JP5494965B2 - 信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、信号処理装置に関し、詳しくは、温度測定信号をシグマデルタＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換するように構成された信号処理装置の改良に関するものである。

デルタシグマＡ／Ｄ変換器は、高速度のＡ／Ｄ変換は行えないものの、比較的低価格で高分解能が得られ、半導体集積化にも適していることから、測定信号の変化が比較的緩やかな各種の測定信号をデジタル信号に変換する手段として、広く用いられている。

図３は、従来の温度測定装置の一例を示すブロック図である。図１において、端子台１には、温度センサとして用いる熱電対２を接続するための端子１１が設けられている。熱電対２の起電力を温度に換算するためには、端子台１の温度を基準接点温度として別途計測する必要がある。そのため、端子台１の内部または端子１１の直近に、熱電対以外のたとえば白金測温抵抗体などの基準接点温度センサ３が設けられている。

これら熱電対２および基準接点温度センサ３の出力信号は、マルチプレクサ４を介して共通のシグマデルタＡ／Ｄ変換器５に入力されている。

シグマデルタＡ／Ｄ変換器５でデジタル信号に変換された熱電対２および基準接点温度センサ３の出力信号は、温度演算部６に入力されている。

温度演算部６は、シグマデルタＡ／Ｄ変換器５から変換入力される基準接点温度センサ３の出力信号に基づき、シグマデルタＡ／Ｄ変換器５から変換入力される熱電対２の起電力を測定対象の温度値を演算する。

クロック発生部７は、シグマデルタＡ／Ｄ変換器５を駆動するための所定のクロックを出力する。

制御部８は、マルチプレクサ４と温度演算部６およびクロック発生部７に接続されていて、これら各部を総括的に制御する。

図４は、図３の動作を説明するタイミングチャートであり、縦軸は回路の消費電流を示している。マルチプレクサ４は、はじめに熱電対２の出力信号を選択してシグマデルタＡ／Ｄ変換器５に出力し、その後に基準接点温度センサ３の出力信号を選択してシグマデルタＡ／Ｄ変換器５に出力する。

シグマデルタＡ／Ｄ変換器５は、たとえば毎秒２０サンプル（２０ｓｐｓ）の周期で駆動され、１回の温度測定で４回のＡ／Ｄ変換を行う。すなわち、第１および第２のクロックで熱電対の出力信号のＡ／Ｄ変換を行うが、第１のクロックでＡ／Ｄ変換されたデータはＡ／Ｄ変換器５のセトリングの影響があるため測定データとしては採用せず、第２のクロックでＡ／Ｄ変換されたデータを測定データとして採用する。同様に、第３、第４のクロックで基準接点温度センサー３の出力信号をＡ／Ｄ変換し、第４のクロックでＡ／Ｄ変換されたデータを測定データとして採用する。

電圧測定回路にシグマデルタＡ／Ｄ変換器を用いると、原理的にデジタルフィルタの出力が出てくるまでに複数回のサンプリングを要することになる。これをセトリングと呼んでいるが、それらを考慮すると、図３のように２種類の電圧を測定するためには、最低でも図４に示すように２００ｍｓ以上の時間を要することになる。

一般に、熱電対で温度を計測するのにあたっては、熱電対に混入する商用電源ノイズ（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）を除去するためにある程度の平均化演算処理が必要であり、少なくとも商用周波数１周期分以上の平均化処理を行うためには動作時間として２０ｍｓ以上が必要になる。温度計測用途向けのＡＤコンバータなどでは、商用電源ノイズを除去するために、５０ｍｓ〜６０ｍｓのデジタルフィルタリングを行っている場合が多い。

温度測定装置の回路を電池駆動にしたり、エナジーハーベスト技術で収穫できる電力で供給したりする場合には、回路の消費電流は極力抑えなければならない。そのため、回路の動作としては、上記の２００ｍｓなど必要な動作時間を除いてスリープ状態になるようにすることで、回路の平均の消費電流を抑えるように設計される。動作時間を短くしてスリープ時間を長くすることで、回路の平均消費電流を抑えることができる。

