JP2022090600A - Time-interleave a-d converter and laser-type gas analyzer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、サンプリングタイミングが異なる複数の単位A/D変換器を並列動作させて高速変換を実現すると共に、各単位A/D変換器に対する出力特性誤差の補正機能を備えたタイムインターリーブA/D変換器、及び、このタイムインターリーブA/D変換器を備えたレーザ式ガス分析計に関する。 The present invention realizes high-speed conversion by operating a plurality of unit A / D converters having different sampling timings in parallel, and has a time interleaved A / D function for correcting an output characteristic error for each unit A / D converter. The present invention relates to a converter and a laser gas analyzer equipped with this time-interleaved A / D converter.
アナログ信号をディジタル信号に変換するA/D変換器は、標本化及び量子化により、アナログ入力電圧等を離散ディジタル値に変換して出力する。このとき、標本化、量子化の分解能は、使用するA/D変換器によって限界が決まっている。特に、標本化、すなわちサンプリングの分解能が低い場合、サンプリング定理に基づき、正常に変換可能な入力電圧の周波数帯域が小さくなるため、通信分野等の高周波を扱う機器では、より高速変換が可能なA/D変換器が要求される。また、それ以外の分野においても、オーバーサンプリングによるノイズ低減、アンチエイリアシングフィルタの設計条件緩和といった面から、高速化が要求される。 The A / D converter that converts an analog signal into a digital signal converts an analog input voltage or the like into a discrete digital value by sampling and quantization and outputs the signal. At this time, the resolution of sampling and quantization is limited by the A / D converter used. In particular, when sampling, that is, when the sampling resolution is low, the frequency band of the input voltage that can be normally converted becomes small based on the sampling theorem. A / D converter is required. Further, in other fields as well, high speed is required from the viewpoint of noise reduction by oversampling and relaxation of design conditions of antialiasing filter.
この対策として、図11に示すようなタイムインターリーブA/D変換器が従来から知られている。
図11において、アナログ電圧が入力されるM個の単位A/D変換器ADC1~ADCMが並列に接続されている。これらの単位A/D変換器ADC1~ADCMにクロック信号生成部10から2π/Mずつ位相を順次遅延させたクロック信号をそれぞれ入力し、各変換器ADC1~ADCMにおけるA/D変換のサンプリングタイミングをずらすことにより、A/D変換器が1個の場合に比べてM倍の高速変換を実現することができる。なお、40は各変換器ADC1~ADCMの出力信号から一つのディジタル信号を得て出力する出力部である。
上記構成において、理論上は、単位A/D変換器の並列数を増やせば理想のサンプリング速度まで高速化することが可能である。
As a countermeasure against this, a time interleaved A / D converter as shown in FIG. 11 has been conventionally known.
In FIG. 11, M units A / D converters ADC 1 to ADC M to which an analog voltage is input are connected in parallel. A clock signal whose phase is sequentially delayed by 2π / M from the
In the above configuration, in theory, it is possible to increase the speed to the ideal sampling speed by increasing the number of parallel units of the unit A / D converter.
図11に示したように、タイムインターリーブA/D変換器では、複数の単位A/D変換器のディジタル出力を合わせて一つのディジタル信号を出力している。このとき、各単位A/D変換器にはオフセット、ゲイン、サンプリングタイミング等の特性が存在し、単位A/D変換器間でこれらに誤差がある場合、タイムインターリーブA/D変換器としての出力信号に歪み成分となって現れ、信号対雑音比(SN比)等の信号性能が低下する。これらの誤差は、電子回路の製造上のばらつきに加えて周囲温度等の動作環境の変化によっても起こり得るものであり、その影響をリアルタイムに補正する機能が求められている。 As shown in FIG. 11, in the time interleaved A / D converter, one digital signal is output by combining the digital outputs of a plurality of unit A / D converters. At this time, each unit A / D converter has characteristics such as offset, gain, and sampling timing, and if there is an error between these units, the output as a time interleaved A / D converter. It appears as a distortion component in the signal, and the signal performance such as the signal-to-noise ratio (SN ratio) deteriorates. These errors can occur not only due to manufacturing variations in electronic circuits but also due to changes in the operating environment such as ambient temperature, and there is a need for a function to correct the effects in real time.
上記課題を解決するため、特許文献1では、タイムインターリーブA/D変換器を構成する複数の単位A/D変換器以外に同一構造で精度を校正済みの参照用A/D変換器を追加し、その出力を教師信号として各単位A/D変換器の出力をディジタル補正している。
この従来技術においては、単位A/D変換器に入力されるクロック信号と参照用A/D変換器に入力されるクロック信号の周波数とを別々にし、参照用A/D変換器のサンプリングタイミングを単位A/D変換器のうちの一つと必ず同時になるようにして、タイムインターリーブA/D変換を行いながら各単位A/D変換器の出力を補正していくことが可能である。
In order to solve the above problem, in
In this prior art, the frequency of the clock signal input to the unit A / D converter and the frequency of the clock signal input to the reference A / D converter are separated, and the sampling timing of the reference A / D converter is set. It is possible to correct the output of each unit A / D converter while performing time interleaved A / D conversion so that it is always at the same time as one of the unit A / D converters.
また、特許文献2,3では、参照用A/D変換器を用いて、LMS(Least Mean Square)アルゴリズムにより誤差を補正している。この場合、参照用A/D変換器として単位A/D変換器より低速かつ高分解能の素子を用いることによって高分解能の出力を目標値に設定することができるため、より高精度な補正が可能である。
すなわち、特許文献2には、複数の単位A/D変換器の出力側に設けたディジタルキャリブレーションユニットにより、個々の単位A/D変換器の変換ゲイン、オフセット、サンプリングタイミングが参照用A/D変換器のそれらと等しくなるように、LMSアルゴリズムを用いて誤差を補正する技術が開示されている。
また、特許文献3には、タイムインターリーブA/D変換器では大きなチップ面積や消費電力が必要であることに鑑み、メインA/D変換器と、その出力側に順次設けられてLMSアルゴリズムによる補正を行う線形性補正部及びスキュー補正部と参照用A/D変換器と、を備え、メインA/D変換器及び参照用A/D変換器のサンプリングタイミング間に生じるスキューの影響を補償することにより、サンプルホールド回路等を不要にして高サンプルレート、高分解能のA/D変換を可能にする技術が開示されている。
Further, in
That is, in
Further, in
更に、特許文献4には、出力の要求に合わせて、タイムインターリーブ処理による高速出力と平均化処理による高分解能出力とを切り替える技術が開示されている。
すなわち、高速出力が必要な場合は、単位A/D変換器の出力を補正したタイムインターリーブ処理を行い、より高分解能な出力が必要な場合は、すべての単位A/D変換器に同一のクロック信号を入力して同時にサンプリングしたディジタル出力値の平均値を算出することにより、低速であっても分解能が向上した出力を得ることができる。
Further,
That is, when high-speed output is required, time interleaving processing is performed by correcting the output of the unit A / D converter, and when higher resolution output is required, the same clock is applied to all unit A / D converters. By inputting a signal and calculating the average value of the digital output values sampled at the same time, it is possible to obtain an output with improved resolution even at a low speed.
さて、従来より、例えばレーザ光を煙道内に照射して有毒ガスの有無やその濃度を測定するレーザ式ガス分析計が知られており、その受光信号に基づいてガス濃度を測定する信号処理系にA/D変換器が使用されている。
気体状のガス分子には、それぞれ固有の光吸収スペクトルがあるため、レーザ式ガス分析計では、レーザ光の特定波長の吸収量が測定対象ガスの濃度に比例するという原理のもとで、測定空間内のガスを透過したレーザ光をA/D変換して得たディジタル信号を演算処理することにより、上記測定空間に存在する測定対象ガスの濃度を測定している。
Conventionally, for example, a laser gas analyzer that irradiates a flue with a laser beam to measure the presence or absence of toxic gas and its concentration has been known, and a signal processing system that measures the gas concentration based on the received signal. An A / D converter is used for.
