JP5704081B2 - Data collection device - Google Patents

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本発明は、アナログ/デジタル変換器(以下「ADC」と略す)で変換されたデジタルデータを収集してメモリに格納するデータ収集装置に関し、さらに詳しくは、同一のアナログ信号を複数のADCで並行して変換し、得られたデータを収集するデータ収集装置に関する。   The present invention relates to a data collection device that collects digital data converted by an analog / digital converter (hereinafter abbreviated as “ADC”) and stores the digital data in a memory. More specifically, the same analog signal is parallelized by a plurality of ADCs. The present invention relates to a data collection device that converts the data and collects the obtained data.

飛行時間型質量分析計(以下「TOFMS」と略す)などの分析装置では一般に、検出器で得られたアナログ検出信号はADCによりデジタルデータに変換されてメモリやデータバッファなどに一旦格納され、その後にスペクトル作成処理などのデータ処理が行われる。例えば近年の高性能のTOFMSでは、測定実行時のデータ収集のために1GHz以上のきわめて高いA/D変換レート(サンプリングレート)が要求されるが、こうした高速のADCは一般にビット分解能が低いため、十分なダイナミックレンジを確保することが難しい。そこで、ADCのビット分解能の不足を補うための一手法として複数のADCを並列に動作させる方法が知られている(特許文献1など参照)。   In an analyzer such as a time-of-flight mass spectrometer (hereinafter referred to as “TOFMS”), an analog detection signal obtained by a detector is generally converted into digital data by an ADC and temporarily stored in a memory or a data buffer. In addition, data processing such as spectrum creation processing is performed. For example, in recent high-performance TOFMS, an extremely high A / D conversion rate (sampling rate) of 1 GHz or more is required for data collection at the time of measurement execution, but such a high-speed ADC generally has a low bit resolution. It is difficult to ensure a sufficient dynamic range. Therefore, a method of operating a plurality of ADCs in parallel is known as a method for compensating for the shortage of ADC bit resolution (see Patent Document 1).

具体的には、高速動作可能なADCを2個用意し、それらADCの前段にゲインの相違するアンプを配置して、その2個のADCを並列に動作させて同一入力信号に対して異なるデジタルデータをそれぞれ取得する。そして、信号強度が低い入力信号に対しては高ゲイン側のデジタルデータを、信号強度が高い入力信号に対しては低ゲイン側のデジタルデータを選択することにより、信号強度が高い場合のデータの飽和を回避し、高い分解能で且つ広いダイナミックレンジのデータ取得を可能とする。   Specifically, two ADCs capable of high-speed operation are prepared, amplifiers having different gains are arranged in front of these ADCs, and the two ADCs are operated in parallel so that different digital signals are applied to the same input signal. Acquire each data. By selecting digital data on the high gain side for input signals with low signal strength, and selecting digital data on the low gain side for input signals with high signal strength, data for high signal strength can be obtained. Saturation is avoided, and high resolution and wide dynamic range data acquisition is possible.

上記のように2個又はそれ以上の個数のADCで並列にデジタルデータを取得する構成の場合、ADCで得られたデータをSRAM等のメモリに一旦格納し、全てのデータの取得後に、後段のCPUやデジタルシグナルプロセッサ(DSP)などの処理部にデータを送出して処理を行うのが一般的である。この際、ADCから得られるデータをメモリに格納する方法として、次の二つの方法がある。   As described above, in the case of a configuration in which digital data is acquired in parallel by two or more ADCs, the data obtained by the ADC is temporarily stored in a memory such as SRAM, and after acquiring all the data, In general, processing is performed by sending data to a processing unit such as a CPU or a digital signal processor (DSP). At this time, there are the following two methods for storing data obtained from the ADC in the memory.

[方法A]ADC毎に全てのデータを一旦メモリに格納し、メモリからデータを読み出す際に信号強度を判定して、信号強度が低いデータであれば高ゲイン側のデータを選択し、高ゲイン側では信号強度が飽和してしまうような信号強度が高いデータであれば低ゲイン側のデータを選択する。この場合には、メモリへのデータ書き込み時にはデータの選択は行われない。
[方法B]複数のADCから得られたデータをメモリに格納する際に、信号強度を判定し、信号強度が低いデータであれば高ゲイン側のデータを選択し、高ゲイン側では信号強度が飽和してしまうような信号強度が高いデータであれば低ゲイン側のデータを選択してメモリに書き込む。この場合には、メモリからのデータ読み出し時にはデータ選択は行われない。
[Method A] All data is temporarily stored in the memory for each ADC, the signal strength is determined when the data is read from the memory, and if the signal strength is low, the data on the high gain side is selected and the high gain is selected. On the side, if the signal intensity is high so that the signal intensity is saturated, the data on the low gain side is selected. In this case, no data is selected when writing data to the memory.
[Method B] When data obtained from a plurality of ADCs is stored in the memory, the signal strength is determined. If the signal strength is low, data on the high gain side is selected, and the signal strength is on the high gain side. If the data has high signal intensity that would saturate, data on the low gain side is selected and written to the memory. In this case, data selection is not performed when data is read from the memory.

