JPH0542176B2 - - Google Patents
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- JPH0542176B2 JPH0542176B2 JP59023843A JP2384384A JPH0542176B2 JP H0542176 B2 JPH0542176 B2 JP H0542176B2 JP 59023843 A JP59023843 A JP 59023843A JP 2384384 A JP2384384 A JP 2384384A JP H0542176 B2 JPH0542176 B2 JP H0542176B2
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-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
- H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
- H03M1/12—Analogue/digital converters
- H03M1/18—Automatic control for modifying the range of signals the converter can handle, e.g. gain ranging
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
(a) 技術分野
本発明はアナログ−デジタル変換器に係わり、
特に、入力されたアナログ信号の大きさに応じて
自動的に適正なレンジを選択してアナログ−デジ
タル変換を行なう自動レンジ切換アナログ−デジ
タル変換器に関する。[Detailed Description of the Invention] (a) Technical Field The present invention relates to an analog-to-digital converter,
In particular, the present invention relates to an automatic range switching analog-to-digital converter that automatically selects an appropriate range depending on the magnitude of an input analog signal and performs analog-to-digital conversion.
(b) 従来技術と問題点
出力されるアナログ量の変化範囲が非常に広
い、例えばガスクロマトグラフ等の出力をデジタ
ル型のコンピユータで処理する場合、固定レンジ
のアナログ−デジタル変換器(以後はA−D変換
器と称する)では変換時に用いたビツト数による
制約から出力範囲によつては充分な精度でデジタ
ル変換することができず、許容できる程度の変換
誤差を含む近似値で表現せざるを得ない不都合が
あつた。(b) Prior art and problems When using a digital computer to process the output of a gas chromatograph, etc., where the range of variation in the analog output is very wide, a fixed range analog-to-digital converter (hereinafter referred to as A- Due to constraints imposed by the number of bits used during conversion, D converters cannot perform digital conversion with sufficient accuracy depending on the output range, and must be expressed as approximate values that include an acceptable level of conversion error. There were some inconveniences.
また、フルスケール値が種々の値を持つ多種の
アナログ信号が次々と入力され、これを入力時刻
に合わせて時分割しながらデジタル化するとき、
デジタル変換後の精度をそれぞれの入力信号毎に
保証できる有効数字の範囲に収められるレベルに
移行させるため、各入力信号のレベルをフルケー
ス値に見合つて増幅できるように、個々の利得を
切り換えなければならない繁雑さもあつた。 Also, when various analog signals with various full scale values are input one after another, and these are digitized while being time-divided according to the input time,
In order to move the digital conversion accuracy to a level within a guaranteed significant figure range for each input signal, the individual gains must be switched so that the level of each input signal can be amplified commensurate with its full-case value. It was also incredibly complicated.
このような問題点の解決を図るため、従来種々
の自動レンジ切換A−D変換器が提案されてき
た。例えば、本願発明者の出願になる特公昭54−
005671号公報による「自動利得切換A−D変換
器」や特開昭53−008045号公報による「自動レン
ジ切換A−D変換器」等があり、これらA−D変
換器はいずれも簡単な回路で入力レンジの決定を
高速で行えるようにしたことに特徴があつた。 In order to solve these problems, various automatic range switching A-D converters have been proposed. For example, the patent application filed by the inventor of the present application
There are "automatic gain switching A-D converters" published in Japanese Patent Publication No. 005671 and "automatic range switching A-D converters" published in Japanese Patent Application Laid-open No. 53-008045. Both of these A-D converters are simple circuits. The feature was that the input range could be determined quickly.
然し乍ら、従来のA−D変換器にあつては、入
力レンジ決定時点以後のアナログ信号の変化(正
または負の方向の急激な立上り若しくは立下り)
に対する配慮がなく、入力レンジ決定時点以後
に、例えば正方向に立上りがあるとA−D変換時
点のアナログ値が、その決定レンジの許容最大値
を超過してしまい、上限で押さえ込まれた波形で
A−D変換されることになる危険があつた。また
アナログ信号値が絶対値で小さくなりすぎると、
A−D変換時のデジタル表現所要ビツト数の有限
性のために有効桁数が不足し、充分な精度でA−
D変換できないという欠点もあつた。 However, in the case of conventional A-D converters, changes in the analog signal (rapid rise or fall in the positive or negative direction) after the input range determination point
For example, if there is a rise in the positive direction after the input range is determined, the analog value at the time of A-D conversion will exceed the maximum allowable value of the determined range, and the waveform will be suppressed at the upper limit. There was a risk that it would be converted from A to D. Also, if the analog signal value becomes too small in absolute value,
Due to the finite number of bits required for digital representation during A-D conversion, the number of significant digits is insufficient, and A-D conversion cannot be performed with sufficient accuracy.
It also had the disadvantage of not being able to perform D conversion.
