(57)【要約】【課題】  分解能が低いＡＤ変換回路を用いる場合であっても分解能が高いデジタル信号を得ることができる方法を、ＡＤ変換回路のレンジ内での変換が可能であって、且つ安価で小規模な構成で実現できるＡＤ変換方法を提供する。【解決手段】  アナログ信号を予め決められた所定の分解能で複数の出力電圧値から成るデジタル信号に変換するＡＤ変換回路２０を用い、複数の出力電圧値の各間隔よりも小さい振幅を有するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換方法において、アナログ信号に所定の電圧値を有するオフセット電圧を印加することによって、アナログ信号の電圧値を、ＡＤ変換回路２０の所定の分解能に基づくデジタル信号の複数の出力電圧のうちのいずれかの出力電圧値に接近させた後、所定のオフセット電圧が印加されたアナログ信号をＡＤ変換回路２０によってデジタル信号に変換する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アナログ信号を予め決められた所定の分解能で複数の出力電圧値から成るデジタル信号に変換するＡＤ変換回路を用い、前記複数の出力電圧値の各間隔よりも小さい振幅を有するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換方法において、
前記アナログ信号に所定の電圧値を有するオフセット電圧を印加することによって、前記アナログ信号の電圧値を、前記ＡＤ変換回路の所定の分解能に基づくデジタル信号の複数の出力電圧のうちのいずれかの出力電圧値に接近させた後、前記所定のオフセット電圧が印加されたアナログ信号を前記ＡＤ変換回路によってデジタル信号に変換することを特徴とするＡＤ変換方法。
【請求項２】
前記オフセット電圧の電圧値は、該オフセット電圧を印加した前記アナログ信号の振幅の上限値と下限値との間に前記いずれかの出力電圧値が配置されるような位置になる値であることを特徴とする請求項１記載のAD変換方法。
【請求項３】
アナログ信号を予め決められた所定の分解能で複数の出力電圧値から成るデジタル信号に変換するＡＤ変換回路を用い、前記複数の出力電圧値の間隔よりも小さい振幅を有するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換方法において、
前記ＡＤ変換回路の所定の分解能に基づくデジタル信号の複数の出力電圧値の各電圧値の間隔よりも小さい電圧値を有するオフセット電圧を、前記アナログ信号に印加してＡＤ変換回路でサンプリングし、
前記オフセット電圧を前記アナログ信号に印加してＡＤ変換回路でサンプリングする動作を、前記オフセット電圧の電圧値を変更して同じアナログ信号を用いて複数回行い、
複数回行なって得られたサンプリング結果のうち、２つの出力電圧値の数がほぼ同数であるときに印加したオフセット電圧を基準オフセット電圧として設定し、
該基準オフセット電圧を印加したアナログ信号を、前記ＡＤ変換回路によってデジタル信号に変換することを特徴とするＡＤ変換方法。
【請求項４】
複数回行なって得られたサンプリング結果のうち、２つの出力電圧値のうちの低い出力電圧値を得た回数から２つの出力電圧値のうちの高い出力電圧値を得た回数を差し引いた数が、負の値となったときのオフセット電圧の電圧値を、基準オフセット電圧として設定し、
該基準オフセット電圧を印加したアナログ信号を、前記ＡＤ変換回路によってデジタル信号に変換することを特徴とする請求項３記載のＡＤ変換方法。
【請求項５】
アナログ信号を予め決められた所定の分解能で複数の出力電圧値から成るデジタル信号に変換するＡＤ変換回路を用い、前記複数の出力電圧値の間隔よりも小さい振幅を有するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換方法において、