上記二つの方法にはそれぞれ利点、欠点がある。即ち、方法Aの利点は、ゲイン毎のデータが全てメモリに格納されているため、後から、ADC毎にデータを読み出すことが可能であり、例えば両データを比較したり一方のADCからのデータの時間的な繋がりを確認したりすることにより、ADC等のハードウエアのデバッグ(不具合の検出)が容易なことである。その反面、ADC毎に全てのデータを格納する必要があるため、必要とされるメモリ容量が多く、またメモリを搭載した回路基板の配線が複雑になる等、コスト的には不利である。
一方、方法Bの利点は、ADCが複数であってもデータを格納するメモリの容量はADC1個分で済むことである。その反面、ADCで得られたデータの一部しかメモリに格納されないため、上述したようなハードウエアのデバッグをあとから行うのが困難であるという欠点がある。
即ち、従来のデータ取得方法はハードウエアのデバッグの容易性又はデータを格納するメモリの容量の少なさのいずれか一方を重視するものであり、一方を重視した場合に他方は或る程度犠牲になることが避けられない。
Each of the above two methods has advantages and disadvantages. That is, the advantage of Method A is that all the data for each gain is stored in the memory, so that it is possible to read the data for each ADC later. For example, the two data can be compared or the data from one ADC can be compared. It is easy to debug hardware such as ADC (detection of defects) by confirming the temporal connection of the hardware. On the other hand, since it is necessary to store all data for each ADC, the required memory capacity is large, and the wiring of the circuit board on which the memory is mounted becomes complicated, which is disadvantageous in terms of cost.
On the other hand, the advantage of the method B is that even if there are a plurality of ADCs, the memory capacity for storing data is only one ADC. On the other hand, since only a part of the data obtained by the ADC is stored in the memory, there is a drawback that it is difficult to debug the hardware as described above.
In other words, the conventional data acquisition method emphasizes either ease of hardware debugging or a small amount of memory for storing data, and if one is emphasized, the other is sacrificed to some extent. It cannot be avoided.

特開2007−256251号公報(段落[0003]−[0004])JP 2007-256251 A (paragraphs [0003]-[0004])

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、ADC等のハードウエアデバッグの容易性を確保しつつ、データを格納するメモリの容量を抑えることでコストの低減も可能とするデータ収集装置を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object of the present invention is to reduce the cost of memory by suppressing the capacity of a memory for storing data while ensuring the ease of hardware debugging such as an ADC. It is an object of the present invention to provide a data collection device that can reduce the amount of data.

上記課題を解決するために成された本発明は、入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換してデジタルデータとして収集するデータ収集装置であって、
a)入力されるアナログ信号を第1のゲインで増幅したあとにデジタル信号に変換する高ゲイン側A/D変換手段と、
b)該高ゲイン側A/D変換手段と並行して、前記入力されるアナログ信号を前記第1のゲインよりも低い第2のゲインで増幅したあとにデジタル信号に変換する低ゲイン側A/D変換手段と、
c)前記第1及び第2のゲインの差に相当する定数を前記低ゲイン側A/D変換手段による低ゲイン側データに乗じる又は該定数で前記高ゲイン側A/D変換手段による高ゲイン側データを除する処理を行った後に、その処理後の低ゲイン側データ又は高ゲイン側データと高ゲイン側データ又は低ゲイン側データとの差分を求める差分データ算出手段と、
d)前記低ゲイン側データと前記差分データ算出手段による差分データとを記憶するメモリ手段と、
e)前記メモリ手段から読み出された低ゲイン側データと差分データとを用いて高ゲイン側データを復元するデータ復元手段と、
f)前記データ復元手段により復元された高ゲイン側データが信号飽和した状態であるか否かを判定又は推定し、その結果に基づいて、前記メモリ手段から読み出された低ゲイン側データと前記データ復元手段により復元された高ゲイン側データの一方を選択して出力するデータ選択手段と、
を備えることを特徴としている。
The present invention made to solve the above problems is a data collection device for converting an input analog signal into a digital signal and collecting it as digital data,
a) high gain side A / D conversion means for amplifying an input analog signal with a first gain and then converting it to a digital signal;
b) In parallel with the high gain side A / D conversion means, the input analog signal is amplified with a second gain lower than the first gain and then converted into a digital signal, and then converted into a digital signal. D conversion means;
c) Multiplying the low gain side data by the low gain side A / D conversion means by a constant corresponding to the difference between the first and second gains, or using this constant, the high gain side by the high gain side A / D conversion means After performing the process of removing the data, difference data calculation means for obtaining a difference between the low gain side data or high gain side data and the high gain side data or low gain side data after the process;
d) memory means for storing the low gain side data and difference data by the difference data calculating means;
e) data restoration means for restoring the high gain side data using the low gain side data and the difference data read from the memory means;
f) Determine or estimate whether the high gain side data restored by the data restoration means is in a signal saturated state, and based on the result, the low gain side data read from the memory means and the data Data selection means for selecting and outputting one of the high gain side data restored by the data restoration means;
It is characterized by having.

