(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定によって取得される信号波形上の近接した複数のサンプル点におけるアナログ信号をデジタルデータに変換した後にデータ処理を行なうデータ処理装置において、
a)ゲインを複数段階に切り替え可能な増幅手段と、
b)該増幅手段により増幅されたアナログ信号をデジタルデータに変換する変換手段と、
c)該変換手段により得られるデジタルデータの値を第１及び第２の所定値と比較し、該データ値が第１の所定値よりも小さい場合には次の変換動作におけるゲインを増加させ、該データ値が第２の所定値よりも大きい場合には次の変換動作におけるゲインを減少させるように前記増幅手段のゲインを切り替えるゲイン切替手段と、
d)変換動作時の前記増幅手段のゲイン及びデジタルデータの値に基づき、前記複数のサンプル点におけるアナログ信号に対応して前記変換手段から得られる複数のデジタルデータについて、前記第２の所定値よりも大きいデータを除外し、それ以外のデータが複数存在する場合にはその平均を求めるとともに前記それ以外のデータが１個のみ存在する場合にはその値を採用する処理を行なうことにより１個の測定データを得る処理手段と、
を備えることを特徴とするデータ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ／ＭＳ）等の分析装置に用いられるデータ処理装置に関し、特に、データ処理装置の入力段において検出器からのアナログ検出信号をサンプリングしデジタルデータに変換する測定データの採取部に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＧＣ／ＭＳ等の分析装置においてデータ処理を行なう際には、質量分析計の検出器にて得られた検出信号をＡ／Ｄ変換して一旦メモリに蓄積した後に各種演算処理を実行する。高精度の分析を行なうには、処理対象のデータのダイナミックレンジをできる限り広く確保することが望ましいが、通常、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジによりその上限が決まってしまうため、従来、以下のような方法によりダイナミックレンジを広げる工夫がなされていた。
【０００３】
図５は、従来のデータ処理装置におけるデータ採取部の要部の構成図である。図示しない検出器からの検出信号は二系統に分岐され、一方の信号経路には、ゲイン１倍の第１前置アンプ１０、第１サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路１１及び第１アナログスイッチ１２が、他の信号経路には、ゲイン６４倍の第２前置アンプ１３、第２サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路１４及び第２アナログスイッチ１５が設けられている。二系統の信号経路は合流して第３サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路１６に入力され、ホールドされた信号がＡ／Ｄ変換器１７にてデジタルデータに変換されてデータ処理用のマイクロコンピュータ２０（以下「マイコン」という）に入力される。クロック生成部１９は、マイコン２０からサンプリングのタイミング制御信号ＳＰを受けて、上記各部に必要なクロック信号を発生する。また、コンパレータ１８は第２Ｓ／Ｈ回路１４の出力信号を所定値と比較した結果をクロック生成部１９に与える。
【０００４】
上記構成のデータ採取部の動作は、次のようになっている。検出信号は、第１前置アンプ１０及び第２前置アンプ１３によりそれぞれ増幅された後、第１Ｓ／Ｈ回路１１及び第２Ｓ／Ｈ回路１４にて同時にサンプリングされる。第２Ｓ／Ｈ回路１４の出力信号はコンパレータ１８にて所定値と比較され、所定値を越えている場合に「Ｈ」レベルの出力信号がクロック生成部１９へ与えられる。この所定値は、Ａ／Ｄ変換器１７の変換動作が飽和しない入力信号範囲を考慮して予め定められる。クロック生成部１９は、コンパレータ１８出力が「Ｌ」レベルである場合には、第２Ｓ／Ｈ回路１４の出力信号を選択すべく第２アナログスイッチ１５を閉成し第１アナログスイッチ１２を開成する。一方、コンパレータ１８出力が「Ｈ」レベルである場合には、第１Ｓ／Ｈ回路１１の出力信号を選択すべく第１アナログスイッチ１２を閉成し第２アナログスイッチ１５を開成する。すなわち、６４倍に増幅された検出信号が飽和せずにＡ／Ｄ変換される範囲に在る場合には、第２Ｓ／Ｈ回路１４の出力信号が選択され、Ａ／Ｄ変換の際に飽和する可能性が在る場合には、第１Ｓ／Ｈ回路１１の出力信号が選択される。
