JP6769453B2 - A/d変換装置、a/d変換方法及びプログラム - Google Patents

A/d変換装置、a/d変換方法及びプログラム Download PDF

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Description

本発明は、マルチチャンネルA/D変換器等に好適なA/D変換装置、A/D変換方法及びプログラムに関する。
シグマ−デルタA/D変換器の変換スループットを増加させるための技術が提案されている。(例えば、特許文献1)
特開平8−330969号公報
上記特許文献1に記載された技術を含めて、マルチチャンネルのA/D変換方式では、時分割で複数のアナログ入力を順次循環的に選択してA/D変換するが故に、順序に応じた変換遅延が発生して、デジタル値化されたデータの同一時点での比較等を行なうことができない、という根源的な不具合を有していた。
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、マルチチャンネルのA/D変換方式において、変換遅延時間の影響を無効化することが可能なA/D変換装置、A/D変換方法及びプログラムを提供することにある。
本発明の一態様のA/D変換装置は、入力される3以上のアナログ信号から1つを選択して出力する選択回路と、上記選択回路から出力されるアナログ信号をデジタルデータ化する一つのA/D変換器とを有する、上記入力されるアナログ信号の数未満であって、且つ、上記入力される3以上のアナログ信号がそれぞれ同一である複数組の組回路と、上記複数組の組回路の各選択回路に対して、当該複数組の組回路が所定の時間差をもったサンプリングタイミングで、サンプリングタイミング毎に選択するアナログ信号を循環的に切り換え選択させる第1の制御手段と、上記第1の制御手段により、上記複数組の組回路の各選択回路に入力される同一の上記3以上のアナログ信号の中から、上記各選択回路に同一の一のアナログ信号を選択させ、上記複数組の組回路のうちの一の組回路のA/D変換器から得られる一のデジタルデータと上記一の組回路とは別の組回路である他の組回路のA/D変換器から得られる他のデジタルデータ及びそれらのサンプリングタイミングと上記所定の時間差とに従って、上記複数組の組回路のうちの一の組回路のA/D変換器から得られる一のデジタルデータと上記一の組回路とは別の組回路である他の組回路のA/D変換器から得られる他のデジタルデータを結ぶ傾きを有する直線を想定し、当該直線が直前の基準となるサンプリングタイミングを通過する際のデジタルデータを予測補間することにより、当該基準となるサンプリングタイミングでのデジタルデータを算出する第2の制御手段と、を備える。
本発明によれば、マルチチャンネルのA/D変換方式において、変換遅延時間の影響を無効化することが可能となる。
本発明の一実施形態に係るA/D変換装置の回路構成を示すブロック図。 同実施形態に係るコントローラが実行する処理内容を示すフローチャート。 同実施形態に係るアナログ信号1〜アナログ信号4を2個のAD変換回路でサンプリングする場合の処理タイミングを例示する図。 同実施形態に係る異なる設定での10個のAD変換回路のサンプリングタイミングを例示する図。
以下、本発明の一実施形態に係るA/D変換装置について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係るA/D変換装置の回路構成を示すブロック図である。同図において、複数、例えば1〜Nのアナログ信号が、2つのAD変換回路11A,11Bに並列に供給される。
各AD変換回路11A,11Bは、マルチプレクサ12A(12B)及びA/D変換器13A(13B)を有する組回路であり、マルチプレクサ12A(12B)で選択した1つのアナログ信号を、A/D変換器13A(13B)に出力する。
A/D変換器13A(13B)は、マルチプレクサ12A(12B)で選択したアナログ信号を所定の量子化ビット数のデジタルデータに変換した上でコントローラ14へ出力する。
