JP7509450B2

JP7509450B2 - 多重範囲材料測定における遷移効果を減少させるためのレンジングシステムおよび方法

Info

Publication number: JP7509450B2
Application number: JP2022565606A
Authority: JP
Inventors: ヒューストンフォートニー，
Original assignee: レイクショアクライオトロニクスインコーポレイテッド
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2021-04-27
Publication date: 2024-07-02
Anticipated expiration: 2041-04-27

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、そのそれぞれが、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、２０２０年４月２８日に出願されたＦｏｒｔｎｅｙへの米国仮特許出願第６３／０１６，７４７号「ＡＤＶＡＮＣＥＤＡＮＡＬＯＧ－ＴＯ－ＤＩＧＩＴＡＬＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮＳＹＳＴＥＭＳＡＮＤＭＥＴＨＯＤＳ」、および２０２０年６月３日に出願されたＦｏｒｔｎｅｙへの米国仮特許出願第６３／０３４，０５２号「ＡＤＶＡＮＣＥＤＤＩＧＩＴＡＬ－ＴＯ－ＡＮＡＬＯＧＳＩＧＮＡＬＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮＳＹＳＴＥＭＳＡＮＤＭＥＴＨＯＤＳ」、および２０２０年７月２８日に出願されたＦｏｒｔｎｅｙへの米国仮特許出願第６３／０５７，７４５号「ＳＹＮＣＨＲＯＮＯＵＳＳＯＵＲＣＥＭＥＡＳＵＲＥＳＹＳＴＥＭＳＡＮＤＭＥＴＨＯＤＳ」の優先権を主張する。

本開示は、測定システムおよび方法に関する。より具体的には、これは、測定において使用される電子機器のレンジングの変化によって引き起こされるグリッチまたは誤差を回避することに関する。より一般的には、これは、信号供給および信号測定のための電子機器、分析器具類、ソフトウェア、およびインフラストラクチャに関する。本開示はまた、高レベルの雑音および干渉を引き起こし得る困難な実験条件下で材料およびデバイス特性評価および他の用途のために信号を測定するシステムに関する。

材料およびデバイス性質測定（例えば、ホール、移動度、およびキャリア濃度等の電子輸送性質等）は、多くの場合、性質の数ディケードまたは数桁の変化にわたる連続的測定を要求する。これを捕捉することは、分析電子機器の１つのセットを別のものに切り替えることを要求し、異なる電子機器は、測定される性質における異なる範囲（例えば、数ディケードまたは数桁）のために構成される。本切替は、測定信号におけるグリッチおよび／またはギャップを引き起こす。これはまた、測定を損なわせ得る過渡事象を引き起こすことによって等、他の方法でデータ収集プロセスを妨害する。

アナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）は、これらの測定システムにおいて測定信号の増幅、フィルタリング、サンプリング、およびデジタル化を行う電子機器において重要な役割を果たす。したがって、ＡＤＣ信号処理は、測定される性質の範囲を含む、動作条件のために慎重に構成されなければならない。しかし、１つの範囲に関してＡＤＣシステムを慎重に構成することは、これをその他に関して不適当にする可能性が高い。これは、特に、性質が範囲を横断して変動するとき、誤差につながり得る。選択的増幅が、これらの誤差に対処することができる。しかしながら、増幅器は、その独自の誤差を導入する。それらの誤差は、増幅器雑音、オフセット、利得誤差、および位相不整合に由来する。加えて、いくつかの範囲にわたって利得を慎重に構成することは、殆どの増幅システムに欠如している柔軟性を要求する。小さい信号は、分解能および雑音性能を増加させるために、大きい利得を必要とする。信号が、測定の過程にわたって大きくなると、その同一の大きい利得が、ＡＤＣを飽和させ得る。これは、歪みおよび信号損失を引き起こし得る。

利得を構成する際の柔軟性を高めるために、増幅器段は、オンおよびオフ、または信号チェーンのインおよびアウトに切り替えられることができる。任意の所与の時点で、オンに切り替えられた増幅器は、現在の信号範囲のために構成されるものである。信号が別の範囲に入ると、システムは、新しい範囲のために構成された別の増幅器チェーンに切り替わる。しかしながら、測定におけるグリッチングおよび不連続性が、多くの場合、遷移の間に現れる。

図１は、従来通りにレンジングされた測定におけるその効果を示す。具体的には、図１は、測定信号が遷移ｔ_ＴＲを通してより低い範囲ｒ１からより高い範囲ｒ２に増加するときにもたらされる不連続性Ｄにわたる従来のレンジングデータ１０４を示す。図２は、図１に示される不連続性Ｄを引き起こし得る従来のレンジング設定１２０の実施例を示す。従来のレンジング設定１２０は、２つの利得チェーンＡおよびＢを含む。利得チェーンＡは、より低い範囲ｒ１（図１）の専用であり、そのために構成される。具体的には、増幅器Ｇ_ＡおよびＡＤＣＡの利得は両方とも、より低い範囲ｒ１のために構成される。利得チェーンＢは、より高い範囲ｒ２（図２）専用であり、そのために構成される。これは、増幅器Ｇ_ＢおよびＡＤＣＢの利得がｒ２のために構成されることを意味する。

測定信号が小さい（すなわち、より低い範囲ｒ１内にある）とき、レンジング設定１２０のチャネル選択コンポーネント１２２が、利得チェーンＡを選択する。測定信号がより高い範囲ｒ２に向かって増加し、ｔ_ＴＲにおける範囲の間で遷移する際、チャネル選択コンポーネント１２２は、電子機器利得チェーンＢを従事させる。このように、チャネル選択コンポーネント１２２は、測定システムが２つの異なる範囲にわたって構成された利得を有することを確実にすることを試みる。しかしながら、図１に図式的に示されるように、遷移ｔ_ＴＲは、測定データにおいて不連続性Ｄを導入し得る。これは、利得チェーンＡおよびＢの間の切替が、遷移先の範囲にわたって測定すること専用の機器の「ウォームアップ」または使用開始からもたらされる過渡信号、雑音、またはグリッチを導入し得るためである。

不連続性Ｄは、２つのタイプのレンジング誤差をもたらす。これらの誤差は、２つの範囲（例えば、ｒ１およびｒ２）が異なる構成された増幅器プロファイル（それぞれ、ＡおよびＢ）を有するときに生じる。第１のタイプの誤差では、増幅器プロファイル不整合は、測定される出力電圧において不要な振幅不連続性または揺れ（ΔＶ）を引き起こす。第２のタイプである時間的データ不連続性では、データフローが、範囲間の遷移の間に遮断され得る。図１では、これは、ｔ_ＴＲからｔ_Ｂまでの期間におけるデータギャップに現れている。時間的データ不連続性は、変化する範囲が「ウォームアップ」または従事される新しい電子機器、具体的には、プロファイルＢと関連付けられる増幅器を伴うときに起こる。データを収集することは、これらの過渡事象が消散するまで不正確または不可能である。増幅器プロファイルＡと関連付けられる増幅器のクールダウンまたは停止からの過渡事象もまた、測定システムにおいて遅延またはグリッチを引き起こし得る。

不連続性Ｄを排除するために１２０のような設定を構成することは、困難または不可能である。構成は、コンポーネント（Ｇ_Ａ、ＡＤＣＡ、Ｇ_Ｂ、およびＡＤＣＢ）の単純さおよび変動性の欠如によって限定される。したがって、測定信号が数ディケードまたは数桁にわたって変動する際であっても、堅牢で高品質な低雑音源または測定信号を提供するための新しい改良された解決策の重大な必要性が、存在する。図１に示されるような不連続性を減少させる、または排除する範囲の間のより平滑な遷移を提供するための柔軟な解決策の重大な必要性が、存在する。

本開示の側面は、アナログ入力信号を増幅するように構成される、利得チェーンと、アナログ入力信号と複数のＡＤＣからの複数のアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）出力との間の利得を選択するように構成される、範囲セレクタであって、各ＡＤＣ出力は、経路を有し、各出力経路の利得は、利得チェーンにおける複数の利得段から構成され得る、範囲セレクタと、複数のＡＤＣ出力を単一の混合出力に組み合わせるように構成される、ミキサとを備える、測定システムを含む。

複数のＡＤＣは、第１のＡＤＣと、第２のＡＤＣとを備えてもよい。複数のＡＤＣ出力を組み合わせるステップは、混合出力＝αＥ_{ｆｉｒｓｔ}＋（１－α）Ｅ_{ｓｅｃｏｎｄ}に従って実施されてもよく、Ｅ_{ｆｉｒｓｔ}は、第１のＡＤＣの出力であってもよく、Ｅ_{ｓｅｃｏｎｄ}は、第２のＡＤＣの出力であってもよく、αは、１からゼロに変動する混合パラメータであってもよい。本システムは、２つまたはそれを上回るＡＤＣを備えてもよい。利得チェーンの第１の部分は、複数のＡＤＣのうちの第１のものに接続されてもよく、利得チェーンの第２の部分は、複数のＡＤＣのうちの第２のものに接続されてもよい。範囲セレクタは、利得チェーンの第１の部分から複数のＡＤＣのうちの第１のものに関する利得を選択してもよく、利得チェーンの第２の部分から複数のＡＤＣのうちの第２のものに関する利得を選択してもよい。利得チェーンにおける利得段はそれぞれ、１つまたはそれを上回るスイッチバンクを介して複数のＡＤＣのそれぞれに接続されてもよい。範囲セレクタは、１つまたはそれを上回るスイッチバンクにおけるスイッチを設定することによって、複数のＡＤＣのうちの第１のものに関する共有利得段の第１の部分および複数のＡＤＣのうちの第２のものに関する共有利得段の第２の部分を選択してもよい。範囲セレクタは、第１および第２のマルチプレクサを備えてもよい。第１のマルチプレクサは、共有利得段の第１の部分を選択してもよい。第２のマルチプレクサは、共有利得段の第２の部分を選択してもよい。

共有利得段の第１の部分の選択は、複数のＡＤＣのうちの第１のものに関する利得を構成するステップを含んでもよく、共有利得段の第２の部分の選択は、複数のＡＤＣのうちの第２のものに関する利得を構成するステップを含んでもよい。複数のＡＤＣのうちの第１および第２のものに関する利得を構成するステップは、入力信号の少なくとも１つの範囲に従って利得を構成するステップを含んでもよい。ミキサは、入力信号が第１の範囲内にあり得るとき、単一の混合出力として第１のＡＤＣからの出力を選択するように構成されてもよい。ミキサは、入力信号が第２の範囲内にあり得るとき、単一の混合出力として第２のＡＤＣからの出力を選択するように構成されてもよい。ミキサは、入力信号が第１および第２の範囲の間にあり得るとき、単一の混合出力として第１および第２のＡＤＣからの出力の混合物を選択するように構成されてもよい。

本システムは、入力信号が第１の範囲内にあり得るとき、第１の遷移周期の間に第２のＡＤＣをオンラインに維持してもよい。本システムは、入力信号が第２の範囲内にあり得るとき、第２の周期の間に第１のＡＤＣをオンラインに維持してもよい。範囲セレクタは、入力信号の予想範囲に基づいて、第１のＡＤＣおよび第２のＡＤＣのうちの少なくとも１つに関する利得を構成するように構成されてもよい。ヒステリシス周期の間、本システムは、第１のＡＤＣをオフラインに維持してもよい。本システムは、第２のＡＤＣをオンラインに維持してもよい。本システムは、第２のＡＤＣの利得を一定に維持してもよい。ヒステリシス周期は、第１の遷移周期と第２の遷移周期との間であってもよい。