前記ＡＤ変換回路の所定の分解能に基づくデジタル信号の複数の出力電圧値の各電圧値の間隔をｎ個（ｎ：２以上の整数）に分割した際の１つの電圧値を単位電圧値とし、該単位電圧値をｍ倍にした電圧値（ｍ：０〜ｎまでの整数）をオフセット電圧として、同じアナログ信号に電圧値を変えてｎ回印加し、該オフセット電圧を印加したｎ個のアナログ信号をＡＤ変換回路でそれぞれサンプリングし、
ｎ回行なって得られたサンプリング結果のうち、２つの出力電圧値の数がほぼ同数であるときに印加したオフセット電圧を基準オフセット電圧として設定し、
該基準オフセット電圧を印加したアナログ信号を、前記ＡＤ変換回路によってデジタル信号に変換することを特徴とするＡＤ変換方法。
【請求項６】
ｎ回行なって得られたサンプリング結果のうち、２つの出力電圧値のうちの低い出力電圧値を得た回数から２つの出力電圧値のうちの高い出力電圧値を得た回数を差し引いた数が、負の値となったときのオフセット電圧の電圧値を、基準オフセット電圧として設定し、
該基準オフセット電圧を印加したアナログ信号を、前記ＡＤ変換回路によってデジタル信号に変換することを特徴とする請求項５記載のＡＤ変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アナログ信号をデジタル信号に変換するためのＡＤ変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路（通常、ＡＤコンバータと呼ばれているものである）としては、従来から積分型、逐次比較型、並列比較型等様々な方式で実行される回路が存在している。
【０００３】
ここで一般的なＡＤ変換回路における、アナログ−デジタル変換の原理の概略について説明する。
図６に示すように、アナログ信号ｆ１をデジタル信号に変換するには、所定のサンプリング時間ｔおきにアナログ信号ｆ１の電圧値を測定し、この測定値をデジタル化して行なわれる。サンプリング周波数がアナログ信号の周波数よりも小さいと、アナログ信号の波形を正確に再現することはできない。
【０００４】
また、ＡＤ変換回路は、その分解能により大きく性能が異なってくる。
図７に示すように、例えば分解能が２ビットであれば、ＡＤ変換回路への入力電圧に対して出力電圧は、００，０１，１０，１１の４つの値しか持たないため、入力電圧に対する量子化誤差が大きいといえる。
また、分解能を４ビットにすると、図８に示すようにＡＤ変換回路への入力電圧に対して出力電圧は、００００，０００１，００１０，００１１，・・・１１１１の１６の値を持つので、２ビットの場合に比較して量子化誤差が小さいと言える。
このように、ＡＤ変換回路は予め設定されている分解能に基づいて、その量子化誤差の大きさが決まってくる。
【０００５】
なお、図９に示すように、ＡＤ変換回路が予め有している分解能によって決まる出力電圧の幅よりも振幅が小さいアナログ信号では、その振幅の変化は出力電圧には全く反映されず、一定の値の電圧が出力信号として出力されるだけである（図９は、例えば、図７の分解能を有するＡＤ変換回路に対して、アナログ信号ｆ２のような波形が入力される場合を示している）。
そこで、振幅の小さいアナログ信号であっても、低い分解能のＡＤ変換回路で高い分解能のデジタル信号を得ることができる構成が従来から考え出されてきている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
【０００６】
これら特許文献１および特許文献２に記載された、低い分解能のＡＤ変換回路で高い分解能のデジタル信号を得ることができる方法としては、一旦ＡＤ変換させたデジタル信号をＤＡ変換してアナログ信号に戻し、このアナログ信号と元のアナログ信号との差を増幅させるという手法が取られている。
【特許文献１】特開２００１−１０２９２７号公報
【特許文献２】特開平９−１５２７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
