JP7113646B2 - 増幅器及び当該増幅器のオフセット調整方法 - Google Patents
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Description
これに対し、センサ回路から入力された差動信号に含まれるオフセット電圧(オフセット成分)を計装アンプで調整する場合、図8に示すように、一般的に、シングルエンドアンプにオフセット調整回路を接続する方法が取られる。しかしながら、この場合、アンプ部で信号成分と共にオフセット成分も増幅されるため、計装アンプのゲインをあまり大きく取れないという課題がある。
一方、アンプ部に入力されるオフセット電圧が大きい又はアンプ部のゲインが大きいことにより、アンプ部の出力電圧がADCの入力レンジ外となると、ADCの出力が飽和する。例えば、スマートロボットに用いられるトルクセンサでは、組立の際に生じる応力の影響によりオフセット電圧の変動が大きくなる場合があり、ADCの出力が飽和する場合がある。この状態では、計装アンプは、ADCの出力からオフセット電圧を正確に算出できず、適切なオフセット調整信号が生成できない。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る計装アンプ(増幅器)1の構成例を示す図である。図1では、計装アンプ1が接続されるセンサ回路2も図示されている。センサ回路2は、トルクセンサ又は圧力センサ等であり、ホイートストンブリッジ回路等のように差動信号を出力する回路である。
計装アンプ1は、センサ回路2に接続され、センサ回路2から入力された差動信号に対し、コモンモード成分を除去して信号成分の増幅を行う。また、計装アンプ1は、差動信号に含まれるオフセット電圧(オフセット成分)を調整する機能も有している。この計装アンプ1は、図1に示すように、オフセット調整機能付きアンプ部11、ADC(アナログデジタルコンバータ)12、DAC(デジタルアナログコンバータ)13及び調整部14を備えている。また、オフセット調整機能付きアンプ部11は、アンプ部15及びオフセット調整回路16を有している。
計装アンプ1では、オフセット調整回路16により、アンプ部15に入力される差動信号に対して適切なオフセット調整信号を注入することで、この差動信号に含まれるオフセット電圧を調整できる。オフセット電圧はADC12の出力から算出でき、計装アンプ1は、オフセット調整信号を下式(1)の関係が成り立つように調整する。式(1)においてVinはオフセット電圧である。
Vt1-Vt2=3×Vin(1)
Vt1=(3/2)×Vin(2)
Vt2=-(3/2)×Vin (3)
そこで、実施の形態1に係る計装アンプ1では、ADC12の出力の飽和有無を確認し、出力が飽和していると判定した場合には、まず、ADC12に入力される差動信号の電圧を入力レンジ内となるように電圧調整(粗調整)を行う。これにより、計装アンプ1は、ADC12に入力される差動信号の電圧を入力レンジ内とすることができ、ADC12の出力からオフセット電圧を算出可能となる。その後、計装アンプ1は、式(1)~(3)に従い、算出したオフセット電圧が目標閾値内となるように電圧調整(微調整)を行う。
飽和判定部1401による動作例では、図4に示すように、飽和判定部1401は、まず、ADC12の変換値を読出す(ステップST401)。なお、ADC12による変換後の差動信号の値は、回路雑音等の影響により多少変動する。そのため、飽和判定部1401は、ADC12の変換値として、ADC12による変換後の複数回分の差動信号の電圧値を平均した電圧値を用いることが望ましい。
このステップST402において、飽和判定部1401は、ADC12の変換値が最大値又は最小値であると判定した場合には、ADC12の出力が飽和していると判定する(ステップST403)。
一方、ステップST402において、飽和判定部1401は、ADC12の変換値が最大値又は最小値ではないと判定した場合には、ADC12の出力は飽和していないと判定する(ステップST404)。
粗調整部1402による動作例では、図5に示すように、粗調整部1402は、まず、オフセット調整信号の調整回数を1に初期化する(ステップST501)。
Vt1=Vt1+Vx (4)
Vt2=Vt2-Vx (5)
微調整部1403による動作例では、図6に示すように、微調整部1403は、まず、オフセット調整信号の調整回数を1に初期化する(ステップST601)。
また、オフセット電圧は下式(6)から求まる。式(6)におけるVzeroは、ADC12のLSB(量子化単位:Least Signficant Bit)であり、ADC12の基準電圧をビット数で割った値となる。また、式(6)におけるGainは、アンプ部15の増幅率であり、アンプ部15の構成から求まる。このVzero及びGainは事前に求まる。