なお、第1のゲイン又は第2のゲインの一方はゲインが「1」、つまり、入力されるアナログ信号を実質的に増幅も減衰もさせないでデジタル信号に変換する構成であってもよい。   Note that one of the first gain and the second gain may have a gain of “1”, that is, an input analog signal may be converted into a digital signal without substantially amplifying or attenuating.

高ゲイン側A/D変換手段と低ゲイン側A/D変換手段とでアナログ信号のサンプリングタイミングに時間ずれがなく、第1、第2のゲインの比も正確で、さらにはA/D変換手段にオフセットやドリフトも全くないという理想的な状態である場合には、差分データ算出手段による乗算又は除算の処理後の低ゲイン側データ又は高ゲイン側データと処理無しの高ゲイン側データ又は低ゲイン側データとは高ゲイン側データが飽和するまでほぼ等価の筈であり、差分データのビット幅はゲイン差に相当するビット幅程度である。また、サンプリングの時間ずれなどの変動要因があったとしても、差分データのビット幅は元のデータのビット幅に比べて少なくて済む。したがって、本発明に係るデータ収集装置では、高ゲイン側データ及び低ゲイン側データを共にメモリ手段に格納する場合と比べて、メモリ手段に格納すべきデータ量を削減することができる。   There is no time lag in the sampling timing of the analog signal between the high gain side A / D conversion means and the low gain side A / D conversion means, the ratio between the first and second gains is accurate, and further the A / D conversion means In the ideal state where there is no offset or drift, the low gain side data or high gain side data after the multiplication or division processing by the differential data calculation means and the high gain side data or low gain without processing are processed. The side data is almost equivalent until the high gain side data is saturated, and the bit width of the difference data is about the bit width corresponding to the gain difference. Even if there are fluctuation factors such as sampling time lag, the bit width of the difference data may be smaller than the bit width of the original data. Therefore, in the data collection device according to the present invention, the amount of data to be stored in the memory means can be reduced as compared with the case where both the high gain side data and the low gain side data are stored in the memory means.

一方、高ゲイン側データが飽和しない状態であれば、差分データは高ゲイン側データと低ゲイン側データとの差情報を完全に反映している。したがって、データ復元手段により復元される高ゲイン側データは高ゲイン側A/D変換手段の出力と同一となり、必要に応じて低ゲイン側データと高ゲイン側データとを並行的に得ることができる。データ選択手段により信号飽和のない高分解能のデータを取得することができるが、例えばハードウエアデバッグを行いたい場合にはデータ選択手段による選択前の低ゲイン側データと高ゲイン側データとを取り出すようにすればよく、ハードウエアデバッグの容易性も確保することができる。   On the other hand, if the high gain side data is not saturated, the difference data completely reflects the difference information between the high gain side data and the low gain side data. Therefore, the high gain side data restored by the data restoring means is the same as the output of the high gain side A / D conversion means, and the low gain side data and the high gain side data can be obtained in parallel if necessary. . High resolution data without signal saturation can be acquired by the data selection means. For example, when hardware debugging is desired, the low gain side data and the high gain side data before selection by the data selection means are extracted. Therefore, it is possible to ensure the ease of hardware debugging.