信号の振幅が小さいアナログ信号をデジタル信号に変換する際には、分解能が高いＡＤ変換回路を選択する必要があったが、一般的に分解能が高いＡＤ変換回路は高価であるので、このようなＡＤ変換回路を組込んだ製品全体のコストアップが避けられないという課題がある。
また、従来の技術で説明したように、一旦ＡＤ変換されたデジタル信号をＤＡ変換してアナログ信号に戻し、戻されたアナログ信号と元のアナログ信号との差分を増幅させる構成では、ＤＡ変換回路および差動増幅回路が必要となるために回路構成が大型化してしまうという課題がある。また、差動増幅回路のゲインによっては増幅させた信号がＡＤ変換回路のレンジから外れてしまい、ＡＤ変換が困難になる場合もあるという課題がある。
【０００８】
本発明者は上記課題を解決すべく検討した結果、元のアナログ信号を増幅させるという考え方ではなく、元のアナログ信号にオフセット電圧を印加することで今までにない方法でＡＤ変換時の分解能を上げることができるのではないかと考え、本発明に想到した。
【０００９】
そこで、本発明は、分解能が低いＡＤ変換回路を用いる場合であっても分解能が高いデジタル信号を得ることができる方法を、ＡＤ変換回路のレンジ内での変換が可能であって、且つ安価で小規模な構成で実現できるＡＤ変換方法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】
【００１０】
本発明にかかるＡＤ変換方法によれば、アナログ信号を予め決められた所定の分解能で複数の出力電圧値から成るデジタル信号に変換するＡＤ変換回路を用い、前記複数の出力電圧値の各間隔よりも小さい振幅を有するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換方法において、前記アナログ信号に所定の電圧値を有するオフセット電圧を印加することによって、前記アナログ信号の電圧値を、前記ＡＤ変換回路の所定の分解能に基づくデジタル信号の複数の出力電圧のうちのいずれかの出力電圧値に接近させた後、前記所定のオフセット電圧が印加されたアナログ信号を前記ＡＤ変換回路によってデジタル信号に変換することを特徴としている。
この方法による作用は、次の通りである。すなわち、出力可能な出力電圧値の間にアナログ信号が位置しており、アナログ信号の振幅が小さく、低電圧側の出力電圧値にも高電圧側の出力電圧値のいずれにもアナログ信号の波形の頂点（ピーク）が位置しない場合、アナログ信号にオフセットをかけてアナログ信号を振幅の大きさはそのままにしてアナログ信号を出力電圧値付近へ位置させる。すると、アナログ信号の振幅の頂点が出力電圧値に掛かる部位も出てくるので、アナログ信号の振幅の頂点が出力電圧値の上か下かでＡＤ変換することができる。
【００１１】
また、前記オフセット電圧の電圧値は、該オフセット電圧を印加した前記アナログ信号の振幅の上限値と下限値との間に前記いずれかの出力電圧値が配置されるような位置になる値であることを特徴としている。
この方法によれば、アナログ信号の振幅がＡＤ変換回路の分解能と比較してきわめて小さい場合であっても、ＡＤ変換を行なうことができる。
【００１２】
本発明にかかるＡＤ変換方法によれば、アナログ信号を予め決められた所定の分解能で複数の出力電圧値から成るデジタル信号に変換するＡＤ変換回路を用い、前記複数の出力電圧値の間隔よりも小さい振幅を有するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換方法において、前記ＡＤ変換回路の所定の分解能に基づくデジタル信号の複数の出力電圧値の各電圧値の間隔よりも小さい電圧値を有するオフセット電圧を、前記アナログ信号に印加してＡＤ変換回路でサンプリングし、前記オフセット電圧を前記アナログ信号に印加してＡＤ変換回路でサンプリングする動作を、前記オフセット電圧の電圧値を変更して同じアナログ信号を用いて複数回行い、複数回行なって得られたサンプリング結果のうち、２つの出力電圧値の数がほぼ同数であるときに印加したオフセット電圧を基準オフセット電圧として設定し、該基準オフセット電圧を印加したアナログ信号を、前記ＡＤ変換回路によってデジタル信号に変換することを特徴としている。
