JP5682822B2 - 温度ドリフト補正装置 - Google Patents

Description

本発明は、アナログフロントエンド回路にて発生する温度ドリフトを補正する温度ドリフト補正装置に関する。

近年、ディジタルマルチメータ、ディジタルオシロスコープ、レコーダ等に代表される電子計測器には、Ａ／Ｄ変換に先行してアナログ入力信号を調整（増減）する高精度のアナログフロントエンド回路が搭載されている。かかる高精度のアナログフロントエンド回路は周囲の温度変化によって電子素子の定数が変化するため、その出力が周囲の温度変化に対応してドリフト（温度ドリフト）する問題がある。

そこで、特許文献１の段落０００３や０１１３に記載されているように、温度計（温度センサ回路）を設け、温度計が検知した温度に基づき出力を補正する提案がなされている。温度を検知して補正を行うには、対象（アナログフロントエンド回路）の温度特性を予め取得しておく必要がある。特許文献２には、被検査体の温度特性を測定する恒温槽について記載されている。

特開２００９−２１７８０９号公報 特開２００４−６１３９９号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載のような恒温槽を用いる場合には、測定が大がかりになりがちである。出荷時においてはかかる恒温槽を用いてその温度特性を取得することも可能かもしれないが、現場においては（例えば電子計測器の校正に際しては）かかる恒温槽を用いてその温度特性を取得するのは非常に困難である。すなわち、出荷後においてその温度特性を校正することは非常に困難なため、出荷後にその温度特性が変化した場合には、温度計が検知する温度に基づき出力の補正を行っても精度を保障できなくなるおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、アナログフロントエンド回路の温度特性を簡便に測定可能であって、その測定した温度特性に基づき、アナログフロントエンド回路にて発生する温度ドリフトを的確に補正可能な温度ドリフト補正装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明にかかる温度ドリフト補正装置の代表的な構成は、アナログフロントエンド回路の温度を検知する温度計と、アナログフロントエンド回路を加熱するヒータと、ヒータのオン、オフそれぞれについてのアナログフロントエンド回路の入出力特性とそのときの温度とに基づく温度特性を記憶しておくメモリと、アナログフロントエンド回路を通過してＡ／Ｄ変換されたディジタル出力信号に対して、温度特性を用いて、温度計が検知する温度におけるアナログフロントエンド回路の温度ドリフトを補正する補正演算回路と、アナログフロントエンド回路に基準信号を入力する基準信号発生部と、ヒータのオン、オフそれぞれについての基準信号に対する入出力特性とそのときの温度とを取得する測定データ取得部と、を備え、メモリに記憶しておく温度特性は、基準信号発生部と測定データ取得部とを用いた校正によって書換可能であって、温度特性の書換時にのみ基準信号発生部および測定データ取得部が外付けされることを特徴とする。

かかる構成では、ヒータを備えているため、恒温槽のような大がかりな装置を用いる必要がない。メモリに、ヒータのオン、オフそれぞれについてのアナログフロントエンド回路の入出力特性とそのときの温度とに基づく温度特性を記憶しておくことで、アナログフロントエンド回路にて発生する温度ドリフトを的確に補正することができる。またかかる構成では、上記メモリに記憶しておく温度特性が、上記基準信号発生部と上記測定データ取得部とを用いた校正によって書換可能であるため、出荷後においてその温度特性が変化したとしても、校正によりその温度特性を正規の値に設定しなおせる。そのため、出力の精度を保障することができる。さらにかかる構成では、基準信号発生部および測定データ取得部は温度特性の書換時にのみ外付けされるため、実使用時（補正時）には温度ドリフト補正装置と一体でなく、装置が大がかりにならない。

上記温度計および上記ヒータが、上記アナログフロントエンド回路と同一の基材に当接しているとよい。かかる構成では、基材を介して互いの熱が伝播されるため、熱的なムラが生じることを回避できる。すなわち、温度計、ヒータ、アナログフロントエンド回路が、熱的に結合した状態となる。これにより、正確な温度特性を測定することができ、出力の精度を保障することができる。

上記ヒータが、外部電源から電力を受電可能な独立した電源端子を有するとよい。かかる構成では、温度特性の測定時に使用するヒータへの電力供給を考慮する必要がない。すなわち、実使用時に要求される電力量を供給できれば充分となるので、省電力化を図ることができる。