【０００５】
選択された信号は第３Ｓ／Ｈ回路１６にて再びサンプリングされ、ホールドされた信号がＡ／Ｄ変換器１７にてデジタルデータに変換される。このＡ／Ｄ変換動作の間に、第１Ｓ／Ｈ回路１１及び第２Ｓ／Ｈ回路１４では次のサンプル点の信号に対するサンプル／ホールド動作が実行される。クロック生成部１９からマイコン２０へは、第３Ｓ／Ｈ回路１６にてサンプリングを行なう際に１倍乃至６４倍のいずれのゲインにて増幅された信号が選択されたのかを示すゲイン切替信号ＧＳが与えられる。この信号により、マイコン２０は、入力されたデジタルデータが１倍乃至６４倍のいずれのゲインに対応したものであるかを識別し、ゲイン１倍のデジタルデータに対しては６４倍の乗算を実行した後に、またゲイン６４倍のデジタルデータに対してはそのままのデータをメモリに蓄積する。
【０００６】
このため、検出信号が小さい場合には大きなゲインをもって増幅し、逆に検出信号が大きい場合にはゲインを下げてＡ／Ｄ変換器の適正な入力信号範囲を越えないように調整されるため、Ａ／Ｄ変換器１７自体が有するダイナミックレンジよりも広い範囲の検出信号をＡ／Ｄ変換してデータを採取することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のデータ採取部は、構成が複雑であり部品点数が多いためコストが高いものであった。また、アナログ検出信号が二段階のＳ／Ｈ回路を通過する構成となっており信号経路が長いため、外来ノイズが混入し易く、測定精度を上げることが困難であると共に、シールド等のノイズ対策を厳重に施す必要があるといった付加的なコストアップの要因も有していた。
【０００８】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、データ処理装置のデータ採取部において、構成が簡単であってコストを抑えることができると共に外来ノイズの影響を受けにくいデータ処理装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明は、測定によって取得される信号波形上の近接した複数のサンプル点におけるアナログ信号をデジタルデータに変換した後にデータ処理を行なうデータ処理装置において、
a)ゲインを複数段階に切り替え可能な増幅手段と、
b)該増幅手段により増幅されたアナログ信号をデジタルデータに変換する変換手段と、
c)該変換手段により得られるデジタルデータの値を第１及び第２の所定値と比較し、該データ値が第１の所定値よりも小さい場合には次の変換動作におけるゲインを増加させ、該データ値が第２の所定値よりも大きい場合には次の変換動作におけるゲインを減少させるように前記増幅手段のゲインを切り替えるゲイン切替手段と、
d)変換動作時の前記増幅手段のゲイン及びデジタルデータの値に基づき、前記複数のサンプル点におけるアナログ信号に対応して前記変換手段から得られる複数のデジタルデータについて、前記第２の所定値よりも大きいデータを除外し、それ以外のデータが複数存在する場合にはその平均を求めるとともに前記それ以外のデータが１個のみ存在する場合にはその値を採用する処理を行なうことにより１個の測定データを得る処理手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係るデータ処理装置では、測定により取得される信号波形上で連続した複数個、例えば２個のサンプル点におけるアナログ信号をＡ／Ｄ変換し、それにより得た２個のデジタルデータに対して所定の処理を行なうことにより１個の測定データを得る。Ａ／Ｄ変換前にアナログ信号を増幅する際のゲインは、ゲイン切替手段により適宜切り替えられる。ゲイン切替手段は、所定のゲインをもって増幅されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換して得られたデジタルデータの値が予め定めた第１の所定値より小さい場合には、次の変換動作における増幅手段のゲインを高くするように切り替える。逆に、デジタルデータの値が予め定めた第２の所定値より大きい場合には、次の変換動作における増幅手段のゲインを下げるように切り替える。第２の所定値は、Ａ／Ｄ変換動作において信号の飽和が生じることを検出できるような値に定められる。