この方法によれば、アナログ信号に印加するための適正な電圧値のオフセット電圧を設定することができるので、振幅が小さいアナログ信号を分解能が低いＡＤ変換回路を用いてＡＤ変換を確実に行なうことができる。
また、２つの出力電圧値のうちの低い出力電圧値を得た回数から２つの出力電圧値のうちの高い出力電圧値を得た回数を差し引いた数が、負の値となったときのオフセット電圧の電圧値を、基準オフセット電圧として設定するようにしてもよい。
【００１３】
本発明にかかるＡＤ変換方法によれば、アナログ信号を予め決められた所定の分解能で複数の出力電圧値から成るデジタル信号に変換するＡＤ変換回路を用い、前記複数の出力電圧値の間隔よりも小さい振幅を有するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換方法において、前記ＡＤ変換回路の所定の分解能に基づくデジタル信号の複数の出力電圧値の各電圧値の間隔をｎ個（ｎ：２以上の整数）に分割した際の１つの電圧値を単位電圧値とし、該単位電圧値をｍ倍にした電圧値（ｍ：０〜ｎまでの整数）をオフセット電圧として、同じアナログ信号に電圧値を変えてｎ回印加し、該オフセット電圧を印加したｎ個のアナログ信号をＡＤ変換回路でそれぞれサンプリングし、ｎ回行なって得られたサンプリング結果のうち、ｎ回行なって得られたサンプリング結果のうち、２つの出力電圧値の数がほぼ同数であるときに印加したオフセット電圧を基準オフセット電圧として設定し、該基準オフセット電圧を印加したアナログ信号を、前記ＡＤ変換回路によってデジタル信号に変換することを特徴としている。
この方法によれば、アナログ信号に印加するための適正な電圧値のオフセット電圧を設定することができるので、振幅が小さいアナログ信号を分解能が低いＡＤ変換回路を用いてＡＤ変換を確実に行なうことができる。
また、２つの出力電圧値のうちの低い出力電圧値を得た回数から２つの出力電圧値のうちの高い出力電圧値を得た回数を差し引いた数が、負の値となったときのオフセット電圧の電圧値を、基準オフセット電圧として設定するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のＡＤ変換方法によれば、ＡＤ変換回路の分解能ではＡＤ変換できないような小さい振幅のアナログ信号であっても、ＡＤ変換を良好に行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、ＡＤ変換方法について、図面に基づいて説明する。
図１に、本発明のＡＤ変換方法を実行可能な概略構成について示している。
被測定信号であるアナログ信号は、ＡＤコンバータ２０（特許請求の範囲ではＡＤ変換回路と称している）に入力される。ＡＤコンバータ２０は、所定の分解能でアナログ信号をデジタル信号に変換する回路である。ＡＤコンバータ２０の変換方式は、特に積分型、逐次比較型、並列比較型等のいずれかの方式に限定されるものではない。
【００１６】
ＡＤコンバータ２０に入力される前のアナログ信号には、オフセット電圧発生器２１で発生させたオフセット電圧が印加できるように設けられている。
オフセット電圧発生器２１は、オフセット電圧の電圧値を後述する制御部２２が任意に設定可能である。
【００１７】
制御部２２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されており、ＲＯＭ内に記憶された制御プログラムによってＣＰＵが所定の動作を行なうように設けられている。
