JP5419810B2

JP5419810B2 - Ａｄ変換装置およびａｄ変換装置の調整方法

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Publication number: JP5419810B2
Application number: JP2010147949A
Authority: JP
Inventors: 祐一池田; 忠道白石; 修吾森本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2030-06-29
Also published as: JP2012015628A

Description

本発明は、ＡＤ変換装置とＡＤ変換装置の調整方法に関する。

アナログ電気信号をデジタル値に変換する機能をもつＡＤ変換装置において、使用する回路素子の特性ばらつきにより、同一入力信号に対して変換した出力値に個体差が生じるため、入出力変換特性の調整が必要となる。入出力変換特性の調整において基準信号のＡＤ変換値にノイズが含まれる場合は精度が低下する。このため、平均化処理によりノイズの影響を低減することが考えられる。

ＡＤ変換装置の精度を保証することを考えたとき、平均値の精度の評価、および平均化処理によってその影響を低減できない性質のノイズ（正規分布に従わないノイズ）についての検出が必要となる。正規分布に従わないノイズとして、ＡＣ電源のカップリングなどによって発生する周期性ノイズや、スイッチング電源から発生するスパイク状のノイズが考えられる。

不確かさを活用して平均値の精度を評価する方法が既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。移動体通信端末およびそのプログラムにおいて、算出された端末位置に許容範囲以上の誤差が生じる場合でも、端末ユーザに精度の高い位置情報を提供するため、収集した端末位置情報の不確かさが設定されたしきい値を超える場合には、収集した端末位置情報についてさらに平均値を計算する。平均回数が設定した測定回数を超えた場合にその平均値を端末位置としてユーザに知らせる方法である。

特許第３５７５４５１号公報

しかしながら上記従来の技術では、ＡＤ変換装置の入出力特性の調整における精度の保証、および平均化処理によってその影響を低減できない性質のノイズへの対処について問題があった。

例えば、特許文献１の方法では、正規分布に従うノイズ成分に対して平均化処理を行うことでその影響を低減することは出来るが、不確かさが閾値を超える場合ではある一定サンプル数での平均値を求めることとなり、精度を保証することにはならない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、入出力変換特性の調整における精度保証の確認を行いつつ入出力変換特性の調整に適したノイズ環境下での調整を可能とするＡＤ変換装置およびその調整方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、入力信号に対してＡＤ変換を実行してその結果である複数のＡＤ変換値をＡＤ変換値保存部へ格納するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換値保存部に格納された複数の前記ＡＤ変換値の平均値を計算して平均値保存部に格納する平均値演算部と、前記ＡＤ変換値保存部に格納された複数の前記ＡＤ変換値の分散を計算して分散保存部に格納する分散演算部と、前記平均値及び前記分散に基づいて前記ＡＤ変換値の不確かさを判定する不確かさ判定部と、前記ＡＤ変換値保存部に格納された複数の前記ＡＤ変換値に対して正規分布検定を行い、正規性の有無を判定する正規分布検定部と、前記不確かさ判定部において前記不確かさが所定の許容値より小さいと判定され、且つ前記正規分布検定部において前記正規性を有すると判定された場合に、前記平均値に基づいて前記ＡＤ変換器の入出力変換特性の調整を行う調整処理部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、基準信号のＡＤ変換値に含まれるノイズに対して、その影響を低減し、ＡＤ変換装置の精度が保証できることを確認した上で入出力変換特性の調整をすることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態にかかるＡＤ変換装置の構成を示すブロック図である。図２は、入出力変換特性の調整時におけるＡＤ変換装置と基準電源及び制御用ＰＣとの接続の様子を示す図である。図３は、通信制御回路部からＡＤ変換装置内の各ブロックへ送る信号の概要を示す図である。図４は、通信制御回路部からの処理条件設定に従って処理条件設定部が各ブロックへ提供するデータを示す図である。図５は、スパイクノイズ除去部の処理例を示す図である。図６は、周期性ノイズ検出部の処理例を示す図である。図７は、正規性の検定例を示す図である。図８は、不確かさ低減処理の例を示す図である。図９は、制御用ＰＣを用いたＡＤ変換装置の入出力変換特性の調整処理の制御例（メインルーチン）を示す図である。図１０は、制御用ＰＣを用いたＡＤ変換装置の入出力変換特性の調整処理の制御例（調整サブルーチン）を示す図である。図１１は、入出力変換特性の調整前後のＡＤ変換装置の出力値の例を示す図である。

以下に、本発明にかかるＡＤ変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施形態にかかるＡＤ変換装置１００の構成を示すブロック図である。ＡＤ変換装置１００は、ＡＤ変換器７に加え、メモリ、ＣＰＵ等を備え、それらがＡＤ変換器７以外のブロックの機能を実現するような構成でもかまわない。