【００１１】
データ処理手段は、例えば２個のデジタルデータから１個の測定データを求める場合に、一方のデジタルデータの値が予め定めた第２の所定値より大きい場合、すなわちＡ／Ｄ変換時に信号が飽和している（厳密には飽和している可能性が高い）場合には、このデジタルデータを捨てて他の１個のデジタルデータのみを使用する。また、２個のデジタルデータが共に使用できる場合には、両者の平均値を計算する。更には、変換時のゲインの相違を考慮し、必要な場合にはゲインを揃えるために乗算を行ない、測定データを算出する。
【００１２】
【発明の効果】
本発明に係るデータ処理装置によれば、Ａ／Ｄ変換後のデジタルデータの値を判断することによりゲインを切り替えるようにしたので、アナログ部の構成が簡単になり部品点数を削減できる。このため、コストダウンが図れる。また、アナログ部の信号経路が短くなるため、外来ノイズの影響を受けにくくなる。これにより、信号のＳ／Ｎ比が改善され、測定精度の向上も図れる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図を参照して説明する。図１は、このデータ処理装置のデータ採取部の一例の構成図である。このデータ採取部では、図４の従来例が備えていた第１Ｓ／Ｈ回路１１、第２Ｓ／Ｈ回路１４及びコンパレータ１８が不要となり、それに代わりマイコン３０に後述のような機能が付加されている。
【００１４】
図２は、マイコン３０におけるデータ採取動作に関連する部分の概念的な構成図である。このデータ採取動作関連部は、機能的には、デジタルデータの値を判断しその結果により各種処理動作を制御するための、比較部３１、選択部３２、ゲイン切替部３３及び演算制御部３４と、連続してＡ／Ｄ変換された２個のデジタルデータを処理して１個の測定データを算出するための、Ａレジスタ３５、Ｂレジスタ３６、演算処理部３７及びＣレジスタ３８等から構成されている。
【００１５】
以下、図１、図２の構成において実行されるデータ採取時の処理動作について、図３のフローチャートに沿って説明する。
【００１６】
まず、ゲインの初期設定を１倍とするために、クロック生成部２１は、第１アナログスイッチ１２を閉成し第２アナログスイッチ１５を開成させる（ステップＳ１）。勿論、ゲインを６４倍とするように初期設定しても構わない。この場合には、第１アナログスイッチ１２を開成し第２アナログスイッチ１５を閉成させる。
【００１７】
次に、第１アナログスイッチ１２を介し第１前置アンプ１０の出力信号をＳ／Ｈ回路１６にてサンプリングし、ホールドした信号をＡ／Ｄ変換器１７にてデジタルデータに変換してマイコン３０へ入力する（ステップＳ２）。このデジタルデータは、１回目の採取データとしてＡレジスタ３５に格納されると共に、比較部３１に入力される。比較部３１の比較対象データとしては、選択部３２にて選択された値が与えられる。
【００１８】
ゲインが１倍である場合にはステップＳ３からＳ４へと進み、比較部３１では、デジタルデータが所定の閾値ｂより小さいか否かが判定される。デジタルデータが所定閾値ｂ以上である場合には、ゲイン切替部３３はそのままのゲイン（すなわちゲイン１倍）を保つようにゲイン切替信号ＧＳを出力する。そして、再び第１前置アンプ１０の出力をＳ／Ｈ回路１６にてサンプリングし、Ａ／Ｄ変換器１７にてデジタルデータに変換する（ステップＳ１０）。このデジタルデータは、２回目の採取データとしてＢレジスタ３６に格納される。この場合、１回目及び２回目の採取データは共に１倍のゲインをもって増幅された検出信号に対するデジタルデータであるから、演算処理部３７は、演算制御部３４の制御の下に、Ａレジスタ３５及びＢレジスタ３６に格納しているデータの平均値を計算し、更にその平均値に６４を乗じた値をＣレジスタ３８に格納する（ステップＳ１１）。
【００１９】