コントローラ14は、プロセッサと、当該プロセッサでの動作プログラムを記憶したプログラムメモリ、及びワークメモリを内蔵している。
コントローラ14は、上記各AD変換回路11A,11Bのマルチプレクサ12A(12B)に対して、それぞれ選択するアナログ信号のサンプリングタイムが互いに重複しないように、所定の時間差をもって、選択するアナログ信号をサンプリングタイミング毎に循環的に切り換えるように指示する。
また、コントローラ14は、各AD変換回路11A,11Bから得られるデジタルデータを受信し、元の各アナログ信号毎に、基準となるサンプリングタイミングでのデジタルデータを算出し、算出したデジタルデータを出力し続ける。
なお、上記図1は、2個のAD変換回路11A,11Bを有する場合について説明したが、AD変換回路の数は本実施形態のような2個が最小構成であり、同時に入力されるアナログ信号の数未満であれば、3個以上でも良い。
次に上記実施形態の動作について説明する。
図2は、主としてコントローラ14による、このA/D変換装置の動作制御内容を示す。
その処理当初に、各種変数の初期設定として、AD変換回路の数:X(本実施形態は「2」)、AD時間:At、アナログ信号の数:N、N本のアナログ信号に対してA/D変換を行なう順序(マルチプレクサ12A(12B)内の信号スイッチSWCA1〜SWCAx(SWCB1〜SWCBx)の切替え順序)、等を設定する(ステップS101)。
上記AD時間Atは、1回のサンプリング毎に発生する遅延誤差時間であり、サンプリング周期である。
ADの順序としては、例えばAD変換回路11Aのマルチプレクサ12Aの信号スイッチSWCA1を第1番、信号スイッチSWCA2を第2番とすることで、第1回目のサンプリングタイミングではアナログ信号1、第2回目のサンプリングタイミングではアナログ信号2がサンプリングされ、以後、サンプリングタイミング毎に信号スイッチを切替えることで、サンプリングするアナログ信号を1つずつずらしていき、アナログ信号Nがサンプリングされると、再び信号スイッチSWCA1に切替えるというように、信号スイッチを循環的に切替える順序を設定するものとする。
なお、AD変換回路11Bにおいては、AD変換回路11Aとサンプリングタイミングが所定の時間差をもった状態で、AD変換回路11Aと同じ順番で、マルチプレクサ12Bの信号スイッチSWCB1〜SWCBxが切替わる。
その後、コントローラ14は、すべてのAD変換回路、本実施形態ではAD変換回路11A,11Bの双方に一時的に同一のサンプリングタイミングで同一のアナログ信号を選択させ、そのデジタルデータを比較して、デジタルデータに違いがあるようであれば、AD変換回路の何れかを調整して、双方の変換結果が同一となるようにリファレンス調整処理を実行する(ステップS102)。
以上で通常動作前の準備を終了したものとして、あらためてすべてのアナログ信号のサンプリングが一巡したことをカウントするためのカウンタ(Cnt)に初期値「0」を設定する(ステップS103)。
その後、コントローラ14では、カウンタの値がアナログ信号数Nを超えていないか否かにより、必要なサンプリングが一巡した否かを判断する(ステップS104)。
カウンタの値がアナログ信号数Nを超えておらず、必要なサンプリングがまだ一巡していないと判断した場合(ステップS104のNo)、コントローラ14では、各AD変換回路11A,11B毎にアナログ信号のサンプリングを実行させる。
以下に示すステップS105〜S110は、各AD変換回路11A,11B毎にコントローラ14の制御に基づいて平行して実行するサンプリング処理である。
本実施形態では、2個のAD変換回路11A,11Bについて例示しており、図中のステップS105−1〜S110−1の処理がAD変換回路11Aにおいて、ステップS105−2〜S110−2の処理がAD変換回路11Bにおいて、それぞれ実行される。
ここでは、AD変換回路11Aにおいて実行されるステップS105−1〜S110−1の処理について説明する。AD変換回路11Bにおいて実行するステップS105−2〜S110−2の処理も、AD変換回路11Aとサンプリングタイミングが所定の時間差をもっている点を除いて同様であるので、その説明は省略する。