図２は、入出力変換特性の調整時におけるＡＤ変換装置１００と外部機器である基準電源３０及び制御用ＰＣ４０との接続の様子を示す図である。基準電源３０は、ＡＤ変換装置１００の入出力変換特性の調整時に用いる。制御用ＰＣ４０は、通信端子３を介してＡＤ変換装置１００の入出力変換特性の調整の制御等を実施する。

ＡＤ変換装置１００の入力端子は複数設置することができ、図１の例では入力端子（チャンネル）が、入力端子１、２と二つある例を示している。図２に示すように、入出力変換特性の調整時には、例えば入力端子１には基準電源３０の出力が接続され、通常の使用時には信号源を接続する。入力端子１、２への印加信号は電圧もしくは電流であり、電圧は−１０〜１０Ｖ、電流は−２０〜２０ｍＡの範囲で使用する。制御用ＰＣ４０と通信端子３の間はＲＳ−２３２Ｃ通信規格に従って接続し、シリアル通信によって制御用ＰＣ４０とＡＤ変換装置１００の通信を行う。

図３は、通信制御回路部５からＡＤ変換装置１００内の各ブロックへ送る信号の概要を示す図である。ＡＤ変換装置１００の内部では、通信端子３からの制御信号は通信制御回路部５を経由して図３に示すように各ブロックへ電気信号として伝えられる。入力ＣＨ選択信号はＴＴＬレベルのデジタル信号であり、選択したチャンネルのみＨ状態、非選択のチャンネルはＬ状態とする。

ＡＤ変換開始指示信号および調整指示信号についても同様の信号形式とし、Ｌ状態からＨ状態への立ち上がりにおいて各動作を開始する。処理条件設定は処理条件設定部６のＥＥＰＲＯＭ（図示せず）に設定値を書き込むことで実現する。

入力回路部４はマルチプレクサと差動増幅器を備える（図示せず）。マルチプレクサは入力ＣＨ選択信号によって複数の入力端子のうち一つを選択してＡＤ変換の対象とする。差動増幅器はＡＤ変換対象となった印加信号をＡＤ変換器７に入力可能な範囲の電圧信号に変換する。

ＡＤ変換器７の電圧入力範囲が−５〜５Ｖであれば、電圧入力について差動増幅器の倍率を０．５倍として入力電圧−１０〜１０ＶをＡＤ変換装置１００の電圧入力範囲に変換する。電流については検流抵抗として２５０Ωを使用した場合に印加電流範囲−２０〜２０ｍＡにおいて差動増幅器に印加される検流抵抗の両端の電位差が−５〜５Ｖとなるので差動増幅器の倍率は１倍とする。

図４は、通信制御回路部５からの処理条件設定に従って処理条件設定部６が各ブロックへ提供するデータを示す図である。処理条件設定部６は通信制御回路部５からの処理条件設定に従って、図４に示す各ブロックの動作に必要な設定値をＥＥＰＲＯＭに記録する。各ブロックは必要に応じて設定値をＥＥＰＲＯＭから読み出して用いる。

初期化処理部８は通信制御回路部５からの初期化指示信号によって、図１のＡＤ変換値保存部９、平均値保存部１０、分散保存部１１、不確かさ判定結果保存部１２、正規性判定結果保存部１３、および周期性判定結果保存部１４の内容を初期化する。初期化は、ＡＤ変換値保存部９、平均値保存部１０、および分散保存部１１の各値については０、不確かさ判定結果保存部１２、正規性判定結果保存部１３、および周期性判定結果保存部１４の判定結果についてはＮＧとすることで実施する。

ＡＤ変換器７は通信制御回路部５のＡＤ変換開始指示信号によってＡＤ変換を行い、ＡＤ変換値保存部９にその結果を格納する。ＡＤ変換器７は、例えば１６ビットの分解能であり、サンプリング周波数は１０００Ｈｚ（１秒間に１０００サンプル取得可能）とする。ＡＤ変換値保存部９にはＳＲＡＭを使用し、１秒分（１０００サンプル）の各チャンネルのＡＤ変換値を格納可能とする。

ＡＤ変換器７は処理条件設定部６のウインドウサイズ設定値を取得し、一度のＡＤ変換開始指示信号に対してウインドウサイズ分のサンプル数をＡＤ変換し、その結果をＡＤ変換値保存部９に格納する。ＡＤ変換値保存部９に値が格納されるとスパイクノイズ除去部１５、周期性ノイズ検出部１６、正規分布検定部１７、平均値演算部１８、分散演算部１９はウインドウサイズ分のサンプルに対して処理を行う。ウインドウサイズには８から１０００までの値を設定可能である。ＡＤ変換値保存部９の内容はウインドウサイズ単位で上書き更新し、以前に保存されていたＡＤ変換値を参照することはしない。