第1図は従来技術になるA−D変換の原理説明
図であり、同図aはアナログ正弦波の入力レンジ
決定時刻とその決定時刻でのアナログ量、及び前
記正弦波のサンプル時刻とその時刻でのアナログ
量を示すアナログ波形と、入力レンジに対するア
ナログ信号を増幅すべき利得を示し、同図bは上
記でそれぞれ決定された入力レンジでの利得で増
幅したアナログ量をサンプルしてA−D変換した
ときのプロツト波形を示す。図中、1はアナログ
正弦波、2はA−D変換後のプロツト波形、G1
〜G4は入力レンジ別で増幅器に設定される利
得、tはサンプル時刻で1桁の添字の時刻はA−
D変換されるアナログ値のサンプル時刻、2桁の
添字の時刻は入力レンジ決定用アナログ値のサン
プル時刻をそれぞれ示している。 FIG. 1 is an explanatory diagram of the principle of A-D conversion according to the prior art, and figure a shows the input range determination time of an analog sine wave, the analog amount at that determination time, and the sample time and time of the sine wave. The analog waveform showing the analog amount at , and the gain at which the analog signal should be amplified for the input range are shown. The plot waveform after conversion is shown. In the figure, 1 is an analog sine wave, 2 is a plot waveform after A-D conversion, and G1
~G4 is the gain set to the amplifier for each input range, t is the sampling time, and the time with a single digit subscript is A-
The sample time of the analog value to be D-converted and the time of the two-digit subscript indicate the sample time of the analog value for input range determination, respectively.
同図aで、利得Gの増幅率は、アナログ量が
1.0〜0.5の範囲のときに利得G1(1倍)に、0.5
〜0.25の範囲のときに利得G2(2倍)に、0.25
〜0.125の範囲のときに利得G3(4倍)に、
0.125〜0.0の範囲のときに利得G4(8倍)にな
るように定めておき、従つてその各々における増
幅後の表示範囲はいずれもハーフスケール値0.5
からフルスケール値1.0である。 In the same figure a, the amplification factor of gain G is the analog quantity
When the range is 1.0 to 0.5, the gain G1 (1x) is 0.5
When the range is ~0.25, the gain G2 (2x) is 0.25
When the range is ~0.125, the gain G3 (4 times),
It is set so that the gain G4 (8 times) is obtained in the range of 0.125 to 0.0, and therefore the display range after amplification for each of them is a half scale value of 0.5.
The full scale value is 1.0.
従つて、例えば、時刻t11で入力レンジを判定
し、そのときの利得G1(1倍)を決定し、続い
て、時刻t2のアナログ量(0.707)を1倍に増幅
してからA−D変換され、次ぎに、時刻t21で入
力レンジを判定し、そのときの利得G1(1倍)
を決定し、続いて、時刻t3におけるアナログ量
(0.923)を1倍に増幅してからA−D変換を行な
うように、逐次利得Gを決定しながらA−D変換
を行なつていく。 Therefore, for example, the input range is determined at time t11 , the gain G1 (1x) at that time is determined, and then the analog amount (0.707) at time t2 is amplified to 1x, and then A- The input range is then determined at time t21 , and the gain G1 (1x) at that time is
Then, the analog quantity (0.923) at time t3 is amplified by a factor of 1, and then the A-D conversion is performed while successively determining the gain G.
ここで、問題なことは、利得Gの決定後のサン
プル時刻のアナログ量が、異なる利得Gのレンジ
内に移行した場合である。 Here, a problem arises when the analog amount at the sample time after the gain G is determined moves within the range of a different gain G.
同図aでは、時刻t1と時刻t7にこの影響が現
れ、同図bに示すように、この2つの時刻で波形
の歪が現れている。 In figure a, this effect appears at time t1 and time t7 , and as shown in figure b, waveform distortion appears at these two times.
この内、時刻t1は増幅率過剰によるスケールオ
ーバによるものであり、他方の時刻t7は増幅率不
足によるハーフスケールを生じた変換誤差の影響
によるものである。 Among these, time t 1 is due to scale over due to excessive amplification factor, and the other time t 7 is due to the influence of a conversion error that causes half scale due to insufficient amplification factor.
更に詳細に説明すると、時刻t01で入力信号を
サンプルした値が0.17とすると、0.125〜0.25のレ
ンジ、即ち利得G3(4倍)に決定され、続い
て、時刻t1で入力信号をサンプルしたアナログ値
(0.382)に対して無条件に前記利得G3(4倍)
が適用されて、0.382×4=1.528>1.0(=0.25×
4)となり、フルスケールの0.25に押さえ込ま
れ、A−D変換のプロツト波形は同図bの時刻t1
で実線のように歪んだ波形になる。 To explain in more detail, if the value of the input signal sampled at time t 01 is 0.17, the range of 0.125 to 0.25, that is, the gain G3 (4 times) is determined, and then the input signal is sampled at time t 1 . The gain G3 (4 times) is unconditionally applied to the analog value (0.382).
is applied, 0.382×4=1.528>1.0(=0.25×
4), the full scale is suppressed to 0.25, and the plot waveform of A-D conversion is at time t 1 in b of the same figure.