複数のＡＤＣ出力経路は、高範囲および低範囲経路に独立して構成され得る、２つのＡＤＣ出力経路を備えてもよい。低範囲経路は、アナログ入力信号を変換するための第１の利得を有してもよい。高範囲経路は、アナログ入力信号を変換するための第２の利得を有してもよい。第２の利得は、第１の利得よりも低くてもよい。経路は、より低い範囲の出力をより高い範囲の出力と組み合わせるように構成される、混合デバイスを備えてもよい。本システムは、低範囲経路および高範囲経路から組み合わせられた利得の量を変動させるように構成される、デバイスを備えてもよい。高範囲経路は、第１の利得チェーンに接続されてもよく、低範囲経路は、第２の利得チェーンに接続されてもよい。本システムは、第１の利得に関する第１の利得チェーンの利得段を選択し、第２の利得に関する第２の利得チェーンの利得段を選択するためのセレクタを備えてもよい。第１および第２の利得はそれぞれ、低範囲経路および高範囲経路に共通の利得チェーンにおける利得段を備えてもよい。各出力経路の利得は、実質的に同一であってもよい。ミキサは、各経路からの出力を平均化し、単一の出力における雑音を低減させてもよい。

本開示の側面はさらに、利得チェーンを使用してアナログ入力信号を増幅するステップと、アナログ入力信号と複数のＡＤＣからの複数のアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）出力との間の利得を選択するステップであって、各ＡＤＣ出力は、経路を有し、各出力経路の利得は、利得チェーンにおける利得段から構成され得る、ステップと、複数のＡＤＣ出力を単一の混合出力に組み合わせるステップとを含んでもよい。

利得チェーンの第１の部分は、複数のＡＤＣのうちの第１のものに接続されてもよく、利得チェーンの第２の部分は、複数のＡＤＣのうちの第２のものに接続されてもよい。利得チェーンにおける利得段はそれぞれ、１つまたはそれを上回るスイッチバンクを介して複数のＡＤＣのそれぞれに接続されてもよい。本方法はさらに、２つのＡＤＣ出力経路を独立して高範囲および低範囲経路に構成するステップを含んでもよい。本方法は、低範囲経路からの第１の利得を適用し、アナログ入力信号を変換するステップを含んでもよい。本方法は、高範囲経路からの第２の利得を適用し、アナログ入力信号を変換するステップを含み、第２の利得は、第１の利得よりも低くてもよい。本方法は、より低い範囲の出力をより高い範囲の出力と組み合わせるステップを含んでもよい。本方法は、高範囲経路および低範囲経路から組み合わせられた利得の量を変動させるステップを含んでもよい。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
測定システムであって、
アナログ入力信号を増幅するように構成される利得チェーンと、
前記アナログ入力信号と複数のアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）からの複数のＡＤＣ出力との間の利得を選択するように構成される範囲セレクタであって、各ＡＤＣ出力は、経路を有し、各出力経路の利得は、前記利得チェーンにおける複数の利得段から構成される、範囲セレクタと、
前記複数のＡＤＣ出力を単一の混合出力に組み合わせるように構成されるミキサと
を備える、測定システム。
（項目２）
前記複数のＡＤＣは、第１のＡＤＣと、第２のＡＤＣとを備え、
前記複数のＡＤＣ出力を組み合わせることは、
混合出力＝αＥ _{ｆｉｒｓｔ} ＋（１－α）Ｅ _{ｓｅｃｏｎｄ}
に従って実施され、
式中、
Ｅ _{ｆｉｒｓｔ} は、前記第１のＡＤＣの出力であり、
Ｅ _{ｓｅｃｏｎｄ} は、前記第２のＡＤＣの出力であり、
αは、１からゼロに変動する混合パラメータである、
項目１に記載のシステム。
（項目３）
２つまたはそれを上回るＡＤＣを備える、項目１および２のいずれか１項に記載のシステム。
（項目４）
前記利得チェーンの第１の部分は、前記複数のＡＤＣのうちの第１のものに接続され、前記利得チェーンの第２の部分は、前記複数のＡＤＣのうちの第２のものに接続されることと、
前記複数のＡＤＣは、少なくとも２つのタイプのＡＤＣを備えることと
のうちの少なくとも１つである、項目１－３のいずれか１項に記載のシステム。
（項目５）
前記範囲セレクタは、前記利得チェーンの第１の部分から前記複数のＡＤＣのうちの第１のものに関する利得を選択し、前記利得チェーンの第２の部分から前記複数のＡＤＣのうちの第２のものに関する利得を選択する、項目４に記載のシステム。
（項目６）
前記利得チェーンにおける前記利得段はそれぞれ、１つまたはそれを上回るスイッチバンクを介して前記複数のＡＤＣのそれぞれに接続される、項目１－５のいずれか１項に記載のシステム。
（項目７）
前記範囲セレクタは、前記１つまたはそれを上回るスイッチバンクにおけるスイッチを設定することによって、前記複数のＡＤＣのうちの第１のものに関する前記共有利得段の第１の部分および前記複数のＡＤＣのうちの第２のものに関する前記共有利得段の第２の部分を選択する、項目６に記載のシステム。
（項目８）
前記範囲セレクタは、第１および第２のマルチプレクサを備え、
前記第１のマルチプレクサは、前記共有利得段の第１の部分を選択し、前記第２のマルチプレクサは、前記共有利得段の第２の部分を選択する、
項目６に記載のシステム。
（項目９）
前記共有利得段の第１の部分の選択は、前記複数のＡＤＣのうちの第１のものに関する利得を構成することを含み、前記共有利得段の第２の部分の選択は、前記複数のＡＤＣのうちの第２のものに関する利得を構成することを含む、項目８に記載のシステム。
（項目１０）
前記複数のＡＤＣのうちの第１および第２のものに関する利得を構成することは、前記入力信号の少なくとも１つの範囲に従って前記利得を構成することを含む、項目９に記載のシステム。
（項目１１）
前記ミキサは、
前記入力信号が第１の範囲内にあるとき、前記単一の混合出力として第１のＡＤＣからの出力を選択することと、
前記入力信号が第２の範囲内にあるとき、前記単一の混合出力として第２のＡＤＣからの出力を選択することと、
前記入力信号が前記第１および第２の範囲の間にあるとき、前記単一の混合出力として前記第１および第２のＡＤＣからの前記出力の混合物を選択することと
を行うように構成される、項目１－１０のいずれか１項に記載のシステム。
（項目１２）
前記システムは、
前記入力信号が前記第１の範囲内にあるとき、第１の遷移周期の間に前記第２のＡＤＣをオンラインに維持し、
前記入力信号が前記第２の範囲内にあるとき、第２の周期の間に前記第１のＡＤＣをオンラインに維持する、
項目１１に記載のシステム。
（項目１３）
前記範囲セレクタは、前記入力信号の予想範囲に基づいて、前記第１のＡＤＣおよび第２のＡＤＣのうちの少なくとも１つに関する利得を構成するように構成される、項目１２に記載のシステム。
（項目１４）
ヒステリシス周期の間、前記システムは、
前記第１のＡＤＣをオフラインに維持し、
前記第２のＡＤＣをオンラインに維持し、
前記第２のＡＤＣの利得を一定に維持する、
項目１２に記載のシステム。
（項目１５）
前記ヒステリシス周期は、前記第１の遷移周期と前記第２の遷移周期との間である、項目１４に記載のシステム。
（項目１６）
前記複数のＡＤＣ出力経路は、
高範囲経路および低範囲経路に独立して構成され得る２つのＡＤＣ出力経路であって、
前記低範囲経路は、前記アナログ入力信号を変換するための第１の利得を有し、
前記高範囲経路は、前記アナログ入力信号を変換するための第２の利得を有し、前記第２の利得は、前記第１の利得よりも低い、
２つのＡＤＣ出力経路と、
前記より低い範囲の出力を前記より高い範囲の出力と組み合わせるように構成される混合デバイスと、
前記低範囲経路および前記高範囲経路から組み合わせられた利得の量を変動させるように構成されるデバイスと
を備える、項目１－１５のいずれか１項に記載のシステム。
（項目１７）
前記高範囲経路は、第１の利得チェーンに接続され、前記低範囲経路は、第２の利得チェーンに接続される、項目１６に記載のシステム。
（項目１８）
前記第１の利得に関する前記第１の利得チェーンの利得段を選択し、前記第２の利得に関する前記第２の利得チェーンの利得段を選択するためのセレクタをさらに備える、項目１６に記載のシステム。
（項目１９）
前記第１および第２の利得はそれぞれ、前記低範囲経路および前記高範囲経路に共通の利得チェーンにおける利得段を備える、項目１６に記載のシステム。
（項目２０）
各出力経路の前記利得は、実質的に同一であり、
前記ミキサは、各経路からの前記出力を平均化し、前記単一の出力における雑音を低減させる、
項目１－１９のいずれか１項に記載のシステム。
（項目２１）
方法であって、
利得チェーンを使用してアナログ入力信号を増幅することと、
前記アナログ入力信号と複数のアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）からの複数のＡＤＣ出力との間の利得を選択することであって、各ＡＤＣ出力は、経路を有し、各出力経路の利得は、前記利得チェーンにおける利得段から構成される、ことと、
前記複数のＡＤＣ出力を単一の混合出力に組み合わせることと
を含む、方法。
（項目２２）
前記利得チェーンの第１の部分は、前記複数のＡＤＣのうちの第１のものに接続され、前記利得チェーンの第２の部分は、前記複数のＡＤＣのうちの第２のものに接続される、項目２１に記載の方法。
（項目２３）
前記利得チェーンにおける前記利得段はそれぞれ、１つまたはそれを上回るスイッチバンクを介して前記複数のＡＤＣのそれぞれに接続される、項目２１および２２のいずれか１項に記載の方法。
（項目２４）
２つのＡＤＣ出力経路を独立して高範囲経路および低範囲経路に構成することと、
前記低範囲経路からの第１の利得を適用し、前記アナログ入力信号を変換することと、
前記高範囲経路からの第２の利得を適用し、前記アナログ入力信号を変換することであって、前記第２の利得は、前記第１の利得よりも低い、ことと、
前記より低い範囲の出力を前記より高い範囲の出力と組み合わせることと、
前記高範囲経路および前記低範囲経路から組み合わせられた利得の量を変動させることと
をさらに含む、項目２１－２３のいずれか１項に記載の方法。

図１は、シームレスなレンジング能力を伴わない典型的な測定システムによって収集されたデータに対する範囲遷移の効果を示す。

図２は、図１に示される不連続性Ｄを引き起こし得る、従来のレンジング設定１２０の実施例を示す。

図３は、シームレス（連続的）なレンジング３０２を伴う電圧測定を、シームレスなレンジング能力が欠如する従来の設定１０４（図１から）によって行われた同一の測定と比較する。

図４は、二重増幅チェーンを介してシームレスなレンジングを実装する一変形例４００である。

図５は、本開示の側面による、別の例示的増幅チェーン５００を示す。

図６Ａは、本開示の側面による、自動レンジングアルゴリズム６００の概略実施例を提供する。

図６Ｂは、自動レンジングアルゴリズム６００に対応する測定データを示す。

図６Ｃは、フローチャートの形態においてアルゴリズム６００を示す。

図６Ｄは、フローチャートの形態において別の自動レンジングアルゴリズム６２０を示す。

図７Ａは、本開示の側面による、複数のＡＤＣ（すなわち、ＡＤＣＡ７０８ａおよびＡＤＣＢ７０８ｂ）を使用する間に利得段を共有する、別の変形例７００を示す。

図７Ｂは、変形例７００の測定信号７５０ａがｔ_ＴＲにおけるｒ１／ｒ２遷移において大きさにおける不連続性７５２を呈することを示す。

図８は、本開示の側面による、利得チェーン７００ｃに先立つ前置増幅器（プリアンプ）８０４ａおよび／または２つの経路のうちの１つにおけるプリアンプ８０４ｂを設置する、別の変形例８００を示す。