スパイクノイズ除去部１５は処理条件設定部６のＥＥＰＲＯＭよりスパイク除去比率を取得し、ＡＤ変換値保存部９のＡＤ変換値データに対して、最大値・最小値から順にスパイク除去比率分のサンプルを除去する。

図５は、スパイクノイズ除去部１５の処理例を示す図である。図５に示すように、例えばウインドウサイズが５０であり、ＡＤ変換値保存部９に５０点のＡＤ変換値データが追加されたとき、スパイク除去比率分が８％であれば、最大値・最小値から順に２点ずつ、計４点のサンプルをノイズデータとして除去する。除去するサンプル数の合計が偶数にならない場合は余剰分を切り捨てる。

例えばスパイク除去比率が１０％であった場合は５０点のデータに対して５点を除去することとなるが、偶数とならないため１点切り捨て４点を除去することとする。スパイクノイズ除去部１５の処理後、ＡＤ変換値保存部９のデータは図６の黒点に示すように除去した分のサンプルが減少した状態となり、以降の処理はこのデータに対して実施する。図６は、この後説明する周期性ノイズ検出部１６の処理例を示す図であるが、同時にスパイクノイズ除去部１５によるスパイクノイズ除去後のデータを示す図にもなっている。

周期性ノイズ検出部１６は処理条件設定部６より移動平均サンプル数、許容振幅を取得し、スパイクノイズ除去処理後のＡＤ変換値保存部９に保存されたＡＤ変換値のデータより、設定した移動平均サンプル数の移動平均値を計算する。

移動平均値の振幅が許容振幅を超える場合は、周期性ノイズがあると判断し、周期性判定結果保存部１４の内容をＮＧとする。検出期間に移動平均値が許容振幅以下となって許容振幅を超えることがない場合は、周期性判定結果保存部１４の内容をＯＫとする。

ＡＤ変換値に周期性のノイズが含まれる場合は、断線などの異常や信号経路へのノイズ侵入に対する対策が不十分であることが考えられるので、入出力変換特性の調整環境の見直しが必要となる。

図６は５０ＨｚＡＣ電源のカップリングによるノイズが重畳している状況での周期性ノイズ検出部１６の処理例を示している。図６に示した移動平均線は、移動平均サンプル数を５点として描いた例である。移動平均の振幅は移動平均線の最大値と最小値の幅として計算する。サンプリング周波数１０００ＨｚのＡＤ変換器７においてウインドウサイズを５０点としたとき、周期性ノイズ検出部１６により検出可能なノイズの周波数範囲は２０Ｈｚ〜１２０Ｈｚであり、ＡＣ電源カップリングによるノイズの検出に対して必要十分なサンプリング周波数およびウインドウサイズとなる。

正規分布検定部１７はスパイクノイズ除去後のサンプルから正規性の検定を行う。ノイズを含むＡＤ変換値が正規分布に従わない場合には、この後説明する不確かさ判定部２０で判定する不確かさの信頼水準が低下する。そのため平均化処理によりノイズの影響を低減することが困難になる。

従って、正規性の判定を行い信頼水準が著しく低下した状態での調整を避ける必要がある。正規性の検定は図７に示すように横軸にＡＤ変換値、縦軸に正規分布推定値を取り、回帰直線を求めた時の、回帰直線からの誤差絶対値の最大値Ｍを計算した結果が、処理条件設定部６より取得した正規性判定値以下であれば正規性判定結果保存部１３の内容をＯＫとし、正規性判定値を超えればＮＧとする。

正規分布推定値ｙ_ｉは、以下に示す式（２）の通り、ＡＤ変換値ｘ_ｉを昇順にソートしたときの順位ｒ_ｉ(ＡＤ変換値の小さい方から１〜Ｎとする）から０．５を引いてサンプル数Ｎで割った値を、累積分布逆関数ＮｏｒｍＩｎｖに与えて得る。

ｘ_ｉ＝ｄａｔａ（ｒ_ｉ）・・・式（１）
ｙ_ｉ＝ＮｏｒｍＩｎｖ（（ｒ_ｉ−０．５）／Ｎ，μ，σ）・・・式（２）

ここで、式（１）のｄａｔａ関数はソートしたＡＤ変換値ｘ_ｉからｒ_ｉ番目の値を取得する関数である。また、式（２）の累積分布逆関数ＮｏｒｍＩｎｖの定義は、以下の式（３）に示す通りとする。

