(57)【要約】【課題】アナログ信号の周波数が低くとも高精度でディジタル信号に変換する。【解決手段】アップコンバータ１２４は、アナログ信号Ｓmの周波数アップコンバートを行う。ダウンコンバータ１２１は、アナログ信号Ｓmの周波数ダウンコンバートを行う。信号選択部１２５は、周波数アップコンバートされた信号Ｓfu又は周波数ダウンコンバートされた信号Ｓfdのいずれかを選択する。この信号選択部１２５で選択された信号Ｓeをトランス１２７の一次巻線に入力する。トランス１２７の二次巻線に誘起した信号をＡ／Ｄ変換器１２８に供給してディジタル信号Ｄmを生成する。アナログ信号Ｓmが直流又は直流に近い低周波数であるときは、信号Ｓfuを選択して信号Ｓeとする。アナログ信号Ｓmが直流及び直流に近い低周波数の何れでもないときは、信号Ｓfdを選択して信号Ｓeとする。【選択図】        図４
2008053952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａ／Ｄ変換器と、
入力アナログ信号に対して上記Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周波数で定まるナイキスト条件を満たす帯域制限を行う低域通過フィルタと、
上記低域通過フィルタの出力信号の周波数アップコンバートを行うアップコンバータと、
上記アップコンバータの出力信号を１次巻線で受けて、２次巻線に誘起されたアナログ信号を上記Ａ／Ｄ変換器に供給するトランスとを具え、
上記Ａ／Ｄ変換器に生じるエイリアスが上記低域通過フィルタの出力信号に対応するよう上記周波数アップコンバートを行うことを特徴とするＡ／Ｄ変換装置。
【請求項２】
上記入力アナログ信号の周波数ダウンコンバートを行うダウンコンバータと、
上記アップコンバータ又は上記ダウンコンバータの出力信号を選択して、上記トランスに供給する信号選択部と
を更に具える請求項１記載のＡ／Ｄ変換装置。
【請求項３】
上記アップコンバータは、上記Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周波数と等しい周波数のローカル信号と上記入力アナログ信号を掛け合わせて上記周波数アップコンバートを行うことを特徴とする請求項１又は２記載のＡ／Ｄ変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アナログ信号を高精度でディジタル信号に変換できるＡ／Ｄ変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
入力されたアナログ信号をディジタル信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換装置では、高速，高精度のＡ／Ｄ変換器が用いられている。また、Ａ／Ｄ変換装置では、高精度のＡ／Ｄ変換器の特性を活かすことができるように、アナログ信号をＡ／Ｄ変換器に供給するための駆動回路として、非特許文献１に記載されているようにトランスを用いることが行われている。このようにトランスを用いるものとすれば、増幅回路を介する場合と比較し、増幅回路の非線形性、回路ノイズ等の影響を受けないので、アナログ信号を歪ませることなくＡ／Ｄ変換器に入力することができ、アナログ信号を高精度でディジタル信号に変換できる。また、トランスを用いることで、Ａ／Ｄ変換器に対するアナログ信号の供給を差動信号で行うことができるため、高調波、コモンモードノイズ等の影響を軽減させることもできる。
【０００３】
【非特許文献１】アナログ・デバイセズ社、「ＡＤ９４４５(14ビットA/Dコンバータ)データシート（Ｒｅｖ０，１１／２００５）」（第２５頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、トランスを介してＡ／Ｄ変換器にアナログ信号を供給する場合、アナログ信号が直流又は直流に近い低周波数となると、トランスを介してＡ／Ｄ変換器に歪みを生じさせることなくアナログ信号を供給することができない。したがって、広帯域のアナログ・ディジタル変換を行う場合、トランスを用いたＡＣ結合の駆動回路だけでなく、ＤＣ結合の駆動回路も必要となる。