図９は、本開示の側面による、不連続性７５２を排除または減少させることにダイレクトされる補間アルゴリズム９１０を示す。

図１０Ａは、本開示に従って使用され得る、利得選択の一般化された変形例１０００を示す。

図１０Ｂは、変形例１０００を使用して作成され得る、例示的利得経路（利得経路Ａ）を示す。

図１０Ｃは、２つの変形例、すなわち、高範囲および低範囲変形例を含む、変形例１０００の別の利得経路（利得経路Ｂ）を示す。

図１１は、本開示の側面による、利得段セレクタ１１１６ａ－１１１６ｎによる可変利得選択を含む、別の変形例１１００を示す。

図１２Ａは、範囲ミキサ４１０、５１０、７１０、１０１０、および１１１０によって実施され得る、例示的混合および自動レンジングアルゴリズム１２００の概略図である。

図１２Ｂは、範囲ミキサ４１０、５１０、７１０、１０１０、および１１１０によって実施され得る、非対称自動レンジングアルゴリズム１２５０を示す。

図１３Ａは、本明細書に開示されるアルゴリズム（例えば、６００、６２０、９１０、１２００、および１２５０）を実装する際に範囲ミキサ４１０、５１０、７１０、１０１０、および１１１０によって実施され得る、範囲変化予想アルゴリズム１３００を表す、フローチャート１３００を示す。

図１３Ｂは、フローチャート１３００の別の部分を示す。

図１３Ｃは、フローチャート１３００の別の部分を示す。

図１４は、範囲混合アルゴリズム１４００の例示的実装を示す。図１４は、範囲混合アルゴリズム１４００の例示的実装を示す。

図１５は、変形例４００、５００、７００、８００、１０００、１１００およびアルゴリズム６００、６２０、９１０、１２００、１２５０、１３００、および１４００を使用し得る、例示的ヘッドユニット１５５０と例示的測定ポッド１５６０との間の測定信号チェーン１５００を図示する。

図１６は、本開示の側面による、ヘッドユニット１５５０が、３つの測定タイプポッド１５６０ａおよび３つの源タイプポッド１５６０ｂをサポートし得る６つのチャネルを有し得る、別の例示的変形例１６００を示す。

詳細な説明
本開示は、比較的に少ない誤差、雑音、またはグリッチングを伴う幅広い動的範囲にわたる測定に適応し得るシステムおよび方法を導入する。ここでは、「グリッチング」は、測定または動作に悪影響を及ぼし得る意図せぬ不規則性または不一致を指す。本明細書に開示される変形例は、いくつかの異なる方法でこれを遂行する。１つの方法は、別個の範囲に関して利得チェーンを別個かつ動的に構成することである。別のものは、範囲に関する利得プロファイルを混合することによって、別個の範囲をともにまとめることである。さらに別のものは、別個の範囲に動的に割り当てられ得る共有利得段を導入することである。これらおよびさらなる方法は、概して、本明細書では「シームレスなレンジング」と称される。それらは、下記により詳細に議論される。

図３は、本開示によるシームレスなレンジング３０２を伴う電圧測定を、シームレスなレンジング能力が欠如する従来の設定１０４によって行われた同一の測定と比較する。図３は、範囲遷移Δｔにわたる測定データ１０４における不連続性Ｄを示す。これは、異なる測定プロファイル（例えば、正確度、利得等）を伴うデバイスの異なるセットが、範囲ｒ１およびｒ２においてデータを測定するために使用されるためである。議論されるように、システム１２０における範囲ｒ１とｒ２との間の切替は、遷移先の範囲（ｒ２）にわたって測定すること専用の機器の「ウォームアップ」または使用開始からもたらされる過渡信号、雑音、またはグリッチを伴い得る。

図３はまた、遷移Δｔが本明細書に説明されるシームレスなレンジング能力によって平滑化され得る（連続的レンジング測定データ３０２）方法を示す。本平滑化効果は、連続的レンジングデータ３０２による不連続性Ｄの回避として図３に表される。２つのみの例示的範囲ｒ１およびｒ２が、図３の文脈において議論されるが、連続的レンジング技法が、特定の測定に関連する任意の好適な数の範囲に適用され得ることを理解されたい。例えば、範囲の数は、ある場合には、３つ、４つ、またはそれを上回るものであってもよい。これらの場合のそれぞれでは、連続的レンジングは、範囲変化の方向にかかわらず（すなわち、範囲変化が図３に示されるような増加または測定値の減少（図示せず）を伴うかどうかにかかわらず）、各範囲変化の間の平滑な遷移を確実にするように構成されることができる。

連続的レンジングは、独立して、および／または並行して適用され得る別個の信号増幅／利得チェーンを使用して、２つの範囲ｒ１およびｒ２に対処する。実施例として、具体的実装が、図４および５の文脈において下記に議論されるであろう。各範囲ｒ１およびｒ２に別個に、および／または並行して対処することは、データがアクティブな増幅変化によって収集されることに基づいて、非アクティブまたは「コールド」範囲（すなわち、測定において現在採用されていない範囲、例えば、ｔ＜ｔ_ＴＲであるときの範囲ｒ２またはｔ＞ｔ_ＴＲであるときの範囲ｒ１）に関する増幅チェーンの構成を可能にする。非アクティブまたはコールド範囲に関する増幅チェーンをアクティブ範囲測定と並行してオンラインに保つことは、非アクティブ範囲が最終的に従事されるときの始動過渡事象を回避することができる。これはまた、範囲ｒ１からｒ２への（逆もまた同様である）遷移Δｔにわたるデータの平滑な変化を促進するために、範囲毎の利得チェーンが組み合わせて適用される、「範囲混合」を可能にする。すなわち、両方の範囲からの増幅チェーンが、範囲遷移Δｔにわたってデータを平滑化するために、同時に適用されることができる。これは、例えば、ソフトウェアミキサを介して行われることができる、および／または次いで、ｒ１からｒ２に平滑に遷移することができ、逆もまた同様である。

図４は、二重増幅チェーンを介してシームレスなレンジングを実装する一変形例４００である。図４に示されるように、より低い利得チェーン４０２（すなわち、より低い増幅を有する利得チェーン）およびより高い利得チェーン４０４（すなわち、より高い増幅を有する利得チェーン）は、１）異なるＡＤＣ（それぞれ、４０８ａおよび４０８ｂ）および２）これにより低い利得チェーン４０２よりも高い利得を与える、より高い利得チェーン４０４における付加的増幅器４０６を除いて、同じである。ＡＤＣ４０８ａおよび４０８ｂからの出力は、ミキサ４１０によって組み合わせられ、レンジング測定のために測定ポッド１０４の入手ルーチンにおいて使用される。チェーン４００において、組み合わせは、係数αによって加重されることができる。係数αは、（例えば、図３の不連続性Ｄを回避するための範囲混合を使用して）レンジング遷移Δｔにわたる平滑な遷移を確実にするために、動的に選定されることができる。係数αは、ユーザによって設定されることができるが、これは、多くの場合、レンジングアルゴリズム（例えば、下記により詳細に議論されるアルゴリズム６００、６５０、９１０、１２００、１２５０、１３００、および１４００）によって設定される。

図５は、シームレスなレンジングにおいて使用される、別の例示的増幅チェーン５００を示す。チェーン５００は、より低い利得部分５０２と、より高い利得部分５０４とを含み、これらは、１）異なるＡＤＣ（それぞれ、５０８ａおよび５０８ｂ）、２）これにより低い利得部分５０２よりも高い利得を与える、より高い利得部分５０４における付加的増幅器５０６、および３）より低い利得部分５０２およびより高い利得部分５０４が、それぞれ、ｍｕｘ５１４ａおよび５１４ｂを介して利得段５１２に接続されることを除いて、同じである。

図５に示されるように、利得段５１２ａおよび５１２ｂからより低いおよびより高い利得部分５０２および５０４に供給される増幅は、それぞれ、ｍｕｘ５１４ａおよび５１４ｂを介して選択されることができる。このように、チェーン５００は、チェーン４００よりも少ない専用増幅器を使用し、組み合わせをミキサ５１０に提供してもよい。より低いおよびより高い利得部分５０２および５０４に関して同一の利得段５１２ａおよび５１２ｂ（および増幅器）を使用することは、より効率的であるだけではない。これはまた、異なる増幅器の間のグリッチまたは不適合に起因して生じ得る雑音を本システムにおいてあまり導入しない。例えば、各増幅器は、適用されている範囲にかかわらず、それらが常時使用されているときに回避される過渡事象を有し得る。増幅器５１２ａおよび５１２ｂによって引き起こされるいずれかの特異性、レンジング問題、または誤差が、それらが適用される全ての範囲において存在するであろう。下記により詳細に議論されるように、これは、材料測定において精密に測定される振幅よりも多くの場合に重要な側面である、測定データの全体的傾向および挙動の一貫性および平滑さを保証することができる。

チェーン４００の場合と同様に、チェーン５００における組み合わせである混合５１０は、係数αによって加重されることができる。係数αは、（例えば、図３の不連続性Ｄを回避するための範囲混合を使用して）レンジング遷移Δｔにわたる平滑な遷移を確実にするために、動的に選定されることができる。係数αは、ユーザによって設定されることができるが、これは、多くの場合、レンジングアルゴリズム（例えば、図６Ａに示されるアルゴリズム６００）によって設定される。αは、利得、チェーン、または信号混合に関する本明細書に説明される任意の方法によって設定されることができる。

チェーン４００および５００、およびその他を含む変形例では、シームレスなレンジングは、自動レンジングを含んでもよい。図６Ａは、例えば、変形例４００および５００におけるシームレスなレンジングと併せて使用され得る、自動レンジングアルゴリズム６００の図示を提供する。図６Ｃは、フローチャートの形態においてアルゴリズム６００を示す。

アルゴリズム６００は、図６Ｂに示される測定信号６５０が範囲ｒ１、ｒ２、およびｒ３から増加して変化するにつれて、範囲を変化させる。信号６５０は、ｔ＝ｔ_{ＴＲ（１－２）}において範囲ｒ１からｒ２に遷移し、ｔ_{ＴＲ（２－３）}において範囲ｒ２からｒ３に遷移する。図６Ａは、それらの遷移にわたる、範囲ｒ１、ｒ２、およびｒ３の専用の利得チェーンを適用する観点からのアルゴリズム６００の応答を示す。

図６Ａおよび６Ｃに示されるように、アルゴリズム６００は、ｒ１からｒ２への遷移（ｔ_{ＴＲ（１－２）}）に先立って、周期６０２の間に１００％ｒ１のために構成された利得を提供する（例えば、図４のチェーン４００におけるより高い利得部分４０４から引き出し、より高い利得を２つの範囲のより低いものに提供する）。図６Ａおよび６Ｃはまた、アルゴリズム６００が、測定信号が遷移ｔ_{ＴＲ（１－２）}に接近する際にｒ１およびｒ２に関する利得プロファイルを混合する（例えば、より高い利得部分４０４およびより低い利得部分４０４から引き出す）ことを示す。本遷移前のｒ１／ｒ２混合周期は、６０４と標識化される。上記に議論されるように、混合は、ｒ１／ｒ２範囲遷移の間のデータのグリッチおよび／またはギャップを回避する。ｔ_{ＴＲ（１－２）}におけるｒ１／ｒ２遷移後、アルゴリズム６００は、混合を伴わずにｒ２利得を適用する（例えば、図４のチェーン４００におけるより低い利得部分４０２から引き出す）。図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃは、アルゴリズムが同様に、すなわち、最初に、周期６０８の間にｒ２およびｒ３に関する利得プロファイルを混合し、次いで、周期６１０の間にｒ３構成利得のみを提供することによって、ｔ_{ＴＲ（２－３）}においてｒ２からｒ３に変化することを示す。

