JP5465965B2 - データ処理装置及びデータ処理システム - Google Patents
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Description
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面中の参照符号はそれが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。
実施の形態について更に詳述する。
図1には本発明の一例に係るマイクロコンピュータが示される。同図に示されるマイクロコンピュータ(MCU)1はAD変換システムを構成する。マイクロコンピュータ1は、特に制限されないが、相補型MOS集積回路製造技術などにより単結晶シリコンなどの1個の半導体基板に形成される。このマイクロコンピュータ1は、制御回路としてプログラムを実行する中央処理装置(CPU)2、電気的に書き換え可能にプログラムやデータを格納するフラッシュメモリなどの不揮発性メモリ(FLASH)9、CPU2のワーク領域などに利用されるRAM8、アナログ信号をディジタル信号に変換するAD変換回路(ADC)3、ディジタル信号をアナログ信号に変換するDA変換回路(DAC)4、ディジタル入出力ポート12、アナログ入力ポート11、及びタイマカウンタやシリアルインタフェースなどのその他の周辺回路モジュール(PRPH)10を備える。このマイクロコンピュータ1は更に、被測定電圧を増幅してAD変換することにより変換ビット精度を可変可能にするために、増幅回路としてゲイン設定が可変可能なプログラマブル・ゲイン・アンプ(PGA)5、セレクタ(SW1)6及びセレクタ(SWS2)7を備え、AD変換に際してそれらと共に前記ADC3及びDAC4を用いてCPU2が変換動作をプログラム制御するようになっている。以下、変換ビット精度を可変可能とするAD変換機能について詳述する。
上記第1の例では、プログラマブル・ゲイン・アンプ(PGA)5を用い、キャリブレーション処理において前記オフセットを計測するときはPGA5のゲインを1とし、実測ゲインを得るときはPGA5を所望の目的ゲインに設定し、また、ビット精度を高くしたAD変換処理ではPGA5の増幅出力に対するAD変換結果から前記オフセットを減算し、減算結果に、実測ゲイン(Gm)に対する期待ゲイン(Ge)の比率(r=Ge/Gm)を乗算してゲインの誤差を相殺し、誤差を相殺した結果に対してゲイン倍に相当するビットシフトを行ってビット精度を高くする、という手法を採用した。
“G=(y4−y3)/(y2−y1)”
により、オフセットOを、
“O=y2−y4/G”、又は“y1−y3/G”
により求めることができる。ここで求めたゲインGとオフセットOを使って、増幅回路5Aを介して系で測定したAD変換データZに対して、
“z=Z/G−0”
の演算を行うことによって、増幅回路の誤差が相殺され且つビット精度が高くされたデータzは、増幅回路5Aのない系のAD変換データと連続性が確保されたデータになる。
上記第1及び第2の例では、増幅回路がない系を用いたAD変換と増幅回路による増幅を行う系を用いるAD変換動作のいずれを用いるかを予め決定した上で変換動作を切換えることを想定した。例えば図6のステップS21において増幅回路による増幅を行う系を用いるか否かを判別して選択した。第3の例では増幅を行わない系を用いたAD変換動作の結果が所定範囲外になった否かを判別して増幅を行う系を用いたAD変換動作と増幅を行わない系を用いたAD変換動作とを切換えるようにした制御形態(マルチサンプリング制御形態)について説明する。
“y2=y4/G−O”
という関係があるので、新たに採ったデータDにたいして、アンプのある系(CH2)で採ったデータDA12を演算して求めた12bitの最終変換値D12と、アンプのない系(CH1)でとったデータD10、D12−D10=d(dは12bitの下位側2bitの値)との間には、
“D10+d=DA12/G−O”、
即ち、“d=DA12/G−O−D10”
という関係がある。一般的に、桁数の多い割り算には処理時間がかかるので、
“Gd=DA12−OG−GD10”