本発明によれば、恒温槽のような大がかりな装置を用いることなく、アナログフロントエンド回路の温度特性を簡便に測定することができる。そのため、メモリに記憶しておくその温度特性について、容易に校正を行うことができる。これらのことから、アナログフロントエンド回路にて発生する温度ドリフトを的確に補正することができ、出力の精度を保障することができる。

本発明の実施形態にかかる温度ドリフト補正装置の概略構成を示すブロック図である。 レベル変換回路について例示する図である。 ヒータをオン、オフさせたときのアナログフロントエンド回路の入出力特性を例示する図である。 アナログフロントエンド回路の増幅率とそのときの温度とを例示する図である。 アナログフロントエンド回路の入力換算オフセットとそのときの温度とを例示する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本発明の実施形態にかかる温度ドリフト補正装置１００の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、温度ドリフト補正装置１００は、温度計１０２、Ａ/Ｄ変換器１０２ａ、ヒータ１０４、メモリ１０６、補正演算回路１０８を含んで構成される。温度ドリフト補正装置１００は、レベル変換回路１１２およびＡ/Ｄ変換器１１２ａのアナログ部により構成されるアナログフロントエンド回路１１０にて発生する温度ドリフトを補正する。なお、ディジタル部は周囲の温度変化による影響を受けないので、補正を行う必要がない。

図２はレベル変換回路１１２について例示する図であり、図２（ａ）〜（ｃ）がその回路図である。レベル変換回路１１２は、オペアンプ１１４と抵抗とを組み合わせて構成され、アナログ入力信号（アナログ入力電圧）ＡＩＮを増幅または減衰させて、アナログ出力信号ＡＯＵＴを出力する。図２（ａ）のアナログ出力信号ＡＯＵＴは、抵抗Ｒ１、Ｒ２および入力換算オフセット電圧ＯＳを用いて、下記式１のように表される。図２（ｂ）のアナログ出力信号ＡＯＵＴは、抵抗Ｒ３、Ｒ４および入力換算オフセット電圧ＯＳを用いて、下記式２のように表される。図２（ｃ）のアナログ出力信号ＡＯＵＴは、抵抗Ｒ１〜Ｒ４および入力換算オフセット電圧ＯＳを用いて、下記式３のように表される。すなわち、アナログ出力信号ＡＯＵＴは、抵抗比によって決定されるアナログ入力信号ＡＩＮの増幅率Ｇａおよび入力換算オフセット電圧ＯＳを用いて、下記式４のように表される。なお、入力換算オフセット電圧ＯＳは、オペアンプ１１４の非理想特性により発生するオフセット電圧を、増幅率Ｇａで割って入力電圧に換算したものである。

上記のように、増幅率Ｇａは抵抗比によって決まるため、周囲の温度変化による抵抗値の変化が小さい抵抗を用いれば、増幅率Ｇａの温度ドリフトを小さくすることができる。加えて、周囲の温度変化によるオフセット電圧値の変化が小さいオペアンプ１１４を用いれば、入力換算オフセット電圧ＯＳの温度ドリフトも小さくすることができる。しかし、そのような抵抗やオペアンプ１１４は高価である。

そこで、本実施形態では、１次の項が支配的な（直線的に変化する）アナログフロントエンド回路１１０の温度特性を予めメモリ１０６に記憶しておく。そして、Ａ/Ｄ変換器１１２ａにてアナログ出力信号ＡＯＵＴをＡ/Ｄ変換したディジタル出力信号ＤＯＵＴに対し、温度計１０２が検知する温度におけるアナログフロントエンド回路１１０の温度ドリフトの補正を行う。以下、温度ドリフト補正装置１００の各構成要素を説明する。

温度計１０２は温度に比例した信号を出力する。温度計１０２が出力した信号は後段のＡ/Ｄ変換器１０２ａにてＡ/Ｄ変換され、ディジタル温度信号ＴＯＵＴとして補正演算回路１０８に入力される。なお、温度計１０２は、確度が求められるものではなく、アナログフロントエンド回路１１０の使用温度範囲（使用温度下限値ＴＭＩＮ〜使用温度上限値ＴＭＡＸ）においてその出力が温度変化に伴って線形に変化するものであればよい。