Since each gaseous gas molecule has its own light absorption spectrum, the laser gas analyzer makes measurements based on the principle that the amount of absorption of laser light at a specific wavelength is proportional to the concentration of the gas to be measured. The concentration of the gas to be measured existing in the measurement space is measured by arithmetically processing the digital signal obtained by A / D converting the laser beam transmitted through the gas in the space.
図12は、この種のレーザ式ガス分析計の主要部を示すブロック図である。
図12において、光源部110内のレーザ駆動信号発生部111では、電流制御により測定対象ガスの吸収波長を含む範囲でレーザ波長を掃引させながらレーザ光Lを出射する。このレーザ光Lは、測定空間内のガスによる吸収を受け、受光素子220に入射する。
受光素子220により光電変換された信号は、信号処理回路210内のIV(電流電圧)変換器211、フィルタ212、A/D変換器213の動作によりディジタル信号に変換されて演算部214に与えられる。演算部214は、測定対象ガスを吸収した信号(ガス吸収信号)の振幅に基づいて測定対象ガスの濃度を測定すると共に、レーザ駆動制御用のトリガ信号を生成してレーザ駆動信号発生部111に出力する。
この種のレーザ式ガス分析計は、例えば特許文献5に記載されている。
FIG. 12 is a block diagram showing the main parts of this type of laser gas analyzer.
In FIG. 12, the laser drive
The signal photoelectrically converted by the
This type of laser gas analyzer is described in, for example, Patent Document 5.
ここで、ガス吸収信号の振幅はガス濃度に比例するため、ガスが低濃度の場合には振幅が小さくなる。このため、低濃度のガスを測定する際はA/D変換後の信号の分解能が低くなり、SN比が低下する。つまり、信号成分が熱ノイズや光学干渉ノイズ等のノイズ成分の影響を受けて変化することにより、ガス濃度の安定性が損なわれることになる。従って、ガスが低濃度であっても高分解能にガス吸収信号を検出可能であることが必要である。 Here, since the amplitude of the gas absorption signal is proportional to the gas concentration, the amplitude becomes small when the gas concentration is low. Therefore, when measuring a low-concentration gas, the resolution of the signal after A / D conversion is lowered, and the SN ratio is lowered. That is, the stability of the gas concentration is impaired because the signal component changes under the influence of noise components such as thermal noise and optical interference noise. Therefore, it is necessary to be able to detect the gas absorption signal with high resolution even if the gas concentration is low.
上記課題の解決策としては、測定濃度範囲を限定することが考えられる。例えば、回路設計時点で、測定対象ガスの濃度が100[ppm]のときの吸収信号をA/D変換の電圧範囲に合わせて増幅してから変換することで、0~100[ppm]の範囲でガス濃度を測定可能な機種が得られる。同様に、測定対象ガスの濃度が200[ppm]のときの吸収信号をA/D変換の電圧範囲に合わせて増幅してから変換すれば、0~200[ppm]の範囲でガス濃度を測定可能な機種を得ることができる。 As a solution to the above problem, it is conceivable to limit the measurement concentration range. For example, at the time of circuit design, the absorption signal when the concentration of the gas to be measured is 100 [ppm] is amplified according to the voltage range of A / D conversion and then converted to be in the range of 0 to 100 [ppm]. A model that can measure the gas concentration can be obtained. Similarly, if the absorption signal when the concentration of the gas to be measured is 200 [ppm] is amplified according to the voltage range of A / D conversion and then converted, the gas concentration is measured in the range of 0 to 200 [ppm]. You can get a possible model.
このため、同じ分解能のA/D変換器を用いる場合でも、同じ濃度の信号に対して見掛け上の分解能に差が生じ、0~100[ppm]の範囲で測定可能な機種の方が0~200[ppm]の範囲で測定可能な機種に対して2倍の分解能を有することになる。従って、低濃度ガスを高分解能に測定する場合には、より狭い濃度範囲の機種を選定すれば対応することができる。
しかしながら、この場合にはA/D変換器の機種や製造工程が増加して製造コストが増大する。また、ガス濃度の変化が大きい環境ではこのような対策を採ることができないため、低濃度ガスを高分解能に測定することが不可能になる。
従って、これらの問題に対応するためには、広いダイナミックレンジを有するA/D変換器を備えることが求められる。
Therefore, even when A / D converters with the same resolution are used, there is a difference in apparent resolution for signals of the same concentration, and models that can measure in the range of 0 to 100 [ppm] are 0 to 0. It will have twice the resolution of a model that can measure in the range of 200 [ppm]. Therefore, when measuring low-concentration gas with high resolution, it is possible to handle it by selecting a model with a narrower concentration range.
However, in this case, the number of models and manufacturing processes of the A / D converter increases, and the manufacturing cost increases. Further, since such measures cannot be taken in an environment where the change in gas concentration is large, it becomes impossible to measure low-concentration gas with high resolution.
Therefore, in order to deal with these problems, it is required to provide an A / D converter having a wide dynamic range.
一方、測定したガス濃度に応じてレーザ駆動制御と受光信号の処理とを切り替えることによりダイナミックレンジを拡大するようにした従来技術が、例えば特許文献6に記載されている。
この従来技術によれば、ガスの高濃度測定に有効な直接吸収法と低濃度測定に有効な2f法とをガス濃度に応じて切り替えることで、広いダイナミックレンジを実現することができ、測定濃度範囲の拡大によってA/D変換器の機種や製造工程の統一(減少)が可能になる。一方、分解能はA/D変換器の性能に依存するため、測定を高精度化する上では、根本的にA/D変換器自体を高分解能化することが重要である。
一般に、A/D変換器の分解能とサンプリング周波数とはトレードオフの関係が成り立つため、分解能が高いA/D変換器ほど低速のサンプリングとなる。このため通常は、必要となるサンプリング周波数以上のA/D変換器の中からできるだけ高分解能のものを選定しているので、分解能には限界があると言わざるを得ない。
On the other hand, for example, Patent Document 6 describes a conventional technique for expanding the dynamic range by switching between laser drive control and light receiving signal processing according to the measured gas concentration.
According to this conventional technique, a wide dynamic range can be realized by switching between the direct absorption method effective for measuring the high concentration of gas and the 2f method effective for measuring the low concentration according to the gas concentration, and the measured concentration. By expanding the range, it becomes possible to unify (decrease) the models of A / D converters and the manufacturing process. On the other hand, since the resolution depends on the performance of the A / D converter, it is fundamentally important to improve the resolution of the A / D converter itself in order to improve the accuracy of the measurement.
In general, there is a trade-off relationship between the resolution of the A / D converter and the sampling frequency, so the higher the resolution of the A / D converter, the slower the sampling. Therefore, since the A / D converter having the required sampling frequency or higher is usually selected with the highest resolution possible, it must be said that the resolution is limited.
前述した特許文献1,2に記載された従来技術では、M倍の高速化のために(M+1)個のA/D変換器を使用し、これらのうちの一つを参照用A/D変換器として使用する必要があり、また、特許文献3に記載された従来技術でもメインA/D変換器の他に参照用A/D変換器が必要である。このため、何れにしても回路全体が大型化し、コストの上昇や消費電力の増加が問題となる。
In the prior art described in
更に、補正により各単位A/D変換器間の変換ゲイン、オフセット、サンプリングタイミングの不一致による影響をなくすことは可能であるが、すべての単位A/D変換器が参照A/D変換器の特性と一致するように補正されるため、予め参照用A/D変換器の出力特性が理想的なものになるように、既知の信号を用いて個別に校正等を行う必要がある。この場合、システムに組み込まれたタイムインターリーブA/D変換器では初期設定として校正することになるが、出力特性はシステムの動作環境(周囲温度の変化等)により変化することが考えられるため、システムの実動作中にもリアルタイムに校正を行うことが望ましく、既知信号を入力するために実動作を停止させなくてはならない。 Furthermore, although it is possible to eliminate the effects of mismatches in conversion gain, offset, and sampling timing between each unit A / D converter by correction, all unit A / D converters are referred to as A / D converter characteristics. Therefore, it is necessary to individually calibrate using a known signal so that the output characteristics of the reference A / D converter become ideal in advance. In this case, the time-interleaved A / D converter built into the system will be calibrated as the initial setting, but the output characteristics may change depending on the operating environment of the system (changes in ambient temperature, etc.), so the system It is desirable to perform calibration in real time even during the actual operation of the system, and the actual operation must be stopped in order to input a known signal.