【０００５】
図１は、ＡＣ結合とＤＣ結合の駆動回路を設けた従来のＡ／Ｄ変換装置の構成を示している。入力されたアナログ信号は、アッテネータ（図示せず）で適切に調整されて、アナログ信号ＳmとしてＡ／Ｄ変換装置５０のダウンコンバータ５１に供給される。また、アナログ信号Ｓmは、バッファアンプ５４を介して低域通過フィルタ５５に供給される。
【０００６】
ダウンコンバータ５１は、アナログ信号Ｓmとローカル信号Ｓlaを掛け合わせて周波数ダウンコンバートを行い、周波数変換後のアナログ信号Ｓfdを、ゲインブロック５２を介してトランス５３の一次巻線の一方の端子に供給する。一次巻線の他方の端子は接地されており、二次巻線は信号選択スイッチ５８の固定端子ＰＴa1，ＰＴa2と接続されている。
【０００７】
低域通過フィルタ５５は、バッファアンプ５４を介して供給されたアナログ信号Ｓmから不要な高域成分を除去するフィルタ処理を行い、フィルタ処理後のアナログ信号Ｓfpを、ゲインブロック５６を介して差動アンプ５７に供給する。
【０００８】
差動アンプ５７は、フィルタ処理後のアナログ信号Ｓfpを増幅して、信号選択スイッチ５８の固定端子ＰＴb1，ＰＴb2に供給する。
【０００９】
信号選択スイッチ５８の可動端子ＰＴs1,ＰＴs2は、Ａ／Ｄ変換器６０の差動入力端子と接続されている。また、Ａ／Ｄ変換器６０には、サンプリングクロック生成部５９からサンプリングクロック信号Ｓspが供給されている。
【００１０】
信号選択スイッチ５８は、トランス５３から供給されたアナログ信号又は差動アンプ５７から供給されたアナログ信号のいずれかを選択して、選択したアナログ信号をＡ／Ｄ変換器６０に供給する。ここで、信号選択スイッチ５８に供給されるアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器６０の入力レベルに応じて増幅されていることから、信号選択スイッチ５８として半導体スイッチを用いると、供給されるアナログ信号の信号レベルが大きいために、アナログ信号に歪みを生じさせてしまうおそれがある。したがって、Ａ／Ｄ変換器６０に供給するアナログ信号を歪ませないようにするため、信号選択スイッチ５８として機械的に接点を開閉させる機械式リレーが用いられている。
【００１１】
このように構成されたＡ／Ｄ変換装置５０では、入力アナログ信号が直流及び直流に近い低周波数の何れでもない場合、信号選択スイッチ５８の可動端子ＰＴs1を固定端子ＰＴa1側、可動端子ＰＴs2を固定端子ＰＴa2側にそれぞれ切り替えるものとして、トランス５３の二次巻線に誘起されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換器６０に供給させる。このとき、Ａ／Ｄ変換器６０に対してアナログ信号を歪ませることなく供給できるので、入力アナログ信号を高精度でディジタル信号に変換することができる。また、入力アナログ信号が直流又は直流に近い低周波数である場合、信号選択スイッチ５８の可動端子ＰＴs1を固定端子ＰＴb1側、可動端子ＰＴs2を固定端子ＰＴb2側にそれぞれ切り替えるものとして、差動アンプ５７から出力されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換器６０に供給させる。このため、入力アナログ信号が直流又は直流に近い低周波数であるときでも、入力アナログ信号に応じたディジタル信号を得ることができる。
【００１２】
しかし、図１に示すＡ／Ｄ変換装置５０では、アナログ信号を歪ませることがないように、信号選択スイッチ５８として機械式リレーを用いていることから、信号の切り替えを繰り返し行うと、接点の劣化が生じてＡ／Ｄ変換器６０にアナログ信号を供給できなくなってしまうおそれがある。また、信号の切り替えを高速に行うことができない。