ヒータ１０４は発熱素子であって、ここでは温度計１０２、アナログフロントエンド回路１１０とともにモノリシック集積回路として構成される。これにより、これらがモノリシック集積回路のモールド材（基材）に当接したこととなり、このモールド材を介して互いの熱が伝播されるので、熱的なムラが生じることを回避できる。すなわち、これらが、熱的に結合した状態となる。なお、温度計１０２、ヒータ１０４、アナログフロントエンド回路１１０をモノリシック集積回路として構成せずとも、伝熱板等の同一の基材に当接すれば上記効果を奏することが可能である。

ヒータ１０４には、ヒータ１０４をオン、オフする制御信号が入力される制御信号入力端子ＣＯＮＴと、外部電源から電力を受電可能な独立した電源端子ＰＳとが設けられる。ここでは、ヒータ１０４をオン、オフする制御信号は、測定データ取得部１２２から発せられるように構成される。

メモリ１０６は、フラッシュメモリ等の書換可能な記憶手段で構成される。かかるメモリ１０６には、１次の項が支配的な（直線的に変化する）アナログフロントエンド回路１１０の温度特性を予め記憶しておく。

また、メモリ１０６は、アナログフロントエンド回路１１０のアナログ入力信号ＡＩＮの下限値ＡＭＩＮ、上限値ＡＭＡＸ、およびディジタル出力信号の下限値ＤＭＩＮ、上限値ＤＭＡＸを記憶する。

補正演算回路１０８は、中央処理装置（ＣＰＵ）等の演算手段を含んで構成される。補正演算回路１０８は、実使用時に、メモリ１０６を参照しつつ後述の式１０に基づいてディジタル出力信号ＤＯＵＴを補正し、補正ディジタル出力信号ＲＯＵＴを出力する。補正ディジタル出力信号ＲＯＵＴは、アナログフロントエンド回路１１０を理想特性とした（温度ドリフトしない）場合のディジタル出力信号に相当する。

本実施形態の特徴は、実使用時の前にメモリ１０６に予め記憶しておくアナログフロントエンド回路１１０の温度特性の測定に際して、恒温槽のような大がかりな装置を用いる必要がないことである。温度計１０２、ヒータ１０４、アナログフロントエンド回路１１０が熱的に結合した状態となっているため、ヒータ１０４をオンした場合に、恒温槽のように各素子の温度を一定に保ちつつアナログフロントエンド回路１１０を加熱することができる。ヒータ１０４をオフした場合には、外気により各素子の温度が一定に保たれる。これより、ヒータ１０４のオン、オフそれぞれについてのアナログフロントエンド回路１１０の入出力特性とそのときの温度とに基づき、その温度特性を簡便に測定することができる。

アナログフロントエンド回路１１０の温度特性の測定に際しては、基準信号発生部１２０および測定データ取得部１２２が用いられる。基準信号発生部１２０は、アナログ入力信号ＡＩＮとして、基準入力信号（基準入力電圧）ＡＩＮ１、ＡＩＮ２（ＡＩＮ１＜ＡＩＮ２）を入力する。測定データ取得部１２２は、ヒータ１０４のオン、オフを制御するとともに、必要なデータを収集してアナログフロントエンド回路１１０の温度特性を求め、その温度特性をメモリ１０６に書き込む。

基準信号発生部１２０および測定データ取得部１２２は、アナログフロントエンド回路１１０の温度特性の測定時（書換時）に必要であるが、実使用時（補正時）には必要ではない。よって、これらは温度ドリフト補正装置１００（電子計測器）と必ずしも一体である必要はなく、その温度特性の測定時にのみ外付けしてもよい。

同様に、ヒータ１０４に関しては、アナログフロントエンド回路１１０の温度特性の測定時にはオンする必要があるが、実使用時にはオンする必要はない。そこで、上記のように、ヒータ１０４に外部電源から電力を受電可能な独立した電源端子ＰＳを設ける。これにより、内部電源としてはヒータ１０４への電力供給を考慮する必要がなく、実使用時に要求される電力量を供給できれば充分となるため、省電力化を図ることができる。

図３は、ヒータ１０４をオン、オフさせたときのアナログフロントエンド回路１１０の入出力特性を例示する図である。図４は、アナログフロントエンド回路１１０の増幅率Ｇａとそのときの温度とを例示する図である。図５は、アナログフロントエンド回路１１０の入力換算オフセットＯＳとそのときの温度とを例示する図である。

