ信号Ｖ２に対して、理想のディジタル値ｄ２´がデータ処理部５４に出力される。そのためデータ処理部５４に入力される周波数信号の波形の歪みが抑制される。

本発明の実施の形態の効果を検証するため、以下の試験を行った。第２の実施の形態に係るＡ／Ｄ変換器１０１を備えた、信号変換装置１００を用いて、正弦波のアナログ信号を変換したときに出力される補正後のディジタル信号を実施例とした。また入力信号であるアナログ信号と出力信号であるディジタル信号とが理想の直線関係にある場合を参考例とし、正弦波のアナログ信号をＡ／Ｄ変換をした後、補正値を加算しない場合に出力されるディジタル信号を比較例とした。実施例、参考例及び比較例の各々において出力されるディジタル信号をシミュレーションにより求めた。

図８は参考例、実施例及び比較例の各々における信号変換装置１００に入力されたアナログ信号であるアナログ電圧と、出力されるディジタル値との関係を示す特性図である。図８中の（６）は、参考例におけるアナログ電圧と、出力されるディジタル値との関係を示す特性図であり、（７）は比較例におけるアナログ電圧と、出力されるディジタル値との関係を示す特性図である。比較例においては、参考例と異なりわずかに歪んだ非線形の式となる特性を示している。
図９は参考例において出力される正弦波のディジタル信号を示し、図１０は、図９に示した参考例における正弦波と、実施例及び比較例の各々において出力される正弦波との差分値を示す。

この結果によれば、比較例において出力されるディジタル信号は、参考例との差分値が−１０００〜１８００の範囲で変動しているのに対し、実施例において出力されるディジタル信号は、参考例との差分値が略０であった。従って本発明のＡ／Ｄ変換回路を用いることで出力されるディジタル信号の波形の歪みを抑制することができると言える。

また参考例、実施例及び比較例の各々において出力されるディジタル信号の示すスペクトラム波形をシミュレーションにより求めた。図１１はこの結果を示し、夫々、参考例、実施例及び比較例におけるスペクトラム波形を示す。
この結果によれば、参考例に示すように理想的なＡ／Ｄ変換を行った場合には、図１１に示すように、入力信号の周波数から４．３ＭＨｚ離れた位置に周波数のピークが見られているが、比較例においては、入力信号の周波数から４．３ＭＨｚ離れた位置の近傍に−８６ｄＢｃのスプリアスが発生している。これに対して、実施例においては、入力信号の周波数から４．３ＭＨｚ離れた位置の近傍のスプリアスが抑制されており、スプリアスも小さくなっていることがわかる。従って本発明の信号変換装置によりアナログ信号とディジタル信号を互いに変換したときに、変換による周波数の波形の歪みを抑制し、スプリアスの発生を抑制することができると言える。

１、１００ 信号変換装置
３ 補正値出力部
４ 加算部
１０ ＶＣＸＯ
１５ ＤＤＳ
２０ Ｄ／Ａ変換器
２１、１０２ 補正部
１０１ Ａ／Ｄ変換器

Claims (3)

1. 入力されたディジタル信号に対応するアナログ電圧を出力する信号変換装置において、
   前記ディジタル信号のディジタル値に補正値を加算した加算値に相当する補正後のディジタル値を出力する補正部と、
   前記補正部の後段に接続され、前記補正後のディジタル値をアナログ電圧に変換するディジタル／アナログ変換器と、を備え、
   前記補正値は、補正前のディジタル値を前記ディジタル／アナログ変換器に入力したときに理想の入出力特性から得られるアナログ電圧をＶ´とすると、実測またはシミュレーションにより取得した実際の入出力特性から前記Ｖ´が得られるディジタル値と前記補正前のディジタル値との差分に相当する値であることを特徴とする信号変換装置。
2. ＤＤＳ回路部と、このＤＤＳ回路部から出力されるディジタル信号が入力される請求項１記載の信号変換装置と、この信号変換装置の出力信号を参照信号とするＰＬＬと、を備えたことを特徴とする発振装置。
3. 入力されたアナログ電圧に対応するディジタル信号を出力する信号変換装置において、
   前記アナログ電圧をディジタル信号に変換するアナログ／ディジタル変換器と、
   前記アナログ／ディジタル変換器の後段に接続され、前記ディジタル信号のディジタル値に補正値を加算した加算値に相当する補正後のディジタル値を出力する補正部と、を備え、
   前記補正値は、アナログ電圧を前記ディジタル／アナログ変換器に入力したときに理想の入出力特性から得られるディジタル値と、実測またはシミュレーションにより取得した実際の入出力特性から得られるディジタル値と、の差分に相当する値であることを特徴とする信号変換装置。

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