【００１３】
そこで、図２に示すＡ／Ｄ変換装置７０では、機械式リレーを不要とするため、ＡＣ結合の駆動回路とＤＣ結合の駆動回路のそれぞれにＡ／Ｄ変換部７１，７２を設けることが行われている。なお、図２において、図１と対応する部分については同一符号を付している。
【００１４】
このように、ＡＣ結合の駆動回路とＤＣ結合の駆動回路のそれぞれにＡ／Ｄ変換部を設けるものとすれば、信号選択スイッチ５８における接点の劣化や信号の切替時間等の問題を解消することができる。しかし、複数のＡ／Ｄ変換器を用いることからＡ／Ｄ変換装置７０が高価となってしまう。
【００１５】
さらに、図１や図２に示すように差動アンプ５７を用いる場合、差動アンプ５７の歪み特性は、トランスに比較すれば劣ったものである。したがって、高精度のＡ／Ｄ変換器を用いても、アナログ・ディジタル変換の高精度は、差動アンプ５７の特性によって決定されてしまい、アナログ信号を高精度でディジタル信号に変換することができない。
【００１６】
そこで、この発明では、入力されたアナログ信号の周波数が低くとも、高精度でディジタル信号に変換できるＡ／Ｄ変換装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係るＡ／Ｄ変換装置は、アナログ・ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器と、入力アナログ信号に対してＡ／Ｄ変換器のサンプリング周波数で定まるナイキスト条件を満たす帯域制限を行う低域通過フィルタと、低域通過フィルタの出力信号の周波数アップコンバートを行うアップコンバータと、アップコンバータの出力信号を１次巻線で受けて、２次巻線に誘起されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換器に供給するトランスとを具えており、Ａ／Ｄ変換器に生じるエイリアス（ディジタル信号）が低域通過フィルタの出力信号に対応するよう周波数アップコンバートを行うことを特徴としている。
【００１８】
言い換えれば、本発明は、入力アナログ信号の直流又は低周波数成分を周波数アップコンバートしてトランスを通過させた後、Ａ／Ｄ変換器で意図的に起こさせたエイリアスを利用して周波数変換を行い、結果として低域通過フィルタの出力信号に対応するディジタル信号をＡ／Ｄ変換器から得るものである。これによって、入力されたアナログ信号の周波数が低くとも、高精度でディジタル信号に変換できるＡ／Ｄ変換装置を実現できる。
【００１９】
本発明に係るＡ／Ｄ変換装置は、更に入力アナログ信号の周波数ダウンコンバートを行うダウンコンバータと、アップコンバータ又はダウンコンバータの出力信号を選択して、トランスに供給する信号選択部とを具えても良い。これによって、周波数の低いアナログ信号を高精度でディジタル信号に変換できるだけでなく、高周波数まで広帯域且つ歪みの小さいＡ／Ｄ変換装置を実現できる。また、アップコンバータ及びダウンコンバータの出力信号は、入力アナログ信号の低周波数信号成分（直流を含む）及び高周波数信号成分にそれぞれ対応するが、これらを受ける信号選択部がトランスの前に配置可能となることで、信号選択部が受ける信号はＡ／Ｄ変換器の入力レベルに合わせて増幅される前の信号であって且つ直流成分を含まないので、信号選択部には機械式リレーでなく、半導体スイッチを利用可能となる。よって、信号選択部の耐久性（信頼性）、高速応答性を著しく改善できる。更に、トランスの出力信号の利得を調整するゲインブロックを、低周波数信号成分及び高周波数信号成分で共用可能となるので、製造コストを安くできる。
【００２０】