測定データ取得部１２２が、制御信号入力端子ＣＯＮＴを通じてヒータ１０４をオンさせた場合について説明する。図３に例示するように、測定データ取得部１２２は、基準信号発生部１２０から入力される基準入力信号ＡＩＮ１、ＡＩＮ２を取得する。また、測定データ取得部１２２は、基準入力信号ＡＩＮ１に対するディジタル出力信号ＤＯＵＴとしての基準出力信号Ｄ１ＯＮ、基準入力信号ＡＩＮ２に対するディジタル出力信号ＤＯＵＴとしての基準出力信号Ｄ２ＯＮを取得する。加えて、図４、図５に例示するように、測定データ取得部１２２は、Ａ/Ｄ変換器１０２ａから出力されるディジタル温度信号ＴＯＵＴとしての加熱時温度信号ＴＯＮを取得する。なお、測定データ取得部１２２がこれらのデータを取得するのは、ヒータ１０４をオンにして各素子の温度が充分に安定してからとする。

測定データ取得部１２２が、制御信号入力端子ＣＯＮＴを通じてヒータ１０４をオフさせた場合について説明する。測定データ取得部１２２は、図３に例示するように、基準信号発生部１２０から入力される基準入力信号ＡＩＮ１、ＡＩＮ２を取得する。また、測定データ取得部１２２は、基準入力信号ＡＩＮ１に対するディジタル出力信号ＤＯＵＴとしての基準出力信号Ｄ１ＯＦＦ、基準入力信号ＡＩＮ２に対するディジタル出力信号ＤＯＵＴとしての基準出力信号Ｄ２ＯＦＦを取得する。加えて、図４、図５に例示するように、測定データ取得部１２２は、Ａ/Ｄ変換器１０２ａから出力されるディジタル温度信号ＴＯＵＴとしての非加熱時温度信号ＴＯＦＦを取得する。なお、測定データ取得部１２２がこれらのデータを取得するのは、各素子の温度が充分に安定してからとする。

ヒータ１０４をオンさせたときのアナログ入力信号ＡＩＮとディジタル出力信号ＤＯＵＴとの関係は、下記式５のように表される。ヒータ１０４をオフさせたときのアナログ入力信号ＡＩＮとディジタル出力信号ＤＯＵＴとの関係は、下記式６のように表される。

アナログフロントエンド回路１１０を理想特性とした場合のアナログ入力信号ＡＩＮとディジタル出力信号（補正ディジタル出力信号ＲＯＵＴ）との関係は、アナログフロントエンド回路１１０のアナログ入力信号ＡＩＮの下限値ＡＭＩＮ、上限値ＡＭＡＸ、およびディジタル出力信号の下限値ＤＭＩＮ、上限値ＤＭＡＸを用いて、下記式７のように表される。

式５〜式７において、波括弧にかかる係数は、アナログフロントエンド回路１１０の増幅率Ｇａである。図４に例示するように、ディジタル温度信号ＴＯＵＴが示す温度とアナログフロントエンド回路１１０の増幅率Ｇａとの実際の特性は、下記式８のように表される。

式５〜式７において、小括弧の中の項は、アナログフロントエンド回路１１０の入力換算オフセットＯＳである。図５に例示するように、ディジタル温度信号ＴＯＵＴが示す温度とアナログフロントエンド回路１１０の入力換算オフセットＯＳとの実際の特性は、下記式９のように表される。

理想特性を表す式７の右辺のアナログ入力信号ＡＩＮを、式４に基づいて増幅率Ｇａ、入力換算オフセットＯＳ、ディジタル出力信号ＤＯＵＴで置き換えると、下記式１０のように表される。なお、このアナログ入力信号ＡＩＮはアナログフロントエンド回路１１０へ入力されるものであるから、実際の特性と理想特性とで同じものである。