なお、基準接点温度センサ３が機器内部に設けられていることにより商用電源ノイズの影響を受けない場合には、商用電源ノイズを除去するための平均化処理を不要にできる。すなわち、基準接点温度センサ３の出力信号を測定する場合のみシグマデルタＡ／Ｄ変換器のサンプリング時間を高速にすることで、動作時間を短縮することができる。

特許文献１には、熱電対の基準接点温度を、シグマデルタＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換する構成が記載されている。

特開平６−３０１８８２号公報

しかし、基準接点温度センサ３の出力を高速で測定して動作時間を短縮した場合、商用電源ノイズの影響は受けなくても、静電気やサージなどのインパルスノイズは影響することがある。

また、シグマデルタＡ／Ｄ変換器のサンプリング時間が短くなると、これらのインパルス状ノイズの混入に基づく測定誤差は大きくなる。

本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、シグマデルタＡ／Ｄ変換器を用いた場合におけるインパルス状ノイズの耐性を高めることができるとともに、回路の消費電流も低減できる信号処理装置を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
温度測定信号をシグマデルタＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換するように構成された信号処理装置において、
前記シグマデルタＡ／Ｄ変換器のサンプリング速度を、熱電対の出力信号測定時に比べて基準接点温度センサの出力信号測定時は高速に切り換えるとともに、
前記シグマデルタＡ／Ｄ変換器で高速サンプリングすることにより得られる前記温度測定信号の複数の測定データの中央値を検出する手段を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の信号処理装置において、
前記基準接点温度センサは、白金測温抵抗体であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の信号処理装置において、
前記端子台には複数の熱電対が接続されていることを特徴とする。

このような構成の信号処理装置によれば、シグマデルタＡ／Ｄ変換器を用いた場合におけるインパルス状ノイズの耐性を高めつつ、消費電流の低減を図ることができる。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 図１の動作を説明するタイミングチャートである。 従来の温度測定装置の一例を示すブロック図である。 図３の動作を説明するタイミングチャートである。

以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図３と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図３の相違点は、図１では、シグマデルタＡ／Ｄ変換器５のサンプリング速度が熱電対の出力信号測定と基準接点温度センサ３の出力信号測定とで切り換えられることと、シグマデルタＡ／Ｄ変換器５と温度演算部６の間に、シグマデルタＡ／Ｄ変換器５の高速サンプリング出力信号の中央値を検出する中央値検出部９が設けられていることである。

図１において、商用電源ノイズは、基準接点温度センサ３による端子台１の温度測定には影響しないものとする。そこで、基準接点温度センサ３による端子台１の温度測定時におけるシグマデルタＡ／Ｄ変換器５のサンプリング周波数を高速にし、短時間で端子台の温度を測定することで回路の平均消費電流を少なくする。

ところが、シグマデルタＡ／Ｄ変換器のサンプリング周波数が高速になってサンプリング時間が短くなると、前述のように、インパルス状ノイズが混入した場合の誤差が大きくなる。

このようなインパルス状ノイズが混入した場合の誤差を小さくするために、図１の構成では、基準接点温度センサ３による端子台１の温度測定にあたり、シグマデルタＡ／Ｄ変換器５のサンプリング周波数を高速にして複数回測定を行い、中央値検出部９によりこれら複数回測定した温度値の中央値を求めている。具体的には、たとえば複数回測定した温度値を大きさ順に並べてそれらの中央値を検出する「メディアンフィルタ処理」を実行する。

図２は、図１の動作を説明するタイミングチャートであり、縦軸は回路の消費電流を示している。マルチプレクサ４は、図４と同様に、はじめに熱電対２の出力信号を選択してシグマデルタＡ／Ｄ変換器５に出力し、その後に基準接点温度センサ３の出力信号を選択してシグマデルタＡ／Ｄ変換器５に出力する。