なお、アップコンバータは、Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周波数と等しい周波数のローカル信号と入力アナログ信号を掛け合わせて周波数アップコンバートを行っても良く、これによって、Ａ／Ｄ変換器に生じるエイリアスを低域通過フィルタの出力信号に対応させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図を参照しながら、この発明の実施の一形態について説明する。図３は、この発明のＡ／Ｄ変換装置を用いたシグナルアナライザの機能ブロック図を示している。シグナルアナライザは、被測定信号を時間領域及び周波数領域のいずれからも解析できる装置である。
【００２２】
被測定信号であるアナログ信号Ｓinは、シグナルアナライザ１０のアッテネータ１１に供給される。アッテネータ１１は、アナログ信号Ｓinを適切に調整してＡ／Ｄ変換装置１２に供給する。このようにアッテネータ１１を設けることで、アナログ信号Ｓinの信号レベルが大きくとも、シグナルアナライザ１０で解析を行うことができる。Ａ／Ｄ変換装置１２は、入力アナログ信号すなわちアッテネータ１１を介して供給されたアナログ信号Ｓmをディジタル信号Ｄmに変換してディジタルシグナルプロセッサ１３に供給する。ディジタルシグナルプロセッサ１３は、時間領域の信号であるディジタル信号Ｄmをユーザの設定する中心周波数及び周波数スパンに応じて演算によりディジタル的にダウンコンバートし、更にフーリエ変換を行うことで、周波数領域のディジタル信号Ｄfを生成してメモリ部１４に記憶させる。表示部１５は、メモリ部１４に記憶されているディジタル信号Ｄfを用いて、被測定信号のスペクトラム表示等を行う。
【００２３】
制御部２０にはユーザインタフェース部２１が接続されている。ユーザインタフェース部２１は操作スイッチや操作パネル等で構成されており、操作スイッチや操作パネル等をユーザが操作したときは、ユーザ操作やユーザ操作によって設定された設定状態等を示す操作信号ＣＵを生成して制御部２０に供給する。制御部２０は、操作信号ＣＵに基づき制御信号ＣＴを供給して各部に供給することで、シグナルアナライザ１０の動作が、ユーザ操作や設定状態に応じた動作となるように制御する。
【００２４】
図４は、Ａ／Ｄ変換装置１２の機能ブロック図を示している。アッテネータ１１から供給されたアナログ信号Ｓmは、Ａ／Ｄ変換装置１２のダウンコンバータ１２１に供給される。また、アナログ信号Ｓmは、バッファアンプ１２２を介して低域通過フィルタ１２３に供給される。
【００２５】
ダウンコンバータ１２１は、アナログ信号Ｓmと後述する発振部１２９から供給されたローカル信号Ｓlaを掛け合わせることで周波数ダウンコンバートを行い、周波数ダウンコンバート後の信号であるアナログ信号Ｓfdを、信号選択部１２５の固定端子ＰＴaに供給する。
【００２６】
低域通過フィルタ１２３は、バッファアンプ１２２を介して供給されたアナログ信号Ｓmに対して帯域制限を行い、帯域制限後であるアナログ信号Ｓflをアップコンバータ１２４に供給する。この低域通過フィルタ１２３は、後述するＡ／Ｄ変換器１２８が低域通過フィルタ１２３を通過した低周波数成分をＡ／Ｄ変換したときに適切なディジタル信号を生成可能とするため、図５Ａに示すように、Ａ／Ｄ変換器１２８のサンプリング周波数Ｆspで定まるナイキスト条件に従って、サンプリング周波数Ｆspの２分の１を超える高周波数成分を除去する。
【００２７】
アップコンバータ１２４は、アナログ信号Ｓflと発振部１２９から供給されたローカル信号Ｓldを掛け合わせることで、周波数アップコンバートを行い、周波数アップコンバート後の信号であるアナログ信号Ｓfuを、信号選択部１２５の固定端子ＰＴbに供給する。
【００２８】
信号選択部１２５は、制御信号ＣＴに基づき、可動端子ＰＴsを固定端子ＰＴa側又は固定端子ＰＴb側のいずれかに切り替える。このように可動端子ＰＴsを切り替えることで、周波数ダウンコンバート後のアナログ信号Ｓfd又は周波数アップコンバート後のアナログ信号Ｓfuのいずれかを選択して、アナログ信号Ｓeとしてゲインブロック（増幅回路）１２６に供給する。
【００２９】