測定データ取得部１２２は、ヒータ１０４をオン、オフさせて、基準入力信号ＡＩＮ１、ＡＩＮ２、基準出力信号Ｄ１ＯＮ、Ｄ２ＯＮ、Ｄ１ＯＦＦ、Ｄ２ＯＦＦ、加熱時温度信号ＴＯＮ、非加熱時温度信号ＴＯＦＦを取得したら、式８および式９にこれらを当てはめて、ディジタル温度信号ＴＯＵＴの１次式で式８の増幅率Ｇａ、式９の入力換算オフセットＯＳが表されるよう計算を行う。そして、その計算結果をメモリ１０６に書き込む。

勿論、測定データ取得部１２２が、ヒータ１０４をオン、オフさせて取得した、基準入力信号ＡＩＮ１、ＡＩＮ２、基準出力信号Ｄ１ＯＮ、Ｄ２ＯＮ、Ｄ１ＯＦＦ、Ｄ２ＯＦＦ、加熱時温度信号ＴＯＮ、非加熱時温度信号ＴＯＦＦをそのままメモリ１０６に書き込んでもよい。

このように、予めヒータ１０４のオン、オフそれぞれについてのアナログフロントエンド回路１１０の入出力特性とそのときの温度とに基づく温度特性をメモリ１０６に記憶しておけば、実使用時に、補正演算回路１０８に式１０に基づいて補正を実施させることができる。すなわち、Ａ/Ｄ変換器１０２ａからのディジタル温度信号ＴＯＵＴ、Ａ/Ｄ変換器１１２ａからのディジタル出力信号ＤＯＵＴを式１０に代入し、理想特性で増幅された場合の補正ディジタル出力信号ＲＯＵＴを求め、それを補正演算回路１０８に出力させることが可能である。

以上、上述した温度ドリフト補正装置１００によれば、恒温槽のような大がかりな装置を用いずとも簡便にアナログフロントエンド回路１１０の温度特性を測定することができる。よって、現場において、アナログフロントエンド回路１１０の温度特性の校正を容易に実施することができる。かかる校正により、アナログフロントエンド回路１１０の温度特性が変化したとしてもその温度特性を正規の値に設定しなおせるので、実使用時において、アナログフロントエンド回路１１０にて発生する温度ドリフトを的確に補正することができ、出力の精度を保障することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、アナログフロントエンド回路にて発生する温度ドリフトを補正する温度ドリフト補正装置として利用することができる。

１００…温度ドリフト補正装置、１０２…温度計、１０２ａ…Ａ/Ｄ変換器、１０４…ヒータ、１０６…メモリ、１０８…補正演算回路、１１０…アナログフロントエンド回路、１１２…レベル変換回路、１１２ａ…Ａ/Ｄ変換器、１１４…オペアンプ、１２０…基準信号発生部、１２２…測定データ取得部、Ｒ１〜Ｒ４…抵抗、ＡＩＮ…アナログ入力信号、ＡＯＵＴ…アナログ出力信号、ＤＯＵＴ…ディジタル出力信号、ＲＯＵＴ…補正ディジタル出力信号、ＣＯＮＴ…制御信号入力端子、ＰＳ…電源端子

Claims (3)

1. アナログフロントエンド回路の温度を検知する温度計と、
   前記アナログフロントエンド回路を加熱するヒータと、
   前記ヒータのオン、オフそれぞれについての前記アナログフロントエンド回路の入出力特性とそのときの温度とに基づく温度特性を記憶しておくメモリと、
   前記アナログフロントエンド回路を通過してＡ／Ｄ変換されたディジタル出力信号に対して、前記温度特性を用いて、前記温度計が検知する温度における該アナログフロントエンド回路の温度ドリフトを補正する補正演算回路と、
   前記アナログフロントエンド回路に基準信号を入力する基準信号発生部と、
   前記ヒータのオン、オフそれぞれについての該基準信号に対する前記入出力特性とそのときの温度とを取得する測定データ取得部と、
   を備え、
   前記メモリに記憶しておく温度特性は、前記基準信号発生部と前記測定データ取得部とを用いた校正によって書換可能であって、温度特性の書換時にのみ該基準信号発生部および該測定データ取得部が外付けされることを特徴とする温度ドリフト補正装置。
2. 前記温度計および前記ヒータが、前記アナログフロントエンド回路と同一の基材に当接していることを特徴とする請求項１に記載の温度ドリフト補正装置。
3. 前記ヒータが、外部電源から電力を受電可能な独立した電源端子を有することを特徴とする請求項１または２に記載の温度ドリフト補正装置。

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