ｘ＝Ｆ^−１（ｐ｜μ，σ）＝｛ｘ：Ｆ（ｘ｜μ，σ）＝ｐ｝・・・式（３）

但し、式（３）におけるｐ＝Ｆ（ｘ｜μ，σ）は、以下の式（４）で示される。

上記の式（２）〜（４）において、μは正規累積分布関数の平均値、σは標準偏差、ｘは正規累積分布関数の値、ｐは確率、Ｎはサンプル数である。インデックスｒ_ｉは上述したように１〜Ｎまでの値である。図７はμ＝０，σ＝１として、ｉ＝１〜Ｎまでの(ｘ_ｉ,ｙ_ｉ)の値をプロットしている。

平均値演算部１８はスパイクノイズ除去後のサンプルから平均値を計算し平均値保存部１０に格納する。また、分散演算部１９は同様に分散を計算し分散保存部１１に格納する。平均値演算部１８、および分散演算部１９は以前の演算結果が平均値保存部１０および分散保存部１１に存在する場合は、それらの値を演算に反映し、初期化処理部８の初期化実行後に取得した全てのＡＤ変換値についての平均値および分散を求める。

ノイズを含むＡＤ変換値が正規分布に従う場合、平均値の精度は不確かさによって評価でき、ＡＤ変換値の標準偏差σとサンプル数Ｎよりσ／√Ｎとなる。この不確かさの信頼水準はサンプル数Ｎが十分大きい（Ｎ≧２０）場合に約６８％であり、ＡＤ変換値の約６８％が不確かさの範囲に含まれることを意味する。より高い信頼水準で示すには包含係数ｋを用いて拡張不確かさｋ（σ／√Ｎ）として表現する。包含係数ｋの値としては、例えば、信頼水準が約９５％となるｋ＝２を用いる。

不確かさ判定部２０は処理条件設定部６より包含係数ｋと不確かさの許容値Ｕaを取得し、分散Ｖ（＝σ^２）とＡＤ変換値のサンプル数Ｎから不確かさＵを以下の式（５）に従って求め、Ｕ＜Ｕaであれば、不確かさ判定結果保存部１２の内容をＯＫとし、そうでなければＮＧとする。

動作状態出力部２１は不確かさ判定結果保存部１２、正規性判定結果保存部１３、周期性判定結果保存部１４の内容について通信制御回路部５を経由して外部機器に伝える。またＡＤ変換装置１００の動作状態表示ＬＥＤ２２に各判定結果保存部の内容をＬＥＤの点灯として表示する。

動作状態表示ＬＥＤ２２は、例えば、不確かさ判定結果保存部１２、正規性判定結果保存部１３、周期性判定結果保存部１４の各内容に対応する３つのＬＥＤと、電源状態を表示する１つのＬＥＤ、実行状態を表示する１つのＬＥＤ、エラー状態を表示する１つのＬＥＤをそれぞれ備える。各判定結果保存部１２〜１４に対応するＬＥＤは点灯状態が判定結果ＯＫ、非点灯状態が判定結果ＮＧとする。

ＡＤ変換装置１００の入出力変換特性の調整は、例えば図２に示したように外部機器として通信端子３に接続した制御用ＰＣ４０により実行される。制御用ＰＣ４０による調整処理の制御の手順およびそれに伴うＡＤ変換装置１００との通信の様子の例を、図９（メインルーチン）および図１０（調整サブルーチン）に示す。

まず、図９のステップＳ１に示すように処理条件設定を行う。即ち、制御用ＰＣ４０が、図３に示したように、ＡＤ変換装置１００内の通信制御回路部５を介してウインドウサイズ、スパイク除去比率、不確かさ判定値、包含係数、移動平均サンプル数、許容振幅、正規性判定値等の処理条件設定を処理条件設定部６に書き込む。図９の例では、ウインドウサイズ＝５０、スパイク除去比率＝８％、不確かさ判定値＝０．４ｍＶ、包含係数ｋ＝２．０、移動平均サンプル数＝５、許容振幅＝０．４ｍＶ、正規性判定値＝１．０としている。

そして、入出力変換特性の調整を各チャンネル１、２について行う（ステップＳ２）。まず、入力ＣＨ選択が実行される（ステップＳ２１）。これは、制御用ＰＣ４０から、図３に示したように、ＡＤ変換装置１００内の通信制御回路部５を介して入力ＣＨ選択信号が入力回路部４に入力されることにより行われる。

そして、基準電源３０の接続を切替えて入力ＣＨに接続する（ステップＳ２２）。次に初期化を行う。これは、制御用ＰＣ４０から、図３に示したようにＡＤ変換装置１００内の通信制御回路部５を介した初期化指示信号が初期化処理部８に送られて実行される。初期化処理部８は通信制御回路部５からの初期化指示信号によって、ＡＤ変換装置１００内のＡＤ変換値保存部９、平均値保存部１０、分散保存部１１、各判定結果保存部１２〜１４の内容を初期値に戻す（ステップＳ２３）。