図６Ａはまた、周期６０６（ｒ２のみ）の間のヒステリシス６１２の領域を示す。ヒステリシス６１２の間、いかなる予想されるレンジングも、存在しない（すなわち、この場合ではｒ２に関する利得チェーンである、利得チェーンの１つのみの利得部分がアクティブである）。ヒステリシスの間の適用される利得はまた、一定であってもよい。これは、雑音または信号変動に起因する範囲の間の交互の切替を回避する。いったん測定信号６５０がｒ３により近接して進むと、ヒステリシス周期６１２は、終了する。周期６１４は、ｒ２からｒ３への範囲変化がｒ３に関する利得チェーン（図示せず）を従事させることによって予想される周期を表す。ｒ３に対応する利得チェーンは、較正および上記に議論されるような過渡事象の回避の両方の目的のために６１４の間に従事される。範囲の上部分のいかなるヒステリシスまたは予想も、ｒ１／ｒ２遷移に関して示されないが、それらが、その遷移にも同様に適用され得ることを理解されたい。

図６Ａは、測定信号が増加する際のアルゴリズム６００の動作を示すが、アルゴリズムが、測定信号が減少する（例えば、より高い範囲ｒ３からより低い範囲ｒ２に、次いで、最も低い範囲ｒ１に）際に同様に適用されることを理解されたい。これは、図６Ｄのフローチャート６２０を介して示される。この場合では、アルゴリズム６００は、範囲の上周期を予想するのではなく、範囲の下周期を予想するであろう（例えば、ｔ_{ＴＲ（３－２）}においてｒ３からｒ２に下向きに遷移する（チャート６２０のステップ６２４）等）。

図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃは、３つの例示的範囲ｒ１、ｒ２、およびｒ３間の範囲変化を取り扱うアルゴリズム６００および６２０を示すが、これが、同一の様式における実験のために好適な任意の数の範囲間の範囲変化を取り扱い得ることを理解されたい。アルゴリズム６００および６２０の他の変形例は、多くの他のアルゴリズムおよび／または範囲／パラメータ設定および任意の好適な数の範囲遷移を含むことができる。

それぞれ、チェーン４００および５００におけるミキサ４１０および５１０は、図３に示される平滑化効果（３０２）を達成するための任意の好適な混合アルゴリズムに従って動作することができる。ミキサ４０１および５０１は、デジタルであってもよい。それらは、独立した較正のいかなる必要性も有していない場合がある。一変形例では、４１０および５１０の混合出力は、以下に類似するアルゴリズムによって制御されてもよい。
出力信号Ｖ（ミキサ４０２または５０２に関する）＝αＥ_Ａ＋（１－α）Ｅ_Ｂ（１）
式中、
Ｅ_Ａは、第１のＡＤＣ（ＡＤＣＡ４０８ａまたはＡＤＣＡ５０８ａ）の出力であり、
Ｅ_Ｂは、第２のＡＤＣ（ＡＤＣＡ４０８ｂまたはＡＤＣＡ５０８ｂ）の出力であり、
αは、例えば、１からゼロに変動し得る混合パラメータである。

方程式１が、ミキサ４１０および５１０によって適用され得る唯一の混合アルゴリズムではないことを理解されたい。例えば、ミキサは、各経路の出力を単純に平均化し、雑音を低減させてもよい。方程式１は、線形加重（α）をＥ_ＡおよびＥ_Ｂの寄与に適用する。しかしながら、非線形加重も、想定され、本開示の範囲内と見なされるべきである。実際には、加重は、任意の好適な数学的形態を含んでもよい。実施例は、限定ではないが、二次多項式、三次多項式、および任意の好適な多項式を含む。指数関数および対数関数、および微分方程式が、全て本開示の範囲内で想定される。

加重または混合関数の厳密な形態は、本システムにおける種々の増幅器（例えば、４０２、４０４、および５１２における増幅器および増幅器５０６）の利得等の因子、およびＡＤＣ（例えばＡＤＣ４０８ａ、４０８ｂ、５０８ａ、および５０８ｂ）等の他のコンポーネントに依存するべきである。これはまた、回路において使用されるミキサ４０１および５１０の詳細に依存し得る。これは、これらのコンポーネントの以下の例示的特性、例えば、周波数応答、利得値、非線形性、入力における変動に対する感度に依存し得る。加えて、パラメータαは、上記の実施例におけるように、１からゼロに変動する必要はない。パラメータαおよびミキサ４１０および５１０によって採用される任意の他の値は、チェーン４０２、４０４、および５１２における利得段および利得５０６の詳細に依存し得る。これは、利得を平衡化し、不連続性Ｄ（図３）を排除または減少させるための任意の好適な値を含んでもよい。

図７Ａは、複数のＡＤＣ（すなわち、ＡＤＣＡ７０８ａおよびＡＤＣＢ７０８ｂ）を使用する間に利得段を共有する、別の変形例７００を示す。図７Ａは、チェーン７００自体のアーキテクチャを示す。図７Ｂは、チェーン７００の応答７５０ａを１２０等の従来技術の従来のレンジングシステムと比較するプロット７５０である。

チェーン７００は、ＡＤＣ（それぞれ、ＡＤＣＡ７０８ａおよびＡＤＣＢ７０８ｂ）およびマルチプレクサ（それぞれ、ｍｕｘ７０６ａおよび７０６ｂ）を含む、２つの信号経路７００ａおよび７００ｂを含む。マルチプレクサ７０６ａおよび７０６ｂは、利得チェーン７００ｃからの利得段７０４ａ－７０４ｃから選択する。したがって、信号経路７００ａおよび７００ｂは、それらの選択に基づいて、独立して構成可能な利得を有する。

経路７００ａおよび７００ｂに送達される各独立して構成可能な利得は、それぞれ、利得Ａ１、Ａ２、およびＡ３を有する増幅器７０４ａ、７０４ｂ、および７０４ｃの出力の任意の組み合わせであり得る。利得Ａ１、Ａ２、およびＡ３はそれぞれ、１、１を上回る任意の好適な正の値、および１を上回る絶対値を伴う任意の好適な負の値であってもよい。利得は、任意の理由から、および任意の基準に基づいて選択されることができるが、それらは、典型的には、その信号を最良に適応させるために、入力信号７０２の範囲に基づいて、ｍｕｘ７０６ａおよび７０６ｂによって選択される。多くの異なる組み合わせが、可能性として考えられ、本開示の範囲内であることを理解されたい。

例えば、入力信号７０２は、利得段７０４ａおよび７０４ｂからの組み合わせられた利得（すなわち、Ａ１およびＡ２の積に等しい利得）およびＡＤＣＡ７０８ａによって最良に増幅される範囲内にあってもよい。本範囲は、例えば、比較的に高い利得を要求する図６Ａのより低い範囲ｒ１に対応してもよい。この場合では、ｍｕｘ７０６ａは、入力７０７ａを選択し、その利得をＡＤＣＡ７０８ａに送信するであろう。ＡＤＣＡ７０８ａにおける処理後、信号は、ミキサ７１０に送信される。この場合では、ＡＤＣＡ７０８ａは、適切な範囲および信号であるため、ミキサ７１０は、ＡＤＣＡ７０８ａ入力のみを選択するであろう（例えば、方程式１におけるαを１に等しく設定する）。同時に、ｍｕｘ７０６ｂは、ＡＤＣ７０８ｂが上側範囲ｒ２に関する構成された利得を有するように設定されてもよい。これは、より高い信号増幅に対応するより低い範囲ｒ１に関するより低い利得であってもよい。単に実施例として、本より低い利得は、Ａ１であってもよい。本実施例では、ＡＤＣＢ７０８ｂは、入力７０２が範囲ｒ１内にある限り、出力信号７１２を発生させるために使用されない。典型的には、それらが出力をミキサ７１０に能動的に提供していないため、経路７００ｂおよびその関連付けられる未使用範囲が、コールドであると考えられるであろう。しかしながら、コールドである間であっても、経路７００ｂは、ターンオンまたはウォームアップの間に生じる過渡事象を回避するために、依然として動作し得る。

入力信号７０２が、増加し、したがって、これが、遷移ｔ_ＴＲに近づくことによってＡＤＣＡ７０８ａを飽和させるリスクがある場合、ＡＤＣＢ７０８ｂ（「コールド」範囲）が、従事されてもよい。ＡＤＣＢ７０８ｂと関連付けられる経路は、より高い範囲（より低い利得）に設定されることができる。例えば、ＡＤＣＢ７０８ｂは、利得段Ａ１（７０４ａ）の出力をフィードされ、これは、ＡＤＣＢ７０８ｂが経路７００ａにおいてＡＤＣＡ７０８ａよりも高い範囲（より低い利得）内にある結果をもたらすであろう。

入力信号７０２が、ＡＤＣＡ７０８ａに関する所望のレベルにある間、ミキサ７１０は、出力７１２のみがＡＤＣＡ７０８ａの寄与のみを受信するように設定される。これは、遷移点ｔ_ＴＲから離れた図３のより低い範囲ｒ１に対応する。しかしながら、入力信号７０２が、ｔ_ＴＲ（およびＡＤＣＢ７０８ｂが構成される上側範囲ｒ２）に向かって増加するにつれて、ＡＤＣＢ７０８ｂが処理を引き継ぐことが、より有利になる。遷移ｔ_ＴＲの前に、ＡＤＣ７０８ｂは、入力信号７０２を測定し始めることによって「ウォームアップ」する。図６Ａおよび６Ｃのステップ６１４に対応する本構成では、ミキサ７１０は、依然として、ＡＤＣＡ７０８ａからの信号のみが出力７１２に送信されるように設定されている。いったん入力信号７０２のＡＤＣＢ７０８ｂ処理における過渡事象が消滅すると、ミキサ７１０は、出力７１２に、ＡＤＣＡ７０８およびＡＤＣＢ７０８ｂからの出力の組み合わせである信号を提供し始める。本混合出力は、例えば、方程式１によるものであり得る。ミキサ７１０は、本システムが範囲ｒ２内で十分になるまで、ＡＤＣＢ７０８ｂからの寄与を漸進的に増加させる。図６Ａおよび６Ｃのステップ６０６に対応するその時点で、ミキサ７１０は、ＡＤＣＡ７０８ａからの寄与を遮断または排除してもよい。これは、ＡＤＣＢ７０８ｂがｒ２のために構成されるためである。例示的事例では、ｍｕｘ７０６ｂは、ＡＤＣＢ７０８ｂがより低い利得（Ａ１およびＡ２の積と対照的に、Ａ１のみ）を受信するように設定される。これは、入力７０７ｂに対応する。Ｄ（図６Ａ）にわたる遷移を平滑化するために２つのＡＤＣ経路７００ａおよび７００ｂからの信号を混合することによる出力７１２の発生は、シームレスなレンジングである。

本シナリオでは、利得段７０４ａ（Ａ１の利得）と関連付けられる特異性および／または誤差は、それぞれ、両方の範囲ｒ１およびｒ２の測定信号７５０ａ（図７Ｂ）とそれらの範囲経路７００ａおよび７００ｂとの間で共通である。したがって、範囲間の遷移ｔ_ＴＲは、利得共通性を有する。これは、範囲の間の不一致を低減させる。測定データに対する効果が、図７Ｂに図式的に示される。具体的には、図７Ｂは、７００によって測定された信号７５０ａが、従来技術の構成（例えば、図１に示される１００）によって測定された同一の出力よりも範囲ｒ１およびｒ２（それぞれ、部分ＡおよびＢ）において類似する様子を示す。言い換えると、測定信号７５０ａは、各範囲内の利得の完全に異なるセット（従来技術）と比較して、それらが同一の信号を測定している（シームレスなレンジング）ときにより類似する。図７Ｂでは、従来技術のシステムおよびシームレスなレンジングシステム７５０ａの両方が、部分Ａ（範囲ｒ１）に関して同一の出力を有する。