を求めることにより、12bitの下位2bitのゲイン倍の小さな値Gdを得ることができる。これをGで割ることによりdが求められるので、これにD10に足せば、確実に連続性のあるデータを高速に演算することができる。乗算は割り算に比べて演算処理時間が短いことによる。
マルチサンプリング制御形態の別の例を説明する。第3の例では交互サンプリングとしたが、ここでは同時サンプリングを行う場合について説明する。
図18には図10のサーボシステムに適用した第3の例を改良した第5の例が示される。例えば図10のPI制御回路22は比例若しくは比率演算において乗算を行うことが想定される。また、図示はしないが、電子計量システムなどのように計測値を重量などに変換して表示するシステムでは、後から計測値に乗算を行う。そこで、図10のシステムでは演算回路20で1/Nの演算を行っているが、PI制御回路22のようにその後段で乗算を行うシステムの場合には、後段回路の乗算係数をアンプ5DのゲインNぶんだけ小さくしておけば、演算回路20にける1/Nの除算を省略でき、その分だけ、演算処理時間を短縮することができる。図18では、AD変換チャネルCH2を介して測定されたAD変換データに対して“測定値/G−O”の演算を行ってゲインの誤差とオフセットが相殺されたデータ(CH2Data)に対して1/Nの演算を行わない。その後段のPI制御回路に代表されるような比例制御回路30に、比例係数Kを乗算する回路30Aと比例係数K/Nを乗算する回路30Bとを設け、その出力をセレクタ30Cで選択してDA変換回路4に出力可能にされる。CPU2は、AD変換チャネルCH2を用いたAD変換結果を用いる場合にはセレクタ30Cで回路30Bの出力を選択させる。
以上の例は、AD変換システムにおいて増幅率が1よりも大きな増幅回路のゲインとオフセットを校正してビット精度の異なるAD変換データの連続性を保証するものである。本発明に係るAD変換システムではその用途に応じて増幅率が1よりも大きな増幅回路に代えて増幅率が1よりも小さな増幅回路即ち減衰器(アッテネータ)を用いることも可能である。第6の例ではAD変換チャネルに減衰器を持つAD変換システムについて説明する。
2 中央処理装置(CPU)
3 AD変換回路(ADC)
CH1、CH2 AD変換チャネル
4 DA変換回路(DAC)
5 プログラマブル・ゲイン・アンプ(PGA)
5A〜5D 増幅回路
6 セレクタ(SW1)
7、7A セレクタ(SWS2)
SC1,SC2 サンプリング容量
BUF1,BUF2 バッファ
8 RAM
9 不揮発性メモリ(FLASH)
11 アナログ入力ポート
12 ディジタル入出力ポート
20 演算回路
30 比例制御回路
R1,R2 分圧抵抗
40 減衰器
Claims (26)
- DA変換回路、増幅回路、AD変換回路及び制御回路を有し、
前記制御回路は期待ゲインを2n(nは正の整数)とする前記増幅回路のキャリブレーション処理及びビット精度可変のAD変換処理を制御し、
前記キャリブレーション処理は、前記DA変換回路から出力した第1及び第2アナログ信号を前記増幅回路でそれぞれ増幅して前記AD変換回路でそれぞれ変換して得られる第1及び第2データと、前記第1及び第2アナログ信号を前記増幅回路で増幅せずに前記AD変換回路でそれぞれ変換して得られる第3及び第4データとに基づいて、前記第2データと前記第1データの差と前記第4データと前記第3データの差との比を、前記増幅回路のゲインとして演算する処理であり、
前記ビット精度可変のAD変換処理は、ビット精度を高くすべき被計測アナログ信号に対して前記増幅回路で増幅した信号をAD変換回路で変換し、変換結果に、前記演算で得られたゲインに対する前記期待ゲインの比率を乗算してゲインの誤差を相殺し、誤差が相殺されたデータに基づいて、異なるビット精度のデータ間の連続性を保証するようにビット拡張された変換データを取得する処理である、データ処理装置。 - 前記ビット精度可変のAD変換処理は、ビット精度を高くすべき被計測アナログ信号に対して前記増幅回路で増幅した信号をAD変換回路で変換し、変換結果に、前記演算で得られたゲインに対する前記期待ゲインの比率を乗算してゲインの誤差を相殺し、異なるビット精度のデータ間の連続性を保証するように、前記誤差が相殺されたデータをビット拡張する処理である、請求項1記載のデータ処理装置。