Vin=ADC12の変換値×Vzero/Gain (6)
Vt1=Vt1+(3/2)×Vin (7)
Vt2=Vt2-(3/2)×Vin (8)
なお、このステップST608において、微調整部1403は、エラーとは判定せず、この時点でのオフセット電圧を最小値と認めてシーケンスを終了してもよい。
この計装アンプ1は、圧力計、ひずみ計又は熱線風速計等のようにセンサ回路2を有するセンサにおいて、オフセット電圧を調整するのに有効である。
2 センサ回路
11 オフセット調整機能付きアンプ部
12 ADC
13 DAC
14 調整部
15 アンプ部
16 オフセット調整回路
1401 飽和判定部
1402 粗調整部
1403 微調整部
Claims (3)
- 入力された差動信号を増幅するアンプ部と、
前記アンプ部による増幅後の差動信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタルコンバータと、
差動信号であるオフセット調整信号を出力するデジタルアナログコンバータと、
前記アンプ部に接続され、前記デジタルアナログコンバータにより出力されたオフセット調整信号により、当該アンプ部に入力される差動信号に含まれるオフセット電圧を調整するオフセット調整回路と、
前記アナログデジタルコンバータによる変換後の差動信号の電圧値を読出し、当該アナログデジタルコンバータの出力が飽和しているか否かを判定する飽和判定部と、
前記飽和判定部により出力が飽和していると判定された場合に、前記アンプ部による増幅後の差動信号の電圧が前記アナログデジタルコンバータの入力レンジ内に収まるように、前記デジタルアナログコンバータにより出力されるオフセット調整信号の電圧を調整する粗調整を行う粗調整部と、
前記飽和判定部により出力が飽和していないと判定された場合又は前記粗調整部による粗調整が完了した場合に、前記アンプ部に入力される差動信号に含まれるオフセット電圧が目標閾値内に収まるように、前記デジタルアナログコンバータにより出力されるオフセット調整信号の電圧を調整する微調整を行う微調整部とを備え、
前記粗調整部は、前記アナログデジタルコンバータの出力が飽和していない状態となるまで、前記デジタルアナログコンバータにより出力されるオフセット調整信号を構成する2つの信号のうちの一方に固定電圧を加算し、他方から当該固定電圧を減算する
ことを特徴とする増幅器。 - 前記微調整部は、前記アンプ部に入力される差動信号に含まれるオフセット電圧が目標閾値内となるまで、前記デジタルアナログコンバータにより出力されるオフセット調整信号を構成する2つの信号のうちの一方に当該オフセット電圧の3/2倍の電圧を加算し、他方から当該オフセット電圧の3/2倍の電圧を減算する
ことを特徴とする請求項1記載の増幅器。 - 入力された差動信号を増幅するアンプ部と、前記アンプ部による増幅後の差動信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタルコンバータと、差動信号であるオフセット調整信号を出力するデジタルアナログコンバータと、前記アンプ部に接続され、前記デジタルアナログコンバータにより出力されたオフセット調整信号により、当該アンプ部に入力される差動信号に含まれるオフセット電圧を調整するオフセット調整回路とを備えた増幅器のオフセット調整方法であって、
飽和判定部が、前記アナログデジタルコンバータによる増幅後の差動信号の電圧値を読出し、当該アナログデジタルコンバータの出力が飽和しているか否かを判定するステップと、
粗調整部が、前記飽和判定部により出力が飽和していると判定された場合に、前記アンプ部による増幅後の差動信号の電圧が前記アナログデジタルコンバータの入力レンジ内に収まるように、前記デジタルアナログコンバータにより出力されるオフセット調整信号の電圧を調整する粗調整を行うステップと、
微調整部が、前記飽和判定部により出力が飽和していないと判定された場合又は前記粗調整部による粗調整が完了した場合に、前記アンプ部に入力される差動信号に含まれるオフセット電圧が目標閾値内に収まるように、前記デジタルアナログコンバータにより出力されるオフセット調整信号の電圧を調整する微調整を行うステップとを有し、
前記粗調整部は、前記アナログデジタルコンバータの出力が飽和していない状態となるまで、前記デジタルアナログコンバータにより出力されるオフセット調整信号を構成する2つの信号のうちの一方に固定電圧を加算し、他方から当該固定電圧を減算する
ことを特徴とする増幅器のオフセット調整方法。
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