JPH0225115A - アナログ−ディジタル変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電圧−周波数変換器（以下Ｖ／Ｆ変換器と
記す）を用いたアナログ−ディジタル変換装置く関する
。

〔従来の技術〕

従来、アナログ量をディジタル量に変換する方式のひと
つとして、ｖ／Ｆ変換器を用いる方式がある。この場合
、ｖ／Ｆ変換器の入力信号Ｖｉｎと出力周波数Ｆｏｕ　
ｔとの関係は下式（１）で表わされるから、Ｖ／Ｆ変換
器の出力周波数Ｐｏｕｔ　ｆｔ何らかの手段で計測する
ことにより、入力信号Ｖｉｎと等価なディジタル量を得
ることができる。

Ｆｏｕｔ　−Ｇ　＠Ｍｉｎ　　　　　　　　　−（１）
（Ｇ一定数） ここで、Ｖ／Ｆ変換器の入力信号Ｖｉｎは通常、正（ま
たは負）の単一権性の電圧でなければならず、従って正
負の電圧値をとり得るような両極性の入力信号Ｖｉｎを
直接計測することはできない。

さらに、入力信号Ｖｉｎが０またはその近傍（あるとき
、ｖ／Ｆ変羨器の出力周波数は極めて低くなるので、限
られた計測時間内で周波数、を検出することが困難にな
る。

これを防ぐため、一定のオフセット電圧を両極性の入力
信号に加えて、ｖ／Ｆ変侠器の入力信号を単一掻性の信
号とするとともに、入力信号Ｖｉｎ−〇に対するＶ／Ｆ
変換器の出力周波数が容易に計測可能な程度の値になる
ようにしてＶ／Ｆ変換を行い、その結果得られた周波数
に相当するディジタル値から、入力信号に加えたオフセ
ット電圧に相当するディジタルｆｆｉを減することによ
り、入力信号に対する両極性のディジタル値を得る方式
％式％ 具体的には、第４図に示すように両極性のセンサ出力信
号Ｖｉｎに一定のオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔを加え
たＶｉｎ　＋Ｖｏｆｆｓｅｔ　ｆＶ／Ｆ変換器４に入力
し、電圧−周波数変換されたＶ／Ｆｇｃ換器の出力周波
数Ｆｏｕｔの一定期間Ｔにおけるパルスカウント値Ｃｉ
求め、下式（２）で示されるようにＣ／Ｔから演算され
るＶ／Ｆ変換器の出力周波数に所定の演算定数Ｋを乗じ
て、そのディジタル変［１を求め、さらに、入力信号Ｖ
ｉｎに加えたオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔに相当する
ディジタル１ｉＸｏｆｆｓｅｔを引くことＫより入力信
号に対する両極性のディジタル値Ｘｔ−得る。

Ｘ−に−−−Ｘｏｆｆｓｅｔ　　　　　　−・・・・・
（２Ｊここで、ディジタル１ＩｋＸｏｆｆｓｅｔは人力
信号Ｖｉｎが０のとき、すなわちオフセット電圧Ｖｏｆ
ｆｓｅｔをＶ／Ｆ変換器に単独で入力したときの出力周
波数に対するディジタル量に相当し、その時のＶ／Ｆ変
換器の出力パルス計数値ｃｏと計測期間Ｔ。

から次式の如く求まる。

しかしながら、上記のような考え方に基づいて構成され
た回路では、下記のようなｌ！１題点を有している。

１、　オフセット電圧として、精度よくかつ安定な一定
の基準電圧を得ることは困難であり、その結果、検出値
にオフセット誤差を生じ易い。

２　人力信号Ｖｉｎが、アナログ演算処理の結果得られ
る信号であるような場合、その信号（オフセット誤差が
含まれる場合が多く、等測的に上記第１項にあげたオフ
セット電圧の誤差と同じ影響を及ぼす。

