(57)【要約】【課題】広ダイナミックレンジかつ高分解能な測定を可能にする計測機器用の信号処理装置を提供する。【解決手段】第１ＡＤ変換部１１０は、センサ信号をＡＤ（アナログ−デジタル）変換して上位デジタル信号とする。第１ＤＡ変換部１２０は、上位デジタル信号をＤＡ（デジタル−アナログ）変換して上位アナログ信号とする。第１合成部１４０は、センサ信号から上位アナログ信号を減じた下位アナログ信号を生成する。増幅部１５０は、下位アナログ信号を増幅して拡大下位アナログ信号とする。第２ＡＤ変換部１６０は、拡大下位アナログ信号をＡＤ変換して下位デジタル信号とする。第２合成部１７０は、上位デジタル信号を上位側の桁とし、下位デジタル信号を下位側の桁として合成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測値に対応したアナログのセンサ信号をデジタル変換して計測データとする計測機器用の信号処理装置であって、
前記センサ信号をＡＤ（アナログ−デジタル）変換して上位デジタル信号とする第１ＡＤ変換部と、
前記上位デジタル信号をＤＡ（デジタル−アナログ）変換して上位アナログ信号とする第１ＤＡ変換部と、
前記センサ信号から前記上位アナログ信号を減じた下位アナログ信号を生成する第１合成部と、
前記下位アナログ信号を増幅して拡大下位アナログ信号とする増幅部と、
前記拡大下位アナログ信号をＡＤ変換して下位デジタル信号とする第２ＡＤ変換部と、
前記上位デジタル信号を上位側の桁とし、前記下位デジタル信号を下位側の桁として合成する第２合成部と、を備える
ことを特徴とする計測機器用の信号処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の計測機器用の信号処理装置において、
前記第１ＤＡ変換部の分解能は、前記第１ＡＤ変換部の分解能に対して、同じかまたはそれ以下に設定されている
ことを特徴とする計測機器用の信号処理装置。
【請求項３】
請求項２に記載の計測機器用の信号処理装置において、
前記第１ＡＤ変換部の分解能と前記第１ＤＡ変換部の分解能とを同じに設定する
ことを特徴とする計測機器用の信号処理装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の計測機器用の信号処理装置と、
センサと、を備える
ことを特徴とする計測機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測機器用の信号処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
計測機器においては、センサの出力信号を高分解能で検出することが求められる。
ここで、分解能はプリアンプの増幅率とＡＤ変換部（アナログデジタル変換部）のビット数とで決まってくる。一方で、センサ出力が広範囲に変動する場合には、ダイナミックレンジを大きくしなければならい。
ダイナミックレンジもまたプリアンプの増幅率とＡＤ変換部のビット数とで決まってくる。分解能とダイナミックレンジとはトレードオフの関係にあり、高い分解能を求めると自ずとダイナミックレンジは狭くなってしまう。
【０００３】
従来、プリアンプのゲイン（増幅率）をレンジに応じて切り替えることが行われている。例えば、特許文献１に開示される計測機用信号処理装置においては、段階的にレンジを切り替えられるようになっており、ユーザが必要に応じてレンジを切り替える。すると、選択されたレンジに応じてＣＰＵが自動的にゲインを調整してくれる（特許文献１（特開２００２−１６２２５１））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１６２２５１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＡＤ変換部のビット数が一定である限りは分解能とダイナミックレンジとはトレードオフの関係であり、広ダイナミックレンジかつ高分解能な計測を行うことはできなかった。
【０００６】
本発明の目的は、広ダイナミックレンジかつ高分解能な計測を可能にする計測機器用の信号処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の計測機器用の信号処理装は、
計測値に対応したアナログのセンサ信号をデジタル変換して計測データとする計測機器用の信号処理装置であって、
前記センサ信号をＡＤ（アナログ−デジタル）変換して上位デジタル信号とする第１ＡＤ変換部と、
