CN101611548A - ∑△型ad转换器以及使用了该转换器的角速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使用了∑Δ型AD转换器的、输出特性稳定的角速度传感器，所述∑Δ型AD转换器包括：积分装置(62)，其对从输入切换装置(44)和DA转换装置(48)输出的电荷进行积分，并保持其至少两个积分值；比较装置(63)，其将从该积分装置(62)输出的至少两个积分值与预定值进行比较；以及运算装置(73)，其对该比较装置(63)的输出信号进行运算，该运算装置(73)上设有计算从比较装置(63)输出的至少两个比较信号的差的差分运算装置(70)。

Description

∑△型AD转换器以及使用了该转换器的角速度传感器
技术领域
本发明涉及用于航空器、车辆等移动体的姿势控制、导航系统等的∑Δ型AD转换器以及使用了该转换器的角速度传感器。
背景技术
以下，参照附图说明现有的这种对多个输入进行处理的∑Δ型AD转换器。
图7是现有的∑Δ型AD转换器的电路图。在图7中，输入部1包括：与第一输入相连的电容器2、与第二输入相连的电容器3、以及切换这些电容器2、3的输入切换装置4。DA转换装置5包括：基准电压6、7、以及通过切换这些基准电压6、7来切换所输出的电荷电平的DA切换装置8。积分装置9包括：被输入从输入部1和DA转换装置5输出的电荷的运算放大器10；存储所输入的电荷的电容器11、12；以及切换这些电容器11、12的积分切换装置13。
比较装置14包括：对从积分装置9输出的电压和预定电压进行比较的比较器15、保持从该比较器15输出的比较信号的D触发器16。并且，该D触发器16的输出被输入到DA切换装置8，切换DA转换装置5的输出电平。
接着，对如上那样构成的现有的∑Δ型AD转换器的工作进行说明。
输入部1和积分装置9在第一输入被选择的情况下，在电容器2中充放电与第一输入成比例的电荷。并且，将该被充放电的电荷输送到电容器11。同样地，在第二输入被选择的情况下，在电容器3中充放电与第二输入成比例的电荷。并且，将该充放电的电荷输送到电容器12。
这样，现有的∑Δ型AD转换器根据输入信号的切换进行工作，以切换积分用的电容器11、12。因此，能够缩短输入切换时由∑Δ型AD转换器引起的延迟，同配置数量与输入信号相同的AD转换器的方法相比，能够减小电路规模。作为与该发明申请相关的在先技术文献信息，公知有例如专利文献1。
但是，在上述现有的结构中，输入到构成积分装置9的运算放大器10的基准电压、DA转换装置5的基准电压6、7因电源电压变化或温度变化的影响而发生变动。现有的∑Δ型AD转换器的输出信号直接受到该影响，因此AD转换器的输出精度将会劣化。
【专利文献1】日本特开2001-237706号公报
发明内容
本发明提供一种∑Δ型AD转换器以及使用了该转换器的角速度传感器，其来自DA转换装置、积分电路的输出信号不会受到电源电压变化、温度变化的影响而发生变动，输出特性稳定。
本发明的∑Δ型AD转换器，包括：输入切换装置，其对至少两个输入信号进行切换；DA转换装置，其输出至少两个电平的电荷量；积分装置，其对从输入切换装置和DA转换装置输出的电荷进行积分，并保持其至少两个积分值；比较装置，其将从该积分装置输出的至少两个积分值与预定值进行比较；DA切换装置，其根据该比较装置的至少两个输出来对DA转换装置的输出进行切换；以及运算装置，其对比较装置的输出信号进行运算。并且，运算装置上设有计算从比较装置输出的至少两个比较信号的差的差分运算装置。
根据这样的结构，来自输入切换装置、DA转换装置、积分装置、比较装置以及DA切换装置的输出信号，同样地施加于对运算装置的至少两个输入信号。并且，通过运算装置具有的差分运算装置计算至少两个输入信号的信号处理结果的差，由此能够消除来自输入切换装置、DA转换装置、积分装置、比较装置以及DA切换装置的输出信号中的基准电压变动等的影响。