- 前記ビット拡張する処理における拡張ビット数はnビットである、請求項2記載のデータ処理装置。
- DA変換回路、増幅回路、AD変換回路及び制御回路を有し、
前記制御回路は期待ゲインを2n(nは正の整数)とする前記増幅回路のキャリブレーション処理及びビット精度可変のAD変換処理を制御し、
前記キャリブレーション処理は、前記DA変換回路から出力した第1及び第2アナログ信号を前記増幅回路でそれぞれ増幅して前記AD変換回路でそれぞれ変換して得られる第1及び第2データと、前記第1及び第2アナログ信号を前記増幅回路で増幅せずに前記AD変換回路でそれぞれ変換して得られる第3及び第4データとに基づいて、前記第2データと前記第1データの差と前記第4データと前記第3データの差との比を前記増幅回路のゲインとし、前記第3データから前記第1データを前記演算で得られたゲインで除した値を引いた値、又は、前記第4データから前記第2データを前記演算で得られたゲインで除した値を引いた値を前記増幅回路のオフセットとして、それぞれ演算する処理であり、
前記ビット精度可変のAD変換処理は、ビット精度を高くすべき被計測アナログ信号に対して前記増幅回路で増幅した信号をAD変換回路で変換し、変換結果から前記オフセットを減算し、減算結果に、前記演算で得られたゲインに対する前記期待ゲインの比率を乗算してゲインの誤差を相殺し、誤差が相殺されたデータに基づいて、異なるビット精度のデータ間の連続性を保証するようにビット拡張された変換データを取得する処理である、データ処理装置。 - 前記ビット精度可変のAD変換処理は、ビット精度を高くすべき被計測アナログ信号に対して前記増幅回路で増幅した信号をAD変換回路で変換し、変換結果から前記オフセットを減算し、減算結果に、前記演算で得られたゲインに対する前記期待ゲインの比率を乗算してゲインの誤差を相殺し、異なるビット精度のデータ間の連続性を保証するように、前記誤差が相殺されたデータをビット拡張する処理である、請求項4記載のデータ処理装置。
- 前記ビット拡張する処理における拡張ビット数はnビットである、請求項5記載のデータ処理装置。
- 前記ビット拡張する処理は、ビット精度を高くすべき範囲が0を基点とする範囲のとき、前記相殺したデータの最上位側をnビット増やすようにビット拡張する処理である、請求項3又は6記載のデータ処理装置。
- 前記ビット拡張する処理は、ビット精度を高くすべき範囲が変換レンジの途中を基点とする範囲のとき、前記基点のデータをnビット左シフトして得られるデータに、前記基点のデータに対する前記相殺されたデータの差分を加算する処理である、請求項3又は6記載のデータ処理装置。
- 前記増幅回路は前記制御回路によってゲインが可変にされるプログラマブル・ゲイン・アンプである、請求項1又は4記載のデータ処理装置。
- 1個の半導体基板に形成されている、請求項1又は4記載のデータ処理装置。
- 前記制御回路はプログラムを実行することによって制御動作を行うCPUである、請求項10記載のデータ処理装置。
- 前記キャリブレーション処理による測定結果を前記CPUの制御によって格納する書換え可能な不揮発性メモリを更に有する、請求項11記載のデータ処理装置。
- 前記計測対象とするアナログ信号を外部から入力するアナログ入力ポートを更に有する、請求項12記載のデータ処理装置。
- 前記制御回路は更に、前記増幅回路を用いないビット精度一定のAD変換処理と、前記増幅回路を用いるビット精度一定のAD変換処理とを更に制御する、請求項1又は4記載のデータ処理装置。
- DA変換回路、増幅回路、AD変換回路及び制御回路を有するデータ処理システムであって、
前記制御回路は前記増幅回路のキャリブレーション処理とAD変換処理を制御し、
前記制御回路は、前記キャリブレーション処理において、前記DA変換回路から出力した第1及び第2アナログ信号を前記増幅回路にそれぞれ増幅させ前記AD変換回路でそれぞれ変換して得られる第1及び第2データと、前記第1及び第2アナログ信号を前記増幅回路で増幅せずに前記AD変換回路でそれぞれ変換して得られる第3及び第4データとに基づいて、前記第2データと前記第1データの差と前記第4データと前記第3データの差との比を、前記増幅回路のゲインとして演算し、