そして、基準信号の出力値設定としてオフセット電圧（０Ｖ）に設定し（ステップＳ２４）、調整サブルーチン（ステップＳ２５）を呼び出す。調整サブルーチン（ステップＳ２５）の詳細は、図１０に示す。調整サブルーチン（ステップＳ２５）がエラーなく終了した場合は、図９の処理を継続し、オフセット値調整を実行する（ステップＳ２６）。オフセット値調整は、制御用ＰＣ４０から図３に示したようにＡＤ変換装置１００内の通信制御回路部５を介して調整処理部２３に調整指示信号としてオフセット調整指示信号を送信することで行う。

さらに、基準信号の出力値設定としてゲイン電圧（１０Ｖ）に設置し（ステップＳ２７）、今度はゲイン値の設定について同様の処理を行う（ステップＳ２８、Ｓ２９）。このオフセット値およびゲイン値の調整作業を各チャンネルについて繰り返す（ステップＳ２）。

上記調整サブルーチン（ステップＳ２５、Ｓ２８）においては、図１０に示すように不確かさ低減処理として最大２０回（ｊ＝１〜２０）の繰り返し処理を行う（ステップＳ３０）。

繰り返しのループ（ステップＳ３０１〜Ｓ３０９）内では、まずＡＤ変換開始指示を行う（ステップＳ３０１）。これは、制御用ＰＣ４０から図３に示したようにＡＤ変換装置１００内の通信制御回路部５を介してＡＤ変換開始指示信号がＡＤ変換器７に送られて実行される。

ＡＤ変換開始指示信号を受信したＡＤ変換器７は基準信号のＡＤ変換値をウインドウサイズ分取得してＡＤ変換値保存部９に格納する。そして、ＡＤ変換装置１００は、不確かさ判定部２０、正規分布検定部１７、周期性ノイズ検出部１６、平均値演算部１８、分散演算部１９の各処理を実行し、各判定結果保存部１２〜１４と平均値保存部１０、分散保存部１１の内容を更新する。

その後、制御用ＰＣ４０は、ＡＤ変換装置１００の動作状態出力部２１より、不確かさ判定結果（＝Ｕ）、正規性判定結果（＝Ｎ）、周期性判定結果（＝Ｃ）を含んだ動作状態を取得する（ステップＳ３０２）。そして、ステップＳ３０３でこれらの結果を確認する。即ち、これら３つの結果を判定して（ステップＳ３０３）、判定結果が全てＯＫ（ステップＳ３０３,ＹＥＳ）であれば不確かさ低減処理のループを抜けて（ステップＳ３０４）調整サブルーチンの呼び出し元（図９）に戻る。それ以外の場合（ステップＳ３０３,ＮＯ）はステップＳ３０５に進む。

正規性判定（ステップＳ３０５）の結果がＮＧ（ステップＳ３０５,ＹＥＳ）であれば、「正規性判定結果ＮＧ」（ステップＳ３０６）としてエラー処理を行い、調整を中断してユーザにエラー発生を通知する。そうでない場合（ステップＳ３０５,ＮＯ）はステップＳ３０７に進む。周期性判定（ステップＳ３０７）の結果がＮＧ（ステップＳ３０７,ＹＥＳ）であれば、「周期性判定結果ＮＧ」（ステップＳ３０８）としてエラー処理を行い、調整を中断してユーザにエラー発生を通知する。そうでない場合（ステップＳ３０７,ＮＯ）はステップＳ３０９に進む。

ステップＳ３０９に進んだ場合は、３つの判定結果のうち、不確かさ判定結果のみがＮＧである場合なので、不確かさ低減処理ループ（ステップＳ３０）をループ回数ｊが２０になる（ステップＳ３０９,ＹＥＳ）まで繰り返す。ループの回数ｊが２０回になった場合（ステップＳ３０９,ＹＥＳ）は「不確かさ判定結果ＮＧ」（ステップＳ３１０）としてエラー処理を行い、調整を中断してユーザにエラー発生を通知する。

図８に、平均値の不確かさ低減処理の例を示す。図９の処理条件設定に示したように、ウインドウサイズ＝５０、不確かさ判定値＝０．４ｍＶの場合の例である。不確かさ低減処理ループ（ステップＳ３０）のループの回数ｊが増えるに従いサンプル数が増えて不確かさが低減して行き、不確かさ判定値より不確かさが小さくなって行く様子が示されている。