前記上位デジタル信号をＤＡ（デジタル−アナログ）変換して上位アナログ信号とする第１ＤＡ変換部と、
前記センサ信号から前記上位アナログ信号を減じた下位アナログ信号を生成する第１合成部と、
前記下位アナログ信号を増幅して拡大下位アナログ信号とする増幅部と、
前記拡大下位アナログ信号をＡＤ変換して下位デジタル信号とする第２ＡＤ変換部と、
前記上位デジタル信号を上位側の桁とし、前記下位デジタル信号を下位側の桁として合成する第２合成部と、を備える
ことを特徴とする。
【０００８】
本発明では、
前記第１ＤＡ変換部の分解能は、前記第１ＡＤ変換部の分解能に対して、同じかまたはそれ以下に設定されていてもよい。
【０００９】
また、本発明では、
前記第１ＡＤ変換部の分解能と前記第１ＤＡ変換部の分解能とが同じに設定されていてもよい。
【００１０】
本発明の計測機器は、前記計測機器用の信号処理装置と、センサと、を備える
ことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】信号処理装置にかかる第１実施形態の機能ブロック図である。
【図２】センサ信号Ｅ１を例示する図である。
【図３】センサ信号Ｅ１をＡＤ変換した結果を例示する図である。
【図４】上位アナログ信号Ｅ３の例を示す図である。
【図５】反転上位アナログ信号Ｅ４の例を示す図である。
【図６】下位アナログ信号Ｅ５の例を示す図である。
【図７】拡大下位アナログ信号Ｅ６の例を示す図である。
【図８】下位デジタル信号Ｅ７の例を示す図である。
【図９】合成デジタル信号Ｅ８の例を示す図である。
【図１０】実施例１として回路構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の信号処理装置１００にかかる第１実施形態の機能ブロック図である。
信号の経路に沿って各機能部での処理を順に説明する。
信号処理装置１００にセンサ回路４００からセンサ信号Ｅ１が入力される。センサ信号Ｅ１の例を図２に示す。センサ回路４００は、例えば、形状測定機のスタイラスの変位を検出する差動インダクタンスであり、スタイラスの変位に応じて変化するアナログ信号を出力する。
例えば、センサ信号Ｅ１は、図２に示すように、全体的な輪郭線の上にうねりや細かな凹凸が重畳した信号になる。
【００１３】
センサ信号Ｅ１は２つに分岐され、一方は第１ＡＤ変換部１１０に入力され、他方は第１合成部１４０に入力される。
第１ＡＤ変換部１１０において、センサ信号Ｅ１はＡＤ（アナログ−デジタル）変換される。図３において、センサ信号Ｅ１をＡＤ変換した結果を例示する。
第１ＡＤ変換部１１０でデジタル変換された信号を上位デジタル信号Ｅ２とする。
図３に示すように、第１ＡＤ変換部１１０のレンジを広くとる都合上、第１ＡＤ変換部１１０のデジタル変換は、比較的粗くなっている。
【００１４】
上位デジタル信号Ｅ２は、２つに分岐され、一方は第２合成部１７０に入力され、他方は第１ＤＡ変換部１２０に入力される。
第１ＤＡ変換部１２０によって上位デジタル信号Ｅ２が再びアナログ信号に変換される。第１ＤＡ変換部１２０でアナログ変換された信号を上位アナログ信号Ｅ３とする。
上位アナログ信号Ｅ３の例を図４に示す。
センサ信号Ｅ１から第１ＡＤ変換部１１０の分解能以下の変動を取り除いたものが上位アナログ信号Ｅ３になっている。
【００１５】
上位アナログ信号Ｅ３は、反転回路１３０での反転処理後、第１合成部１４０に入力される。反転回路１３０で反転した後の信号を反転上位アナログ信号Ｅ４とし、図５に例示する。
【００１６】
さて、第１合成部１４０には、一方の入力端からセンサ信号Ｅ１が入力され、他方の入力端から反転上位アナログ信号Ｅ４が入力される。
第１合成部１４０は、センサ信号Ｅ１と反転上位アナログ信号Ｅ４とを加算する。センサ信号Ｅ１と反転上位アナログ信号Ｅ４とを加算した信号を下位アナログ信号Ｅ５とし、図６に例示する。
下位アナログ信号Ｅ５は、センサ信号Ｅ１から第１ＡＤ変換部１１０の分解能以下の変動だけを抽出したものとなっている。
【００１７】
下位アナログ信号Ｅ５は、増幅部１５０にて増幅され、拡大下位アナログ信号Ｅ６となる。
拡大下位アナログ信号Ｅ６の例を図７に示した。そして、拡大下位アナログ信号Ｅ６は、第２ＡＤ変換部１６０にてデジタル変換される。
第２ＡＤ変換部１６０で変換されたデジタル信号を下位デジタル信号Ｅ７とし、図８に例示した。下位デジタル信号Ｅ７は、下位アナログ信号Ｅ５を拡大したものをＡＤ変換したものであるから、センサ信号Ｅ１のなかの第１ＡＤ変換部１１０の分解能以下の変動だけをデジタルデータとして取り出したものになっている。