また、特許文献4に記載された従来技術では、単位A/D変換器の内の一つを基準として他の単位A/D変換器の特性を補正するため、基準となる単位A/D変換器の出力特性が全単位A/D変換器に反映されてしまう。この問題を解決するためには、既知の信号を入力して基準となる単位A/D変換器の出力特性を予め校正する必要があるが、システムの動作を停止させなくてはならない。
Further, in the prior art described in
更に、特許文献5,6等に記載されたレーザ式ガス分析計において、低濃度ガスの濃度を高分解能に測定するには、前述したごとくA/D変換器を高分解能化してダイナミックレンジを拡大することが重要であり、そのためには、タイムインターリーブA/D変換器等を用いて単位A/D変換器間の誤差をリアルタイムに補正することが要請されていた。 Further, in the laser type gas analyzer described in Patent Documents 5 and 6, in order to measure the concentration of low concentration gas with high resolution, the A / D converter is made high resolution and the dynamic range is expanded as described above. For that purpose, it has been required to correct the error between the unit A / D converters in real time by using a time interleaved A / D converter or the like.
そこで、本発明の解決課題は、複数の単位A/D変換器に追加される参照用A/D変換器を不要にして構成を簡素化すると共に、単位A/D変換器間の出力特性の誤差をバックグラウンド補正することにより高精度な出力が可能なタイムインターリーブA/D変換器を提供することにある。
更に、本発明の他の解決課題は、レーザ光を用いて各種のガス濃度を測定するレーザ式ガス分析計において、測定対象ガスを透過したレーザ光の受光信号を上記タイムインターリーブA/D変換器によってA/D変換し、その出力信号を演算処理することにより、高分解能かつ広いダイナミックレンジでガス濃度を測定可能とすることにある。
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to simplify the configuration by eliminating the need for the reference A / D converter added to the plurality of unit A / D converters and to improve the output characteristics between the unit A / D converters. It is an object of the present invention to provide a time interleaved A / D converter capable of high-precision output by correcting an error in the background.
Further, another problem of the present invention is that in a laser type gas analyzer that measures various gas concentrations using laser light, the received signal of the laser light transmitted through the gas to be measured is converted into the time interleaved A / D converter. By A / D conversion and arithmetic processing of the output signal, it is possible to measure the gas concentration with high resolution and a wide dynamic range.
上記課題を解決するため、請求項1に係るタイムインターリーブA/D変換器は、並列に接続された複数の単位A/D変換器を用いてA/D変換を行うタイムインターリーブA/D変換器において、
複数の単位A/D変換器のサンプリングタイミングを等間隔に順次遅延させるタイムインターリーブ処理用クロック信号と、前記サンプリングタイミングを同一とする平均化処理用クロック信号と、の何れか一方を前記複数の単位A/D変換器に供給するクロック信号生成部と、
平均化処理時に、前記複数の単位A/D変換器の出力信号の平均値を算出する平均化処理部と、
前記平均値を基準として前記複数の単位A/D変換器の出力特性を補正して出力する補正部と、
タイムインターリーブ処理時には前記補正部の出力信号を選択して出力し、平均化処理時には前記平均化処理部の出力信号を選択して出力する出力部と、
を備えたことを特徴とする。
In order to solve the above problem, the time interleaved A / D converter according to
Multiple units One of the time interleaving processing clock signal that sequentially delays the sampling timing of the A / D converter at equal intervals and the averaging processing clock signal that has the same sampling timing is the plurality of units. The clock signal generator supplied to the A / D converter,
An averaging processing unit that calculates the average value of the output signals of the plurality of unit A / D converters during the averaging process.
A correction unit that corrects and outputs the output characteristics of the plurality of unit A / D converters based on the average value, and a correction unit.
An output unit that selects and outputs the output signal of the correction unit during time interleaving processing and selects and outputs the output signal of the averaging processing unit during averaging processing.
It is characterized by being equipped with.
請求項2に係るタイムインターリーブA/D変換器は、請求項1において、
前記平均化処理部は、
前記複数の単位A/D変換器の出力信号の単純平均値と、前記単純平均値に対する前記複数の単位A/D変換器の出力信号との偏差をそれぞれ算出し、前記偏差に基づいて設定した重みを用いて、前記複数の単位A/D変換器の出力信号の加重平均値を前記平均値として算出することを特徴とする。
The time interleaved A / D converter according to
The averaging processing unit is
Deviations between the simple average value of the output signals of the plurality of unit A / D converters and the output signals of the plurality of unit A / D converters with respect to the simple average value were calculated and set based on the deviations. It is characterized in that the weighted average value of the output signals of the plurality of unit A / D converters is calculated as the average value by using the weight.
請求項3に係るタイムインターリーブA/D変換器は、請求項1または2において、
前記補正部は、
前記平均値を教師信号として、LMSアルゴリズムにより前記複数の単位A/D変換器の出力特性を補正することを特徴とする。
The time interleaved A / D converter according to
The correction unit
The average value is used as a teacher signal, and the output characteristics of the plurality of unit A / D converters are corrected by the LMS algorithm.
請求項4に係るタイムインターリーブA/D変換器は、請求項1~3の何れか1項において、
前記出力特性が、前記複数の単位A/D変換器の変換ゲイン、オフセット、サンプリングタイミングを含み、
前記補正部は、全ての前記単位A/D変換器の出力が同等になるように前記出力特性の少なくとも一つを補正することを特徴とする。
The time interleaved A / D converter according to
The output characteristic includes the conversion gain, offset, and sampling timing of the plurality of unit A / D converters.
The correction unit is characterized in that at least one of the output characteristics is corrected so that the outputs of all the unit A / D converters are equal to each other.
請求項5に係るタイムインターリーブA/D変換器は、請求項1~4の何れか1項において、
前記補正部は、
前記平均化処理時に前記複数の単位A/D変換器の出力特性を補正する補正係数を算出し、算出した前記補正係数を用いて前記タイムインターリーブ処理時に前記出力特性をそれぞれ補正することを特徴とする。
The time interleaved A / D converter according to claim 5 is the item of any one of
The correction unit
It is characterized in that a correction coefficient for correcting the output characteristics of the plurality of unit A / D converters is calculated at the time of the averaging process, and the output characteristics are corrected at the time interleave processing using the calculated correction coefficient. do.
請求項6に係るタイムインターリーブA/D変換器は、請求項5において、
前記出力部は、前記タイムインターリーブ処理と前記平均化処理とを所定のタイミングで切り替えて前記補正部または前記平均化処理部の出力信号を選択可能であることを特徴とする。
The time interleaved A / D converter according to claim 6 is claimed in claim 5.
The output unit is characterized in that the output signal of the correction unit or the averaging unit can be selected by switching between the time interleaving process and the averaging process at a predetermined timing.
請求項7に係るレーザ式ガス分析計は、レーザ光を出射するレーザ素子と、
測定対象ガスが存在する測定空間を介して伝播された前記レーザ光を受光する受光素子と、
前記受光素子の出力信号をタイムインターリーブA/D変換器によりディジタル信号に変換し、前記ディジタル信号に含まれるガス吸収信号から前記測定対象ガスの濃度を測定する信号処理回路と、
を備え、
前記タイムインターリーブA/D変換器は、
並列に接続されて前記受光素子の出力信号が入力される複数の単位A/D変換器と、
前記複数の単位A/D変換器のサンプリングタイミングを等間隔に順次遅延させるタイムインターリーブ処理用クロック信号と、前記サンプリングタイミングを同一とする平均化処理用クロック信号と、の何れか一方を複数の単位A/D変換器に供給するクロック信号生成部と、
平均化処理時に、前記複数の単位A/D変換器の出力信号の平均値を算出する平均化処理部と、
前記平均値を基準として前記複数の単位A/D変換器の出力特性を補正して出力する補正部と、
を備え、
タイムインターリーブ処理時には、前記補正部の出力信号を用いて前記測定対象ガスの濃度を測定することを特徴とする。
The laser gas analyzer according to
A light receiving element that receives the laser beam propagated through the measurement space in which the gas to be measured exists, and a light receiving element.