ＡＤ変換値出力部２４は、図１１に示すように調整値保存部２５のオフセット値およびゲイン値として調整時に取得した調整前の点を調整後の点に置き換えるよう、平均値保存部１０より取得したデジタル値を変換し、ＡＤ変換装置１００の出力値とする。

具体的な入出力変換特性の調整は以下の手順で行う。即ち、アナログ入力値ｘ、デジタル出力値ｙにおける変換関数ｙ＝Ａｘ＋Ｂのゲイン値Ａおよびオフセット値Ｂを、２点の基準信号における調整前のＡＤ変換値から、調整後にそれらが所望の値となるように算出する。算出したゲイン値Ａおよびオフセット値ＢはＡＤ変換装置１００内の例えば調整値保存部２５などに設けられた不揮発性メモリに保存する。調整後は入力信号ｘのデジタル出力値ｙを上記変換関数に従って得ることができるので、回路素子の特性ばらつきによる個体差を補正することが可能となる。

入出力変換特性の調整において基準信号のＡＤ変換値にノイズが含まれる場合は精度が低下するため、通常は平均化処理を行い平均値からゲイン値Ａおよびオフセット値Ｂを算出することでノイズの影響を低減する。従来この方法によると、ＡＤ変換装置の精度の保証をすることおよび平均化処理によってその影響を低減できない性質のノイズへの対処が不可能であった。

一般に、測定値の不確かさを計算する場合、測定値のばらつき、周囲環境変動による影響、分解能の影響、校正の不確かさ、経時変化等を評価し算出しなければならない。上記したように、本実施の形態においてはこれらの要因を配慮した上で、ＡＤ変換値の正規分布を検定する手段、および適切に不確かさを演算する手段を内部に設け、当該手段に基づいてＡＤ変換装置の入出力変換特性の調整を実現する。

これにより、ＡＤ変換器や調整系の不具合を検出することが可能となった。また、不確かさの許容値を設定し、不確かさが許容値より小さくなるまで平均回数を増加させて不確かさを減少さる。不確かさが許容値以下になった後に、平均値に基づいてゲイン値およびオフセット値の調整を行うことで、ゲイン値およびオフセット値の精度、すなわち、入出力変換特性の調整の精度を保証することができる。

また、上記実施の形態においては、図１、図９及び図１０に示したように、スパイクノイズ及び周期性ノイズが共に発生している場合についてのＡＤ変換装置１００の構成及び入出力変換特性の調整の手順を説明したが、スパイクノイズ及び周期性ノイズが発生しない、或いは無視しても構わない環境である場合は、以下のような変形例も考えられる。

（変形例１：スパイクノイズ及び周期性ノイズ共に無視できる場合）
ＡＤ変換装置１００の構成を、図１から、スパイクノイズ除去部１５、周期性ノイズ検出部１６、及び周期性判定結果保存部１４を除いた構成とする。従って、上記実施の形態におけるＡＤ変換値保存部９のＡＤ変換値データに対するスパイクノイズ除去、および周期性ノイズの検出は行わない。さらに、図９のステップＳ１の処理条件設定で、スパイク除去比率、移動平均サンプル数、及び許容振幅は設定しない。図１０のステップＳ３０７およびＳ３０８は取り除き、図１０のステップＳ３０３では、不確かさ判定結果（＝Ｕ）と正規性判定結果（＝Ｎ）が共にＯＫ（ステップＳ３０３,ＹＥＳ）であれば不確かさ低減処理のループを抜けて（ステップＳ３０４）調整サブルーチンの呼び出し元（図９）に戻る。

（変形例２：スパイクノイズが無視できる場合）
ＡＤ変換装置１００の構成を、図１から、スパイクノイズ除去部１５を除いた構成とする。従って、上記実施の形態におけるＡＤ変換値保存部９のＡＤ変換値データに対するスパイクノイズ除去は行わない。図９のステップＳ１の処理条件設定で、スパイク除去比率は設定しない。

（変形例３：周期性ノイズが無視できる場合）
ＡＤ変換装置１００の構成を、図１から、周期性ノイズ検出部１６、及び周期性判定結果保存部１４を除いた構成とする。従って、上記実施の形態におけるＡＤ変換値保存部９のＡＤ変換値データに対する周期性ノイズの検出は行わない。図９のステップＳ１の処理条件設定で、移動平均サンプル数及び許容振幅は設定しない。図１０のステップＳ３０７およびＳ３０８は取り除き、図１０のステップＳ３０３では、不確かさ判定結果（＝Ｕ）と正規性判定結果（＝Ｎ）が共にＯＫ（ステップＳ３０３,ＹＥＳ）であれば不確かさ低減処理のループを抜けて（ステップＳ３０４）調整サブルーチンの呼び出し元（図９）に戻る。