五　Ｖ／Ｆ変換器の入力電圧から出方周波数への変換ゲ
インは、Ｖ／Ｆ変換器の主要な構成要素である積分回路
の積分時定数に大きく依存しているが、その定数を決め
る素子、特にコンデンサの精度は高次数パーセント程度
であり、その結果、式（２１、（３１における演算定数
には無視し得ない誤差を含んでいる。

４、上記第１，３項の結果、オフセット電圧に相当する
ディジタルｆｆ１Ｘｏｆｆｓｅｔの設計値と実際値との
誤差も無視しえない程度のものとなる。

以上の様子を示すのが第５図である。

すなわち、第５図（ａ）において、人力信号Ｖｉｎ−〇
のときのＶ／Ｆ変換器の出力周波数を示す点Ａは、上記
の第１．２項に示したオフセット電圧の誤差により、縦
軸方向に変移する。また、入力信号ＶｉｎとＶ／Ｆ変換
器の出力周波数Ｆｏｕｔとの変換ゲインを示す直義の傾
きは、上記の第３項に示した変換ゲインの誤差により、
出方周波数０の点を中心にｗＥ５図（ｂ）のように変化
する。従って、入力信号ＶｉｎＫ対するＶ／Ｆ変換器の
出力周波数Ｆｏｕ　ｔは、以上の誤差の複合により変動
する。

これらの誤差を抑制するために、出願人は次のような方
法を提案した（特願昭６２−１１４０７号：提案済方法
と云う）。これは、Ｖ／Ｆ変洪器の変換ゲインとオフセ
ット電圧を、誤差全台んだまま計測し、それらを用いて
検出波ｎをする方法である。

具体的には、まずあらかじめ決められた二つの状態（Ｖ
ｉｎ＝Ｑ　、　Ｖｉｎ−Ｖｓ　）を入カサセル。すると
、Ｖｉｎ＝ＱのときのＶ／Ｆ変ｙ！、器の出カバルスカ
ウント値Ｃｏと計測時間Ｔｏ、　Ｖｉｎ　＝Ｖｓ　（基
準値）におけるＶ／Ｆ変換器の出カパルス力ウント値（
？ｓと、計測時間Ｔｓ、それに対するディジタル量の期
待値（設計値）　Ｘｓ　、　Ｖ　／　Ｆ変換器の変換ゲ
インにとの間には次式の関係が成立する。

ここで、式（５１′ｔ−式（４）に代入してＫについて
解けば、Ｙ＝。

となる。従って、人力信号Ｖｉｎの０及び基準値Ｖｓに
おけるＶ／Ｆ変侠器の出力パルスカウント値Ｃｏ　。

Ｃ５及びそのときの計測時間Ｔｏ、Ｔｓが判れば、式（
６）により検出演算ゲインＫｔ−１また式（５）により
オフセットｍのディジタル値Ｘｏｆｆｓｅｔｉそれぞれ
求めることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、この提案漬方法にも次のような問題がある。

すなわち、この方法によるアナログ／ディジタル変換装
置の入力に入力信号が結線されており、しかもその結線
が容易にはずせない場合、調整のため、入力に基準電圧
Ｖｓを印加するのは困難である。また、半導体電力変換
装置における電流検出のように、電力変換装置の運転状
態から検出対象信号の有無を判別することが可能なシス
テムであれば、人力信号Ｖｉｎ−０の点は容易に判定で
きるが、検出対象信号の有無を判別することが不可能な
システムでは、調整に必要なもう一つの状態である入力
信号Ｖｉｎ　−Ｑの点が判定できない。

したがって、この発明はＶ／Ｆ変換器を用いたアナログ
／ディジタル変換装置において、その入力に測定すべき
入力信号が結線されている状態のままで、かつその入力
信号の値が判らなくても、Ｖ／Ｆ変侯器の入力に加算さ
れるオフセット誤差や回路定数の誤差等に起因したオフ
セット電圧。