なお、一般にADCでは一旦入力レンジを超えるような信号が入力されると、該信号のレベルが下がっても正常な変換動作が行える状態に回復するまでに少し時間が掛かる。そこで、前記データ選択手段では、データ復元手段により復元された高ゲイン側データが信号飽和した状態であると判定又は推定された時点から少なくとも所定時間、前記メモリ手段から読み出された低ゲイン側データを選択的に出力する構成とするとよい。   In general, once a signal exceeding the input range is input to the ADC, it takes a little time to recover to a state where a normal conversion operation can be performed even if the level of the signal decreases. Therefore, in the data selection means, the low gain side data read from the memory means for at least a predetermined time from the time when it is determined or estimated that the high gain side data restored by the data restoration means is in a signal saturation state. May be configured to selectively output.

本発明に係るデータ収集装置によれば、複数のADCで並行してA/D変換により得られた全てのデータをメモリに格納する従来の構成に比べて、メモリに格納すべきデータの量を削減しながら、必要に応じてA/D変換により得られた全データを取得することができる。それ故に、データを格納するメモリの容量を節約してコスト削減を図るとともに、全データを用いてハードウエアデバッグも容易に行うことが可能となる。   According to the data collection device of the present invention, the amount of data to be stored in the memory is reduced compared to the conventional configuration in which all the data obtained by the A / D conversion is stored in the memory in parallel by a plurality of ADCs. All data obtained by A / D conversion can be acquired as needed while reducing. Therefore, it is possible to reduce the cost by saving the capacity of a memory for storing data, and it is possible to easily perform hardware debugging using all data.

本発明の一実施例によるデータ収集装置のブロック構成図。1 is a block configuration diagram of a data collection device according to an embodiment of the present invention. 図1に示したデータ収集装置においてN=4とした場合のブロック構成図。FIG. 2 is a block diagram when N = 4 in the data collection device shown in FIG. 1. 図2に示したデータ収集装置におけるデータ収集動作を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the data collection operation | movement in the data collection device shown in FIG.

以下、本発明に係るデータ収集装置の一実施例について、添付図面を参照して説明する。
図1は本実施例によるデータ収集装置のブロック構成図、図2は図1に示したデータ収集装置においてN=4とした場合のブロック構成図である。また、図3は図2に示したデータ収集装置におけるデータ収集動作を説明するための模式図である。
Hereinafter, an embodiment of a data collection device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a block diagram of the data collection device according to this embodiment, and FIG. 2 is a block diagram of N = 4 in the data collection device shown in FIG. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a data collection operation in the data collection apparatus shown in FIG.

本実施例のデータ収集装置は、ゲインが1である高ゲイン側アンプ2a、ゲインが1/N(N>1)である低ゲイン側アンプ2b、高ゲイン側ADC3a、低ゲイン側ADC3b、FPGA(Field-Programmable Gate Array)又はASIC(Application Specific Integrated Circuit)などにより実現されるデータ収集処理部4、及びメモリ5から成る。高ゲイン側ADC3a及び低ゲイン側ADC3bはいずれもサンプリングレートが1〜4GHzでビット幅がnビットの高速ADCである。   The data collection device of the present embodiment includes a high gain side amplifier 2a having a gain of 1, a low gain side amplifier 2b having a gain of 1 / N (N> 1), a high gain side ADC 3a, a low gain side ADC 3b, an FPGA ( It comprises a data collection processing unit 4 and a memory 5 realized by a field-programmable gate array (ASIC) or an application specific integrated circuit (ASIC). The high gain side ADC 3a and the low gain side ADC 3b are both high-speed ADCs having a sampling rate of 1 to 4 GHz and a bit width of n bits.

アナログ信号入力端1には例えばTOFMSの検出器で得られるアナログ検出信号dが入力される。入力されるアナログ信号dは高ゲイン側アンプ2aと低ゲイン側アンプ2bとに並列に入力され、両アンプ2a、2bの出力d、d/Nはそれぞれ高ゲイン側ADC3aと低ゲイン側ADC3bに入力される。両ADC3a、3bはほぼ同時に(理想的には同時であるが現実には若干の時間ずれが生じる)信号をサンプリングしてA/D変換を行い、nビットのデータバスから1サンプルずつA/D変換後のデータを出力する。   For example, an analog detection signal d obtained by a TOFMS detector is input to the analog signal input terminal 1. The input analog signal d is input in parallel to the high gain side amplifier 2a and the low gain side amplifier 2b, and the outputs d and d / N of both amplifiers 2a and 2b are input to the high gain side ADC 3a and the low gain side ADC 3b, respectively. Is done. Both ADCs 3a and 3b sample signals at the same time (ideally at the same time, but actually have a slight time lag), perform A / D conversion, and perform A / D conversion one sample at a time from the n-bit data bus. Output the converted data.