すなわち制御部２２は、制御プログラムに記述された実行動作に基づいて、ＡＤコンバータ２０およびオフセット電圧発生器２１を制御し、アナログ信号にオフセット電圧を印加してＡＤコンバータ２０が有する固有の分解能に基づく出力電圧値にアナログ信号を近づけ、アナログ信号の小さい振幅が接近した出力電圧値を跨ぐようにする（オフセット電圧を印加したアナログ信号の振幅の上限値と下限値との間にいずれかの出力電圧値を配置する）ことで、ＡＤコンバータ２０の分解能よりも高い分解能で、アナログ信号をＡＤ変換する。
【００１８】
以下、制御部２２が実行するＡＤ変換方法について、さらに具体的な例を説明する（図２〜図５参照）。
制御部２２は、まずオフセット電圧を決めるための動作を行なう。ここで、ＡＤコンバータ２０の分解能に基づく出力電圧値として、Ｄ１（ｖ）、Ｄ２（ｖ）の２つの電圧値が予め当該ＡＤコンバータ２０の固有の値として設定されているものとする。
制御部２２は、ＡＤコンバータ２０の出力電圧値Ｄ１とＤ２の間をｎ等分し、ｎ等分したうちの１つの電圧値を単位電圧値ｎ（ｖ）とする。本実施例では、Ｄ１とＤ２の間を４等分している。
【００１９】
次に、制御部２２は、オフセット電圧を印加しない状態（０ｖ、図２参照）で、所定の長さ（時間的長さ）を有するアナログ信号のサンプリングをＡＤコンバータ２０に実行させる。サンプリングした結果は制御部２２が記憶する。
サンプリングは、図２、図３に示すように、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、・・Ｓｋの各ポイントで、ｋ回実行される。このサンプリングの回数（周期）は、ＡＤコンバータ２０が元々有している固有の値であればよい。
【００２０】
さらに制御部２２は、オフセット電圧発生器２１にｎ（ｖ）のオフセット電圧を発生させ、先にオフセットを印加しない状態でサンプリングをしたアナログ信号と同じアナログ信号に、このｎ（ｖ）のオフセット電圧を印加させる。そして、制御部２２は、ｎ（ｖ）のオフセット電圧を印加したアナログ信号のサンプリングをＡＤコンバータ２０に実行させる。サンプリングした結果は、制御部２２が記憶する。
サンプリングのポイントおよび回数（周期）は、上述した場合と同様であってＳ１、Ｓ２、Ｓ３、・・Ｓｋの各ポイントにおいてｋ回実行される。
【００２１】
このように、制御部２２は、同じアナログ信号に対して、オフセット電圧を印加しない状態から、ｎ（ｖ）、２ｎ（ｖ）、３ｎ（ｖ）、４ｎ（ｖ）と、オフセット電圧を単位電圧値ｎ（ｖ）の整数倍（出力電圧値のＤ１とＤ２の間を等分した数（本実施例では４）まで）上昇させつつ、その都度サンプリングをＡＤコンバータ２０に実行させる。
【００２２】
オフセット電圧を複数段階にわたってアナログ信号に印加して、複数のサンプリング結果を得た後、制御部２２は、いずれの電圧値のオフセット電圧を印加すればＡＤコンバータ２０の分解能よりも高い分解能でＡＤ変換できるかを検証する。
検証は、以下の手順で行なう。
制御部２２は、ＡＤコンバータ２０がサンプリングした結果のデジタル信号として現れた出力電圧値Ｄ１の回数と、現れた出力電圧値Ｄ２の回数との比較を、オフセット電圧が０（ｖ）のときから、オフセット電圧がｎ（ｖ）、２ｎ（ｖ）、３ｎ（ｖ）、４ｎ（ｖ）と各オフセット電圧を印加した場合のそれぞれにおいて行なう。
【００２３】
図２のアナログ信号の場合に上記の検証を制御部２２が行なうと、図４に示すようにオフセット電圧が０（ｖ）のときは、出力電圧値Ｄ２を示す回数は０であり、サンプリング回数ｋ回の全てが出力電圧値Ｄ１を示すことが分かる。
次に、制御部２２が検証を行なうと、オフセット電圧がｎ（ｖ）のときも、出力電圧値Ｄ２を示す回数は０であり、サンプリング回数ｋ回の全てにおいて、出力電圧値Ｄ１を示すことが分かる。
【００２４】
さらに、制御部２２が検証を行なうと、オフセット電圧が２ｎ（ｖ）のときは、サンプリング回数ｋ回のうち出力電圧値Ｄ２を示す回数がわずかに増え、その分出力電圧値Ｄ１を示す回数はわずかに減ることが分かる。つまり、オフセット電圧を２ｎ（ｖ）印加した場合には、アナログ信号の波形の頂点（ピーク）のいくつかは出力電圧値Ｄ２に達しているということになる。