ステップＳ４にてデジタルデータが所定閾値ｂより小さい場合には、ゲイン切替部３３はゲインを６４倍に切り替えるようにゲイン切替信号ＧＳを出力する。これを受けて、クロック生成部２１は、第１アナログスイッチ１２を開成し第２アナログスイッチ１５を閉成させる。これにより、ゲイン６４倍の第２前置アンプ１３にて増幅された検出信号がＳ／Ｈ回路１６に入力される（ステップＳ５）。この信号はＳ／Ｈ回路１６にてサンプリングされ、Ａ／Ｄ変換器１７にてデジタルデータに変換されて、２回目の採取データとしてＢレジスタ３６に格納されると共に比較部３１に入力される（ステップＳ６）。
【００２０】
次いで、このデジタルデータがＡ／Ｄ変換動作時に飽和しているか否かが判定される（ステップＳ７）。すなわち、選択部３２は、６４倍のゲインが選択されている場合には所定値ａを選択して比較部３１に与える。この所定値ａは、Ａ／Ｄ変換器１７が正常な変換動作を行ない得る最大入力信号値に対する出力データ値よりもノイズ分を考慮した若干小さい値に定められる。このため、比較部３１にてデジタルデータが所定値ａ以上である場合には、Ａ／Ｄ変換動作に際して飽和していると判断することができる。このような判断により、２回目の採取データが飽和している場合にはステップＳ７からＳ９へと進み、演算処理部３７は、２回目の採取データを用いずに、Ａレジスタ３５に格納されている１回目の採取データを６４倍し、この値をＣレジスタ３８に格納する。一方、ステップＳ７にて２回目の採取データが飽和していない場合には、演算処理部３７は、Ｂレジスタ３６の格納している２回目の採取データをそのままＣレジスタ３８に格納する（ステップＳ８）。
【００２１】
ステップＳ８、Ｓ９、Ｓ１１のいずれかの処理によりＣレジスタ３８に測定データを格納したならば、ステップＳ２へと戻り、次の測定データを得るために１回目のデータ採取を実行する。その直前のデータ採取時のゲインが６４倍に設定されている場合（上記フローにおいてステップＳ８、Ｓ９からＳ２へ戻った場合）には、ステップＳ３からＳ１２へと進む。ステップＳ１２では、先のステップＳ７と同様の処理を行なうことによって、１回目の採取データがＡ／Ｄ変換動作時に飽和しているか否かを判定する。１回目の採取データが飽和している場合には、ゲイン切替部３３はゲインを１倍に切り替えるようにゲイン切替信号ＧＳを出力する。これを受けて、クロック生成部２１は、第１アナログスイッチ１２を閉成し第２アナログスイッチ１５を開成させる。これにより、第１前置アンプ１０の出力信号がＳ／Ｈ回路１６に与えられる（ステップＳ１３）。この信号はＳ／Ｈ回路１６にてサンプリングされ、Ａ／Ｄ変換器１７にてデジタルデータに変換されて、２回目の採取データとしてＢレジスタ３６に格納される（ステップＳ１４）。この場合、演算処理部３７は、飽和している１回目の採取データを用いずに、Ｂレジスタ３６に格納している２回目の採取データを６４倍し、この値をＣレジスタ３８に格納する（ステップＳ１５）。
【００２２】
ステップＳ１２にて１回目の採取データが飽和していない場合には、ゲイン切替部３３はゲインを６４倍に維持するようにゲイン切替信号ＧＳを出力する。そして、再び第２前置アンプ１３の出力をＳ／Ｈ回路１６にてサンプリングし、Ａ／Ｄ変換器１７にてデジタルデータに変換する（ステップＳ１６）。このデジタルデータは、２回目の採取データとしてＢレジスタ３６に格納されると共に比較部３１に入力される。ステップＳ１７では、ステップＳ７と同様の処理を行なうことにより、２回目の採取データが飽和しているか否かを判定する。この結果、２回目の採取データが飽和している場合には、演算処理部３７は、Ａレジスタ３５に格納されている１回目の採取データをそのままＣレジスタ３８へ格納する（ステップＳ１９）。２回目の採取データが飽和していない場合には、Ａレジスタ３５、Ｂレジスタ３６共に６４倍のゲインをもって増幅された検出信号に対するデジタルデータが格納されているので、演算処理部３７は、両者の平均値を計算しＣレジスタ３８に格納する（ステップＳ１８）。
【００２３】
ステップＳ８、Ｓ９、Ｓ１１、Ｓ１５、Ｓ１８、Ｓ１９のいずれかの処理によりＣレジスタ３８に一時的に格納された測定データは、次の測定データがＣレジスタ３８に送り込まれる迄の間に読み出されて、図示しないデータ保管用メモリに転送される。
【００２４】