附图说明
图1是本发明实施方式1的使用了∑Δ型AD转换器的角速度传感器的电路图。
图2是表示本发明实施方式1的使用了∑Δ型AD转换器的角速度传感器的工作状态的图。
图3是本发明实施方式2的使用了∑Δ型AD转换器的角速度传感器的电路图。
图4是表示本发明实施方式2的使用了∑Δ型AD转换器的角速度传感器的工作状态的图。
图5是表示本发明实施方式3的使用了∑Δ型AD转换器的角速度传感器的电路图。
图6是表示本发明实施方式3的使用了∑Δ型AD转换器的角速度传感器的工作状态的图。
图7是现有的∑Δ型AD转换器的电路图。
标号说明
30传感器元件
32驱动电极
33监视电极
34、35传感电极
40、131驱动电路
41PLL电路
43定时控制电路
44、81、101、132输入切换装置
47、84、104、136DA切换装置
48、85、105、133DA转换装置
62、99、119、134积分装置
63、135比较装置
70差分运算装置
71修正运算部
73运算装置
具体实施方式
(实施方式1)
以下，参照附图说明本发明实施方式1的∑Δ型AD转换器和使用了该转换器的角速度传感器。
图1是本发明实施方式1的使用了∑Δ型AD转换器的角速度传感器的电路图。在图1中，传感器元件30包括：振动体31、具有用于使该振动体31振动的压电体的驱动电极32、具有根据振动状态产生电荷的压电体的监视电极33、具有当对传感器元件30施加角速度时产生电荷的压电体的一对传感电极。另外，传感器元件30中的一对传感电极包括：第一传感电极34、以及产生与该第一传感电极34的极性相反的电荷的第二传感电极35。电荷放大器36被输入传感器元件30中的监视电极33输出的电荷。该所输入的电荷被以预定倍率转换为电压。带通滤波器37被输入电荷放大器36的输出。所输入的信号的噪声成分被去除而输出监视信号。AGC电路38具有半波整流平滑电路(未图示)。带通滤波器37的输出信号成为进行了半波整流的、经过平滑处理的DC信号。基于该DC信号，带通滤波器37输出的监视信号被放大或衰减而输出。驱动电路39被输入AGC电路38的输出，向传感器元件30的驱动电极32输出驱动信号。并且，由电荷放大器36、带通滤波器37、AGC电路38以及驱动电路39构成驱动电路40。
PLL电路41使驱动电路40中的带通滤波器37输出的监视信号倍增，在时间上对相位噪声进行积分降低而输出。定时生成电路42基于对从PLL电路41输出的监视信号进行了倍增的信号，将监视信号的2周期期间划分成第一定时信号Φ1、第二定时信号Φ2、第三定时信号Φ3、第四定时信号Φ4，生成并输出这四个定时信号。详细内容将在后面说明。定时控制电路43由PLL电路41和定时生成电路42构成。
输入切换装置44包括：模拟开关45，其与传感器元件30中的第一传感电极34连接，根据第二定时信号Φ2进行工作；模拟开关46，其与第二传感电极35连接，根据第四定时信号Φ4进行工作。根据这样的结构，输入切换装置44根据第二定时信号Φ2或第四定时信号Φ4，切换输出来自第一传感电极34或第二传感电极35的输入信号。
DA切换装置47具有第一基准电压49和第二基准电压50。第一基准电压49和第二基准电压50通过预定信号而被切换，在第二定时信号Φ2中，输出第一基准电压49的信号，而在第四定时信号Φ4中，输出第二基准电压50的信号。DA输出装置51包括：电容器52，其被输入DA切换装置47的输出信号；模拟开关53、54，其连接在该电容器52的两端上，并且根据第一定时信号Φ1和第三定时信号Φ3进行工作，使电容器52的电荷放电。并且，由DA切换装置47和DA输出装置51构成DA转换装置48。该DA转换装置48根据第一定时信号Φ1和第三定时信号Φ3，使电容器52的电荷放电，而且，根据第二定时信号Φ2和第四定时信号Φ4，输入输出与DA切换装置47输出的基准电压相应的电荷。