低ゲイン側ADC3bから出力されたnビットのデータD/NはN倍の乗算器41に入力され、高ゲイン側ADC3aより出力されたnビットのデータD’を乗算器41の出力から減算した差分データΔD=D−D’が差分器42で算出される。即ち、ADC3a、3bから1サンプルずつデータが出力される毎に、そのサンプルに対応する差分データΔDが差分器42から出力される。低ゲイン側ADC3bから出力されるnビットの低ゲイン側デジタルデータD/Nと差分器42から出力されるmビットの差分データΔDとが1組としてメモリ5に格納される。   The n-bit data D / N output from the low gain side ADC 3 b is input to the N-times multiplier 41, and the difference obtained by subtracting the n bit data D ′ output from the high gain side ADC 3 a from the output of the multiplier 41. Data ΔD = DD ′ is calculated by the differentiator 42. That is, every time data is output sample by sample from the ADCs 3a and 3b, difference data ΔD corresponding to the sample is output from the differencer 42. The n-bit low gain side digital data D / N output from the low gain side ADC 3 b and the m bit difference data ΔD output from the differentiator 42 are stored in the memory 5 as a set.

図示しない後段のCPUやDSPなどでデータ処理を実施するためにデータを送出する際には、上記のように格納された低ゲイン側デジタルデータD/N及び差分データΔDがメモリ5から1組ずつ読み出される。読み出された低ゲイン側デジタルデータD/Nは上記乗算器41と同じN倍の乗算器43に入力される。差分器44で乗算器43の出力データDから上記差分データΔD(=D−D’)が減算されると、高ゲイン側ADC3aの出力に相当する高ゲイン側デジタルデータD’が復元される。そして、この復元された高ゲイン側デジタルデータD’と、N倍の乗算後の低ゲイン側デジタルデータDとがデータ選択部45に入力され、選択制御部46の指示に基づいて選択されたデジタルデータがデータ出力端6から出力される。データ選択部45への入力データはnビットであるが、データ選択部45では、低ゲイン側データが選択されたときにはLSB側のlog2Nビットに「0」を付加し、高ゲイン側データが選択されたときにはMSB側のlog2Nビットに「0」を付加する。つまり、データ選択部45から出力されるデータのビット幅はnからn+log2Nに拡張される。 When data is transmitted to perform data processing by a later stage CPU or DSP (not shown), the low gain side digital data D / N and the difference data ΔD stored as described above are stored from the memory 5 one by one. Read out. The read low gain side digital data D / N is input to a multiplier 43 that is N times the same as the multiplier 41. When the difference data ΔD (= DD ′) is subtracted from the output data D of the multiplier 43 by the difference unit 44, the high gain side digital data D ′ corresponding to the output of the high gain side ADC 3a is restored. Then, the restored high gain side digital data D ′ and the N times multiplied low gain side digital data D are input to the data selection unit 45 and selected based on an instruction from the selection control unit 46. Data is output from the data output terminal 6. Although the input data to the data selection unit 45 is n bits, the data selection unit 45 adds “0” to the log 2 N bit on the LSB side when the low gain side data is selected, and the high gain side data is When selected, “0” is added to the log 2 N bit on the MSB side. That is, the bit width of the data output from the data selection unit 45 is expanded from n to n + log 2 N.

アナログ信号入力端1から入力されるアナログ信号が高ゲイン側ADC3aのフルスケール入力レンジを超えるレベルである場合、該ADC3aでは飽和が生じてしまい正しいデータが出力されない。一方、このとき低ゲイン側ADC3bに入力されるアナログ信号のレベルは1/N(N>1)倍されるので、Nを或る程度大きな値にしておけば低ゲイン側ADC3bでは飽和を生じず、正しくA/D変換されたデータを出力することができる。そこで、データを選択出力する際に選択制御部46は、高ゲイン側デジタルデータが飽和しているか又はそれに準じたレベルであるか否かを判定し、そうである場合には低ゲイン側デジタルデータを選択し、そうでない場合には高ゲイン側デジタルデータを選択するように切替制御を行う。   When the analog signal input from the analog signal input terminal 1 is at a level exceeding the full-scale input range of the high gain side ADC 3a, the ADC 3a is saturated and correct data is not output. On the other hand, the level of the analog signal input to the low gain side ADC 3b at this time is multiplied by 1 / N (N> 1). Therefore, if N is set to a certain value, saturation does not occur in the low gain side ADC 3b. Thus, it is possible to output correctly A / D converted data. Therefore, when the data is selectively output, the selection control unit 46 determines whether the high gain side digital data is saturated or at a level corresponding thereto, and if so, the low gain side digital data is determined. If not, the switching control is performed so that the high gain side digital data is selected.