The waveform becomes distorted as shown by the solid line.
一方、時刻tb1で入力信号をサンプルした値が
0.52とすると、0.5〜1.0のレンジ、即ち利得G1
(1倍)に決定され、続いて、時刻t7で入力信号
をサンプルしたアナログ値(0.382)に対して無
条件に前記利得G1(1倍)が適用されて、
0.382×1=0.382<0.5(=0.25×2)となり、ハ
ーフスケール以下になつてしまう。 On the other hand, the value sampled from the input signal at time t b1 is
If it is 0.52, the range is 0.5 to 1.0, that is, the gain G1
(1x), and then the gain G1 (1x) is unconditionally applied to the analog value (0.382) obtained by sampling the input signal at time t7 ,
0.382×1=0.382<0.5 (=0.25×2), resulting in less than half scale.
このように、A−D変換にnビツトが用いられ
るときは、2-nの大きさで飛び飛びに量子化され
ることとなり、有効ビツト数の不足で変換誤差を
持ち、同図bの時刻t7のプロツト波形のような歪
が生じる。 In this way, when n bits are used for A-D conversion, they are quantized intermittently with a size of 2 - n , and there is a conversion error due to the lack of effective number of bits. Distortion similar to the plot waveform of 7 occurs.
以上、説明したように、従来技術による自動レ
ンジ切換では入力波形の変化速度が急激であると
増幅率が不適合となり、その結果A−D変換後に
波形歪が生じる欠点があつた。しかもこの欠点
は、入力レンジを決定後、その決定に従つた信号
の増幅には有限の時間を要するため、その間の入
力信号の変化に対処できないということから由来
するがため、増幅器をどれほど高速度のものとし
ても根本的には解決不能な問題であつた。 As described above, automatic range switching according to the prior art has the drawback that if the rate of change of the input waveform is rapid, the amplification factor becomes inappropriate, resulting in waveform distortion after AD conversion. Moreover, this drawback stems from the fact that after determining the input range, it takes a finite amount of time to amplify the signal according to that determination, so it is not possible to deal with changes in the input signal during that time. It was a fundamentally unsolvable problem.
(c) 発明の目的
本発明は、前述の問題点を解決するために、入
力レンジ決定時刻にサンプルしたアナログ値から
サンプル時刻におけるアナログ値を予測し、適正
な入力レンジを定める新しい自動レンジ切換A−
D変換器の提供にある。(c) Purpose of the Invention In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a new automatic range switching system A that predicts the analog value at the sampling time from the analog value sampled at the input range determination time and determines the appropriate input range. −
The purpose is to provide a D converter.
(d) 発明の構成
上記目的を達成する本発明の構成は、連続入力
されるアナログ信号を、多段に構成したアナログ
信号の保持手段に時間差を置いて各段毎に保持さ
せ、該多段の保持手段からの保持出力を該保持手
段の前記段数に応じた個数の演算手段に入力し
て、該連続入力されるアナログ信号の所定時間後
における予測値を算出し、該算出したアナログ信
号値を各ビツト位置毎に重み付けた複数ビツトか
らなるデジタル値に変換してシリアルに出力し、
この出力された重み付きビツト位置における所定
のビツト値の連続個数を計数し、該連続入力され
るアナログ信号の前記所定時間後における増幅率
を、前記計数値を巾乗値とした2の巾乗に基づい
て設定するようにしたことを特徴とするものであ
る。(d) Structure of the Invention The structure of the present invention that achieves the above-mentioned object is to hold continuously input analog signals in analog signal holding means configured in multiple stages at each stage with a time difference. The holding output from the holding means is input to a number of calculation means corresponding to the number of stages of the holding means, and a predicted value of the continuously input analog signal after a predetermined time is calculated, and each calculated analog signal value is Converts it into a digital value consisting of multiple bits weighted for each bit position and outputs it serially.
The number of successive predetermined bit values at the output weighted bit positions is counted, and the amplification factor of the continuously input analog signal after the predetermined time is determined by multiplying the counted value by a power of 2. This feature is characterized in that the settings are made based on the following.
(e) 発明の実施例 以下に図を用い、本発明の詳細を説明する。(e) Examples of the invention The details of the present invention will be explained below using the figures.
第2図は原理説明図であり、横軸は時刻t,縦
軸はアナログ信号3の大きさyと、その予測値
である。 FIG. 2 is a diagram explaining the principle, where the horizontal axis is time t, and the vertical axis is the magnitude y of the analog signal 3 and its predicted value.
過去のサンプル値から次のサンプル値をある程
度予測できることはアナログ信号が冗長性を持つ
ことから可能であり、このため、A−D変換する
ときのサンプリング周波数をサンプリング定理に
よる限界(サンプリング周波数は信号周波数の2
倍以上としなければアナログ信号を再現できな
い)より充分速くすることが必要である。 It is possible to predict the next sample value to some extent from the past sample value because analog signals have redundancy, and for this reason, the sampling frequency for A-D conversion is limited by the sampling theorem (sampling frequency is the signal frequency 2
(The analog signal cannot be reproduced unless it is at least twice as fast.)