模拟开关55被输入输入切换装置44和DA转换装置48的输出，并根据第二定时信号Φ2和第四定时信号Φ4而输出。积分电路56被输入模拟开关55的输出。积分电路56包括：运算放大器57；并联连接在该运算放大器57的反馈上的一对电容器58、59；与该电容器58、59连接的一对模拟开关60、61。另外，模拟开关60根据第一定时信号Φ1和第二定时信号Φ2进行工作，至积分电路56的输入信号在电容器58中积分而保存积分值。模拟开关61根据第三定时信号Φ3和第四定时信号Φ4进行工作，至积分电路56的输入信号在电容器59中积分而保存积分值。积分装置62包括模拟开关55和积分电路56。该积分装置62根据第一定时信号Φ1和第二定时信号Φ2，使模拟开关55的输出在电容器58中积分而输出其积分值，并且根据第三定时信号Φ3和第四定时信号Φ4使模拟开关55的输出在电容器59中积分而输出其积分值。
比较装置63被输入积分装置62输出的积分信号。比较装置63包括：对该积分信号与预定值进行比较的比较器64、被输入该比较器64输出的1位数字信号的D触发器65。D触发器65在第二定时信号Φ2和第四定时信号Φ4的上升时，锁存上述1位数字信号而输出锁存信号。该锁存信号被输入至DA转换装置48的DA切换装置47，切换第一基准电压49和第二基准电压50。并且，由输入切换装置44、DA转换装置48、积分装置62以及比较装置63构成∑Δ调制器66。
该∑Δ调制器66通过上述结构而对从传感器元件30中的一对传感电极34、35输出的电荷进行∑Δ调制，转换成1位数字信号而进行输出。
锁存电路67被输入从∑Δ调制器66的比较装置63中的比较器64输出的1位数字信号。锁存电路67包括对1位数字信号进行锁存的一对D触发器68、69。D触发器68根据第二定时信号Φ2锁存1位数字信号，D触发器69根据第四定时信号Φ4锁存1位数字信号。差分运算装置70被输入锁存电路67中的一对D触发器68、69锁存并输出的一对1位数字信号。并且，计算这一对1位数字信号之差的1位差分运算通过置换处理来实现。也就是说，输入到差分运算装置70中的一对1位数字信号为“00”、“01”、“10”、“11”时，分别被置换为“0”、“-1”、“1”、“0”而进行输出。修正运算部71被输入差分运算装置70输出的1位差分信号，该1位差分信号与预定的修正信息的修正运算通过置换处理而实现。即，如上所述，输入到修正运算部71中的1位差分信号为“0”、“1”、“-1”，例如当修正信息为“5”时，分别被置换为“0”“5”“-5”而进行输出。数字滤波器72被输入从修正运算部71输出的数字差分信号，进行去除噪声成分的滤波处理。并且，运算装置73包括锁存电路67、差分运算装置70、修正运算部71以及数字滤波器72。另外，该运算装置73根据第二定时信号Φ2和第四定时信号Φ4锁存一对1位数字信号，进行差分运算、修正运算、滤波处理，输出多位信号。并且，传感电路74包括定时控制电路43、∑Δ调制器66以及运算装置73。
接下来，说明如上述那样构成的本发明实施方式1中的角速度传感器的工作。
当对传感器元件30的驱动电极32施加交流电压时，振动体31发生谐振，在监视电极33中产生电荷。将该监视电极33中产生的电荷输入到驱动电路40中的电荷放大器36，转换为正弦波形的输出电压。
图2是表示使用了本发明实施方式1中的∑Δ型AD转换器的角速度传感器的工作状态的图。在图2中，电荷放大器36的输出电压被输入到带通滤波器37，仅抽取振动体31的谐振频率，从带通滤波器37输出被去除了噪声成分的正弦波形信号A。该正弦波形信号A被输入到AGC电路38具有的半波整流平滑电路(未图示)，从而被转换为DC信号。
当该DC信号较大时，AGC电路38将用于使驱动电路40中的带通滤波器37的输出信号衰减的信号输入到驱动电路39。另一方面，当DC信号较小时，AGC电路38将用于使驱动电路40中的带通滤波器37的输出信号放大的信号输入到驱动电路39。通过这样的工作进行调整，以使振动体31的振动成为恒定振幅。