また、一般に、ADCは過大なアナログ信号が入力されて一旦飽和が生じると、入力アナログ信号のレベルが下がっても直ぐには適正なA/D変換動作が行えない。飽和が生じた時点からA/D変換動作が正常に復帰するまでの飽和リカバリー時間は予めADCの特性として規定されているから、高ゲイン側デジタルデータが飽和しているか又はそれに準じたレベルであると一旦判定されたならば、高ゲイン側デジタルデータが飽和していないとの判定に移行した後にも、飽和リカバリー時間にさらに所定のマージンを加算した時間が経過するまでは低ゲイン側デジタルデータの選択を継続し、その後に高ゲイン側デジタルデータの選択に切り替える。これにより、変換誤差が大きなデジタルデータを出力することを避けることができる。   In general, once an excessive analog signal is input and saturation occurs in the ADC, an appropriate A / D conversion operation cannot be performed immediately even if the level of the input analog signal decreases. Since the saturation recovery time from when saturation occurs until the A / D conversion operation returns to normal is defined in advance as ADC characteristics, the digital data on the high gain side is saturated or at a level equivalent thereto. Once the determination is made, it is determined that the high gain side digital data has not been saturated. Continue selection, then switch to high gain side digital data selection. Thereby, it is possible to avoid outputting digital data having a large conversion error.

次に、具体例を挙げて本実施例のデータ収集装置の動作を図2、図3により詳しく説明する。ここでは、ADC3a、3bとして1GHzサンプリングで12ビットのADCを用い、メモリ5のデータ幅はDDR系メモリで一般的な18ビットであるとする。図1中のnは12であり、1つのサンプルに対応する低ゲイン側デジタルデータ及び差分データをメモリ5に同時に読み書きできるように、差分データのビット幅を6とした。また、ゲインを決めるNを22=4とした。これにより、データ収集処理部4から出力されるデータのビット幅は14ビットになる。 Next, the operation of the data collection apparatus of this embodiment will be described in detail with reference to FIGS. Here, it is assumed that 12-bit ADCs with 1 GHz sampling are used as the ADCs 3a and 3b, and the data width of the memory 5 is 18 bits, which is common in DDR memories. In FIG. 1, n is 12, and the bit width of the difference data is set to 6 so that the low gain side digital data and difference data corresponding to one sample can be simultaneously read from and written to the memory 5. Further, N that determines the gain is set to 2 2 = 4. As a result, the bit width of the data output from the data collection processing unit 4 is 14 bits.

この場合、図3(a)に示すように、500MHzの基本クロックの半周期毎にADC3a、3bから12ビット幅のデータが出力される。いま、図3(b)に示すように、高ゲイン側ADC3aに入力されるアナログ信号の値は「100」、「94」、…、低ゲイン側ADC3bに入力されるアナログ信号の値は「30」、「22」、…、であるとする。理想的には、後者の値は前者の1/4(1/N)である筈だが、サンプリングのタイミングのずれやアンプ2a、2bのゲインのばらつきなどの要因により、正確に1/4とはなっていない(但し、この数値例は説明を理解し易くするための極端な値である)。この図3(b)に示した値をデジタル化したデータがADC3a、3bからそれぞれ出力される。なお、図3(c)以降の値は実際には、二値化されたデジタルデータであるが、ここでは分かり易く通常の十進法の数値で記す。   In this case, as shown in FIG. 3A, 12-bit width data is output from the ADCs 3a and 3b every half cycle of the 500 MHz basic clock. As shown in FIG. 3B, the value of the analog signal input to the high gain side ADC 3a is “100”, “94”,..., And the value of the analog signal input to the low gain side ADC 3b is “30”. ”,“ 22 ”,... Ideally, the latter value should be 1/4 (1 / N) of the former, but due to factors such as sampling timing shifts and variations in the gains of the amplifiers 2a and 2b, 1/4 is not exactly accurate. (However, this numerical example is an extreme value for easy understanding of the explanation). Data obtained by digitizing the values shown in FIG. 3B are output from the ADCs 3a and 3b, respectively. Note that the values after FIG. 3C are actually binarized digital data, but here they are written in ordinary decimal numbers for easy understanding.