時系列データに対して数点のサンプル値を用い
て、次のサンプル点を予測する方法は周知の技術
であり、予測式としては線形または非線形の予測
式が用いられることも周知であり、本発明はこの
点に着目したものである。 The method of predicting the next sample point using several sample values for time-series data is a well-known technique, and it is also well-known that a linear or non-linear prediction formula can be used as a prediction formula. The invention focuses on this point.
第2図で、to-4〜to+3は等間隔に取られたサン
プル時刻、yo-4〜yo+3はサンプル時刻対応のアナ
ログ値で、用いる予測式は1次予測乃至3次予測
程度(勿論、予測式はこれだけに限定されない)
とすると、
yo-2,yo-1 からoを予測
yo-3,yo-2,yo-1 からoを予測
yo-4,yo-3,yo-2,yo-1 からoを予測
の夫々の場合、サンプル時刻間隔を等しくして、
1次予測…o=−yo-2+2yo-1 (1)
2次予測…o=yo-3−3yo-2+3yo-1 (2)
3次予測…o=−yo-4+4yo-3−6yo-2+4yo-1
(3)
となる。 In Figure 2, t o-4 to t o+3 are sample times taken at equal intervals, y o-4 to y o+3 are analog values corresponding to the sample times, and the prediction formula used is the primary prediction or Third-order prediction level (of course, the prediction formula is not limited to this)
Then, predict o from y o-2 , y o-1 y o-3 , y o-2 , y Predict o from o-1 y o-4 , y o-3 , y o-2 , y In each case of predicting o from o-1 , the sampling time intervals are made equal, and the first prediction... o = −y o-2 +2y o-1 (1) The second prediction... o = y o-3 −3y o-2 +3y o-1 (2) Third prediction... o =-y o-4 +4y o-3 -6y o-2 +4y o-1
(3) becomes.
第3図は、第(3)式の3次予測に基づく本発明の
一実施例を示すブロツク図で、図中、30はプロ
グラマブル・ゲイン・アンプ(PGA)、31はス
イツチ(SW)、32はA−D変換器(ADC)、4
0は制御部、41乃至45はサンプルホールド回
路(SHA,SHB,SHC,SHD,SHE)、51と
52は演算増幅器、R1乃至R7は抵抗、
ANAINは入力アナログ信号、ADSはA−D変換
開始指令信号、SCは切り換え指令信号、Giは利
得指定コード、GA乃至GEはホールド指令信号、
vo-4乃至Vo-1とVo,oは電圧は夫々示す。 FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of the present invention based on the cubic prediction of equation (3), in which 30 is a programmable gain amplifier (PGA), 31 is a switch (SW), and 32 is an analog-to-digital converter (ADC), 4
0 is a control unit, 41 to 45 are sample and hold circuits (SHA, SHB, SHC, SHD, SHE), 51 and 52 are operational amplifiers, R1 to R7 are resistors,
ANAIN is an input analog signal, ADS is an A-D conversion start command signal, SC is a switching command signal, Gi is a gain specification code, GA to GE are hold command signals,
V o-4 to V o-1 and V o and o indicate the voltage, respectively.
入力アナログ信号ANAINは、PGA30に入
力されたものは制御部40からの利得指定コード
Giによる増幅率で増幅され、その出力をホール
ド指令信号GEで制御されるSHE45によつてホ
ールドしてSW31に入力され、一方、ホールド
指令信号GEとは排他的に指示出力されるホール
ド指令信号GA乃至GDでSHA41乃至SHD44
が制御されて出力電圧Vo-4乃至Vo-1までがホー
ルド出力される。このホールド出力電圧の内から
Vo-3とVo-1を夫々抵抗R1、抵抗R2を介して
演算増幅器51の負の端子に入力し、更に、この
演算増幅器51からの出力電圧およびホールド出
力電圧からのVo-4とVo-2を夫々抵抗R4、抵抗
R5、抵抗R6を介して演算増幅器52の負の端
子にそれぞれ入力して予測電圧oを出力してSW
31に入力する。 The input analog signal ANAIN input to the PGA 30 is a gain designation code from the control unit 40.
Gi, the output is held by SHE45 controlled by hold command signal GE and input to SW31, while hold command signal GA is exclusively output from hold command signal GE. SHA41 to SHD44 in GD to GD
is controlled and the output voltages V o-4 to V o-1 are held and output. From within this hold output voltage
V o-3 and V o-1 are input to the negative terminal of the operational amplifier 51 via resistors R1 and R2, respectively, and V o-4 from the output voltage and hold output voltage from the operational amplifier 51 is inputted to the negative terminal of the operational amplifier 51 through resistors R1 and R2, respectively. and V o-2 are respectively input to the negative terminal of the operational amplifier 52 via resistors R4, R5, and R6, and the predicted voltage o is outputted, and SW
31.