変換ゲインの誤差によって生ずる計測値の誤差を可変抵
抗等の調節要素を用いずに簡単な回路構成のままで容易
に調整し、かつオフセット誤差のドリフトや回路定数の
温度変化等によって生ずる検出演算のエラーを較正しう
る、Ｖ／Ｆ変換器を用いたアナログ／ディジタル変換装
置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

変換すべきアナログ信号を導入または遮断する切換手段
と、基準電圧を増幅しゲインが可変の増幅手段と、前記
切換手段および増幅手段の出力を導入されて人力に対応
した周波数のパルス信号を出力する電圧／周波数変換手
段と、変換すべきアナログ信号を遮断して前記増幅手段
の出力のみを前記電圧／周波数変換手段に導入する状態
で増幅手段のゲインを第１．第２の所定値に順次変換し
て得られる電圧／周波数変換手段の各出力パルスカウン
ト値とそれぞれの計測時間とから周波数／ディジタル怠
変換のための横用演算定数であるゲイン、オフセットを
演算した後、該定数にもとづき前記切換手段を介して導
入されるアナログ信号対応のディジタル量を演算する演
算手段とを設ける。

〔作用〕

Ｖ／Ｆ変換器を用いたアナログ−ディジタル変換では、
入力信号ＶｉｎとＶ／Ｆ変換器出力周波数Ｆｏｕｔとの
関係が、第６図（ａ）の実線で示されるように、その設
計値（破１１）からずれていたとしても、実際の変換ゲ
イン、オフセット電圧に対して第６図（°ｂ）が成立す
れば、実用上は何ら差し支えない。従って、Ｖ／Ｆ変換
器の変換ゲインとオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔに誤差
を含んだままの状態における、入力信号ＶｉｎとＶ／Ｆ
変換器出力周波数Ｆｏｕ　ｔとの関係が第６図（ａ）の
実線で表わせるような関係にある場合、この入力信号Ｖ
ｉｎとディジタルｆｉＸが第６図（ｂ）のような関係に
なるように、式（２）における演算定数Ｋ及びオフセッ
ト量Ｘｏｆｆｓｅｔｉ選んでやればよい。しかるに、第
６１１（ａ）の実線と同図（ｂ）における、出力周波数
Ｆｏｎ　ｔとディジタル量Ｘとの関係は、Ｖ／Ｆ変換器
における電圧−周波数変換の直線性が保たれている限り
、−次の線形な関係にあるから、直線上の２点の値がわ
かれば、その直線の傾きとオフセットは一義的に求まる
。

この発明は、上記直線上の２点の値を求める際に、基準
電位発生器の出力Ｖｒｅｆｆ：利用しようとするもので
ある。ただし、ここで扱うモデルでは基準電位発生器の
出力Ｖｒｅｆは一定で変わらないとし、オフセット誤差
（Ｖｅｒｒｏｒ）はｖ／Ｆ変換器の入力に加算されると
考えている。このため、入力信号Ｖｉｎにスイッチをつ
なぎ、基準電位発生器の出力Ｖｒｅｆにアンプをつなぎ
、スイッチの出力にアンプの出力を加え、Ｖ／Ｆ変換器
の入力とする。そして、上記直線上の２点に対応して、
２つの状態（状態■、状態■）全考える。つまり、状態
■ではスイッチを開き、かつアンプのゲインを例えば１
とし、Ｖ／Ｆ変換器の出力パルスカウント数ＣＯと計測
時間Ｔｏを求め、状態■ではスイッチを開き、かつアン
プのゲインをα（たとえばα−１／２）とし、ｖ／Ｆ変
換器の出力パルスカウント数Ｃｓと計測時間Ｔｓ１に求
める。このようにすると、次式が成り立つ。