传感电路74中的定时控制电路43被输入图2所示的正弦波信号A。并且，基于由PLL电路41所倍增后的信号，由定时生成电路42形成图2所示的第一定时信号Φ1、第二定时信号Φ2、第三定时信号Φ3以及第四定时信号Φ4。这些定时信号Φ1、Φ2、Φ3、Φ4作为模拟开关45、46、53、54、55、60、61的切换信号和锁存电路的锁存定时信号而被输入到∑Δ调制器66和运算装置73。
将用相位器使相位发生90度移相的正弦波信号输入到与预定的基准电压(未图示)进行比较的电压比较器(未图示)，然后将该电压比较器的输出输入到逻辑电路(未图示)，即便在这样的情况下，也能够形成定时信号Φ1、Φ2、Φ3、Φ4。但是，此时正弦波信号的电压噪声和因温度变化、电源变动引起的电压噪声表现为相位噪声。该相位噪声作为切换输入信号、积分切换装置的定时噪声会成为给信号处理的精度带来恶劣影响的主要因素。因此，取为使用PLL电路41在时间上积分、降低了相位噪声的定时信号，从而能够降低切换定时噪声，提高信号处理的精度。
在传感器元件30于图1所示的驱动方向以速度V进行弯曲振动的状态下，传感器元件30围绕振动体31的长度方向的中心轴以角速度ω进行旋转时，在该传感器元件30中产生F＝2mV×ω的科里奥利力(Coriolisforce)。通过该科里奥利力，在传感器元件30具有的一对传感电极34、35上分别产生图2所示的电压C、D。在该传感电极34、35上产生的电压由科里奥利力产生，因此相位比监视电极33中产生的信号超前90度。另外，在一对传感电极34、35中产生的输出信号如图2的C、D所示那样，处于正极性信号和负极性信号的关系。
以下说明这种情况下的∑Δ调制器66的工作。∑Δ调制器66通过重复第一定时信号Φ1、第二定时信号Φ2、第三定时信号Φ3以及第四定时信号Φ4而进行工作。在第一定时信号Φ1和第二定时信号Φ2下，从传感器元件30中的传感电极34输出的正极性信号被进行∑Δ调制而被转换为1位数字信号，另外在第三定时信号Φ3和第四定时信号Φ4下，负极性信号被进行∑Δ调制而转换为1位数字信号。
逐个说明在上述的4个定时信号下的工作。首先，在第一定时信号Φ1上升时，与积分装置62中的电容器58连接的模拟开关60接通，保持在该电容器58中的积分值被输入到比较装置63中的比较器64，比较结果作为1位数字信号而被输出。另外，DA转换装置48中的模拟开关53、54接通，保持在电容器52中电荷被释放。
接着，在第二定时信号Φ2上升时，从比较装置63的比较器64输出的1位数字信号被锁存在D触发器65中，该锁存信号输入到DA转换装置48的DA切换装置47中。根据该输入的锁存信号，基准电压49、50被切换而输入到电容器52，从DA转换装置48输出与切换后的基准电压相应的电荷。另一方面，在输入切换装置44中，模拟开关45接通，从传感器元件30的传感电极34输出产生的电荷。而且，积分装置62中的模拟开关55接通，从输入切换装置44和DA转换装置48输出的电荷被输入到积分电路56。由此，在第二定时信号Φ2中，在积分电路56中的电容器58中积分并保存图2的C的斜线部分所示的电荷量与从DA转换装置48输出的电荷量之总和。
通过上述的第一定时信号Φ1和第二定时信号Φ2的工作，相当于从传感器元件30的传感电极34输出的电压振幅值一半的电荷量被进行∑Δ调制，在第一定时信号Φ1和第二定时信号Φ2的信号上升时，作为1位数字信号而被输出。
同样地，在第三定时信号Φ3和第四定时信号Φ4中，相当于从传感器元件30的传感电极35输出的电压振幅值一半的电荷量被进行∑Δ调制，在第三定时信号Φ3和第四定时信号Φ4的信号上升时，被转换为1位数字信号而进行输出。
通过以上的工作，相当于从传感器元件30中的一对传感电极34、35输出的电压振幅值一半的电荷量，通过∑Δ调制器66而被进行∑Δ调制，作为一对1位数字信号而在上述定时进行输出。