出力電圧Voまたは予測電圧V oのいずれか一方
を、切り換え指令信号SCで切り換えられたSW3
1を介して、A−D変換開始指令信号ADSによ
つてADC32でA−D変換しデジタル値として
出力する。 SW3 which has either the output voltage V o or the predicted voltage V o switched by the switching command signal SC
1, the ADC 32 performs A/D conversion in response to an A/D conversion start command signal ADS, and outputs it as a digital value.
このデジタル値は、出力電圧VoがA−D変換
された時はそのまま図示しない後段に出力
(OUTPUT)される。また予測電圧oがA−D
変換されたときは後述する第5図によるごとく入
力レンジ範囲を決定し、利得指定コードGiを
PGA30に与えるようにされる。 This digital value is output (OUTPUT) as it is to a subsequent stage (not shown) when the output voltage V o is A-D converted. Also, the predicted voltage o is A-D
When converted, determine the input range range as shown in Figure 5 below, and enter the gain specification code Gi.
PGA30.
第4図は、第3図の構成を用いたときの、動作
タイムチヤートである。このタイムチヤートの動
作は第3図の抵抗Rに関し、既出の第(3)式の係数
に適合するように、
R3=4xR1=4xR2,
R7=R4=R5=6xR6
と選定されて用いたものである。 FIG. 4 is an operation time chart when the configuration shown in FIG. 3 is used. The operation of this time chart is based on the resistance R shown in Figure 3, which is selected as R3 = 4xR1 = 4xR2, R7 = R4 = R5 = 6xR6 to match the coefficients of equation (3) above. be.
図中、サンプルホールド時刻は、to-4,to-3,
to-2,to-1であり、この時刻に合わせて各々のサ
ンプルホールド回路SHA41,SHB42,SHC
43,SHD44にホールド指令信号GA,GB,
GC,GDを印加する。即ち、SHD44にはホー
ルド指令信号GDを印加することで時刻to-4でホ
ールドした電圧Vo-4を出力させ、SHC43には
ホールド指令信号GCを印加することで時刻to-3
でホールドした電圧Vo-3を出力させ、SHB42
にはホールド指令信号GBを印加することで時刻
to-2でホールドした電圧Vo-2を出力させ、SHA
41にはホールド指令信号GAを印加することで
時刻to-1でホールドした電圧Vo-1をそれぞれ出力
させる。 In the figure, the sample hold times are t o-4 , t o-3 ,
t o-2 and t o-1 , and the sample and hold circuits SHA41, SHB42, and SHC are activated at this time.
43, hold command signals GA, GB to SHD44,
Apply GC and GD. That is, by applying the hold command signal GD to the SHD 44, the voltage V o-4 held at time t o-4 is outputted, and by applying the hold command signal GC to the SHC 43, it is outputted at the time t o-3.
Output the voltage V o-3 held by SHB42
By applying hold command signal GB to
Output the voltage V o-2 held by t o-2 and SHA
By applying a hold command signal GA to 41, the voltage V o-1 held at time t o-1 is outputted.
これらの出力電圧は、時刻to-1〜時刻t1間に演
算増幅器51,52に入力され、予測電圧oが
演算増幅器52の出力端に現われる。ここでo
は時刻toにおける予測電圧であり、予め切り換え
指令信号SCで、予測電圧o入力側に切り換えら
れているSW31からADC32に入力され、時刻
t1に印加されるA−D変換開始指令信号ADSによ
つて時刻t1〜時刻t2でA−D変換される。この出
力をシリアルなビツト出力として制御部40に入
力して利得指定コードGiを算出すれば、A−D
変換完了時点で利得指定コードGiの値が決定で
き、その利得指定コードGiの値はただちにPGA
30に印加される。そこで、時刻toでホールド指
令信号GEをSHE45に印加し、PGA30は利得
指定コードGiの値によつて入力アナログ信号
ANAINを増幅し、SHE45の出力電圧Voを、
SW31を切り換え指令信号SCでサンプル出力側
に切り換えておき、ADC32に入力し、A−D
変換開始指令信号ADSを時刻toに印加することで
A−D変換を行なう。 These output voltages are input to operational amplifiers 51 and 52 between time t o -1 and time t 1 , and predicted voltage o appears at the output terminal of operational amplifier 52 . here o
is the predicted voltage at time t o , which is input to the ADC 32 from SW 31, which has been switched to the predicted voltage o input side by the switching command signal SC in advance, and is
A/D conversion is performed from time t 1 to time t 2 by the A/D conversion start command signal ADS applied at t 1 . If this output is input to the control unit 40 as a serial bit output and the gain designation code Gi is calculated, the A-D
The value of the gain specification code Gi can be determined when the conversion is completed, and the value of the gain specification code Gi is immediately converted to PGA.