上記、変形例１〜３においても、正規分布検定手段によりＡＤ変換値が正規分布に従っているかどうかを検定することで、ＡＤ変換器や調整系に不具合が無いことを確認し、演算手段により取得したＡＤ変換値の平均値、平均回数、標準偏差より不確かさを算出するところは同様であり。算出した不確かさが予め設定した不確かさの許容値より小さくなるまで測定を繰り返し、不確かさが許容値以下となった場合にその平均値に基づきゲイン値及びオフセット値を設定する。

これにより、ゲイン値及びオフセット値の調整精度が不確かさの許容値内であることを保証することが可能となる。従って、ＡＤ変換器の入出力変換特性の調整の精度を不確かさに基づいて保証することができる。またＡＤ変換値の正規分布検定によりＡＤ変換器や調整系の不具合を検出することも可能となる。

以上説明したように、本実施の形態においては、ＡＤ変換装置の精度を保証するため、入出力変換特性の調整値をＡＤ変換値の平均化処理によって取得しその精度評価を不確かさに基づいて行い確認する。さらに、平均化処理によってその影響を低減できない性質のノイズ（例えば、正規分布に従わないノイズおよび周期性ノイズ）を検出しユーザに通知する手段を設けることで調整に適さないノイズ環境下での調整を防止することが可能となる。

具体的には、不確かさ判定部、正規分布検定部、周期性ノイズ検出部をＡＤ変換装置に備え、外部装置からそれらの判定結果を取得可能とすることで、不確かさ判定部によりＡＤ変換装置の精度を確認することができる。また、ＡＤ変換値に含まれるノイズが、正規分布に従わない場合は正規分布検定部で、周期性ノイズが含まれる場合は周期性ノイズ検出部で検出する。この検出結果を、外部機器を通して動作状態として使用者へ通知することにより、使用者は入出力変換特性の調整に適さないノイズ環境下であることを認識し、調整環境の見直しを行うことができる。

外部機器は、ＡＤ変換装置の入出力変換特性の調整時に、ＡＤ変換実行後の不確かさ判定結果が条件を満たさない（ＮＧ）ことを確認した場合は、再度ＡＤ変換を実行してＡＤ変換値保存部のサンプルを追加し、不確かさ判定結果が条件を満たす（ＯＫ）まで処理を繰り返すことができる。これにより、印加信号のＡＤ変換値に含まれる正規分布に従うノイズ成分を低減し、さらにＡＤ変換装置の精度が保たれることを確認した上で入出力変換特性の調整をすることが可能となる。

また、調整する際の条件として、不確かさの信頼水準が低下していないことを正規分布検定部によってＡＤ変換値の正規性を検定することで確認し、周期性ノイズが存在しないことを周期性ノイズ検出部によって確認することができる。これら正規分布検定部、周期性ノイズ検出部の判定結果を外部機器から取得することができ、入出力変換特性の調整を実施しているユーザに対してＡＤ変換装置の精度が保証できない状態であることを通知することが可能となる。これにより調整を実施している環境（計測器、配線及び電源等）の見直しをユーザに対して促すことができる。

即ち、ＡＤ変換器のゲイン調整等の入出力変換特性の調整においては、一般に、基準信号源とＡＤ変換器間の配線にノイズが侵入するなどして基準信号のＡＤ変換値にノイズが含まれるような非理想的な条件となる場合が生ずる。そのような場合において、当該ノイズの影響を低減し、ＡＤ変換装置の調整精度が保証できることを確認した上で入出力変換特性の調整をすることができる。

さらに、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。

例えば、実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

以上のように、本発明にかかるＡＤ変換装置およびＡＤ変換装置の調整方法は、平均化処理によってその影響を低減できない性質のノイズ、例えば、正規分布に従わないノイズがある場合におけるＡＤ変換装置の調整に有用であり、特に、ＡＣ電源のカップリングなどによって発生する周期性ノイズや、スイッチング電源から発生するスパイク状のノイズが発生する環境下でのＡＤ変換装置の調整に適している。

１、２入力端子（チャンネル）
３通信端子
４入力回路部
５通信制御回路部
６処理条件設定部
７ＡＤ変換器
８初期化処理部
９ＡＤ変換値保存部
１０平均値保存部
１１分散保存部
１２不確かさ判定結果保存部
１３正規性判定結果保存部
１４周期性判定結果保存部
１５スパイクノイズ除去部
１６周期性ノイズ検出部
１７正規分布検定部
１８平均値演算部
１９分散演算部
２０不確かさ判定部
２１動作状態出力部
２２動作状態表示ＬＥＤ
２３調整処理部
２４ＡＤ変換値出力部
２５調整値保存部
３０基準電源
４０制御用ＰＣ
１００ＡＤ変換装置
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ２１〜Ｓ３０、Ｓ３０１〜Ｓ３１０ステップ