Ｘ＋Ｘｅｒｒｏｒ　＋Ｘｒｅｆ−Ｋ　・（Ｃ／　Ｔ　）
（力 （７）式を変形すると、 Ｘ−に−（Ｃ／Ｔ）−（Ｘｅｒｒｏｒ＋Ｘｒｅｆ　）・
・・・・・　（８） −に−（Ｃ／Ｔ）−（Ｘｏｆｆｓｅｔ　）（Ｘｏｆｆｓ
ｅｔ−Ｘｅｒｒｏｒ＋Ｘｒｅｆ　）となる。したがって
、状態■では次式が成り立つ。

Ｘｅｒｒｏｒ＋Ｘｒｅｆ　−Ｋ　−（Ｃｏ／Ｔｏ　）・
・・・・・　（９） また、状態■では次式が成り立つ（アンプのゲインα−
１／２の場合）。

Ｘｅｒｒｏｒ＋１／２Ｘｒｅｆ−Ｋ・（Ｃｓ／Ｔｓ　）
１ｌ （９）式−α１式より、 αυ弐ｔ−（９）式に代入すると、 Ｘｏｆｆｓｅｔ　コＸｅｒｒｏｒ＋Ｘｒｅｆ・・・・・
・　←２ となる。ゆえに、Ｃｏ　、　Ｔｏ　、　Ｃｓ　、　Ｔｓ
からα０式より検出演算ゲインＫが求まり、■式よりオ
フセットｊｌＸｏｆｆｓｅｔが求まる。このように、検
出ゲイン、オフセットｉｔ求める際に、基準電位Ｖｒｅ
ｆ金利用することで、調整の容易化を図るようにしてい
る。

〔実施例〕

第１図は、この発明の実施例を示す構成図である。

入力信号■はセンサ１で検出信号Ｖｉｎに変換され、開
閉信号Ａにより開閉されるスイッチ１１に入力される。

基準電圧発生器３から出力される一定の電圧Ｖｒｅ　ｆ
は、倍率切り侠え信号Ｂによりそのゲインが切り替わる
アンプ１２に入力される。

加算器２は、スイッチ１１の出力とアンプ１２の田方を
加算し、Ｖ／Ｆ変侠器４へ入力する。第１図中Ｖｅ　ｒ
　ｒ　ｏ　ｒは、この発明で取り除くことのできるオフ
セット誤差である。Ｖ／Ｆｆ換器４は、入力されたＶｉ
ｎ−）−Ｖｏｆｆｓｅｔに比例した周波数のパルス列Ｆ
ｏｕｔ　ｔ−出力する。カウンタ５及び６は、それぞれ
Ｖ／Ｆ変換器４の出力パルスＦｏｕｔ及び一定周波数の
基準クロックｆｉカウントし、サンプリング・タイミン
グ信号Ｓによりカウント値を０にリセットする。データ
ラッチ７及び８は、サンプリングタイミング信号Ｓによ
りリセットされる直前のカウンタ５及び６０カウント値
Ｃ及びＴをラッチする。マイクロコンピュータの如き処
理装置（ＣＰＵ）９はデータラッチ７及び８にラッチさ
れたカウント値Ｃ及びＴをデータコントロールバス１０
を介して読み込み、後述のアルゴリズムに従って、入力
信号の検出演算を行い、そのディジタルＪｕｌる。デー
タラッチ１３で、スイッチ１１の開閉信号Ａとアンプ１
２の倍率切り換え信号Ｂは、データコントロールパスの
適当な２ビツトにわりあてられる。