シグマデルタＡ／Ｄ変換器５は、熱電対２の出力信号を変換する場合には図４と同様にたとえば毎秒２０サンプル（２０ｓｐｓ）の周期で駆動され、基準接点温度センサ３の出力信号を変換する場合にはサンプリング周波数を高速にしてたとえば毎秒６４０サンプル（６４０ｓｐｓ）の周期で高速サンプリングを行う。

熱電対２の出力信号を変換する場合の第１のクロックではセトリングタイム用のＡ／Ｄ変換を行い、第２のクロックでは測定データとして取り込むためのＡ／Ｄ変換を行う。

基準接点温度センサ３の出力信号を変換する場合の高速サンプリングでは、連続的にたとえば１０回のＡ／Ｄ変換を行う。すなわち、第１のクロックで基準接点温度センサ３の出力信号についてセトリングタイム用のＡ／Ｄ変換を行う。そして、第２のクロックから第１０までのクロックで基準接点温度センサ３の出力信号について測定データとして取り込むためのＡ／Ｄ変換を行い、これら９個の変換データを中央値検出部９に入力する。

中央値検出部９は、検出した変換データの中央値を基準接点温度センサ３の測定データとして温度演算部６に出力する。

温度演算部６は、この中央値検出部９から基準接点温度センサ３の測定データとして検出出力される基準接点温度センサ３の出力信号に基づき、シグマデルタＡ／Ｄ変換器５から変換入力される熱電対２の起電力を測定対象の温度値を演算する。

シグマデルタＡ／Ｄ変換器５に固有の正しいデータが出力されるまでのセトリングタイムは、サンプリング周波数を高速にすることで短縮できる。すなわち、シグマデルタＡ／Ｄ変換器５から正しいデータが出力されるまでに必要な捨てデータの数はサンプリング数で決まるため、サンプリング周波数を高くして高速サンプリングにすることにより捨てデータの収集時間を短くできる。

そして、基準接点温度センサ３の出力信号に対するインパルス状ノイズの影響は、複数回のサンプリングとたとえばメディアンフィルタ処理による中央値の検出により完全に除去することができ、高精度の温度測定が行える。

なお、中央値検出部９での中央値検出処理に必要なシグマデルタＡ／Ｄ変換器５のサンプリング回数は、インパルス状ノイズの影響の実測データにより決めることができる。

また、端子台に接続される熱電対は１個に限るものではなく、複数個でもよい。

また、上記実施例では、温度測定信号をシグマデルタＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換するように構成された信号処理装置として、熱電対を用いた温度測定装置の例について説明したが、これに限るものではなく、機器の周囲温度を測定して自分自身の温度補正を行うように構成される高精度電圧計、電流計、電力計などにも好適である。

以上説明したように、本発明によれば、シグマデルタＡ／Ｄ変換器を用いた場合におけるインパルス状ノイズの耐性を高めることができるとともに、回路の消費電流も低減できる信号処理装置が実現できる。

１ 端子台
１１ 端子
２ 熱電対
３ 基準接点温度センサ
４ マルチプレクサ
５ デルタシグマＡ／Ｄ変換器
６ 温度演算部
７ クロック発生部
８ 制御部
９ 中央値検出部

Claims (3)

1. 温度測定信号をシグマデルタＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換するように構成された信号処理装置において、
   前記シグマデルタＡ／Ｄ変換器のサンプリング速度を、熱電対の出力信号測定時に比べて基準接点温度センサの出力信号測定時は高速に切り換えるとともに、
   前記シグマデルタＡ／Ｄ変換器で高速サンプリングすることにより得られる前記温度測定信号の複数の測定データの中央値を検出する手段を設けたことを特徴とする信号処理装置。
2. 前記基準接点温度センサは、白金測温抵抗体であることを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記端子台には複数の熱電対が接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の信号処理装置。

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