A signal processing circuit that converts the output signal of the light receiving element into a digital signal by a time interleaved A / D converter and measures the concentration of the gas to be measured from the gas absorption signal contained in the digital signal.
Equipped with
The time interleaved A / D converter is
A plurality of unit A / D converters connected in parallel and to which the output signal of the light receiving element is input, and
A plurality of units A clock signal for time interleaving processing in which the sampling timings of the A / D converters are sequentially delayed at equal intervals and a clock signal for averaging processing in which the sampling timings are the same are used in a plurality of units. The clock signal generator supplied to the A / D converter,
An averaging processing unit that calculates the average value of the output signals of the plurality of unit A / D converters during the averaging process.
A correction unit that corrects and outputs the output characteristics of the plurality of unit A / D converters based on the average value, and a correction unit.
Equipped with
At the time of time interleaving processing, the concentration of the gas to be measured is measured by using the output signal of the correction unit.
請求項8に係るレーザ式ガス分析計は、請求項7において、
前記平均化処理部は、
前記複数の単位A/D変換器の出力信号の単純平均値と、前記単純平均値に対する前記複数の単位A/D変換器の出力信号との偏差をそれぞれ算出し、前記偏差に基づいて設定した重みを用いて、前記複数の単位A/D変換器の出力信号の加重平均値を前記平均値として算出することを特徴とする。
The laser gas analyzer according to claim 8 is claimed in
The averaging processing unit is
Deviations between the simple average value of the output signals of the plurality of unit A / D converters and the output signals of the plurality of unit A / D converters with respect to the simple average value were calculated and set based on the deviations. It is characterized in that the weighted average value of the output signals of the plurality of unit A / D converters is calculated as the average value by using the weight.
請求項9に係るレーザ式ガス分析計は、請求項7または8において、
前記補正部は、
前記平均値を教師信号として、LMS(Least Mean Square)アルゴリズムにより前記複数の単位A/D変換器の出力特性を補正することを特徴とする。
The laser gas analyzer according to claim 9 is the present invention according to
The correction unit
Using the average value as a teacher signal, the output characteristics of the plurality of unit A / D converters are corrected by an LMS (Least Mean Square) algorithm.
請求項10に係るレーザ式ガス分析計は、請求項7~9の何れか1項において、
前記出力特性が、前記複数の単位A/D変換器の変換ゲイン、オフセット、サンプリングタイミングを含み、
前記補正部は、全ての前記単位A/D変換器の出力が同等になるように前記出力特性の少なくとも一つを補正することを特徴とする。
The laser gas analyzer according to
The output characteristic includes the conversion gain, offset, and sampling timing of the plurality of unit A / D converters.
The correction unit is characterized in that at least one of the output characteristics is corrected so that the outputs of all the unit A / D converters are equal to each other.
請求項11に係るレーザ式ガス分析計は、請求項7~10の何れか1項において、
前記補正部は、
前記平均化処理時に前記複数の単位A/D変換器の出力特性を補正する補正係数を算出し、算出した前記補正係数を用いて前記タイムインターリーブ処理時に前記出力特性をそれぞれ補正することを特徴とする。
The laser gas analyzer according to claim 11 is the one according to any one of
The correction unit
It is characterized in that a correction coefficient for correcting the output characteristics of the plurality of unit A / D converters is calculated at the time of the averaging process, and the output characteristics are corrected at the time interleave processing using the calculated correction coefficient. do.
請求項12に係るレーザ式ガス分析計は、請求項7~11の何れか1項において、
前記タイムインターリーブ処理と前記平均化処理とを前記レーザ素子を制御するタイミングに合わせて切り替えることを特徴とする。
The laser gas analyzer according to claim 12 is the one according to any one of
It is characterized in that the time interleaving process and the averaging process are switched according to the timing of controlling the laser element.
本発明のタイムインターリーブA/D変換器によれば、追加的な参照用A/D変換器を用いない簡素な構成であるため、回路の大型化やコストの上昇、消費電力の増加等の問題を回避することができる。また、理想的に誤差の小さい平均値を教師信号として単位A/D変換器間の出力特性の誤差を補正することにより、タイムインターリーブA/D変換器を含むシステムの実動作を止めることなく、周囲温度変化等の動作環境に起因した特性変化の影響も補正することが可能である。
また、本発明のレーザ式ガス分析計によれば、上記タイムインターリーブA/D変換器を用いて複数の単位A/D変換器間の出力特性の誤差を補正することにより、測定対象ガスの濃度測定を高分解能化し、ダイナミックレンジを拡大することができる。また、タイムインターリーブ処理と補正のための平均化処理とを交互に実行することで、タイムインターリーブA/D変換を含むレーザ式ガス分析計の実動作を止めることなく、周囲温度の変化といった動作環境による特性変化の影響もリアルタイムで補正することができる。
According to the time-interleaved A / D converter of the present invention, since it has a simple configuration without using an additional reference A / D converter, there are problems such as an increase in circuit size, cost increase, and power consumption increase. Can be avoided. In addition, by correcting the error in the output characteristics between the unit A / D converters using the average value with a small error as the teacher signal ideally, the actual operation of the system including the time interleaved A / D converter is not stopped. It is also possible to correct the effects of characteristic changes caused by the operating environment such as changes in ambient temperature.
Further, according to the laser gas analyzer of the present invention, the concentration of the gas to be measured is measured by correcting the error of the output characteristic between a plurality of unit A / D converters by using the time interleaved A / D converter. The resolution of the measurement can be increased and the dynamic range can be expanded. In addition, by alternately executing the time interleaving process and the averaging process for correction, the operating environment such as changes in the ambient temperature without stopping the actual operation of the laser gas analyzer including the time interleaving A / D conversion. The effect of the characteristic change due to the above can also be corrected in real time.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本実施形態に係るタイムインターリーブA/D変換器の構成図である。図1において、アナログ電圧が入力されるM個(Mは複数)の単位A/D変換器ADC1~ADCMが並列に接続され、これらの単位A/D変換器ADC1~ADCMには、クロック信号生成部10から、サンプリングタイミングの基準となるクロック信号CLK1~CLKMがそれぞれ入力されている。
単位A/D変換器ADC1~ADCMによるA/D変換後の出力信号D1~DMはそれぞれ対応する補正部301~30Mを介して出力部40に入力される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram of a time interleaved A / D converter according to the present embodiment. In FIG. 1, M units (multiple Ms) to which analog voltages are input are connected in parallel to the units A / D converters ADC 1 to ADC M , and these units A / D converters ADC 1 to ADC M are connected to the units A /
The output signals D 1 to DM after A / D conversion by the unit A / D converters ADC 1 to ADC M are input to the
また、単位A/D変換器ADC1~ADCMの出力信号D1~DMは平均化処理部20に入力されてこれらの信号の平均値が算出され、この平均値は補正部301~30M及び出力部40に入力されている。
本実施形態では、単位A/D変換器ADC1~ADCM及び補正部301~30Mによりタイムインターリーブ処理を行ったディジタル信号と平均化処理部20により平均化処理を行ったディジタル信号との何れか一方を、出力部40が選択して出力可能としている。そして、タイムインターリーブ処理時には、補正部301~30Mが平均化処理部20から出力された平均値を用いて各単位A/D変換器ADC1~ADCMの出力特性の誤差を補正した信号を出力部40が選択し、平均化処理時には、平均化処理部20の出力信号を出力部40が選択して出力する。
Further, the output signals D 1 to DM of the units A / D converters ADC 1 to ADC M are input to the averaging
In the present embodiment, the digital signal subjected to time interleaving processing by the unit A / D converters ADC 1 to ADC M and the
クロック信号生成部10は、タイムインターリーブ処理を行う場合には図2に示すタイムインターリーブ処理用クロック信号CLK1~CLKMを出力し、平均化処理を行う場合には図3に示す平均化処理用クロック信号CLK1~CLKMを出力する。図2,図3において、CLKSは基準クロック信号である。
図2,図3では、単位A/D変換器が4個(M=4)である場合のクロック信号CLK1~CLK4を示しているが、クロック信号の数は単位A/D変換器の個数に応じた任意の複数Mとなる。
The clock signal generation unit 10 outputs the clock signals CLK1 to CLKM for time interleaving processing shown in FIG. 2 when performing time interleaving processing, and for averaging processing shown in FIG. 3 when performing averaging processing. Clock signals CLK 1 to CLK M are output. In FIGS. 2 and 3, CLK S is a reference clock signal.