図3(c)は乗算器41の出力データであり、図3(d)が差分器42による差分データΔDである。図3(b)中の「1023」というアナログ信号の値は高ゲイン側ADC3aのフルスケール入力レンジを超える値であり、そのときには差分データはMAXを示す。図3(b)上のアナログ信号値をA/D変換して得られた12ビット幅のデータと図3(d)に示した6ビット幅の差分データとが、合わせて18ビットのデータとしてメモリ5に同時に書き込まれる。   FIG. 3C shows the output data of the multiplier 41, and FIG. 3D shows the difference data ΔD by the differentiator 42. The value of the analog signal “1023” in FIG. 3B is a value exceeding the full-scale input range of the high gain side ADC 3a, and at that time, the difference data indicates MAX. The 12-bit width data obtained by A / D converting the analog signal value in FIG. 3B and the 6-bit width difference data shown in FIG. Simultaneously written to the memory 5.

データ送出時には、メモリ5から上記の18ビットデータが500MHzの基本クロックの半周期毎に読み出される(図3(e)参照)。図3(f)は乗算器43の出力データであり、図3(c)と同じ値となる。図3(g)は図3(f)と図3(e)下との差分を差分器44により計算した出力データである。入力アナログ信号が高ゲイン側ADC3aの入力レンジを超えていた場合を除き、図3(g)で示す値は図3(b)下に示した高ゲイン側ADC3aへの入力アナログ信号と同じ値となっており、高ゲイン側デジタルデータが完全に復元できていることが判る。選択制御部46はこの差分結果である高ゲイン側デジタルデータの値(又は低ゲイン側デジタルデータの値)に基づいて信号飽和が生じているか否かを判定し、その結果に基づいてデータ選択部45は低ゲイン側デジタルデータ又は高ゲイン側デジタルデータを選択して出力する(図3(h)参照)。   At the time of data transmission, the 18-bit data is read from the memory 5 every half cycle of the basic clock of 500 MHz (see FIG. 3E). FIG. 3F shows the output data of the multiplier 43, which has the same value as in FIG. FIG. 3G shows output data obtained by calculating the difference between FIG. 3F and the lower part of FIG. Unless the input analog signal exceeds the input range of the high gain side ADC 3a, the value shown in FIG. 3G is the same as the input analog signal to the high gain side ADC 3a shown in FIG. It can be seen that the digital data on the high gain side can be completely restored. The selection control unit 46 determines whether signal saturation has occurred based on the value of the high gain side digital data (or the value of the low gain side digital data) that is the difference result, and based on the result, the data selection unit 45 selects and outputs low gain side digital data or high gain side digital data (see FIG. 3H).

なお、この例では、信号飽和と判定された直後に高ゲイン側デジタルデータを選択するようにしているが、実際には上述したように飽和リカバリー時間を考慮して低ゲイン側デジタルデータの選択を所定時間継続するとよい。   In this example, the digital data on the high gain side is selected immediately after the signal saturation is determined, but in reality, the digital data on the low gain side is selected in consideration of the saturation recovery time as described above. It is good to continue for a predetermined time.

ADC3a、3bによりそれぞれ得られた12ビット幅の高ゲイン側デジタルデータと低ゲイン側デジタルデータとを共にメモリに格納する従来の構成では、18ビット幅のDDR系メモリが2個必要になる。これに対し、上記実施例の構成では、12ビット幅の低ゲイン側デジタルデータと6ビット幅の差分データとを18ビット幅のメモリ領域に割り当てているため、DDR系メモリは1個で済むことになる。このように、本実施例のデータ収集装置では、必要となるメモリ数を減らしてコスト削減を図ることができる。また、例えば、データ選択部45の2系統の入力側からそれぞれデータを取り出すか、或いは選択制御部46において一方のデータを強制的に選択できるようにしておくことにより、高ゲイン側デジタルデータと低ゲイン側デジタルデータの全てを取り出すことが可能であり、これらデータを用いてハードウエアデバッグを容易に行うことができる。   In the conventional configuration in which both the 12-bit high gain digital data and the low gain digital data obtained by the ADCs 3a and 3b are stored in the memory, two 18-bit DDR memories are required. On the other hand, in the configuration of the above embodiment, the low gain side digital data of 12 bits and the difference data of 6 bits are allocated to the memory area of 18 bits, so that only one DDR system memory is required. become. As described above, in the data collection device according to the present embodiment, the number of necessary memories can be reduced to reduce the cost. Further, for example, by extracting data from the two input sides of the data selection unit 45 or by allowing the selection control unit 46 to forcibly select one of the data, the high gain side digital data and the low data are reduced. It is possible to extract all of the gain side digital data, and hardware debugging can be easily performed using these data.

なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。   It should be noted that the above embodiment is an example of the present invention, and it is obvious that any modification, correction, or addition as appropriate within the scope of the present invention is included in the scope of the claims of the present application.

1…アナログ信号入力端
2a…高ゲイン側アンプ
2b…低ゲイン側アンプ
3a…高ゲイン側ADC
3b…低ゲイン側ADC
4…データ収集処理部
41、43…乗算器
42、44…差分器
45…データ選択部
46…選択制御部
5…メモリ
6…データ出力端
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Analog signal input terminal 2a ... High gain side amplifier 2b ... Low gain side amplifier 3a ... High gain side ADC
3b ... Low gain ADC
4 ... Data collection processing units 41, 43 ... Multipliers 42, 44 ... Difference unit 45 ... Data selection unit 46 ... Selection control unit 5 ... Memory 6 ... Data output terminal

Claims (1)

入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換してデジタルデータとして収集するデータ収集装置であって、
a)入力されるアナログ信号を第1のゲインで増幅したあとにデジタル信号に変換する高ゲイン側A/D変換手段と、
b)該高ゲイン側A/D変換手段と並行して、前記入力されるアナログ信号を前記第1のゲインよりも低い第2のゲインで増幅したあとにデジタル信号に変換する低ゲイン側A/D変換手段と、
c)前記第1及び第2のゲインの差に相当する定数を前記低ゲイン側A/D変換手段による低ゲイン側データに乗じる又は該定数で前記高ゲイン側A/D変換手段による高ゲイン側データを除する処理を行った後に、その処理後の低ゲイン側データ又は高ゲイン側データと高ゲイン側データ又は低ゲイン側データとの差分を求める差分データ算出手段と、
d)前記低ゲイン側データと前記差分データ算出手段による差分データとを記憶するメモリ手段と、
e)前記メモリ手段から読み出された低ゲイン側データと差分データとを用いて高ゲイン側データを復元するデータ復元手段と、
f)前記データ復元手段により復元された高ゲイン側データが信号飽和した状態であるか否かを判定又は推定し、その結果に基づいて、前記メモリ手段から読み出された低ゲイン側データと前記データ復元手段により復元された高ゲイン側データの一方を選択して出力するデータ選択手段と、
を備えることを特徴とするデータ収集装置。
A data collection device that converts an input analog signal into a digital signal and collects it as digital data,
a) high gain side A / D conversion means for amplifying an input analog signal with a first gain and then converting it to a digital signal;
b) In parallel with the high gain side A / D conversion means, the input analog signal is amplified with a second gain lower than the first gain and then converted into a digital signal, and then converted into a digital signal. D conversion means;
c) Multiplying the low gain side data by the low gain side A / D conversion means by a constant corresponding to the difference between the first and second gains, or using this constant, the high gain side by the high gain side A / D conversion means After performing the process of removing the data, difference data calculation means for obtaining a difference between the low gain side data or high gain side data and the high gain side data or low gain side data after the process;
d) memory means for storing the low gain side data and difference data by the difference data calculating means;
e) data restoration means for restoring the high gain side data using the low gain side data and the difference data read from the memory means;
f) Determine or estimate whether the high gain side data restored by the data restoration means is in a signal saturated state, and based on the result, the low gain side data read from the memory means and the data Data selection means for selecting and outputting one of the high gain side data restored by the data restoration means;
A data collection device comprising:
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6533749B2 (en) * 2016-01-20 2019-06-19 日本電子株式会社 Mass spectrometer and mass spectrometry method
CN113285715A (en) * 2021-04-29 2021-08-20 中震华创(深圳)技术有限公司 30-bit high dynamic range data acquisition unit

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09166491A (en) * 1995-10-14 1997-06-24 Horiba Ltd Method and circuit for processing interferogram
JP3632328B2 (en) * 1995-11-30 2005-03-23 日本ビクター株式会社 A / D converter
US6445328B1 (en) * 2001-03-22 2002-09-03 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Large dynamic range digitizing apparatus and method
US7123894B2 (en) * 2002-12-16 2006-10-17 Harris Corporation Dynamic range extension system and method
JP2007256251A (en) * 2006-02-24 2007-10-04 Hitachi High-Technologies Corp Data collection processor
JP2008065962A (en) * 2006-09-11 2008-03-21 D & M Holdings Inc Data-recording device
WO2011030518A1 (en) * 2009-09-14 2011-03-17 株式会社日立ハイテクノロジーズ Signal processing device, mass spectrometer, and photometer

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