いったん入力信号７０２ｂがＡＤＣＢ７０８ｂに渡されると、ＡＤＣＡ７０８ａは、ここではコールドである。コールドである間であっても、ＡＤＣＡ７０８ａの利得は、信号が次に進むであろう場所を予想するように構成されたままである。ＡＤＣＡ７０８ａは、例えば、その範囲への戻りを予想するために、ｒ２構成範囲内に留まり得る。代替として、ＡＤＣＡ７０８ａは、別の利得に関してｍｕｘ７０６ｂをリセットすることによって、その範囲を変化させてもよい。ＡＤＣＡ７０８ａは、各信号経路の初期条件に応じて、信号が増加または減少し続けることを予想してこれを行ってもよい。

図６Ｄの文脈において議論されるように、上記に説明される遷移は、減少する入力信号７０２に関して逆に実行され得る。言い換えると、信号７０２が、範囲ｒ２からｒ１まで減少している場合、ミキサは、最初に、経路７００ｂからの寄与のみを出力７１２にフィードするように設定されるであろう。これは、ＡＤＣＢ７０８ｂが入力７０７ｂ（より低い利得Ａ１）を受信するようにｍｕｘ７０８ａを設定することによって範囲ｒ２のために構成されるためである。入力７０２がｔ_ＴＲに向かって減少するにつれて、ＡＤＣ７０８ａは、ウォームアップされ、過渡事象が消滅するようにオンにされる。本段階では、ミキサ７１２は、依然として、出力７１２が７０８ｂ寄与のみを受信するように設定されている。いったん入力７０２がｔ_ＴＲに近接すると、ミキサ７１０は、７００ａおよび７００ｂ寄与を組み合わせ、シームレスな遷移を生成するように設定される。入力７０２がｔ_ＴＲを超えてｒ１まで減少する際、ミキサ７１０は、ｒ１に関する構成された経路（すなわち、ＡＤＣＡ７０８ａを含む７００ａ）のみが出力７１２に寄与するようにリセットされる。上記の実施例に議論されるように、本利得は、ｍｕｘ７０６ａによって設定されるＡ１およびＡ２の積であってもよい。

７００のような多くの利得段を伴うシステムでは、入力信号７０２は、入力信号が増加または減少する際、ＡＤＣ７０８ａと７０８ｂとの間で交互に渡されることができる。毎回、コールドＡＤＣは、上記に説明されるように、変化する信号のために必要とされる範囲を予想するであろう。本プロセスの間、利得は、出力がアクティブＡＤＣからとられている間、コールドＡＤＣのために変更されることができる。これは、図７Ｂに示されるように、所望の範囲内の一定の出力をもたらし、各範囲内の利得変動に起因する低減された不一致をもたらす。

図７Ｂは、測定信号７５０ａがｔ_ＴＲにおけるｒ１／ｒ２遷移において大きさにおける不連続性７５２を呈することを示す。これは、単に、例証の目的のためのものであり、全ての実装において存在しない場合がある。不連続性７５２は、範囲ｒ１／ｒ２毎に構成される、経路７００ａおよび７００ｂに適用された利得が、遷移ｔ_ＴＲにおいてわずかに不適合である状況から生じる。多くの変形例では、不連続性７５２を排除するために、経路７００ａおよび７００ｂ毎に利得を調整することが、可能であり得る。しかしながら、それらの個別の範囲を最良に表すように利得を構成することが、より重要であり得る。この場合では、不連続性７５２は、測定電子機器の公知のアーチファクトであり、測定データ７５０ａの後処理においていくつかの方法で（例えば、曲線適合／平滑化等によって）対処されることができる。

図８は、利得チェーン７００ｃに先立つ前置増幅器（プリアンプ）８０４ａおよび／または２つの経路のうちの１つにおけるプリアンプ８０４ｂを設置する、別の変形例８００を示す。図８は、ＡＤＣＢ７０８ｂと関連付けられる経路７００ｂにおいてプリアンプ８０４ｂを示す。しかしながら、プリアンプ８０４ｂがまた、ＡＤＣＡ７０８ａと関連付けられる経路７００ａにおける類似する位置に設置され得ることを理解されたい。プリアンプ８０４ａおよび８０４ｂの追加を除いて、変形例８００は、図７Ａの変形例７００と同じである。

プリアンプ８０４ａおよび８０４ｂは、いくつかの利益を変形例８００に提供することができる。例えば、プリアンプ８０４ａは、変形例８００における他のコンポーネントからの入力信号７０２をバッファリングすることができる。これは、入力７０２を複数のバッファまたはスイッチング要素に直接接続することが性能を低下させるため、有利であり得る。これらの要素は、多くの場合、バイアス電流およびスイッチング容量を入力７０２に付与する。プリアンプ８０４ｂは、典型的には、余分な利得を要求する範囲と関連付けられる経路（７００ａまたは７００ｂのいずれか）内に設置されることができる。これは、例えば、最も低い範囲（例えば、図６Ａの範囲ｒ１）であり得る。余分な利得段が経路のうちの１つに「有線接続」されることは、適切な利得をその経路に適用することをより単純かつ容易にする。

図９は、不連続性７５２を排除または減少させることにダイレクトされる補間アルゴリズム９１０を示す。アルゴリズム９１０は、経路７００ａおよび７００ｂの両方に関してミキサ７１０（図７および８）によって実施されてもよい。

特に、材料研究におけるいくつかの用途では、不連続性７５２自体が、他の定量的誤差の源よりも大きい問題であり得る。これは、特に、その精密に測定された値ではなく、測定信号７５０ａの全体的特性が材料性質を説明するために最も重要である場合に当てはまる。多くの事例では、測定値は、精密な振幅にわたる挙動を強調するために、相対的または正規化された用語において査定され得る。これらの場合では、ミキサ７１０は、範囲ｒ１とｒ２との間の平滑な遷移を維持するために、ＡＤＣ７０８ａおよび７０８ｂからのその２つの入力を補間することができる。そのような補間は、方程式１を介して実施されることができる。これはまた、ＡＤＣ７０８ａおよび７０８ｂからの信号を補間するための別の好適な数学的または信号処理手段を使用して実施されることができる。図９に示されるように、補間９１０は、典型的には、遷移時間ｔ_ＴＲに近接する期間９２０のみにわたって実施される。期間９２０は、例えば、図３に示されるΔｔに対応してもよい。しかしながら、補間９１０が、任意の特定の期間に限定される必要はないことを理解されたい。２つのＡＤＣ７０８ａおよび７０８ｂからの信号のそれぞれの寄与は、可変であるため、補間９１０は、測定全体を通して実行されてもよい。

図１０Ａは、共通利得チェーン１０００ｃにおける複数の増幅器１００４ａ－１００４ｎと関連付けられる経路１０００ａおよび１０００ｂ毎の選択を伴う利得に関する付加的自由範囲を含む、変形例１０００を示す。利得段選択は、変形例１０００において２つの一連のスイッチバンク１００６ａおよび１００６ｂによって行われることができる。各バンクは、スイッチ、例えば、データコンバータ（例えば、ＡＤＣ）１００８ａまたは１００８ｂをチェーン１０００ｃにおける各利得段に接続する、またはそれから接続解除し得る、スイッチ１０１４ａを含む。各増幅器１００４ａ－１００４ｎが、独立して接続され得る方法である。

スイッチバンク１００６ａおよび１００６ｂが、いくつかの好適な方法で実装され得ることを理解されたい。ソリッドステートスイッチングが、使用されることができる。代替として、機械的リレースイッチングが、使用されることができる。任意の他の好適なスイッチングまたは接続方法が、使用されることができる。個々のスイッチ（例えば、１０１４ａ）は、個々に存在し、動作されてもよい。代替として、それらは、集積回路または他の集積デバイスの一部として動作されてもよい。それらは、ユーザ入力、本明細書に説明されるアルゴリズムのうちのいずれか（例えば、アルゴリズム６００、６２０、および９１０等）を含む、任意の好適な手段によってトリガされてもよい。また、スイッチバンク１００６ａおよび１００６ｂは、スイッチングおよびデータコンバータ１００８ａおよび１００８ｂにフィードされる利得が、動的に（例えば、図６Ａの範囲ｒ１およびｒ２内の任意の時点で）変更され得るように、動的に動作されてもよい。

図１０Ａは、入力信号を増幅するために共通利得チェーンを使用する、利得経路が作製され得る方法を図示する。共通利得チェーン１０００ｃにおける各利得段１０１４ａ－１０１４ｎの前後の点は、複数の範囲によって選択されることができる。図１０Ａでは、スイッチング手段１００６ａおよび１００６ｂおよび／またはコントローラが、共通利得チェーン１０００ｃ上の点を選択し、入力信号を上部データコンバータ１００８ａまたは底部データコンバータ１００８ｂのいずれかに渡すために使用されることができる。

図１０Ａに示されるように、ミキサ１０１０は、データコンバータ１００８ａおよび１００８ｂからの出力を選択または混合し、データ出力１０１２にフィードする。ミキサ１０１０は、ミキサ４１０、５１０、および７１０と類似する、または同一の方法で動作することができる。例えば、ミキサ１０１０は、方程式１を使用し、１００８ａおよび１００８ｂ出力を混合してもよい。これは、ミキサ４１０、５１０、および７１０によって使用される任意の情報（例えば、ユーザ入力、アルゴリズム６００等）に基づいてそのように行ってもよい。

図１０Ａは、２つのみのコンバータを示すが、変形例１０００（および変形例５００、７００、および８００）が、任意の好適な数のデータコンバータと併用され得ることを理解されたい。一例示的構成は、独立した範囲毎にデータコンバータを割り当てることである。したがって、測定が、４つの範囲ｒ１－ｒ４を含む場合、例えば、４つの独立したデータコンバータが、使用されてもよい。

図１０Ａは、変形例１０００が利得チェーン１０００ｃにおいて任意の数（ｎ）の利得段１００４－１００４ｎを含むことを示す。概して、１０００ｃにおいて含まれる利得段が多いほど、データコンバータ１００８ａおよび１００８ｂが特定の範囲を表すことを可能にする柔軟性は、高まる。変形例１０００等のいくつかの変形例では、ｎは、データコンバータ１００８ｍの数よりも２倍またはそれを上回って多い。

図１０Ａは、同一または類似するタイプであるように見える利得段１００４ａ－１００４ｎを示すが、これは、必ずしもそうではない場合がある。変形例では、異なる利得を伴う異なるタイプの利得段を使用することが、有利であり得る。共通利得チェーン１０００ｃを有することの利益は、本システムのより少ない部分が較正される必要があることである。従来のシステムでは、２つの完全に独立した利得経路は、較正される必要があった。本開示では、利得段は、範囲から独立して較正されることができる。これは、システム全体を較正するためにかかる時間を減少させることができる。

典型的には、チェーン１０００ｃにおける殆どまたは全ての利得段は、アクティブである。ある場合には、使用されない間にある利得段１００４ａ－１００４ｎを非アクティブ化すること（例えば、アクティブまたは予想範囲を発生させること）が、有用であり得る。例えば、いくつかのタイプの利得段１００４ａ－１００４ｎは、誤差を生成することなく飽和を十分に取り扱わない場合がある。その場合では、そのような利得段は、有利なこととして、いったん飽和のリスクが検出されると、非アクティブ化するであろう。そうすることは、（すなわち、ある範囲が信号を適切に増幅することが可能であるとき、その範囲のみをアクティブ化することによって）より速い遷移を可能にし得る。未使用範囲１００４ａ－１００４ｎもまた、電力引き込み、熱発生等を低減させるために非アクティブ化され得る。