2 and 3 show clock signals CLK 1 to CLK 4 when there are four unit A / D converters (M = 4), but the number of clock signals is the unit A / D converter. It becomes any plurality of M according to the number.
タイムインターリーブ処理時には、図2に示すように、タイムインターリーブ処理用のサンプリング周波数を単位A/D変換器ADC1~ADC4のサンプリング周波数FsのM倍、すなわち4倍の4Fsにするため、周波数Fsの基準クロック信号CLKSを位相(2π/4)ずつ遅延させたタイムインターリーブ処理用クロック信号CLK1~CLK4を生成し、単位A/D変換器ADC1~ADC4にそれぞれ入力する。
これに対し、平均化処理時には、図3に示すように、すべての単位A/D変換器ADC1~ADC4を同一のタイミングでサンプリングさせるため、周波数Fsで位相が揃った平均化処理用クロック信号CLK1~CLK4を生成して単位A/D変換器ADC1~ADC4にそれぞれ入力する。
クロック信号生成部10は、タイムインターリーブ処理と平均化処理との動作の切替タイミングに合わせたトリガ信号に応じて、図2または図3のクロック信号CLK1~CLK4を切り替えて出力すれば良い。このクロック信号生成部10は、発振器やFPGA(Field Programmable Gate Array)を用いて構成可能である。
During the time interleaving process, as shown in FIG. 2, the sampling frequency for the time interleaving process is set to M times, that is, 4 times the sampling frequency F s of the units A / D converters ADC 1 to ADC 4 . Time interleaving clock signals CLK 1 to CLK 4 are generated by delaying the reference clock signal CLK S of frequency F s by phase (2π / 4), and are input to the units A / D converters ADC 1 to ADC 4 , respectively. ..
On the other hand, during the averaging process, as shown in FIG. 3, all the units A / D converters ADC 1 to ADC 4 are sampled at the same timing, so that the phase is aligned at the frequency F s for the averaging process. Clock signals CLK 1 to CLK 4 are generated and input to the unit A / D converters ADC 1 to ADC 4 , respectively.
The clock
次に、図4は図1における平均化処理部20の一具体例を示している。なお、平均化処理部20の構成は図4に限定されるものではない。
図4に示す平均化処理部20は、平均化処理時にのみ動作する。単位A/D変換器ADC1~ADC4の出力信号D1~D4は単純平均算出部21、偏差算出部22、加重平均算出部24、及び補正部301~304に入力される。単純平均算出部21では、単位A/D変換器ADC1~ADC4の出力信号D1~D4の単純平均値を算出し、偏差算出部22に出力する。偏差算出部22では、各単位A/D変換器ADC1~ADC4の出力信号D1~D4と単純平均算出部21から出力される単純平均値とから、出力信号D1~D4の偏差x1~x4をそれぞれ算出し、重み算出部23に出力する。
Next, FIG. 4 shows a specific example of the averaging
The averaging
重み算出部23では、上記の偏差x1~x4を用いて、単位A/D変換器ADC1~ADC4の出力信号D1~D4の加重平均を求めるための重みw1~w4を、以下の数式1により算出する。
数式1において、i=1~4、すなわちM=4であり、重みw1~w4は、偏差が小さい単位A/D変換器に対しては大きく、偏差が大きい単位A/D変換器に対しては小さくなるように設定してある。数式1では、偏差の2乗を用いて重みを算出しているが、数式1はあくまで一例であり、例えば偏差の絶対値を用いるなど、この方法に限定されなくても良い。
In
算出した重みw1~w4は、加重平均算出部24に出力される。加重平均算出部24では、入力された単位A/D変換器ADC1~ADC4の出力信号D1~D4とそれぞれの重みw1~w4とから、加重平均値x(本文中では、記載の様式上、平均値を示す「  ̄ 」を省略する)を以下の数式2により算出する。この加重平均値xは、各単位A/D変換器ADC1~ADC4の出力特性の誤差を補正するための補正部301~304及び出力部40に出力される。
なお、上述したように単位A/D変換器ADC1~ADC4の出力信号D1~D4の加重平均値を算出する代わりに、単純平均値を補正に用いても良い。
単位A/D変換器ADC1~ADC4の出力信号D1~D4を単純平均化することにより、単位A/D変換器単体に対してディジタル出力値の分解能が向上するため、高分解能化の効果が得られる。また一般に、A/D変換素子の製造ばらつき等に依存する特性誤差は、誤差±0を中心とした正規分布になると考えることができる。タイムインターリーブA/D変換に使用するA/D変換素子も、その数が増加するにつれて素子の誤差分布が正規分布に近くなり、その出力の単純平均値は誤差±0の場合の高精度な出力に近づく。
このため、予め出力特性を校正した参照用A/D変換器を用意しなくても、タイムインターリーブ処理時に単純平均値を参照用に用いることで高精度に補正を行うことができる。
As described above, instead of calculating the weighted average value of the output signals D1 to D4 of the units A / D converters ADC 1 to ADC 4 , the simple average value may be used for the correction.
By simply averaging the output signals D 1 to D 4 of the unit A / D converters ADC 1 to ADC 4 , the resolution of the digital output value is improved with respect to the unit A / D converter alone, so that the resolution is increased. The effect of is obtained. Further, in general, the characteristic error depending on the manufacturing variation of the A / D conversion element can be considered to have a normal distribution centered on the error ± 0. As the number of A / D conversion elements used for time-interleaved A / D conversion increases, the error distribution of the elements becomes closer to the normal distribution, and the simple average value of the output is a highly accurate output when the error is ± 0. Approaching.
Therefore, even if a reference A / D converter whose output characteristics have been calibrated in advance is not prepared, correction can be performed with high accuracy by using the simple average value for reference during the time interleaving process.
一方、使用素子数が少ない場合、もしくは使用素子の中に誤差が大きいものが存在した場合、誤差値の分散により、それらの出力の単純平均値は誤差の影響が大きい値になる可能性がある。そこで、図4に示したように加重平均値を算出することで、誤差分布の集合から外れた誤差を持つ単位A/D変換器の出力の影響を小さくすることができるため、より高精度なディジタル出力を得ることができる。 On the other hand, if the number of elements used is small, or if some of the elements used have a large error, the simple average value of those outputs may become a value that is greatly affected by the error due to the dispersion of the error values. .. Therefore, by calculating the weighted average value as shown in FIG. 4, the influence of the output of the unit A / D converter having an error deviating from the set of error distributions can be reduced, so that the accuracy is higher. A digital output can be obtained.
図1,図4に示すように、補正部301~304には、単位A/D変換器ADC1~ADC4の出力信号D1~D4と平均化処理部20からの加重平均値xとが入力される。
平均化処理時には、加重平均値xを教師信号として、各単位A/D変換器ADC1~ADC4の出力信号D1~D4を補正することにより単位A/D変換器ADC1~ADC4の出力特性の誤差による影響を低減する。このとき、補正に用いる補正係数には、最新のものを記憶しておく。
一方、タイムインターリーブ処理時には、平均化処理時に算出して記憶した補正係数を用いて、補正部301~304が単位A/D変換器ADC1~ADC4の出力信号D1~D4を補正して出力部40に与える。
出力部40には、平均化処理部20による加重平均値x、及び、補正部301~304からの補正後の出力信号が入力されており、平均化処理時には平均化処理部20からの入力値、すなわち加重平均値xを、タイムインターリーブ処理時には補正部301~304からの入力値を出力するように切り替える。
As shown in FIGS. 1 and 4, the
At the time of averaging processing, the weighted average value x is used as a teacher signal, and the output signals D 1 to D 4 of each unit A / D converter ADC 1 to ADC 4 are corrected to correct the units A / D converters ADC 1 to ADC 4 . Reduces the effects of errors in the output characteristics of. At this time, the latest correction coefficient is stored in the correction coefficient used for the correction.