さらに、制御部２２が検証を行なうと、オフセット電圧が３ｎ（ｖ）のときは、サンプリング回数ｋ回のうち出力電圧値Ｄ１を示す回数よりも、出力電圧値Ｄ２を示す回数の方が多くなることが分かる。つまり、オフセット電圧を３ｎ（ｖ）印加した場合には、アナログ信号の波形の頂点（ピーク）が出力電圧値Ｄ２に達した回数と、出力電圧値Ｄ１に達した回数とが逆転するのである。
【００２５】
そして、制御部２２が検証を行なうと、最終的にオフセット電圧が４ｎ（ｖ）のときは、サンプリング回数ｋ回のうち出力電圧値Ｄ１を示す回数が０回、出力電圧値Ｄ２を示す回数がｋ回となることが分かる。つまり、アナログ信号にオフセット電圧４ｎ（ｖ）を印加した場合には、アナログ信号の、オフセット電圧０（ｖ）のときの出力電圧値Ｄ１に対しての位置と、出力電圧値Ｄ２に対しての位置が同じ位置関係になっている。
【００２６】
このように、図２のアナログ信号にどの程度のオフセット電圧値を印加すればよいかの検証は、オフセット電圧値を変えてサンプリングした結果を見て、２つの出力電圧値を示した回数に偏りが無いときのオフセット電圧値に決定するような動作を制御部２２が実行する。
【００２７】
なお、上述したオフセット電圧値の検証は、図５に示すように、オフセット電圧の印加無しからｎ（ｖ）〜４ｎ（ｖ）まで各オフセット電圧を印加した場合のサンプリングの結果、出力電圧値Ｄ１を示した回数と出力電圧値Ｄ２を示した回数との差がプラス（正）からマイナス（負）へ移行したときのオフセット電圧値と決定するような方法であってもよい。
つまり、図５に示す場合では、オフセット電圧が３ｎ（ｖ）のときに、出力電圧値Ｄ１を示した回数と出力電圧値Ｄ２を示した回数との差が負になっているので、制御部２２はオフセット電圧を３ｎ（ｖ）に決定する。
【００２８】
上述してきたように、ＡＤコンバータ２０の分解能を上げることができるオフセット電圧値が決定したのち、実際にアナログ信号をデジタル信号に変換する場合には、常時決定したオフセット電圧値を印加してＡＤ変換を行なうようにする。
なお、別のアナログ信号のＡＤ変換を行なう場合には、あらためてオフセット電圧値を決定する。
【００２９】
以上本発明につき好適な実施例を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】ＡＤ変換を実行する装置の概略を示すブロック図である。
【図２】オフセット電圧値を決定するための動作について説明する説明図である。
【図３】図２において、オフセット電圧を印加したときの状態を示す説明図である。
【図４】図２および図３においてそれぞれ異なる値のオフセット電圧を複数印加したときにいずれのオフセット電圧が好ましいかを検証する方法について説明する説明図である。
【図５】図４の検証方法において、出力電圧値Ｄ１を示した回数と出力電圧値Ｄ２を示した回数との差を示す説明図である。
【図６】ＡＤ変換の概略を説明する説明図である。
【図７】分解能が2ビットのＡＤ変換回路の性能を示す説明図である。
【図８】分解能が４ビットのＡＤ変換回路の性能を示す説明図である。
【図９】分解能によって決まる出力電圧の幅よりも振幅が小さいアナログ信号が入力された場合について説明する説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
２０   ＡＤコンバータ
２１   オフセット電圧発生器
２２   制御部
Ｄ１   出力電圧値
Ｄ２   出力電圧値
ｆ１   アナログ信号
ｆ２   アナログ信号
【図１】
2006067199.tif 000003
【図２】
2006067199.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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