図１０Ｂは、変形例１０００を使用して作成され得る、例示的利得経路（利得経路Ａ）を示す。利得経路Ａを作成するために、スイッチ１０１４ｃが、従事される。これは、利得経路Ａを利得段１００４ａおよび１００４ｂ（いかなる他の利得段も伴わない）によって増幅させる。増幅された信号は、次いで、データコンバータ１００８ａに送信される。経路は、次いで、ミキサ１０１０によって別の経路と混合され、データ出力１０１２に送信される。変形例では、ミキサ１０１０は、利得経路Ａからの信号のみをデータ出力１０１２に送信してもよい。その他では、これは、本明細書に開示される手段またはアルゴリズムのうちのいずれか（例えば、方程式、アルゴリズム６００等）によって経路を混合してもよい。

図１０Ｃは、２つの変形例、すなわち、高範囲および低範囲変形例を含む、別の利得経路（利得経路Ｂ）を示す。高および低変形例は両方とも、コンバータ１００８ａの代わりにデータコンバータ１００８ｂを使用する。したがって、利得経路Ｂは、別個に、かつ独立して利得経路Ａと従事されることができる。利得経路ＡおよびＢは、データ出力１０１２を形成するようにミキサ１０１０によってともに混合されることができる。

利得経路Ｂのより高い範囲経路は、より少ない利得を含み、より高い範囲（例えば、図６Ａのｒ２）に関してより適切であり得る。これは、スイッチ１０１４ｆをトリガすることによってそのように行い、これは、経路に、１つのみの段、すなわち、１００４ａからの利得を含めさせる。より低い範囲経路は、スイッチ１０１４ｆがトリガされない間にスイッチ１０１４ｈをトリガすることによって取得される。より低い範囲経路は、利得段１００４ａとともに、２つの余分な利得段、すなわち、１００４ｂおよび１００４ｃを含む。これは、より低い範囲（例えば、図６Ａのｒ１）に関してより適切であり得るはるかに高い利得をこれに与える。

変形例１０００は、必要に応じて、これらの利得経路のうちのいずれかを切り替えてもよい。これは、例えば、アルゴリズム６００、６２０、および９１０のうちのいずれかに従ってそのように行ってもよい。例えば、利得経路Ａは、最も低い利得であるため、変形例１０００は、最初に利得経路Ａを使用してもよい。これは、同時に利得経路Ｂをオンラインにし、これをウォームアップし、過渡事象を除去してもよい。本シナリオでは、利得経路Ｂは、測定信号が、これがより低い範囲（すなわち、利得経路Ａと関連付けられるより低い範囲）から増加しているため、最初にこれを使用するであろうことを予想して、そのより低い範囲構成にあるであろう。測定信号が増加し続ける際、ミキサ１０１０は、利得経路ＡおよびＢを混合し、利得経路Ｂは、より低い範囲構成にあってもよい。測定信号が増加し続ける際、ミキサ１０１０は、利得経路Ｂのみをデータ出力１０１２に送信してもよい。信号がこの点を超えて増加し続ける際、利得経路Ｂのより高い範囲構成は、１０１４ｈをオフにし、１０１４ｆをオンにすることによってトリガされてもよい。これは、入力信号１００２に、最も高い範囲内にあることと対応する最小量の利得（すなわち、利得段１００４ａからの利得のみ）を与えるであろう。

図１１は、別の手段、すなわち、利得段セレクタ１１１６ａ－１１１６ｎによる可変利得選択を含む、別の変形例１１００を示す。変形例１１００は、２つの段１１０４ａおよび１１０４ｂの中からの利得から利得を選択する。しかしながら、これが、単に例示的であることを理解されたい。任意の好適な数ｎの利得段１１０４が、１１００において含まれてもよい。

変形例１０００では、各データコンバータ１１０８ａ－１１０８ｎは、その独自の利得段セレクタ１１１６ａ－１１１６ｎに接続される。しかしながら、データコンバータ１１０８が利得段セレクタ１１１６を共有する他の構成もまた、可能性として考えられる。

変形例１１００は、大きくあり得るデータコンバータの数ｎを含む。一般に、コンバータの数ｎは、範囲毎に１つのコンバータが存在するように選定されることができる。他の状況では、範囲よりも多い、またはより少ないコンバータのいずれかを含むことが、有利であり得る。複数の範囲／利得段はまた、例えば、パルス入力信号測定用途において有用である。入力信号が、複数の範囲を遷移する場合、異なる利得を伴ういくつかの範囲を横断してそのパルスを測定することが、有用であり得る。ｎを上回る、または下回る、任意の好適な数の利得段が、使用され得ることを理解されたい。

他の範囲が所望の利得の間で信号を交互に通過させる間、共通利得チェーンにおけるある点において常に測定する範囲を有することが、有用であり得る。一変形例は、低費用ＡＤＣを使用し、低利得で入力信号を初期化し、本情報を使用し、高品質ＡＤＣにおいて利得を迅速に構成することができる。これは、異なる源の間で変化する入力に関して有益であり得る。大きい振幅スパイクを伴う入力信号もまた、測定システムに関する問題を引き起こし得る。したがって、同時に測定する多数のＡＤＣを有することによって、入力がその「正常」範囲内にあるが、依然として、信号スパイクを測定することが可能であるとき、正確な測定を達成することができる。他の変形例では、入力は、信号を測定するために異なるタイプのＡＤＣを同時に使用することから利益を享受することができる。高速ＡＤＣは、高分解能ＡＤＣとともに、異なるタイプの信号が、性能を犠牲にすることなく、測定および変換されることを可能にするであろう。これらの変形例は全て、他の目的のために入力信号を測定する他のＡＤＣとともに、予想アルゴリズムを使用することができる。多くの通信信号が、本タイプの信号特性を呈する。

図１１に示されるように、変形例１１００は、範囲ミキサ１１１０を含む。範囲ミキサ１１１０は、データコンバータ１１０８ａ－１１０８ｎの出力を混合し、データ出力１１１２に提供する。範囲ミキサ１１１０は、他の範囲ミキサの文脈において（例えば、範囲ミキサ１０１０の文脈において）本明細書に開示される任意の方法に従って出力を混合することができる。多くの異なるタイプの混合アルゴリズムもまた、異なる範囲を組み合わせ、変化する入力信号をより正確に測定するように設計されることができる。

図１１に示されるように、各利得段セレクタ１１１６ａ－１１１６ｎは、利得段１１０４ａおよび１１０４ｂの任意の組み合わせをデータコンバータ１１０８ａ－１１０８ｎに提供することができる。組み合わせは、ユーザ入力、本明細書に開示されるアルゴリズムのうちのいずれか（例えば、６００、６２０、および９１０）を含む、本明細書に開示される利得選択の任意の手段によって選択されることができる。

図１２Ａは、範囲ミキサ４１０、５１０、７１０、１０１０、および１１１０によって実施され得る、例示的混合および自動レンジングアルゴリズム１２００の概略図である。アルゴリズム１２００は、図１２Ａに示されるように、３つの範囲Ａ１、Ａ２、およびＡ３を混合する。純粋に例証的な目的のために、Ａ１＞Ａ２＞Ａ３である。より高い利得が、典型的には、測定される変数におけるより低い範囲と関連付けられ、逆もまた同様であることを理解されたい。したがって、Ａ１＞Ａ２＞Ａ３の例示的利得構成は、以下の測定範囲構成、すなわち、ｒ１＜ｒ２＜ｒ３に対応する可能性が最も高いであろう。本状況では、最も高い利得Ａ１は、測定データｒ１における最も低い範囲等に適用されるであろう。図１２Ａは、測定信号の値が減少するにつれて、Ａ３からＡ１に（上から下に）増加する利得を示す。すなわち、測定信号がｒ３からｒ１ヘの範囲内で減少する際のものである。

測定信号が、最も高い範囲（例えば、図６Ａの範囲ｒ３）内にあるとき、アルゴリズム１２００は、最も低い利得Ａ３を適用する。測定信号が、減少し、次に最も低い範囲、すなわち、次により高い利得Ａ２が所望される範囲に接近するにつれて、ミキサ（例えば、４１０、５１０、７１０、１０１０、および１１１０）は、アクティブになる。これは、段１２０４において起こる。段１２０４において、ミキサは、遷移を平滑化するために、Ａ３およびＡ２を組み合わせる。１２０６において、Ａ３およびＡ２範囲の間の遷移は、完了する。ミキサは、Ａ２のみを適用する。段１２０８において、測定データは、確実にＡ２範囲内にある。ここでは、いずれの段の間の切替またはミキサによる混合も、誤りである。したがって、アルゴリズム１２００は、予想範囲の変化を防止するヒステリシスを適用する。これは、データにおける雑音または収差に基づく電子機器のいかなる誤った切替も存在しないことを確実にする。ステップ１２１０において、測定データは、さらに減少し、最も高い利得Ａ１が最も適切である、測定値における最も低い範囲（例えば、図６Ａのｒ１）に接近する。したがって、アルゴリズム１２００は、Ａ１利得プロファイルを「ウォームアップ」する。ミキサは、この時点で測定信号に対して実際にＡ１利得を従事させない。代わりに、これは、生じ得るいずれの過渡事象も取り除くために、オンに切り替えられる。ミキサは、ステップ１２１２において、Ａ２およびＡ１範囲を能動的に混合し始める。これは、測定信号が、ここでは、遷移を平滑化するために最も高い利得Ａ１／最も低い測定範囲ｒ１に十分に近接するためである。最後に、ステップ１２１４において、測定データは、ここでは、確実にＡ１範囲内にある。ミキサは、Ａ１利得のみを提供する。

図１２Ａは、最も低いＡ３利得から最も高いＡ１への利得の増加（最も高い測定範囲ｒ３から最も低い測定範囲ｒ１への範囲の減少）の観点から解説されたが、図１２Ａが、双方向性であることを理解されたい。すなわち、アルゴリズム１２００はまた、ｒ１からｒ３への測定データの範囲における増加に対応する、利得がＡ１からＡ３に減少する場合に進むことができる。その場合では、アルゴリズム１２００は、逆の順序におけるステップ、すなわち、１２１４－１２０２に従うであろう。

自動レンジングアルゴリズムは、任意の用途に関して異なり得、図１２Ａに示されるように、対称または線形であることを必要としない。非対称変形例１２５０が、図１２Ｂに示される。図１２Ｂでは、測定データの桁によって規定される３つの範囲、すなわち、１０、１、および０．１が、存在する。数字１０、１、および、０．１が、測定される変数（例えば、電圧）における範囲の桁を指すことに留意されたい。これは、範囲がそれらの利得Ａ１、Ａ２、およびＡ３によって参照される図１２Ａと異なる。利得は、測定される変数に反比例するため、最も低い測定範囲０．１は、最も高い利得（Ａ_０．１）に対応する。最も高い測定範囲１０は、最も低い利得（Ａ_１０）に対応する。１０および０．１範囲の間の変化は、測定データの２桁の変化を表すため、範囲混合において十分に注意する必要がある。測定信号は、特に、０．１範囲内で非常に小さいため、これは、範囲混合によって容易に圧倒され得る。したがって、アルゴリズム１２５０は、慎重に範囲混合を適用する。