On the other hand, during the time interleaving process, the
The weighted average value x by the averaging
次に、本実施形態における補正原理について説明する。
タイムインターリーブ処理と平均化処理とは、所定のタイミングで動作を切り替えれば良く、システムの動作ごとの要求性能(速度、分解能)に合わせて動作を切り替えても良い。例えば、一定時間経過ごとに動作を切り替え、または、周囲温度等の環境情報を観測してそれが変化したときに動作を切り替えても良い。あるいは、出力信号性能(SN比、ダイナミックレンジ、歪み成分の大きさ等)を測定し、それが変化したときに動作を切り替えても良い。
タイムインターリーブ処理と平均化処理との動作の切替は、定期のタイミングで行っても良いし、不定期なタイミングで行っても良い。
補正のアルゴリズムは、例えば特許文献2や特許文献3と同様にLMSアルゴリズムを用いることが望ましいが、これらの文献のように参照用A/D変換器の出力を教師信号とするのではなく、単位A/D変換器A/D1~A/D4の加重平均値xを用いることで高精度に出力特性による誤差等を補正することができる。
Next, the correction principle in this embodiment will be described.
The time interleaving process and the averaging process may be switched between operations at predetermined timings, and may be switched according to the required performance (speed, resolution) of each system operation. For example, the operation may be switched at regular intervals, or the operation may be switched when environmental information such as ambient temperature is observed and changed. Alternatively, the output signal performance (SN ratio, dynamic range, magnitude of distortion component, etc.) may be measured and the operation may be switched when it changes.
The operation of the time interleaving process and the averaging process may be switched at regular timings or irregular timings.
As the correction algorithm, for example, it is desirable to use the LMS algorithm as in
以上説明したように、本実施形態のタイムインターリーブA/D変換器によれば、タイムインターリーブA/D変換における複数の単位A/D変換器の出力特性や動作環境等に起因する誤差を、参照用A/D変換器を用いずに高精度にバックグラウンド補正することが可能である。 As described above, according to the time interleaved A / D converter of the present embodiment, the error caused by the output characteristics, the operating environment, etc. of the plurality of unit A / D converters in the time interleaved A / D conversion is referred to. It is possible to perform background correction with high accuracy without using an A / D converter.
次いで、上述したタイムインターリーブA/D変換器を用いてレーザ光の受光信号をA/D変換し、その出力信号を演算処理して測定対象ガスの有無やその濃度を測定するレーザ式ガス分析計の実施形態について説明する。 Next, a laser gas analyzer that A / D-converts the received signal of the laser beam using the time-interleaved A / D converter described above and calculates and processes the output signal to measure the presence or absence of the gas to be measured and its concentration. The embodiment of the above will be described.
図5は、本形態のレーザ式ガス分析計を示している。図5において、フランジ51a,51bは、例えば測定対象ガスが内部を通過する煙道などの配管の壁50a,50bに、溶接等によって固定されている。発光部100側のフランジ51aには、取付座52aを介して、有底円筒状の発光部容器130が取り付けられている。
発光部容器130の内部には光源部110が配置されており、光源部110から出射したレーザ光Lは、コリメートレンズ120を含む光学系によって平行光にコリメートされる。コリメートされた平行光は、フランジ51aの中心を通って壁50a,50bの内部に入射し、壁50a,50の内部にある測定対象ガスを透過する際に吸収を受ける。
FIG. 5 shows the laser gas analyzer of this embodiment. In FIG. 5, the
A
受光部200側のフランジ51bには、取付座52bを介して有底円筒状の受光部容器240が取り付けられている。壁50a,50bの内部を通過した平行光は、受光部容器240内部の集光レンズ230により集光されて受光素子220により受光される。この光は受光素子220により電気信号に変換され、後段の信号処理回路210Aに入力される。信号処理回路210Aと光源部110とは、レーザ駆動制御に用いるトリガ信号を送受信するための通信線60によって接続されている。
A bottomed cylindrical light-receiving
次に、図6は前記光源部110の構成を示している。この光源部110では、信号処理回路210A内の演算部214から送信されたトリガ信号を基準としてレーザ駆動信号発生部111がレーザ駆動信号を発生させる。この信号は電流制御部112に送られ、レーザ素子113を駆動してレーザ光Lを出射させる。
Next, FIG. 6 shows the configuration of the
図7は、レーザ駆動信号発生部111の動作を示している。レーザ駆動信号は、測定対象ガスの吸収波長を含む範囲でレーザ波長を掃引させた信号であるが、いわゆる2f法により検出する場合は、この掃引させた信号を更に変調させてもよい。レーザ駆動信号発生部111から出力されたレーザ駆動信号は電流制御部112により電流に変換され、半導体レーザからなるレーザ素子113に供給されてレーザ光Lが出射される。
FIG. 7 shows the operation of the laser drive
次に、図8は前記信号処理回路210Aの構成を示している。
図8において、受光素子220には、レーザ素子113の発光波長に感度を持つフォトダイオード等が使用される。受光素子220の出力電流はIV変換器211により電圧に変換され、その出力信号は、フィルタ212に供給されてガス吸収信号成分以外のノイズ成分が除去された後、前述したタイムインターリーブA/D変換器215によりディジタル信号に変換される。
なお、フィルタ212とタイムインターリーブA/D変換器215との順序は限定されないため、タイムインターリーブA/D変換器215によるA/D変換後にディジタルフィルタを用いて処理してもよい。
タイムインターリーブA/D変換器215の出力は、CPU等からなる演算部214に送られる。この演算部214では、測定対象ガスの濃度を測定して出力すると共に、レーザ駆動制御用のパルス状のトリガ信号を生成してレーザ駆動信号発生部111及びタイムインターリーブA/D変換器215に出力する。
Next, FIG. 8 shows the configuration of the signal processing circuit 210A.
In FIG. 8, as the
Since the order of the
The output of the time interleaved A /
次いで、測定対象ガスの濃度測定方法について説明する。
まず、事前にレーザ駆動信号の掃引範囲内で測定対象ガスを測定できるように(所定のガス吸収信号が得られるように)、光源部110のレーザ駆動信号発生部111が図7に示したレーザ駆動信号を生成する。その後、レーザ素子113を駆動して測定対象ガスが存在する壁50a,50bの内部空間にレーザ光Lを出射し、集光したレーザ光Lを受光素子220へ入射させる。
Next, a method for measuring the concentration of the gas to be measured will be described.
First, the laser drive
図8の信号処理回路210Aにおいて、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がない場合は、ガス吸収信号成分が検出されないため、フィルタ212の出力信号はほぼ水平な直線となる。一方、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、フィルタ212の出力としてガス吸収信号が検出される。このガス吸収信号の最大値または最小値が測定対象ガスの濃度に相当する。
In the signal processing circuit 210A of FIG. 8, when the laser beam is not absorbed by the gas to be measured, the gas absorption signal component is not detected, so that the output signal of the
従って、演算部214では、ガス吸収信号の最大値または最小値を測定するか、あるいはガス吸収信号の一部または全部を積分して、その積分値から測定対象ガスの濃度を算出すればよい。更に、演算部214から出力されるトリガ信号と、フィルタ212の出力信号との間には一定の時間的な相関関係がある。つまり、トリガ信号のタイミングに対してガス吸収信号やその最大値、最小値が発生するタイミングは予めほぼ正確に検出可能であり、トリガ信号を基準として測定することで高精度な測定が可能である。
Therefore, the
次に、タイムインターリーブA/D変換器215の構成及び動作について説明する。
図9は、図8におけるタイムインターリーブA/D変換器の構成図である。その構成及び動作は、図1,図2等に基づいて説明したものと基本的に共通するため、一部を割愛するが、全体的な動作としては、単位A/D変換器ADC1~ADC4に対して同時にA/D変換動作を行わせて加重平均値を算出する平均化処理と、個々のA/D変換動作に位相差を持たせて全体のサンプリングを高速化するタイムインターリーブ処理と、を交互に行いながら単位A/D変換器間の出力特性の誤差を補正することで、より高分解能なディジタル出力を可能にしている。
Next, the configuration and operation of the time interleaved A /
FIG. 9 is a block diagram of the time interleaved A / D converter in FIG. Since the configuration and operation are basically the same as those described with reference to FIGS. 1, 2, etc., a part thereof is omitted, but the overall operation is as a unit A / D converter ADC 1 to ADC. An averaging process that calculates a weighted average value by simultaneously performing an A / D conversion operation on 4 and a time interleaving process that speeds up the overall sampling by giving a phase difference to each A / D conversion operation. , Are alternately performed to correct the error in the output characteristics between the unit A / D converters, thereby enabling higher resolution digital output.