AD変換回路11Aにおいては、その時点でマルチプレクサ12Aがアナログ信号を選択する信号スイッチSWC1の選択内容が、アナログ信号の最大値Nを超えた内容に設定されているか否かを判断する(ステップS105-1)。
これは、前回のサンプリング動作時に実行したステップS105−1〜S110−1において、信号スイッチSWCAの選択内容が更新設定された結果に対する判断である。
ここで信号スイッチSWCAの選択内容がアナログ信号の最大値Nを超えていると判断した場合(ステップS105−1のYes)にのみ、循環的なアナログ信号のサンプリングを実現するために、コントローラ14は信号スイッチSWCAの選択内容を「SWCA1」に設定し直す(ステップS106−1)。
上記ステップS105−1において、信号スイッチSWCAの選択内容がアナログ信号の最大値Nを超えていないと判断した場合(ステップS105−1のNo)には、上記ステップS106−1の処理は不要となるので実行しない。
その後、信号スイッチSWCAをその時点の選択内容に従ってオン設定してマルチプレクサ12Aで選択させ(ステップS107−1)、マルチプレクサ12Aで選択したアナログ信号をA/D変換器13Aでサンプリングしてデジタル値のデータに変換させる(ステップS108−1)。
コントローラ14は、A/D変換器13Aから得たデジタルデータを、その時点のサンプリング順序、すなわち基準となるサンプリング開始のタイミングから何回目のサンプリングであるかの順序の情報と共に保持する(ステップS109−1)。
その後、信号スイッチSWCAの選択内容を「+1」更新設定する(ステップS110−1)。
こうしてAD変換回路11A,11Bの双方において、信号スイッチSWC1,SWC2の各選択内容を更新設定した後、カウンタ(Cnt)の値を「+1」更新設定した上で(ステップS111)、再び上記ステップS104からの処理に戻り、同様の処理を実行する。
上記ステップS104からの処理をアナログ信号の数分だけ繰返し実行し、すべてのアナログ信号をAD変換回路11A,11Bの双方で、所定の時間差をもったサンプリングタイミングでデジタル値のデータに変換する。
その後、さらにカウンタ(Cnt)の値を「+1」更新設定し、次のステップS104において、カウンタ(Cnt)の値がアナログ信号数Nを超えており、必要なサンプリングが一巡したものと判断されると(ステップS104のYes)、コントローラ14では、上記ステップS101で設定した各AD変換回路11A,11BでのAD順番と上記AD時間Atとにより遅延差Tnを算出する(ステップS112)。
ここでx番目のAD変換回路での遅延差Tnxは、1回目のサンプリングタイミングを基準となるサンプリングタイミングとした場合に、次式
Tnx=(順番−1)×At
で与えられる。
コントローラ14では、AD変換回路11A,11Bで得た各デジタルデータと上記遅延差Tnから算出した傾きを使用して、元の各アナログ信号1〜Nに対して、1本目のアナログ信号(アナログ信号1)がA/D変換されたサンプリングタイミング(後述する基準となるサンプリングタイミング)でのデジタルデータを予測補間する(ステップS113)。
基準となるサンプリングタイミングでのアナログ信号1〜Nに対応するデジタルデータを算出した時点で上記図2の処理を一旦終了すると共に、コントローラ14は後段の図示内回路へデジタルデータを出力する。
図3は、図3(A)〜図3(D)で示すアナログ信号1〜アナログ信号4を、2個のAD変換回路11A,11Bでサンプリングした場合の処理タイミングを例示する図である。同図中、実線の丸印がAD変換回路11Aのサンプリングタイミングを示し、破線の丸印がAD変換回路11Bのサンプリングタイミングを示す。サンプリングの1巡目以降それぞれにおいて、1回目のサンプリングタイミングT1,T2,T3,…を、基準となるサンプリングタイミングとしている。