測定信号が、最も高い測定データ範囲１０内にあるとき、アルゴリズム１２５０は、その範囲に関して適切な最も低い利得（Ａ_１０）を適用する。これは、図１２の段１２５２である。測定信号が減少し、次に最も高い測定データ範囲である１に接近するにつれて、ミキサは、アクティブになる。これは、段１２５４において起こる。段１２５４において、ミキサは、遷移を平滑化するために、１０（Ａ_１０）および１（Ａ_１）範囲に関する利得を組み合わせる。１２５６において、１０および１範囲の間の遷移は、完了する。ミキサは、１（Ａ_１）に関する利得のみを適用する。しかしながら、１および１０範囲の間の範囲における差異は、非常に大きいため、１０（Ａ_１０）測定データ範囲に関する電子機器は、ウォームアップされたままである。いかなる混合も存在しないが、ミキサは、飽和を防止するために、必要に応じて、範囲を切り替えることができる状態である。段１２５８において、測定データは、確実に１範囲内にあるため、範囲１０への切替は、可能ではない。ここでは、いずれの段の間の切替またはミキサによる混合も、誤りである。したがって、アルゴリズム１２５０は、予想範囲の変化を防止するヒステリシスを適用する。これは、データにおける雑音または収差に基づく電子機器のいかなる誤った切替も存在しないことを確実にする。ステップ１２６０において、測定データは、最も低い０．１測定データ範囲に接近するほど十分に減少する。本ステップでは、ミキサは、０．１範囲に関する電子機器を従事させるが、それらをオフラインに保つ（すなわち、範囲を混合しない）ことによって、下向きの範囲変化を予想する。測定データが、０．１範囲に向かって減少し続ける際、アルゴリズム１２６０は、ステップ１２６２に入る。本段では、ミキサは、０．１範囲への遷移を平滑化するために、０．１（Ａ_０．１）および１（Ａ_１）範囲に関する利得を能動的に組み合わせる。最後に、ステップ１２６４において、測定データは、ここでは、確実に０．１範囲内にある。ミキサは、最も低い０．１測定データ範囲と関連付けられる利得（Ａ_０．１）のみを提供する。

図１２Ｂは、最も高い１０範囲から最も低い０．１測定データ範囲への測定範囲の減少（利得の増加）の観点から解説されたが、図１２Ｂが、双方向性であることを理解されたい。すなわち、アルゴリズム１２５０はまた、測定データが範囲０．１から１０に増加しており、対応する利得が減少している場合に進むことができる。その場合では、アルゴリズム１２６０は、逆の順序におけるステップ、すなわち、１２６４－１２５２に従うであろう。

図１３Ａおよび１３Ｂは、本明細書に開示されるアルゴリズム（例えば、６００、６２０、９１０、１２００、および１２５０）を実装する際にミキサによって実施され得る、範囲変化予想アルゴリズム１３００を表す、フローチャートを示す。

アルゴリズム１３００は、入力信号を初期化することによって開始される。ステップ１３０２において、入力信号が、測定される。第１の範囲Ａが、ステップ１３０２における入力信号との比較のためにアクティブにされる。その比較は、ステップ１３０４において行われる。

範囲Ａが、所望されない場合、アルゴリズム１３００は、ステップ１３０６において範囲が低すぎるか、または高すぎるかどうかを決定する。範囲が、高すぎる場合、範囲は、ステップ１３０８ａにおいて減少される。範囲Ａが、測定入力信号に関して低すぎる場合、範囲Ａに関する利得は、ステップ１３０８ｂにおいて増加される。範囲Ａが増加または減少されるかどうかにかかわらず、次のステップ１３１０は、利得変化によって引き起こされるいずれの過渡的効果も消散することを待機する。過渡的消散に続けて、アルゴリズム１３０は、再びステップ１３０２を実施し、信号を測定し、範囲Ａに関する修正された利得と比較する。

ステップ１３０４が、範囲Ａと関連付けられる利得が測定信号に関して所望されると決定すると、アルゴリズム１３００は、ステップ１３１２に進む。ステップ１３１２において、アルゴリズムは、範囲Ａから新しい範囲Ｂへの変化を予想する。これは、新しい範囲Ｂと関連付けられる電子機器を「ウォームアップ」する。ステップ１３１４において、アルゴリズム１３００は、新しい範囲Ｂおよび測定された入力のその査定に基づいて、入力を開始する。ステップ１３１６において、アルゴリズム１３００は、範囲ＡおよびＢの両方における入力を測定する。ステップ１３１８において、アルゴリズム１３００は、アクティブであるための（すなわち、入力を測定する際の使用のための）範囲ＡおよびＢのうちの測定された入力に関する最良な範囲を選択する。

アルゴリズム１３００は、次いで、測定された入力および現在の範囲ＡおよびＢに基づいて、スイッチング閾値を決定するプロセスを開始する。ステップ１３２０において、アルゴリズム１３００は、アクティブ範囲が下の範囲のスイッチング閾値を下回るかどうかを決定する。アクティブ範囲が、下の範囲の閾値を下回る場合、アルゴリズム１３００は、ステップ１３２２を実施し、範囲ＡおよびＢのうちのコールドまたは未使用範囲がより低い範囲内にあるかどうかを決定する。コールド範囲ＡまたはＢが、より低い範囲内にある場合、アルゴリズム１３００は、ステップ１３２４に進み、混合を開始する。コールド範囲Ａが、より低い範囲ではない場合、アルゴリズム１３００は、ステップ１３２６においてコールド範囲をより低い範囲に設定し、次いで、ステップ１３２４に進み、混合を開始する。

アルゴリズム１３００が、ステップ１３２０においてアクティブ範囲が下のスイッチ閾値を下回らないと決定する場合、これは、ステップ１３２８に進む。ステップ１３２８において、アルゴリズム１３００は、アクティブ範囲が上のスイッチ閾値を上回るかどうかを決定する。該当する場合、アルゴリズム１３００は、ステップ１３３０に進み、範囲ＡおよびＢのうちのコールドまたは未使用範囲がより高い範囲であるかどうかを決定する。コールド範囲ＡまたはＢが、より高い範囲内にある場合、アルゴリズム１３００は、ステップ１３２４に進み、混合を開始する。コールド範囲Ａが、より高い範囲ではない場合、アルゴリズム１３００は、ステップ１３３２においてコールド範囲をより高い範囲に設定し、次いで、ステップ１３２４に進み、混合を開始する。

アルゴリズム１３００が、アクティブ範囲が下のスイッチ閾値を下回らないことを見出し（ステップ１３２０）、これがまた上のスイッチ閾値を上回らないことを見出す（ステップ１３２８）場合、アルゴリズムは、ステップ１３３４に進む。ステップ１３３４において、アルゴリズム１３００は、範囲変化を防止するために、ヒステリシスを適用する。これは、測定信号が範囲変化の上または下の閾値内にないためである。したがって、範囲を変化させるいずれの決定も、データにおける誤った雑音またはグリッチに基づくであろう。いったんヒステリシスが適用されると、アルゴリズムは、ステップ１３２４に進み、混合を開始する。

ステップ１３２４において、アルゴリズム１３００は、混合を開始するステップを開始する。第１のステップは、コールド範囲が安定していることを確認することである。コールド範囲が、安定している場合、本システムは、混合ができる状態である。次いで、アルゴリズム１３００は、ステップ１３２６に進み、範囲を混合するべきかどうかを決定する。混合することが、決定される場合、アルゴリズム１３００は、ステップ１３２８において範囲を混合し、次いで、ステップ１３３０において混合信号を出力として提供する。決定が、混合しないことである場合、アルゴリズムは、ステップ１３３２において出力をアクティブ範囲に設定する。コールド範囲が、安定していない場合、アルゴリズム１３００は、ステップ１３２４からステップ１３３２に進み、出力をアクティブ範囲に設定する。１３３２において出力がアクティブ範囲に設定された後、次いで、信号は、ステップ１３３０において出力される。

レンジングは、アルゴリズムによって排他的に遂行される必要はない。これはまた、ハードウェアを介して遂行されることができる。図１４は、１つのそのような例示的ハードウェア変形例１４００によって入力されるパラメータを示す。１４００において、名前付きの範囲を測定することが可能な「主」チャネルおよびより少ない利得を伴う「副」チャネルが、存在する。各レンジング更新において、主チャネル上のフルスケールインジケーションのパーセンテージが、以下のように挙動を決定するために使用されることができる。

図１４は、範囲混合アルゴリズム１４００が異なる入力レベルに関して挙動するであろう方法を示す。より具体的には、図１４は、アルゴリズム１４００が、入力（すなわち、範囲、範囲列挙、入力電圧、プリアンプの有効化、段Ｂの有効化、段Ｃの有効化、チャネルＡ利得、およびチャネルＢ利得）に基づいて、異なるチャネル利得ＡおよびＢを混合（すなわち、「混合」）するであろう方法を示す。入力は、２つの利得チャネルＡおよびＢおよび２つのサンプル段ＢおよびＣに関する。「範囲列挙」は、特定の範囲の整数表現である（すなわち、１０Ｖ範囲は「０」であり、１Ｖ範囲は「１」であり、１００ｍＶ範囲は「２」である等）。

図１５は、変形例４００、５００、７００、８００、１０００、１１００およびアルゴリズム６００、６２０、９１０、１２００、１２５０、１３００、および１４００を使用し得る、例示的ヘッドユニット１５５０と例示的測定ポッド１５６０との間の測定信号チェーン１５００を図示する。図１５は、システム１５００におけるシームレスなレンジングの特定の側面を示すが、システム１５００が、本明細書に開示される任意の変形例を適応させ得ることを理解されたい。

図１５に示されるように、ヘッド１５５０は、測定チャネル１５０２を含む。例示的事例では、２つの入力測定チャネルが、存在し、１つは、範囲Ａに関するものであり、１つは、範囲Ｂに関するものであり、それぞれ、その関連付けられるＡＤＣを伴う。いくつかの変形例では、各測定ユニット１５６０が、ヘッド１５５０と通信する関連付けられる構成１５００を有するであろうことに留意されたい。これは、３つの測定ポッド１５６０を伴う変形例が６つのＡＤＣを有し得ることを意味する。任意の好適な数の測定チャネルが、特定の測定および関与する範囲の数に応じて、可能性として考えられ、これが、実質的に２つを上回り得る（例えば、３つ、４つ、またはそれを上回る）ことを理解されたい。測定チャネル１５０２は、図１５に示されるように、いくつかの可変増幅器１５２０およびアナログフィルタ１５０４を介して測定ポッド１５６０から取得されてもよい。増幅器１５２０上の利得は、図１０－１２の利得１５２０ａ－１５２０ｃの文脈において説明されるように設定されてもよい。チャネル１５０２は、範囲混合信号１５０８と組み合わせられ（１５０６）、ロックインを介して復調１５１０のために送信されてもよい。復調は、基準信号（例えば、基準（ロックイン）および基準＋９０度（ロックイン）１５１２）によって通知され、信号精緻化のためにデジタルフィルタ１５１４を受けてもよい。

信号は、ＤＣ、ＡＣ、またはロックイン処理を含む、任意の数の方法において処理されることができる。範囲決定は、測定のために実施されている他の処理の内容にかかわらず、測定されたサンプル信号のピーク値に基づいて行われることができる。これは、ピーク値が増幅器過負荷を引き起こすであろうものであるためである。図１５に示されるように、範囲ミキサ１５０８はさらに、最終的に増幅器１５２０およびアナログフィルタ１５０４にフィードバックされる範囲および設定１５１６に関する出力を提供し、具体的には、範囲ＡおよびＢのそれぞれに関して測定されたサンプル信号の利得および処理を調節してもよい。範囲ミキサ１５０８は、範囲ミキサ４１０、５１０、７１０、１０１０、および１１１０の文脈において上記に説明されるように機能してもよい。本プロセスは、連続的測定レンジングおよび／または範囲混合と称される。その目的は、測定ポッド１５６０が、測定されたサンプル信号の範囲の変化を調節するためにその入手パラメータを変更しなければならないとき、そうでなければ生じ得るグリッチまたは測定不一致がないことを保証することである。

測定ポッド１５６０はさらに、分析、データの通信、コマンド情報、電力調整、計時、および外部デバイスとの通信を含む、種々の機能を実施することが可能なデジタル（非アナログ）回路を含んでもよい。変形例では、測定ポッド１５６０は、測定を実施する、または源信号を提供する間に本非アナログ回路を非アクティブ化する能力を有する。そうすることは、信号または測定における干渉および雑音の量を減少させる。同一の理由から、測定ポッド１５６０におけるデジタル信号は、源ポッド１５６０およびヘッド１５５０から分離されてもよい。