まず、図9におけるクロック信号生成部10は、図10に示すように、演算部214から送られるトリガ信号を基準にして、平均化処理用クロック信号とタイムインターリーブ処理用クロック信号とを交互に出力する。すなわち、図2のクロック信号と図3のクロック信号とを交互に切り替えて出力させる。
前述したごとく、平均化処理用クロック信号は、すべての単位A/D変換器ADC1~ADC4によるA/D変換を同時に行うために、位相が揃った同一のクロック信号であり、タイムインターリーブ処理用クロック信号は、単位A/D変換器ADC1~ADC4によるA/D変換を別々のタイミングで行うために、位相差を持たせたクロック信号である。
First, as shown in FIG. 10, the clock
As described above, the clock signal for averaging processing is the same clock signal having the same phase in order to simultaneously perform A / D conversion by all the units A / D converters ADC 1 to ADC 4 , and is time interleaving processing. The clock signal is a clock signal having a phase difference in order to perform A / D conversion by the units A / D converters ADC 1 to ADC 4 at different timings.
単位A/D変換器ADC1~ADC4の出力信号が入力される平均化処理部20の構成及び動作は、図4について説明した通りであり、加重平均算出部24は、単位A/D変換器ADC1~ADC4の出力信号D1~D4と重み算出部23が数式1により算出した重みw1~w4とを用いて、数式2により加重平均値xを算出し、単位A/D変換器ADC1~ADC4にそれぞれ対応した補正部311~314に出力する。
The configuration and operation of the averaging
補正部311~314には、演算部214からのトリガ信号、単位A/D変換器ADC1~ADC4の出力信号D1~D4、及び、加重平均算出部24からの加重平均値xが入力されており、トリガ信号を基準にして補正方法を切り替える。
すなわち、平均化処理時には、加重平均値xを教師信号として、各単位A/D変換器ADC1~ADC4の出力信号D1~D4を補正し、補正係数を算出して最新のものを記憶する。
補正のアルゴリズムは特許文献2,3と同様であるが、追加のA/D変換器の出力を教師信号とするのではなく、出力信号D1~D4の加重平均値xを用いることで、追加のA/D変換器を不要として高精度にバックグラウンド補正を行うことが可能である。
The correction units 31 1 to 314 include trigger signals from the
That is, at the time of averaging processing, the weighted average value x is used as a teacher signal, the output signals D1 to D4 of each unit A / D converter ADC 1 to ADC 4 are corrected, and the correction coefficient is calculated to obtain the latest one. Remember.
The correction algorithm is the same as in
一方、タイムインターリーブ処理時には、平均化処理時に算出して記憶した補正係数を用いて補正部311~314が出力信号D1~D4を補正し、補正後の信号が演算部214に出力される。なお、演算部214では、タイムインターリーブ処理時にのみ、測定対象ガスの濃度を演算する。
基本的にタイムインターリーブ処理はトリガ信号の1/2の周期で実行されるが、平均化処理はこの限りではなく、トリガ信号の1/4の周期や1/8の周期など、より少ない周期で実行してもよい。その場合、平均化処理における補正係数の更新頻度は低下するが、処理を軽減することが可能である。
On the other hand, during the time interleaving process, the correction units 31 1 to 31 4 correct the output signals D 1 to D 4 using the correction coefficients calculated and stored during the averaging process, and the corrected signal is output to the
Basically, the time interleaving process is executed in a cycle of 1/2 of the trigger signal, but the averaging process is not limited to this, and the cycle of the trigger signal is smaller, such as 1/4 cycle or 1/8 cycle. You may do it. In that case, the frequency of updating the correction coefficient in the averaging process is reduced, but the process can be reduced.
単位A/D変換器ADC1~ADC4には、低速高分解能なA/D変換器、または高速低分解能なA/D変換器を用いればよい。低速高分解能なA/D変換器を用いる場合には、タイムインターリーブA/D変換により必要なサンプリング周波数まで高速化し、前述した補正により高分解能化を実現することができる。また、高速低分解能なA/D変換器を用いる場合には、タイムインターリーブA/D変換によりオーバーサンプリングした後、前述した補正や、演算部214で帯域制限を行うことにより、高分解能化を実現することができる。
以上のように、本実施形態によれば、タイムインターリーブA/D変換器における単位A/D変換器ADC1~ADC4間の出力特性の誤差をバックグラウンド補正して高分解能化し、レーザ式ガス分析計において広いダイナミックレンジを実現することが可能になる。
As the unit A / D converters ADC 1 to ADC 4 , a low-speed high-resolution A / D converter or a high-speed low-resolution A / D converter may be used. When a low-speed high-resolution A / D converter is used, the speed can be increased to the required sampling frequency by the time-interleaved A / D conversion, and the high resolution can be realized by the above-mentioned correction. When using a high-speed, low-resolution A / D converter, high resolution is achieved by oversampling by time-interleaved A / D conversion and then performing the above-mentioned correction and band limitation by the
As described above, according to the present embodiment, the error in the output characteristics between the unit A / D converters ADC 1 to ADC 4 in the time interleaved A / D converter is background-corrected to increase the resolution, and the laser gas is used. It is possible to realize a wide dynamic range in the analyzer.
10:クロック信号生成部
20:平均化処理部
21:単純平均算出部
22:偏差算出部
23:重み算出部
24:加重平均算出部
301~30M,311~31M:補正部
40:出力部
50a,50b:壁
51a,51b:フランジ
52a,52b:取付座
60:通信線
100:発光部
110:光源部
111:レーザ駆動信号発生部
112:電流制御部
113:レーザ素子
120:コリメートレンズ
130:発光部容器
200:受光部
210A:信号処理回路
211:IV変換器
212:フィルタ
214:演算部
215:タイムインターリーブA/D変換器
220:受光素子
230:集光レンズ
240:受光部容器
ADC1~ADCM:単位A/D変換器
L:レーザ光
10: Clock signal generation unit 20: Average processing unit 21: Simple average calculation unit 22: Deviation calculation unit 23: Weight calculation unit 24: Weighted
Claims (12)
複数の単位A/D変換器のサンプリングタイミングを等間隔に順次遅延させるタイムインターリーブ処理用クロック信号と、前記サンプリングタイミングを同一とする平均化処理用クロック信号と、の何れか一方を前記複数の単位A/D変換器に供給するクロック信号生成部と、
平均化処理時に、前記複数の単位A/D変換器の出力信号の平均値を算出する平均化処理部と、
前記平均値を基準として前記複数の単位A/D変換器の出力特性を補正して出力する補正部と、
タイムインターリーブ処理時には前記補正部の出力信号を選択して出力し、平均化処理時には前記平均化処理部の出力信号を選択して出力する出力部と、
を備えたことを特徴とするタイムインターリーブA/D変換器。 In a time-interleaved A / D converter that performs A / D conversion using a plurality of unit A / D converters connected in parallel.
Multiple units One of the time interleaving processing clock signal that sequentially delays the sampling timing of the A / D converter at equal intervals and the averaging processing clock signal that has the same sampling timing is the plurality of units. The clock signal generator supplied to the A / D converter,
An averaging processing unit that calculates the average value of the output signals of the plurality of unit A / D converters during the averaging process.