第２図及び第３図にＣＰＵ９が実行するプログラムのフ
ローチャートを示す。

第２図は初期化プログラムで、マイクロコンピュータの
起動直後に一度だけ実行されて検出演算。

補償演算で使用されるＫ　、　Ｘｏｆｆｓｅｔの暫定値
をセットする。ここで用いる暫定値としては、設計値ま
たは前回までの演算で得られた整定値（調整値）を用い
る。

第３図はサンプリング周期ごとに繰り返し起動実行され
るプログラムである。調整するときは、まず状態■にす
べくスイッチ１１を開き、アンプ１２の倍率を例えば１
とする。ＣＰＵ９が、第１図（実施例）のデータラッチ
７及び８よりＶ／Ｆ変換器４の出力パルスカウント値Ｃ
１及び計測時間に比例した基準クロックｆのカウント値
ＴＩ読み込み、それぞれＣｏ、Ｔｏとする。次に、状態
■にすべくスイッチ１１は開いたまま、アンプ１２の倍
率をたとえば１／２とする。この状態で、ＣＰＵ９が読
み込んだＣ，ＴをそれぞれＣｓ　、　Ｔｓとして弐〇〇
、（１２から検出演算ゲインＫ及びディジタルオフセッ
ト量Ｘｏｆｆｓｅｔｔ−求め、さらにこのときの検出演
算出力ｆｔＸ−Ｘ５とする。以上の処理をした後、状態
を復帰する。そして、通常（ＩＩ整モードでない場合）
は、ＣＰＵ９が読み込んだＣ１Ｔから式（８）　を用い
て通常の検出演算を行い、ディジタル変換量Ｘｔ−得る
。

〔発明の効果〕

この発明によれば、二つの状態を切り換えることで、そ
の二つの状態におけるＶ／Ｆ変侠変換出力周波数及び、
それぞれに対するディジタル量の設計値（期待値）から
検出演算ゲイン及びオフセット量を逆算して求める事に
より、入力に入力信号を結線したままで、しかもその人
力信号値がわからなくても、Ｖ／Ｆ変侠変換力に加わる
オフセット誤差や回路を構成する部品の定数誤差、変動
に応じて検出演算を行うことができるので、調整作業が
非常に容易になると云う利点がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す構成図、第２図はＣＰ
Ｕが実行する初期化プログラムを示すフローチャート、
第３図はＣＰＵが実行する検出演算プログラムを示すフ
ローチャート、第４図はアナログ／ディジタル変換装置
の従来例金示す構成図、第５図はオフセット電圧の誤差
およびＶ／Ｆ変換器の変換ゲイン誤差によるＶ／Ｆ変換
変換器出力周波形響ｆｔ説明するためのグラフ、第６図
はＶ／Ｆ変俣器の入力電圧と出力周波数、検出演算出力
との関係を説明するためのグラフである。 符号説明 １・・・・・・センサ、２・・・・・・加算器、３・・
・・・・基準電圧発生器、４・・・・・・電圧／周波数
（Ｖ／Ｆ）変換器、５．６・・・・・・カウンタ、７，
８，１３・・・・・・データラッチ、９・・・・・・処
理装置（ＣＰＵ）、１０・・・・・・データコントロー
ルパス、１１・・・・・・スイッチ、１２・・・・・・
アンプ。 代理人　弁理士　並　木　昭　夫 代理人　弁理士　松　崎　　　　清 ＠ＩｖＩＪ 第　２ 図 図 第５ 図 襲３ 図 ＠６ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 変換すべきアナログ信号を導入または遮断する切換手段
   と、 基準電圧を増幅しゲインが可変の増幅手段と、前記切換
   手段および増幅手段の出力を導入されて入力に対応した
   周波数のパルス信号を出力する電圧／周波数変換手段と
   、 変換すべきアナログ信号を遮断して前記増幅手段の出力
   のみを前記電圧／周波数変換手段に導入する状態で増幅
   手段のゲインを第１、第２の所定値に順次設定して得ら
   れる電圧／周波数変換手段の各出力パルスカウント値と
   それぞれの計測時間とから周波数／ディジタル量変換の
   ための検出演算定数であるゲイン、オフセットを演算し
   た後、設定数にもとづき前記切換手段を介して導入され
   るアナログ信号対応のディジタル量を演算する演算手段
   と、 を備えてなることを特徴とするアナログ−ディジタル変
   換装置。