ゲインブロック１２６は、アナログ信号Ｓeを所定の利得で増幅してトランス１２７の一次巻線の一方の端子に供給する。一次巻線の他方の端子は接地されており、二次巻線はＡ／Ｄ変換器１２８の入力端子と接続されている。このため、Ａ／Ｄ変換器１２８には、二次巻線に誘起されたアナログ信号が、差動信号ＳgとしてＡ／Ｄ変換器１２８に入力されることとなる。
【００３０】
Ａ／Ｄ変換器１２８には、発振部１２９からサンプリングクロック信号Ｓspが供給されている。Ａ／Ｄ変換器１２８は、トランス１２７から供給された差動信号Ｓgに対して、サンプリングクロック信号Ｓspに基づいたタイミングでサンプリングを行い、サンプリングした信号をディジタルの信号に変換してディジタル信号Ｄmを生成する。
【００３１】
発振部１２９は、サンプリングクロック信号Ｓspを生成してＡ／Ｄ変換器１２８に供給する。また、発振部１２９は、サンプリングクロック信号Ｓspと等しい周波数のローカル信号Ｓldを生成してアップコンバータ１２４に供給する。さらに、発振部１２９は、ローカル信号Ｓlaを生成してダウンコンバータ１２１に供給する。
【００３２】
次に、Ａ／Ｄ変換装置の動作について説明する。直流及び直流に近い低周波数の何れでもないアナログ信号をディジタル信号に変換する場合、例えばシグナルアナライザ１０で観測する周波数帯域が、直流及び直流に近い低周波数の何れでもない場合、制御信号ＣＴによって、信号選択部１２５の可動端子ＰＴsを固定端子ＰＴa側に切り替える。このとき、アナログ信号Ｓeとして、ダウンコンバータ１２１から出力されたアナログ信号Ｓfdがトランス１２７を介してＡ／Ｄ変換器１２８に供給される。このため、Ａ／Ｄ変換装置では、直流及び直流に近い低周波数の何れでもないアナログ信号が高精度でディジタル信号Ｄmに変換される。このディジタル信号Ｄmを用いることにより、観測する周波数帯域のスペクトラムを高精度に表示することが可能となる。
【００３３】
また、観測する周波数帯域が、Ａ／Ｄ変換器１２８におけるナイキスト周波数（サンプリング周波数Ｆsaの（１／２）倍）以下となるように、ローカル信号Ｓlaの周波数を設定して周波数ダウンコンバートを行えば、観測する周波数帯域のアナログ信号を高精度でディジタル信号に変換できる。また、ローカル信号Ｓlaの周波数を可変することで、観測する周波数帯域を自由に設定することも可能となる。なお、ダウンコンバータ１２１には低域通過フィルタ（図示せず）が設けられ、不要な信号成分は除去される。
【００３４】
次に、直流又は直流に近い低周波数のアナログ信号をディジタル信号に変換する場合、例えばシグナルアナライザ１０で観測する周波数帯域が、直流又は直流に近い低周波数である場合、制御信号ＣＴによって、信号選択部１２５の可動端子ＰＴsを固定端子ＰＴb側に切り替える。このとき、アップコンバータ１２４から出力されたアナログ信号Ｓfdがトランス１２７を介してＡ／Ｄ変換器１２８に供給される。このため、Ａ／Ｄ変換装置では、アナログ信号が直流又は直流に近い低周波数であっても、高精度でディジタル信号Ｄmに変換することができる。また、このディジタル信号Ｄmを用いることにより、観測する周波数帯域のスペクトラムを高精度に表示することが可能となる。
【００３５】
ここで、アップコンバータ１２４には、Ａ／Ｄ変換器１２８のサンプリングクロック信号Ｓspと等しい周波数Ｆspであるローカル信号Ｓldが供給されている。このため、アップコンバータ１２４から出力されるアナログ信号Ｓfuのスペクトルは、図５Ａに示す直流から周波数（Ｆsp／２）までの信号成分を、図５Ｂに示すように、周波数（Ｆsp）から周波数（Ｆsp／２）までの信号成分、及び周波数（Ｆsp）から周波数（３Ｆsp／２）までの信号成分に変換したものとなり、直流成分や直流に近い低周波数の成分が含まれないものとなる。すなわち、アナログ信号Ｓflをアップコンバータ１２４によって周波数アンプコンバートすれば、アナログ信号Ｓinが直流又は直流に近い低周波数であっても、アナログ信号Ｓinに基づいたアナログ信号Ｓfuを、トランス１２７を介して歪ませることなくＡ／Ｄ変換器１２８に供給できる。