AD変換回路11Aが、アナログ信号を{1、2、3、4、…}の順序でサンプリングする一方で、AD変換回路11Bは、AD変換回路11Aと所定の時間差(2佐分利タイミング遅れ)をもって、アナログ信号を{1、2、3、4、…}の順序でサンプリングしている。
したがって、同一のアナログ信号に対するデジタルデータとしては、AD変換回路11Bで得たデジタルデータと2つ前のサンプリングタイミングでAD変換回路11Aで得たデジタルデータとを結ぶような傾きを有する直線を想定し、図中に破線の矢印で示すように、当該直線が直前の基準タイミングを通過する際のデジタルデータを予測補完により算出することで、基準となるサンプリングタイミングでのデジタルデータを取得することができる。
なお、上記設定によれば、図3(A)に示すアナログ信号1のみは、基準タイミングにおいてAD変換回路11Aがデジタルデータをオンタイムで取得しているため、上記予測補間は不要となる。
図4は、上記とは設定が異なり、10個のAD変換回路(「AD1」〜「AD10」)を用い、500[Hz]のサンプリング周波数(周期2[ミリ秒])で、100個のセンサから出力されるアナログ信号1〜100のデジタルデータ化を行なうサンプリングタイミングの例を示している。
この場合、各AD変換回路は1回のAD時間Atが50[マイクロ秒]となる。図中、0[マイクロ秒]時を基準のサンプリングタイミングとした場合、200[マイクロ秒]時のタイミングt1でAD変換回路「AD1」により得られた、あるアナログ信号のデジタルデータが「100」、250[マイクロ秒]時のタイミングt2でAD変換回路「AD2」により得られた、同アナログ信号のデジタルデータが「102」であった場合、基準のサンプリングタイミングである0[マイクロ秒]時の同アナログ信号に対するデジタルデータは「92」であるものと推定できる。
なお、上記実施形態では、単純に2つのサンプリングタイミングで得られたデジタルデータから、直線的な予測補間により基準となるサンプリングタイミングでのデジタルデータを算出する場合について説明した。これにより、コントローラ14の演算処理に要する負担を軽減しながら基準となるサンプリングタイミングでのデジタルデータを算出することができる。
またさらに、実際に用いられる各種センサ等の特性により、下記のような条件を設定することも考えられる。例えば、
・デジタルデータの上限値
・デジタルデータの下限値
・単位時間当たりの変化の度合い(傾き)の上限値
・アナログ信号が変動する周期の範囲
・アナログ信号が変動するパターン
等を設定した上で基準タイミングでのデジタルデータを算出することで、より予測精度を高めることができる。
以上詳述した如く本実施形態によれば、マルチチャンネルのA/D変換方式を採りながら、変換遅延時間の影響を無効化することが可能となる。
そのため、マルチチャンネル方式であるが故に、回路規模とA/D変換に要する消費電力とを大幅に削減することを可能としながら、サンプリングタイミングを揃えた状態での多数のデジタルデータ出力を取得することができる。
なお、上記実施形態において、2個のAD変換回路11A,11Bの各サンプリングクロックが同期していることとして説明したが、各サンプリングクロックは同期していなくてもよい。
その他、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[請求項1]
入力される3以上のアナログ信号から1つを選択して出力する選択回路と、上記選択回路から出力されるアナログ信号をデジタルデータ化するA/D変換器とを有する、上記入力されるアナログ信号の数未満の複数組の組回路と、
上記複数組の組回路の各選択回路に対して、当該複数組の組回路が所定の時間差をもったサンプリングタイミングで、サンプリングタイミング毎に選択するアナログ信号を循環的に切り換え選択させる第1の制御手段と、
上記複数組の組回路から得られるデジタルデータに基づき、元の各アナログ信号毎に、上記所定の時間差をもった複数のデジタルデータ及びそれらのサンプリングタイミングと当該時間差とに従って、基準となるサンプリングタイミングでのデジタルデータを算出する第2の制御手段と、