30. Therefore, at time to , the hold command signal GE is applied to the SHE45, and the PGA30 receives the input analog signal according to the value of the gain designation code Gi.
Amplify ANAIN and make the output voltage V o of SHE45,
SW31 is switched to the sample output side using the switching command signal SC, input to ADC32, and A-D
A-D conversion is performed by applying a conversion start command signal ADS at time to .
斯くて、入力レンジに見合つた適正な増幅率で
入力アナログ信号ANAINをA−D変換できる。 In this way, the input analog signal ANAIN can be A-D converted with an appropriate amplification factor commensurate with the input range.
第5図は、上記の利得指定コードGiを算出す
る際のブロツク図で、同図aは回路図、同図bは
増幅率を示し、図中、60はカウンタ(CT)で、
P0はパラレル出力、S0はシリアル出力で、そ
の他のもので第3図に同一な記号は同一物であ
る。ここで、説明の都合上、ADC32の構成は
MSB(最上位ビツト)からLSB(最下位ビツト)
までを8ビツトとする符号1ビツト+数値7ビツ
ト(ビツト構成は任意)に、フルスケール値は+
10160mV〜−10240mVに、PGA30の利得は20
〜27がCT60の出力に応じて指定できるものと
なし、同図bはこの条件下での増幅率である。 FIG. 5 is a block diagram for calculating the above gain designation code Gi, where a shows the circuit diagram and b shows the amplification factor. In the figure, 60 is a counter (CT),
P0 is a parallel output, S0 is a serial output, and other symbols that are the same as those in FIG. 3 are the same. Here, for convenience of explanation, the configuration of ADC32 is
MSB (Most Significant Bit) to LSB (Least Significant Bit)
up to 8 bits, 1 bit for sign + 7 bits for numerical value (bit configuration is arbitrary), full scale value is +
From 10160mV to -10240mV, the gain of PGA30 is 20
27 can be specified according to the output of the CT 60, and b in the figure shows the amplification factor under this condition.
入力レンジを判定するため、最初に制御部40
からCT60の利得指定コードGi(カウント値)
を0に、従つて、PGA30の利得(2Gi)を1倍
に設定する。ADC32の出力は2の補数形式に
とり、MSBからLSBに至るまで順次シリアル出
力S0を用いる。 In order to determine the input range, first the control unit 40
Gain specification code Gi (count value) of CT60 from
is set to 0, and therefore the gain (2 Gi ) of the PGA 30 is set to 1. The output of the ADC 32 is in two's complement format, and serial output S0 is used sequentially from MSB to LSB.
従つて、レンジ判定は次の2通りになる。 Therefore, range determination can be made in the following two ways.
MSBが“0”(正)なら、ADC32からの
シリアル出力S0をチエツクし、“1”が現れ
るまでの“0”の個数をカウントする。 If the MSB is "0" (positive), check the serial output S0 from the ADC 32 and count the number of "0"s until a "1" appears.
MSBが“1”(負)なら、ADC32からの
シリアル出力S0をチエツクし、“0”が現れる
までの“1”の個数をカウントする。 If the MSB is "1" (negative), check the serial output S0 from the ADC 32 and count the number of "1"s until a "0" appears.
ここでのカウント個数は利得指定コードGiで
あり、PGA30の増幅率は同図bのように、適
正な増幅率を現わしており、この結果に応じて、
入力アナログ信号ANAINを増幅する。 The counted number here is the gain designation code Gi, and the amplification factor of the PGA30 shows an appropriate amplification factor as shown in figure b, and according to this result,
Amplify the input analog signal ANAIN.
尚、第4図中の時刻t2は次にA−D変換すべき
予測サンプリング開始時刻でもある。 Incidentally, time t2 in FIG. 4 is also the predicted sampling start time for the next A/D conversion.
また、第3図の一実施例では予測電圧oのA
−D変換器とサンプルホールドした増幅後の出力
電圧VoのA−D変換器を共通なADC32で用い
ているが、予測電圧oに対してはその必要性か
ら、前記のA−D変換器とは異なるより高速度の
A−D変換器を例えば、演算増幅器52の出力側
に直に接続して制御部40に入力するように用い
ることもできる。 In addition, in one embodiment of FIG. 3, A of the predicted voltage o
-D converter and A-D converter with sample-and-hold amplified output voltage V o are used in the common ADC 32, but for the predicted voltage o , due to its necessity, the above-mentioned A-D converter is used. For example, a higher speed A/D converter different from the above may be used, for example, by connecting directly to the output side of the operational amplifier 52 and inputting it to the control section 40.
本発明の一実施例の応用として、第6図のタイ
ムチヤートになる動作が得られる。 As an application of one embodiment of the present invention, the operation shown in the time chart of FIG. 6 is obtained.