Claims

入力信号に対してＡＤ変換を実行してその結果である複数のＡＤ変換値をＡＤ変換値保存部へ格納するＡＤ変換器と、
前記ＡＤ変換値保存部に格納された複数の前記ＡＤ変換値の平均値を計算して平均値保存部に格納する平均値演算部と、
前記ＡＤ変換値保存部に格納された複数の前記ＡＤ変換値の分散を計算して分散保存部に格納する分散演算部と、
前記平均値及び前記分散に基づいて前記ＡＤ変換値の不確かさを判定する不確かさ判定部と、
前記ＡＤ変換値保存部に格納された複数の前記ＡＤ変換値に対して正規分布検定を行い、正規性の有無を判定する正規分布検定部と、
前記不確かさ判定部において前記不確かさが所定の許容値より小さいと判定され、且つ前記正規分布検定部において前記正規性を有すると判定された場合に、前記平均値に基づいて前記ＡＤ変換器の入出力変換特性の調整を行う調整処理部と、
を備えることを特徴としたＡＤ変換装置。
前記ＡＤ変換値保存部に格納された複数のＡＤ変換値の中から、最大値となる前記ＡＤ変換値から大きい順に及び最小値となる前記ＡＤ変換値から小さい順に、合せて所定の割合の数の前記ＡＤ変換値をノイズデータとして除去するノイズ除去部をさらに備え、
前記ノイズデータの除去後に、前記平均値の計算、前記分散の計算、及び前記正規分布検定を行う
ことを特徴とした請求項１に記載のＡＤ変換装置。
前記ＡＤ変換値保存部に格納された複数の前記ＡＤ変換値から周期性ノイズの有無を検出する周期性ノイズ検出部をさらに備え、
前記調整処理部は、前記不確かさ判定部において前記不確かさが所定の許容値より小さいと判定され、且つ前記正規分布検定部において前記正規性が有ると判定され、且つ前記周期性ノイズ検出部において前記周期性ノイズが有ると判定された場合に、前記平均値に基づいて前記ＡＤ変換器の入出力変換特性の調整を行う
ことを特徴とした請求項１に記載のＡＤ変換装置。
前記ＡＤ変換値保存部に格納された複数のＡＤ変換値の中から、最大値となる前記ＡＤ変換値から大きい順に及び最小値となる前記ＡＤ変換値から小さい順に、合せて所定の割合の数の前記ＡＤ変換値をノイズデータとして除去するノイズ除去部をさらに備え、
前記ノイズデータの除去後に、前記平均値の計算、前記分散の計算、前記正規分布検定、及び前記周期性ノイズの有無の検出を行う
ことを特徴とした請求項３に記載のＡＤ変換装置。
前記正規分布検定部は、前記ＡＤ変換値保存部に格納された複数の前記ＡＤ変換値とそれらに対応して求めた複数の正規分布推定値とから回帰直線を求め、複数の前記正規分布推定値の前記回帰直線との誤差に基づいて、前記正規性の有無を判定する
ことを特徴とした請求項１〜４のいずれか１つに記載のＡＤ変換装置。
前記周期性ノイズ検出部は、前記ＡＤ変換値保存部に格納された複数の前記ＡＤ変換値から移動平均値を求め、前記移動平均値に基づいて、前記周期性ノイズの有無を検出する
ことを特徴とした請求項３または４に記載のＡＤ変換装置。
前記調整処理部は、前記入出力変換特性のオフセット値とゲイン値を調整することにより前記調整を行う
ことを特徴とした請求項１〜６のいずれか１つに記載のＡＤ変換装置。
前記入力信号を入力する入力端子を複数備え、
前記入力端子毎に前記調整を行う
ことを特徴とした請求項７に記載のＡＤ変換装置。
入力信号に対してＡＤ変換を実行してその結果である複数のＡＤ変換値を保持するステップと、
複数の前記ＡＤ変換値の平均値を計算するステップと、
複数の前記ＡＤ変換値の分散を計算するステップと、
前記平均値及び前記分散に基づいて前記ＡＤ変換値の不確かさを判定するステップと、
複数の前記ＡＤ変換値に対して正規分布検定を行い、正規性の有無を判定するステップと、
前記不確かさを判定するステップにおいて前記不確かさが所定の許容値より小さいと判定され、且つ前記正規性の有無を判定するステップにおいて前記正規性を有すると判定された場合に、前記平均値に基づいて前記ＡＤ変換の入出力変換特性の調整を行うステップと、
を備えることを特徴としたＡＤ変換装置の調整方法。