を備えるA/D変換装置。
[請求項2]
上記第2の制御手段は、上記複数組の組回路から得られるデジタルデータに基づき、元の各アナログ信号毎に、上記所定の時間差をもった複数のデジタルデータ及びそれらのサンプリングタイミングと当該時間差とに従って、上記複数のデジタルデータを結ぶ傾きを有する直線を想定し、当該直線が直前の基準となるサンプリングタイミングを通過する際のデジタルデータを予測補間することにより、基準となるサンプリングタイミングでのデジタルデータを算出する、請求項1記載のA/D変換装置。
[請求項3]
上記複数のアナログ信号の少なくとも1つに対し、上限値及び下限値、変化周期、単位時間当たりの最大変化度合い、の少なくとも1つを含む条件情報を設定する設定手段をさらに備え、
上記第2の制御手段は、上記設定手段で条件情報が設定されたアナログ信号に対し、設定された条件情報を用いて、基準となるサンプリングタイミングでのデジタルデータを算出する、
請求項1または2記載のA/D変換装置。
[請求項4]
入力される3以上のアナログ信号から1つを選択して出力する選択回路と、上記選択回路から出力されるアナログ信号をデジタルデータ化するA/D変換器とを有する組回路を上記入力されるアナログ信号の数未満の複数組備えた装置でのA/D変換方法であって、
上記複数組の組回路の各選択回路に対して、当該複数組の組回路が所定の時間差をもったサンプリングタイミングで、サンプリングタイミング毎に選択するアナログ信号を循環的に切り換え選択させる第1の制御工程と、
上記複数組の組回路から得られるデジタルデータに基づき、元の各アナログ信号毎に、上記所定の時間差をもった複数のデジタルデータ及びそれらのサンプリングタイミングと当該時間差とに従って、基準となるサンプリングタイミングでのデジタルデータを算出する第2の制御工程と、
を有するA/D変換方法。
[請求項5]
入力される3以上のアナログ信号から1つを選択して出力する選択回路と、上記選択回路から出力されるアナログ信号をデジタルデータ化するA/D変換器とを有する組回路を上記入力されるアナログ信号の数未満の複数組備えた装置が内蔵するコンピュータが実行するプログラムであって、上記コンピュータを、
上記複数組の組回路の各選択回路に対して、当該複数組の組回路が所定の時間差をもったサンプリングタイミングで、サンプリングタイミング毎に選択するアナログ信号を循環的に切り換え選択させる第1の制御手段と、
上記複数組の組回路から得られるデジタルデータに基づき、元の各アナログ信号毎に、上記所定の時間差をもった複数のデジタルデータ及びそれらのサンプリングタイミングと当該時間差とに従って、基準となるサンプリングタイミングでのデジタルデータを算出する第2の制御手段と、
して機能させるプログラム。
11A,11B…AD変換回路、
12A,12B…マルチプレクサ、
13A,13B…A/D変換器、
14…コントローラ

Claims (4)

  1. 入力される3以上のアナログ信号から1つを選択して出力する選択回路と、上記選択回路から出力されるアナログ信号をデジタルデータ化する一つのA/D変換器とを有する、上記入力されるアナログ信号の数未満であって、且つ、上記入力される3以上のアナログ信号がそれぞれ同一である複数組の組回路と、
    上記複数組の組回路の各選択回路に対して、当該複数組の組回路が所定の時間差をもったサンプリングタイミングで、サンプリングタイミング毎に選択するアナログ信号を循環的に切り換え選択させる第1の制御手段と、
    上記第1の制御手段により、上記複数組の組回路の各選択回路に入力される同一の上記3以上のアナログ信号の中から、上記各選択回路に同一の一のアナログ信号を選択させ、上記複数組の組回路のうちの一の組回路のA/D変換器から得られる一のデジタルデータと上記一の組回路とは別の組回路である他の組回路のA/D変換器から得られる他のデジタルデータ及びそれらのサンプリングタイミングと上記所定の時間差とに従って、上記複数組の組回路のうちの一の組回路のA/D変換器から得られる一のデジタルデータと上記一の組回路とは別の組回路である他の組回路のA/D変換器から得られる他のデジタルデータを結ぶ傾きを有する直線を想定し、当該直線が直前の基準となるサンプリングタイミングを通過する際のデジタルデータを予測補間することにより、当該基準となるサンプリングタイミングでのデジタルデータを算出する第2の制御手段と、