システム１５００の他の変形例は、任意の好適な数のヘッド１５５０、源ポッドおよび測定ポッド１５６０を含む。例えば、図１６は、ヘッドユニット１５５０が３つの測定タイプポッド１５６０ａおよび３つの源タイプポッド１５６０ｂをサポートし得る６つのチャネルを有し得る、別の例示的変形例１６００を示す。本変形例では、ヘッド１５５０はまた、随意のコンピュータ１６０２および３つの例示的なサンプリングされた、または試験中のデバイス（ＤＵＴ）１５７０に接続されて示される。再び、本構成は、単に例示的である。等しい数の測定ポッド１９５０ａおよび源ポッド１９５０ｂに関するいかなる要件も、存在しない。１つの源１９５０ａが、例えば、全ての３つのＤＵＴ１５７０に関する励起信号を提供し得る。

本発明の種々の発明的側面、概念、および特徴が、例示的実施形態において組み合わせて具現化されるように、本明細書に説明および例証され得るが、これらの種々の側面、概念、および特徴は、個々に、またはその種々の組み合わせおよび副次的組み合わせにおいてのいずれかで、多くの代替実施形態において使用され得る。本明細書で明確に除外されない限り、全てのそのような組み合わせおよび副次的組み合わせは、本発明の範囲内であることを意図している。なおもさらに、代替材料、構造、構成、方法、回路、デバイスおよびコンポーネント、ソフトウェア、ハードウェア、制御論理、形態、適合性、および機能に関する代替等、本発明の種々の側面、概念、および特徴に関する種々の代替実施形態が、本明細書に説明され得るが、そのような説明は、現在公知または後に開発されるかどうかにかかわらず、利用可能な代替実施形態の完全または網羅的リストであることを意図していない。当業者は、発明的側面、概念、または特徴のうちの１つまたはそれを上回るものを、そのような実施形態が本明細書に明確に開示されない場合であっても、本発明の範囲内の付加的実施形態および使用に容易に採用し得る。

加えて、本発明のいくつかの特徴、概念、または側面が、好ましい配列または方法であるとして本明細書に説明され得るが、そのような説明は、明確にそのように記載されない限り、そのような特徴が要求される、または必要であることを示唆することを意図していない。なおもさらに、例示的または代表的値および範囲が、本開示を理解することを補助するために含まれ得るが、しかしながら、そのような値および範囲は、限定的意味で解釈されるものではなく、そのように明確に記載される場合のみ、臨界値または範囲であることを意図している。なおもさらに、例示的または代表的値および範囲が、本開示を理解することを補助するために含まれ得るが、しかしながら、そのような値および範囲は、限定的意味で解釈されるものではなく、そのように明確に記載される場合のみ、臨界値または範囲であることを意図している。「およそ」または「約」規定された値として識別されるパラメータは、別様に明確に記載されない限り、規定された値および規定された値の１０％以内の値の両方を含むことを意図している。さらに、本願に付随する図面が、そうである必要はないが、縮尺通りであり得、したがって、図面に明白な種々の比率および割合を教示するものとして理解され得ることを理解されたい。また、種々の側面、特徴、および概念が、発明的である、または本発明の一部を形成するものとして本明細書に明確に識別され得るが、そのような識別は、排他的であることを意図しておらず、むしろ、そのように、または具体的発明の一部として明確に識別されることなく、本明細書に完全に説明される発明的側面、概念、および特徴が、存在し、本発明は、代わりに、添付される請求項に記載され得る。例示的方法またはプロセスの説明は、全ての場合に要求されるものとしての全てのステップの包含に限定されない、またはステップが提示される順序は、明確にそのように記載されない限り、要求される、または必要なものとして解釈されるものではない。

Claims

測定システムであって、
アナログ入力信号を増幅するように構成される利得チェーンと、
前記アナログ入力信号と複数のアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）からの複数のＡＤＣ出力との間の利得を選択するように構成される範囲セレクタであって、各ＡＤＣ出力は、出力経路を有し、各出力経路の利得は、前記利得チェーンにおける複数の利得段から構成される、範囲セレクタと、
前記複数のＡＤＣ出力を単一の混合出力に組み合わせるように構成されるミキサと
を備え、
前記複数のＡＤＣは、第１のＡＤＣと、第２のＡＤＣとを備え、
前記複数のＡＤＣ出力を組み合わせることは、
混合出力＝αＥ_{ｆｉｒｓｔ}＋（１－α）Ｅ_{ｓｅｃｏｎｄ}
に従って実施され、
式中、
Ｅ_{ｆｉｒｓｔ}は、前記第１のＡＤＣの出力であり、
Ｅ_{ｓｅｃｏｎｄ}は、前記第２のＡＤＣの出力であり、
αは、１からゼロに変動する混合パラメータである、測定システム。
３つ以上のＡＤＣを備える、請求項１に記載の測定システム。
前記利得チェーンは、第１の部分と、第２の部分とを備え、
前記利得チェーンの前記第１の部分は、前記第１のＡＤＣに接続され、前記利得チェーンの前記第２の部分は、前記第２のＡＤＣに接続される、請求項１に記載の測定システム。
前記範囲セレクタは、前記利得チェーンの前記第１の部分から前記第１のＡＤＣに関する利得を選択し、前記利得チェーンの前記第２の部分から前記第２のＡＤＣに関する利得を選択する、請求項３に記載の測定システム。
前記利得チェーンにおける前記複数の利得段はそれぞれ、１つまたは複数のスイッチバンクを介して前記複数のＡＤＣのそれぞれに接続される、請求項１に記載の測定システム。
前記利得段は、第１の部分と、第２の部分とを備え、
前記範囲セレクタは、前記１つまたは複数のスイッチバンクにおけるスイッチを設定することによって、前記第１のＡＤＣに関する前記複数の利得段の前記第１の部分および前記第２のＡＤＣに関する前記複数の利得段の前記第２の部分を選択する、請求項５に記載の測定システム。
前記利得段は、第１の部分と、第２の部分とを備え、
前記範囲セレクタは、第１および第２のマルチプレクサを備え、
前記第１のマルチプレクサは、前記第１の部分を選択し、前記第２のマルチプレクサは、前記第２の部分を選択する、請求項５に記載の測定システム。
前記第１の部分の選択は、前記第１のＡＤＣに関する利得を構成することを含み、前記第２の部分の選択は、前記第２のＡＤＣに関する利得を構成することを含む、請求項７に記載の測定システム。
前記第１のＡＤＣおよび前記第２のＡＤＣに関する利得を構成することは、前記アナログ入力信号に従って前記利得を構成することを含む、請求項８に記載の測定システム。
各出力経路の前記利得は、同一であり、
前記ミキサは、各出力経路からの前記出力を平均化し、前記単一の混合出力における雑音を低減させる、請求項１に記載の測定システム。
測定システムであって、
アナログ入力信号を増幅するように構成される利得チェーンと、
前記アナログ入力信号と複数のアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）からの複数のＡＤＣ出力との間の利得を選択するように構成される範囲セレクタであって、各ＡＤＣ出力は、出力経路を有し、各出力経路の利得は、前記利得チェーンにおける複数の利得段から構成される、範囲セレクタと、
ミキサであって、前記ミキサは、
前記アナログ入力信号の値が第１の範囲内にあるとき、第１の単一の混合出力として第１のＡＤＣからの出力を選択することと、
前記アナログ入力信号の値が第２の範囲内にあるとき、第２の単一の混合出力として第２のＡＤＣからの出力を選択することと、
前記アナログ入力信号の値が前記第１の範囲の上限と前記第２の範囲の下限との間にあるとき、第３の単一の混合出力として前記第１のＡＤＣからの前記出力と前記第２のＡＤＣからの前記出力との組み合わせを選択することと
を行うように構成される、ミキサと
を備える、測定システム。
前記測定システムは、
前記アナログ入力信号の値が前記第１の範囲内にあるとき、第１の遷移周期の間に前記第２のＡＤＣをオンラインに維持し、
前記アナログ入力信号の値が前記第２の範囲内にあるとき、第２の遷移周期の間に前記第１のＡＤＣをオンラインに維持する、
請求項１１に記載の測定システム。
ヒステリシス周期の間、前記測定システムは、
前記第１のＡＤＣをオフラインに維持し、
前記第２のＡＤＣをオンラインに維持し、
前記第２のＡＤＣの利得を一定に維持する、
請求項１２に記載の測定システム。
前記ヒステリシス周期は、前記第１の遷移周期と前記第２の遷移周期との間である、請求項１３に記載の測定システム。
測定システムであって、
アナログ入力信号を増幅するように構成される利得チェーンと、
前記アナログ入力信号と複数のアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）からの複数のＡＤＣ出力との間の利得を選択するように構成される範囲セレクタであって、各ＡＤＣ出力は、出力経路を有し、各出力経路の利得は、前記利得チェーンにおける複数の利得段から構成される、範囲セレクタと、
前記複数のＡＤＣ出力を単一の混合出力に組み合わせるように構成されるミキサと
を備え、
前記複数のＡＤＣ出力は、
高範囲経路および低範囲経路に独立して構成され得る２つの出力経路であって、
前記低範囲経路は、前記アナログ入力信号を変換するための第１の利得を有し、
前記高範囲経路は、前記アナログ入力信号を変換するための第２の利得を有し、前記第２の利得は、前記第１の利得よりも低い、
２つの出力経路と、
前記低範囲経路の出力を前記高範囲経路の出力と組み合わせるように構成される混合デバイスと
を備える、測定システム。
前記高範囲経路は、第１の利得チェーンに接続され、前記低範囲経路は、第２の利得チェーンに接続される、請求項１５に記載の測定システム。
前記第１の利得に関する前記第１の利得チェーンの利得段を選択し、前記第２の利得に関する前記第２の利得チェーンの利得段を選択するためのセレクタをさらに備える、請求項１６に記載の測定システム。
前記第１および第２の利得はそれぞれ、前記低範囲経路および前記高範囲経路に共通の利得チェーンにおける利得段を備える、請求項１５に記載の測定システム。
方法であって、
利得チェーンを使用してアナログ入力信号を増幅することと、
前記アナログ入力信号と複数のアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）からの複数のＡＤＣ出力との間の利得を選択することであって、前記複数のＡＤＣは、第１のＡＤＣと、第２のＡＤＣとを備え、各ＡＤＣ出力は、出力経路を有し、各出力経路の利得は、前記利得チェーンにおける利得段から構成される、ことと、
混合出力＝αＥ _{ｆｉｒｓｔ} ＋（１－α）Ｅ _{ｓｅｃｏｎｄ} に従って前記複数のＡＤＣ出力を単一の混合出力に組み合わせることであって、
式中、
Ｅ _{ｆｉｒｓｔ} は、前記第１のＡＤＣの出力であり、
Ｅ _{ｓｅｃｏｎｄ} は、前記第２のＡＤＣの出力であり、
αは、１からゼロに変動する混合パラメータである、ことと
を含み、
前記利得チェーンにおける前記利得段はそれぞれ、１つまたは複数のスイッチバンクを介して前記複数のＡＤＣのそれぞれに接続される、方法。
前記利得チェーンは、第１の部分と、第２の部分とを備え、
前記第１の部分は、前記第１のＡＤＣに接続され、前記第２の部分は、前記第２のＡＤＣに接続される、請求項１９に記載の方法。
２つの出力経路を独立して高範囲経路および低範囲経路に構成することと、
前記低範囲経路からの第１の利得を適用し、前記アナログ入力信号を変換することと、
前記高範囲経路からの第２の利得を適用し、前記アナログ入力信号を変換することであって、前記第２の利得は、前記第１の利得よりも低い、ことと、
前記低範囲経路の出力を前記高範囲経路の出力と組み合わせることと
をさらに含む、請求項１９に記載の方法。