第6図が第4図のタイムチヤートと異なるの
は、時刻toにおける予測電圧oの代わりに、時
刻to+1における予測電圧o+1を算出したことであ
る。この為には前出の第(3)式の係数を
3次予測……
o+1=−4yo-4+15yo-3−20yo-2+10yo-1 (4)
とすれば良いことになり、第3図中の抵抗R1〜
抵抗R7に関して、
R3=10xR2=15xR1,
R4=R7=20xR6=4xR5
のように設定すれば良い。 The difference between FIG. 6 and the time chart in FIG. 4 is that the predicted voltage o +1 at time t o+ 1 is calculated instead of the predicted voltage o at time t o . For this purpose, the coefficients of equation (3) above should be set to the third-order prediction... o+1 = −4y o-4 +15y o-3 −20y o-2 +10y o-1 (4) , and the resistance R1 in Figure 3 is
Regarding the resistor R7, it is sufficient to set it as R3=10xR2=15xR1, R4=R7=20xR6=4xR5.
この第(4)式を用いる利点は入力レンジの予測を
行なうためのA−D変換時間と、その演算結果に
従つた増幅率で入力アナログ信号ANAINを増幅
するための時間が、第4図に示したタイムチヤー
トよりも長くとれるため、低速度のA−D変換器
やセツトリングタイムの遅い増幅器を用いること
ができる点にある。 The advantage of using this equation (4) is that the A-D conversion time for predicting the input range and the time for amplifying the input analog signal ANAIN with the amplification factor according to the calculation result are shown in Figure 4. Since the time chart can be longer than the time chart shown, it is possible to use a low-speed A-D converter or an amplifier with a slow settling time.
第7図は、本発明の他の実施例になるブロツク
図である。図中で、用いた記号は第3図に用いた
記号に同一であり、第7図が第3図と異なるの
は、サンプルホールド回路SHA41,SHB4
2,SHC43,SHD44を入力アナログ信号
ANAINに対し、直列接続にした点にある。 FIG. 7 is a block diagram of another embodiment of the present invention. In the figure, the symbols used are the same as those used in Figure 3, and the difference between Figure 7 and Figure 3 is the sample and hold circuits SHA41 and SHB4.
2. Input analog signal to SHC43 and SHD44
The point is that it is connected in series to ANAIN.
以上、本発明の実施例としては、3次予測を用
いて説明したものであるが、本発明の適用はこれ
に留まるものでないことは論をまたない。 Although the embodiments of the present invention have been described above using cubic prediction, it goes without saying that the application of the present invention is not limited to this.
例えば、予測式として、1次予測、2次予測及
び3次予測のそれぞれについて、入力レンジ決定
の適合度を調べるため、入力アナログ信号を正弦
波として、予測誤差を算出したものが、第8図で
あり、同図aは波形図、同図bは適合度で、正弦
波の1波長を16分割した22.5゜毎にサンプルした
ときの真値y0〜y8および誤差である。同図によれ
ば、適合度は3次予測を最良とするも、1次予測
でもかなり程度で本発明の効果が期待できること
が判る。 For example, as a prediction formula, in order to check the suitability of input range determination for each of the primary prediction, secondary prediction, and tertiary prediction, the input analog signal is a sine wave and the prediction error is calculated as shown in Figure 8. In the figure, a is a waveform diagram, and b is a goodness of fit, which is the true value y 0 to y 8 and error when sampled at every 22.5° obtained by dividing one wavelength of the sine wave into 16. According to the figure, although the third-order prediction is the best in terms of fitness, it can be seen that the effects of the present invention can be expected to a considerable extent even with the first-order prediction.
一方、この予測式を用いたレンジ決定はアナロ
グ信号を等間隔でサンプリングできる利点を原理
的に持つているが、予測値であること及び、演算
増幅器からの出力には誤差分が含まれているた
め、実測値が予測値の増幅率と異なるレンジに落
ち込む危険は避けられないが、予測値に1以上の
値の係数を掛けることで容易にその危険を回避で
きる。例えば、第3図の抵抗R7の値を1.1とす
ることで、自動レンジ切換範囲が0.45〜0.91程度
に縮小されるとは言え、予測誤差が10%以内であ
ればオーバフローは生じないようにできる。 On the other hand, range determination using this prediction formula has the advantage in principle of being able to sample the analog signal at equal intervals, but it is a predicted value and the output from the operational amplifier contains errors. Therefore, there is an unavoidable risk that the actual value will fall into a range different from the amplification factor of the predicted value, but this risk can be easily avoided by multiplying the predicted value by a coefficient of 1 or more. For example, by setting the value of resistor R7 in Figure 3 to 1.1, the automatic range switching range will be reduced to about 0.45 to 0.91, but if the prediction error is within 10%, overflow will not occur. .