    を備えるA/D変換装置。
  2. 上記3以上のアナログ信号の少なくとも1つに対し、上限値及び下限値、変化周期、単位時間当たりの最大変化度合い、の少なくとも1つを含む条件情報を設定する設定手段をさらに備え、
    上記第2の制御手段は、上記設定手段で条件情報が設定されたアナログ信号に対し、設定された条件情報を用いて、基準となるサンプリングタイミングでのデジタルデータを算出する、
    請求項1記載のA/D変換装置。
  3. 入力される3以上のアナログ信号から1つを選択して出力する選択回路と、上記選択回路から出力されるアナログ信号をデジタルデータ化する一つのA/D変換器とを有する、上記入力されるアナログ信号の数未満であって、且つ、上記入力される3以上のアナログ信号がそれぞれ同一である複数組の組回路を備えたA/D変換装置でのA/D変換方法であって、
    上記複数組の組回路の各選択回路に対して、当該複数組の組回路が所定の時間差をもったサンプリングタイミングで、サンプリングタイミング毎に選択するアナログ信号を循環的に切り換え選択させる第1の制御工程と、
    上記第1の制御工程により、上記複数組の組回路の各選択回路に入力される同一の上記3以上のアナログ信号の中から、上記各選択回路に同一の一のアナログ信号を選択させ、上記複数組の組回路のうちの一の組回路のA/D変換器から得られる一のデジタルデータと上記一の組回路とは別の組回路である他の組回路のA/D変換器から得られる他のデジタルデータ及びそれらのサンプリングタイミングと上記所定の時間差とに従って、上記複数組の組回路のうちの一の組回路のA/D変換器から得られる一のデジタルデータと上記一の組回路とは別の組回路である他の組回路のA/D変換器から得られる他のデジタルデータを結ぶ傾きを有する直線を想定し、当該直線が直前の基準となるサンプリングタイミングを通過する際のデジタルデータを予測補間することにより、当該基準となるサンプリングタイミングでのデジタルデータを算出する第2の制御工程と、
    を有するA/D変換方法。
  4. 入力される3以上のアナログ信号から1つを選択して出力する選択回路と、上記選択回路から出力されるアナログ信号をデジタルデータ化する一つのA/D変換器とを有する、上記入力されるアナログ信号の数未満であって、且つ、上記入力される3以上のアナログ信号がそれぞれ同一である複数組の組回路を備えたA/D変換装置が内蔵するコンピュータが実行するプログラムであって、上記コンピュータを、
    上記複数組の組回路の各選択回路に対して、当該複数組の組回路が所定の時間差をもったサンプリングタイミングで、サンプリングタイミング毎に選択するアナログ信号を循環的に切り換え選択させる第1の制御手段と、
    上記第1の制御手段により、上記複数組の組回路の各選択回路に入力される同一の上記3以上のアナログ信号の中から、上記各選択回路に同一の一のアナログ信号を選択させ、上記複数組の組回路のうちの一の組回路のA/D変換器から得られる一のデジタルデータと上記一の組回路とは別の組回路である他の組回路のA/D変換器から得られる他のデジタルデータ及びそれらのサンプリングタイミングと上記所定の時間差とに従って、上記複数組の組回路のうちの一の組回路のA/D変換器から得られる一のデジタルデータと上記一の組回路とは別の組回路である他の組回路のA/D変換器から得られる他のデジタルデータを結ぶ傾きを有する直線を想定し、当該直線が直前の基準となるサンプリングタイミングを通過する際のデジタルデータを予測補間することにより、当該基準となるサンプリングタイミングでのデジタルデータを算出する第2の制御手段と、
    して機能させるプログラム。
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