下位デジタル信号Ｅ７は、第２合成部１７０に入力される。
【００１８】
第２合成部１７０には、一方の入力端から上位デジタル信号Ｅ２が入力され、他方の入力端から下位デジタル信号Ｅ７が入力されている。
第２合成部１７０は、上位デジタル信号Ｅ２と下位デジタル信号Ｅ７とを合成する。
このとき、上位デジタル信号Ｅ２を上位側のビットとし、下位デジタル信号Ｅ７を下位側のビットとする。すると、図９に示す合成デジタル信号Ｅ８が得られる。
【００１９】
このようにして得られた合成デジタル信号Ｅ８は、広いダイナミックレンジをもちながらも高い分解能をもった計測データとなっている。
【００２０】
（実施例１）
図１０に実施例１として回路構成例を示す。
図１０において、反転回路１３０、第１合成部１４０および増幅部１５０をオペアンプＡＭＰ１〜ＡＭＰ３で構成している。なお、第１合成部１４０を反転加算回路としているので、増幅部１５０を反転増幅回路としている。
【００２１】
さらに、一例として、回路条件を次のように設定する。
センサの計測レンジが８１９．２ｕｍで、センサ信号Ｅ１は振幅１０Ｖ幅の電気信号であるとする。
第１ＡＤ変換部１１０および第１ＤＡ変換部１２０は、入力レンジが１０Ｖで、分解能が７ビットであるとする。
なお、第１ＡＤ変換部１１０の分解能と第１ＤＡ変換部１２０の分解能とを同じに設定する。
【００２２】
反転回路１３０および第１合成部１４０を構成するオペアンプＡＭＰ１、ＡＭＰ２のゲインが１倍であり、増幅部１５０を構成するオペアンプＡＭＰ３のゲインが６４倍であるとする。
また、第２ＡＤ変換部１６０は、入力レンジが１０Ｖで、分解能は１６ビットであるとする。
【００２３】
このとき、第１ＡＤ変換部１１０および第１ＤＡ変換部１２０の最下位ビット（ＬＳＢ）は、振幅レベルが７８．１２５ｍＶであり、分解能が６．４μｍに相当する。
【００２４】
一方、第２ＡＤ変換部１６０について考える。
第１ＡＤ変換部１１０および第１ＤＡ変換部１２０の最下位ビット（ＬＳＢ）以下（６．４μｍ）を１０Ｖ幅に拡大（つまり１２８倍）して、これを１６ビットで表現する。
したがって、第２ＡＤ変換部１６０の最下位ビット（ＬＳＢ）は、０．００００９７６５６ｕｍに相当することになる。
つまり、第２合成部１７０で上位デジタル信号と下位デジタル信号とを合成することによって、２３ｂｉｔ相当の高分解能でデジタル変換できたことに相当する。
８１９．２ｕｍ÷０．００００９７６５６ｕｍ＝８３８８６２９＝２３ｂｉｔ相当
【００２５】
なお、第１合成部１４０においてセンサ信号Ｅ１と反転上位アナログ信号Ｅ４とを合成するにあたって、センサ信号Ｅ１に対して反転上位アナログ信号Ｅ４に遅延が生じていることを考慮しておく必要がある。
センサ信号Ｅ１が正弦波であるとすると、センサ信号Ｅ１の半周期内で信号Ｅ４が生成される必要がある。
第１ＡＤ変換部１１０での遅延、第１ＤＡ変換部１２０での遅延および反転回路１３０での遅延の合計をｔｄとし、第１ＡＤ変換部１１０（第１ＤＡ変換部１２０）のビット数をｎとする。
センサ信号Ｅ１の最短の周期をＴｍｉｎとし、最大周波数をＦｍａｘとする。
このとき、Ｔｍｉｎ／２＝ｔｄ×２ｎであることから、Ｆｍａｘ＝１／（２×ｔｄ×２ｎ）となる。
【００２６】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
上記の例では、反転回路１３０を介在させたが、例えば、第１ＤＡ変換部１２０が反転出力するならば、反転回路１３０は不要である。
あるいは、第１合成部１４０が減算器の役割を果たすように構成して、反転回路１３０を省略してもよい。
上記実施形態では、第１ＡＤ変換部１１０の分解能と第１ＤＡ変換部１２０の分解能とを同じにする場合を例示したが、第１ＡＤ変換部１１０の分解能と第１ＤＡ変換部１２０の分解能とが異なっていてもよく、例えば、第１ＤＡ変換部１２０の分解能が第１ＡＤ変換部１１０の分解能より低くてもよい。
センサの種類が限定されないのはもちろんである。
【符号の説明】
【００２７】
１００…信号処理装置、
１１０…第１ＡＤ変換部、１２０…第１ＤＡ変換部、
１３０…反転回路、
１４０…第１合成部、１５０…増幅部、１６０…第２ＡＤ変換部、
１７０…第２合成部、
４００…センサ。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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