(f) 発明の効果
以上述べたように、出力されるアナログ量の変
化範囲が非常に広いものからの出力をデジタル型
のコンピユータで処理する場合、固定レンジのア
ナログ・デジタル(A−D)変換器であつても、
変換時に用いたビツト数による制約を解消するこ
とができ、充分な精度でデジタル変換することが
できるようになる効果が顕著である。(f) Effects of the invention As stated above, when a digital computer processes the output from something with a very wide variation range of output analog quantity, fixed range analog-to-digital (A-D) conversion is required. Even if it is a vessel,
This has the remarkable effect of being able to eliminate the constraints imposed by the number of bits used during conversion, and allowing digital conversion to be performed with sufficient accuracy.
また、フルスケール値が種々の値を持つ多種の
アナログ信号が次々と入力され、これを入力時刻
に合わせて時分割しながらデジタル化するときで
も、デジタル変換後の精度をそれぞれの入力信号
毎に保証できるので、各入力信号のレベルをフル
スケール値に見合つて増幅できるようになる効果
も大きい。 In addition, even when many types of analog signals with various full-scale values are input one after another and are digitized while being time-divided according to the input time, the accuracy after digital conversion can be determined for each input signal. Since this can be guaranteed, the level of each input signal can be amplified to match the full scale value, which has a great effect.
第1図は従来技術の自動レンジ切換A−D変換
における波形歪発生図、第2図は予測電圧算出の
原理説明図、第3図は本発明の一実施例のブロツ
ク図、第4図は第3図のタイムチヤート、第5図
は増幅率算出時のブロツク図、第6図は第3図の
異なるタイムチヤート、第7図は本発明の他の実
施例のブロツク図、第8図は予測式の適合度の説
明図であり、図中、30はプログラマブル・ゲイ
ン・アンプPGA、31はスイツチSW、32はA
−D変換器ADC、40は制御部、41〜45は
サンプルホールド回路SHA,SHB,SHC,
SHD,SHE、50と51は演算増幅器、60は
カウンタCT、ANAINは入力アナログ信号、R
1〜R7は抵抗、Vo-4〜Vo-1は出力電圧、oは
予測電圧、Giは利得指定コード、ADSはA−D
変換開始指令信号、SCは切り換え指令信号、GA
〜GEはホールド指令信号、S0はシリアル出力、
P0はパラレル出力をそれぞれ示す。
Fig. 1 is a diagram of waveform distortion generation in conventional automatic range switching A-D conversion, Fig. 2 is a diagram explaining the principle of predicted voltage calculation, Fig. 3 is a block diagram of an embodiment of the present invention, and Fig. 4 is FIG. 3 is a time chart, FIG. 5 is a block diagram when calculating the amplification factor, FIG. 6 is a different time chart from FIG. 3, FIG. 7 is a block diagram of another embodiment of the present invention, and FIG. It is an explanatory diagram of the goodness of fit of the prediction formula, in which 30 is a programmable gain amplifier PGA, 31 is a switch SW, and 32 is an A
-D converter ADC, 40 is a control unit, 41 to 45 are sample and hold circuits SHA, SHB, SHC,
SHD, SHE, 50 and 51 are operational amplifiers, 60 is a counter CT, ANAIN is an input analog signal, R
1 to R7 are resistors, V o-4 to V o-1 are output voltages, o is predicted voltage, Gi is gain specification code, ADS is A-D
Conversion start command signal, SC is switching command signal, GA
~GE is the hold command signal, S0 is the serial output,
P0 each indicates a parallel output.
Claims (1)
したアナログ信号の保持手段に時間差を置いて各
段毎に保持させ、該多段の保持手段からの保持出
力を該保持手段の前記段数に応じた個数の演算手
段に入力して、該連続入力されるアナログ信号の
所定時間後における予測値を算出し、該算出した
アナログ信号値を各ビツト位置毎に重み付けた複
数ビツトからなるデジタル値に変換してシリアル
に出力し、この出力された重み付きビツト位置に
おける所定のビツト値の連続個数を計数し、該連
続入力されるアナログ信号の前記所定時間後にお
ける増幅率を、前記計数値を巾乗値とした2の巾
乗に基づいて設定するようにした自動レンジ切換
アナログ−デジタル変換方法。1. A continuously input analog signal is held in a multi-stage analog signal holding means at each stage with a time difference, and the number of holding outputs from the multi-stage holding means is determined according to the number of stages of the holding means. calculates the predicted value of the continuously input analog signal after a predetermined time, and converts the calculated analog signal value into a digital value consisting of a plurality of bits weighted for each bit position. Serially output, count the consecutive number of predetermined bit values at the output weighted bit positions, and calculate the amplification factor of the continuously inputted analog signal after the predetermined time by using the counted value as a power value. An automatic range switching analog-to-digital conversion method that sets the range based on the power of 2.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2384384A JPS60169227A (en) | 1984-02-10 | 1984-02-10 | Automatic range switching analog-digital converter |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JPS60169227A JPS60169227A (en) | 1985-09-02 |
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JPS5746330U (en) * | 1980-08-29 | 1982-03-15 |
-
1984
- 1984-02-10 JP JP2384384A patent/JPS60169227A/en active Granted
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