【００３６】
また、Ａ／Ｄ変換器１２８は、サンプリング周波数Ｆspの２分の１より高い周波数の入力信号をＡ／Ｄ変換するので、出力信号にエイリアスが生じることになるが、サンプリングクロック信号Ｓspとローカル信号Ｓldの周波数が等しいことから、図５Ｂに示す周波数（Ｆsp）から周波数（Ｆsp／２）の信号成分及び周波数（Ｆsp）から周波数（３Ｆsp／２）の信号成分は、図５Ｃに示すように、直流から周波数（Ｆsp／２）の周波数領域に折り返されてアナログ信号Ｓflと等しくなる。したがって、周波数アップコンバートが行われる前のアナログ信号の信号成分に対応するディジタル信号を高精度に得ることができる。逆に言えば、Ａ／Ｄ変換器１２８でのエイリアスで生じるディジタル信号が低域通過フィルタの出力信号に対応するように、周波数アップコンバートを行っているのである。これは、エイリアスによる周波数変換を積極的に利用したものと考えることができる。なお、類似の手法として、サンプリング・オシロスコープでは、入力信号をその周波数より意図的に低い周波数でサンプリングすることで、低い周波数に変換して波形観測することが行われている。
【００３７】
また、信号選択部１２５には、Ａ／Ｄ変換器１２８の入力レベルに応じて増幅される前の信号レベルが小さく且つ直流成分を含まないアナログ信号が供給されるので、半導体スイッチを用いてもアナログ信号に歪みを生じさせてしまうことがない。このため、信号選択部１２５として半導体スイッチを用いることが可能となり、機械式リレーを利用する場合と比較し、接点の劣化の問題を解決できるので信頼性を高められる。また、アナログ信号Ｓfdとアナログ信号Ｓfuの切り替えを高速に行うことも可能となる。
【００３８】
さらに、信号選択部１２５とトランス１２７との間にゲインブロック（増幅回路）１２６を設けたことにより、アナログ信号が直流又は直流に近い低周波数であるか否かにかかわらずゲインブロック１２６が共用されるので、従来のＡ／Ｄ変換装置のように、ＡＣ結合の駆動回路とＤＣ結合の駆動回路のそれぞれにゲインブロックを設ける必要がないことから、広帯域なＡ／Ｄ変換装置をさらに安価とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来のＡ／Ｄ変換装置の構成を示す図である。
【図２】従来のＡ／Ｄ変換装置の構成を示す図である。
【図３】シグナルアナライザの機能ブロック図である。
【図４】Ａ／Ｄ変換装置の機能ブロック図である。
【図５】入力アナログ信号が直流又は直流に近い低周波数であるときの動作を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０・・・シグナルアナライザ、１１・・・アッテネータ、１２，５０，７０・・・Ａ／Ｄ変換装置、１３・・・ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、１４・・・メモリ部、１５・・・表示部、２０・・・制御部、２１・・・ユーザインタフェース部、５１，１２１・・・ダウンコンバータ、５２，５６，１２６・・・ゲインブロック、５３，１２７・・・トランス、５４，１２２・・・バッファアンプ、５５，１２３・・・低域通過フィルタ（ＬＰＦ）、５７・・・差動アンプ、５８・・・信号選択スイッチ、５９・・・サンプリングクロック生成部、６０，７１，７２，１２８・・・Ａ／Ｄ変換器、１２４・・・アップコンバータ、１２５・・・信号選択部、１２６・・・ゲインブロック（増幅回路）１２９・・・発振部
【図１】
2008053952.tif 000003
【図２】
2008053952.tif 000004
【図３】
2008053952.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008053952.tif 000007