A correction unit that corrects and outputs the output characteristics of the plurality of unit A / D converters based on the average value, and a correction unit.
An output unit that selects and outputs the output signal of the correction unit during time interleaving processing and selects and outputs the output signal of the averaging processing unit during averaging processing.
A time interleaved A / D converter characterized by being equipped with.
前記平均化処理部は、
前記複数の単位A/D変換器の出力信号の単純平均値と、前記単純平均値に対する前記複数の単位A/D変換器の出力信号との偏差をそれぞれ算出し、前記偏差に基づいて設定した重みを用いて、前記複数の単位A/D変換器の出力信号の加重平均値を前記平均値として算出することを特徴としたタイムインターリーブA/D変換器。 In the time interleaved A / D converter according to claim 1,
The averaging processing unit is
Deviations between the simple average value of the output signals of the plurality of unit A / D converters and the output signals of the plurality of unit A / D converters with respect to the simple average value were calculated and set based on the deviations. A time interleaved A / D converter characterized in that a weighted average value of output signals of the plurality of unit A / D converters is calculated as the average value using weights.
前記補正部は、
前記平均値を教師信号として、LMS(Least Mean Square)アルゴリズムにより前記複数の単位A/D変換器の出力特性を補正することを特徴としたタイムインターリーブA/D変換器。 In the time interleaved A / D converter according to claim 1 or 2.
The correction unit
A time interleaved A / D converter characterized in that the output characteristics of the plurality of unit A / D converters are corrected by an LMS (Least Mean Square) algorithm using the mean value as a teacher signal.
前記出力特性が、前記複数の単位A/D変換器の変換ゲイン、オフセット、サンプリングタイミングを含み、
前記補正部は、全ての前記単位A/D変換器の出力が同等になるように前記出力特性の少なくとも一つを補正することを特徴としたタイムインターリーブA/D変換器。 In the time interleaved A / D converter according to any one of claims 1 to 3.
The output characteristic includes the conversion gain, offset, and sampling timing of the plurality of unit A / D converters.
The correction unit is a time interleaved A / D converter characterized in that at least one of the output characteristics is corrected so that the outputs of all the unit A / D converters are equal.
前記補正部は、
前記平均化処理時に前記複数の単位A/D変換器の出力特性を補正する補正係数を算出し、算出した前記補正係数を用いて前記タイムインターリーブ処理時に前記出力特性をそれぞれ補正することを特徴としたタイムインターリーブA/D変換器。 In the time interleaved A / D converter according to any one of claims 1 to 4.
The correction unit
It is characterized in that a correction coefficient for correcting the output characteristics of the plurality of unit A / D converters is calculated at the time of the averaging process, and the output characteristics are corrected at the time interleave processing using the calculated correction coefficient. Time interleaved A / D converter.
前記出力部は、前記タイムインターリーブ処理と前記平均化処理とを所定のタイミングで切り替えて前記補正部または前記平均化処理部の出力信号を選択可能であることを特徴としたタイムインターリーブA/D変換器。 In the time interleaved A / D converter according to claim 5.
The output unit is characterized in that the output signal of the correction unit or the averaging unit can be selected by switching between the time interleaving process and the averaging process at a predetermined timing. vessel.
測定対象ガスが存在する測定空間を介して伝播された前記レーザ光を受光する受光素子と、
前記受光素子の出力信号をタイムインターリーブA/D変換器によりディジタル信号に変換し、前記ディジタル信号に含まれるガス吸収信号から前記測定対象ガスの濃度を測定する信号処理回路と、
を備え、
前記タイムインターリーブA/D変換器は、
並列に接続されて前記受光素子の出力信号が入力される複数の単位A/D変換器と、
前記複数の単位A/D変換器のサンプリングタイミングを等間隔に順次遅延させるタイムインターリーブ処理用クロック信号と、前記サンプリングタイミングを同一とする平均化処理用クロック信号と、の何れか一方を複数の単位A/D変換器に供給するクロック信号生成部と、
平均化処理時に、前記複数の単位A/D変換器の出力信号の平均値を算出する平均化処理部と、
前記平均値を基準として前記複数の単位A/D変換器の出力特性を補正して出力する補正部と、
を備え、
タイムインターリーブ処理時には、前記補正部の出力信号を用いて前記測定対象ガスの濃度を測定することを特徴とするレーザ式ガス分析計。 A laser element that emits laser light and
A light receiving element that receives the laser beam propagated through the measurement space in which the gas to be measured exists, and a light receiving element.
A signal processing circuit that converts the output signal of the light receiving element into a digital signal by a time interleaved A / D converter and measures the concentration of the gas to be measured from the gas absorption signal contained in the digital signal.
Equipped with
The time interleaved A / D converter is
A plurality of unit A / D converters connected in parallel and to which the output signal of the light receiving element is input, and
A plurality of units A clock signal for time interleaving processing in which the sampling timings of the A / D converters are sequentially delayed at equal intervals and a clock signal for averaging processing in which the sampling timings are the same are used in a plurality of units. The clock signal generator supplied to the A / D converter,
An averaging processing unit that calculates the average value of the output signals of the plurality of unit A / D converters during the averaging process.
A correction unit that corrects and outputs the output characteristics of the plurality of unit A / D converters based on the average value, and a correction unit.
Equipped with
A laser gas analyzer characterized in that the concentration of the gas to be measured is measured by using the output signal of the correction unit at the time of time interleaving processing.
前記平均化処理部は、
前記複数の単位A/D変換器の出力信号の単純平均値と、前記単純平均値に対する前記複数の単位A/D変換器の出力信号との偏差をそれぞれ算出し、前記偏差に基づいて設定した重みを用いて、前記複数の単位A/D変換器の出力信号の加重平均値を前記平均値として算出することを特徴としたレーザ式ガス分析計。 In the laser gas analyzer according to claim 7,
The averaging processing unit is
Deviations between the simple average value of the output signals of the plurality of unit A / D converters and the output signals of the plurality of unit A / D converters with respect to the simple average value were calculated and set based on the deviations. A laser gas analyzer characterized in that a weighted average value of output signals of the plurality of unit A / D converters is calculated as the average value using weights.
前記補正部は、
前記平均値を教師信号として、LMS(Least Mean Square)アルゴリズムにより前記複数の単位A/D変換器の出力特性を補正することを特徴としたレーザ式ガス分析計。 In the laser gas analyzer according to claim 7 or 8.
The correction unit
A laser gas analyzer characterized in that the output characteristics of the plurality of unit A / D converters are corrected by an LMS (Least Mean Square) algorithm using the average value as a teacher signal.
前記出力特性が、前記複数の単位A/D変換器の変換ゲイン、オフセット、サンプリングタイミングを含み、
前記補正部は、全ての前記単位A/D変換器の出力が同等になるように前記出力特性の少なくとも一つを補正することを特徴としたレーザ式ガス分析計。 In the laser gas analyzer according to any one of claims 7 to 9, the laser gas analyzer.
The output characteristic includes the conversion gain, offset, and sampling timing of the plurality of unit A / D converters.
The correction unit is a laser gas analyzer characterized in that at least one of the output characteristics is corrected so that the outputs of all the unit A / D converters are equal.
前記補正部は、
前記平均化処理時に前記複数の単位A/D変換器の出力特性を補正する補正係数を算出し、算出した前記補正係数を用いて前記タイムインターリーブ処理時に前記出力特性をそれぞれ補正することを特徴としたレーザ式ガス分析計。 In the laser gas analyzer according to any one of claims 7 to 10.
The correction unit
It is characterized in that a correction coefficient for correcting the output characteristics of the plurality of unit A / D converters is calculated at the time of the averaging process, and the output characteristics are corrected at the time interleave processing using the calculated correction coefficient. Laser type gas analyzer.
前記タイムインターリーブ処理と前記平均化処理とを前記レーザ素子を制御するタイミングに合わせて切り替えることを特徴としたレーザ式ガス分析計。 In the laser gas analyzer according to any one of claims 7 to 11.
A laser gas analyzer characterized in that the time interleaving process and the averaging process are switched according to the timing of controlling the laser element.
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