図４は、検出信号波形上でのサンプリング位置を示す模式的な波形図である。データ採取のタイミングはタイミング制御部３９において任意に定めることができるが、通常、所定の時間間隔ｔ0毎にデータの採取を行ない、図示する１回目及び２回目の２個の採取データから上述のような処理により１個の測定データを得る。この場合、時間的に近接するサンプル点における強度には強い相関が有るため、強度が急激に変化する部分を除いて、１回目及び２回目のサンプル点、並びに、２回目及びその次の１回目のサンプル点に対するゲインは殆ど同一となる。
【００２５】
以上説明したように、このデータ採取部では、１個の測定データを得るために２回のサンプル／ホールド及びＡ／Ｄ変換動作を行なう必要があるため、サンプリングレートが従来装置に比べて２倍になる。しかしながら、ＧＣ／ＭＳの如き分析装置におけるデータ処理装置では、このようなサンプリングレートの上昇は実用上問題とならないことを以下に説明する。
【００２６】
ＧＣ／ＭＳでは、横軸を質量数（質量ｍと荷電ｚとの比ｍ／ｚ）、縦軸を相対強度とした質量スペクトルを作成するために、所定の質量範囲を走査しつつ検出信号を得ている。通常、このときの走査速度は外部から設定できるような構成になっているが、データ採取部において走査速度に応じてサンプリングレートを変えることはハードウエアの複雑さ等の要因から困難である。そこで、一般には、サンプリングレートを一定とし、同一点をサンプリングする回数を走査速度に応じて変化させる構成をとっている。すなわち、サンプリングレートは、所定の質量範囲を平均的な走査速度で走査したときに必要なレートよりは充分に高いレートに定めておき、走査速度が速いときには同一点をサンプリングする回数を減らし、走査速度が遅いときには同一点をサンプリングする回数を増やす。
【００２７】
このため、従来装置においても同一点を複数回サンプリングする処理は一般に行なわれており、本発明のデータ処理装置のように構成したとしても、特別に高速のＳ／Ｈ回路やＡ／Ｄ変換器等を用いる必要はない。
【００２８】
なお、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜変更や修正を行なうことができるのは明らかである。
【００２９】
例えば、上記実施例では、１倍及び６４倍の２段階のゲインを切り替える構成としていたが、更に多段階のゲイン、例えば１倍、１６倍及び２５６倍の３段階のゲインを切り替える構成とすることができる。また、２個のデジタルデータでなく、更に多数のデジタルデータを用いて１個の測定データを算出する構成とすることもできる。
【００３０】
更には、上記実施例ではそれぞれ相異なるアンプとアナログスイッチをもってゲイン切替え可能な増幅手段を構成していたが、外部からの制御信号により内部ゲインの切替えが可能なアンプ１個を使用するようにしても良い。
【００３１】
また、ＧＣ／ＭＳのデータ処理装置として使用する場合、所定の質量範囲を走査した際のゲイン切替え信号をデータとして保存しておき、同一又は類似のサンプルを次に測定する際にゲイン切替えの参考に利用するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のデータ処理装置におけるデータ採取部の実施例の構成図。
【図２】  マイコン内のデータ採取部に関連する部分の概念的な構成図。
【図３】  データ採取部の処理動作を示すフローチャート。
【図４】  検出信号波形上でのサンプリング位置を示す波形図。
【図５】  従来のデータ処理装置におけるデータ採取部の構成図。
【符号の説明】
１０…第１前置アンプ                １２…第１アナログスイッチ
１３…第２前置アンプ                １５…第２アナログスイッチ
１６…サンプルホールド回路          １７…Ａ／Ｄ変換器
３０…マイクロコンピュータ          ３１…比較部
３２…選択部                        ３３…ゲイン切替部
３４…演算制御部                    ３５…Ａレジスタ
３６…Ｂレジスタ                    ３７…演算処理部
３８…Ｃレジスタ                    ３９…タイミング制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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