前記制御回路は、前記AD変換処理において、所定の被計測アナログ信号に対して前記増幅回路で増幅された信号をAD変換回路で変換し、変換結果を、前記演算されたゲイン分の一の大きさにすることによって変換結果のビット精度を高くする、データ処理システム。 - 前記増幅回路はゲインが1よりも大きな回路である、請求項15記載のデータ処理システム。
- 前記増幅回路はゲインが1よりも小さな回路である、請求項15記載のデータ処理システム。
- 前記所定の被計測アナログ信号はAD変換回路の変換レンジに対して所定範囲内の小さな信号である、請求項15記載のデータ処理システム。
- 前記制御回路は、AD変換処理において、前記増幅回路で増幅せずに前記AD変換回路で変換して得られるデータが所定の被計測アナログ信号であることを判別したとき、前記増幅回路で増幅された信号をサンプリングしてAD変換回路で変換し、変換結果を、前記演算されたゲイン分の一の大きさにすることによって変換結果のビット精度を高くする、請求項15記載のデータ処理システム。
- 前記制御回路は、AD変換処理において、前記増幅回路で増幅された信号とされていない被計測アナログ信号の夫々を並列的にサンプリングし、前記増幅回路で増幅せずに前記AD変換回路で変換して得られるデータが所定の被計測アナログ信号であることを判別したとき、前記増幅回路で増幅されてサンプリングされている信号をAD変換回路で変換し、変換結果を、前記演算されたゲイン分の一の大きさにするによって変換結果のビット精度を高くする、請求項15記載のデータ処理システム。
- DA変換回路、増幅回路、AD変換回路及び制御回路を有するデータ処理システムであって、
前記制御回路は前記増幅回路のキャリブレーション処理とAD変換処理を制御し、
前記制御回路は、前記キャリブレーション処理において、前記DA変換回路から出力した第1及び第2アナログ信号を前記増幅回路にそれぞれ増幅させ前記AD変換回路でそれぞれ変換して得られる第1及び第2データと、前記第1及び第2アナログ信号を前記増幅回路で増幅せずに前記AD変換回路でそれぞれ変換して得られる第3及び第4データとに基づいて、前記第2データと前記第1データの差と前記第4データと前記第3データの差との比を前記増幅回路のゲインとし、前記第3データから前記第1データを前記演算で得られたゲインで除した値を引いた値、又は、前記第4データから前記第2データを前記演算で得られたゲインで除した値を引いた値を前記増幅回路のオフセットとして、それぞれ演算し、
前記制御回路は、前記AD変換処理において、所定の被計測アナログ信号に対して前記増幅回路で増幅された信号をAD変換回路で変換し、変換結果を、前記演算されたゲイン分の一の大きさとし且つそこから前記演算されたオフセットを減算して、変換結果のビット精度を高くする、データ処理システム。 - 前記増幅回路はゲインが1よりも大きな回路である、請求項21記載のデータ処理システム。
- 前記増幅回路はゲインが1よりも小さな回路である、請求項21記載のデータ処理システム。
- 前記所定の被計測アナログ信号はAD変換回路の変換レンジに対して所定範囲内の小さな信号である、請求項21記載のデータ処理システム。
- 前記制御回路は、AD変換処理において、前記増幅回路で増幅せずに前記AD変換回路で変換して得られるデータが所定の被計測アナログ信号であることを判別したとき、前記増幅回路で増幅された信号をサンプリングしてAD変換回路で変換し、変換結果を、前記演算されたゲイン分の一の大きさとし且つそこから前記演算されたオフセットを減算して、変換結果のビット精度を高くする請求項21記載のデータ処理システム。
- 前記制御回路は、AD変換処理において、前記増幅回路で増幅された信号とされていない被計測アナログ信号の夫々を並列的にサンプリングし、前記増幅回路で増幅せずに前記AD変換回路で変換して得られるデータが所定の被計測アナログ信号であることを判別したとき、前記増幅回路で増幅されてサンプリングされている信号をAD変換回路で変換し、変換結果を、前記演算されたゲイン分の一の大きさとし且つそこから前記演算されたオフセットを減算して、変換結果のビット精度を高くする請求項21記載のデータ処理システム。
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