从传感器元件30中的一对传感电极34、35输出的电荷，并不仅产生相位比监视电极33中产生的信号超前了90度的传感信号，还产生与监视信号同相的无用信号。在此，说明从传感器元件30中的一对传感电极34、35输出传感信号和无用信号的合成信号的情况。
由角速度引起的科里奥利力所产生的传感信号如图2的C、D所示。如上所述，在第二定时信号Φ2和第四定时信号Φ4中，由积分电路56积分图2的C、D的斜线部分所示的电荷量、即相当于电压振幅值一半的电荷量。另外，由传感电极34，35产生的无用信号用图2的E、F表示。在无用信号E、F中，与传感信号C、D同样地，通过第二定时信号Φ2和第四定时信号Φ4，积分E、F的斜线部分所示的电荷量、即无用信号的电压振幅从最大值到最小值的区间的电荷量。以E、F的电压振幅的中央值为基准进行积分并被消除，从而电荷量变为“0”。也就是说，通过积分装置62在第二定时信号Φ2和第四定时信号Φ4上升时的工作，C、F所示的无用信号被消除。因此，与传感信号C、D的电压振幅相应的电荷量被积分，分别对一对输入信号C、D实施所谓的同步检波处理。因此，与没有上述无用信号E、F时的工作的说明同样地，由∑Δ调制器66对经过同步检波处理的信号进行∑Δ调制，转换为1位数字信号而进行输出。
通过以上的工作，能够既对传感器元件30中的一对输出信号进行同步检波处理又进行∑Δ调制。如此经过了同步检波的数字信号无需通常的IV转换电路、相位器、同步检波电路等模拟电路即可得到。因此，能够实现小型且低成本的∑Δ型AD转换器。
接下来，说明运算装置73的工作。首先，根据第二定时信号Φ2，从∑Δ调制器66的比较装置63中的比较器64输出的1位数字信号，被锁存在锁存电路67的D触发器68中。另外，根据第四定时信号Φ4，从∑Δ调制器66的比较装置63中的比较器64输出的1位数字信号，被锁存在锁存电路67的D触发器69中。
锁存在这一对D触发器68、69中的一对1位数字信号如上述说明的那样，是通过如下处理得到的，即：将从传感器元件30中的一对传感电极34、35输出的信号去除了无用信号的、电压振幅值一半所相当的电荷量分别通过∑Δ调制来转换为数字值。
接下来，锁存电路67输出的一对1位数字信号被输入至1位差分运算装置70，计算这一对1位数字信号的差而输出1位差分信号。在此，第一定时信号Φ1下的1位差分信号，是在前一个周期中的第二定时信号Φ2、第四定时信号Φ4下所锁存的1位数字信号的差。并且，该1位差分信号表示图2的C、D所示的从传感器元件30中的一对传感电极34、35输出的信号去除了E、F所示的无用信号后的电压振幅值。
通过以上的工作，从传感器元件30中的一对传感电极34、35输出的处于正极性信号与负极性信号的关系的一对输入信号，使用同一个积分装置62而被积分。因此，与用2个积分装置分别进行积分的情况相比，对由于各积分装置的特性引起的一对输入信号的积分结果的相对误差的影响显著降低。与此同样地，DA转换装置48也为对一对输入信号的信号处理使用同一个DA转换装置的结构。另外，比较装置63也使用比较器对一对积分结果与相同的基准电压进行比较，从而比较器的特性、基准电压的变动对比较结果的相对误差的影响显著降低。
另外，因电源电压变化、温度变化的影响所引起的各装置中的基准电压变动等的影响也施加在一对输入信号上。但是，通过运算装置73具有的1位差分运算装置70计算一对输入信号的信号处理结果之差，因此各装置中的基准电压变动等的影响被消除。进而，从传感器元件30中的一对传感电极34、35输出而输入到∑Δ型AD转换器中的一对输入信号所包含的同相噪声成分、偏置成分的影响也被消除。由此，能够精度良好地形成一对输入信号的差信号。
另外，取一对输入信号之差的1位差分运算，在比较装置的输出信号为由“1”、“0”构成的1位信号时，输入到差分运算装置中的一对比较信号限于“00”、“01”“10”、“11”这4种。因此，取差后的结果也分别预先确定为“0”、“-1”、“1”、“0”，因此能够以非常简单的电路结构进行与输入信号相应的减法运算处理。在将进行了减法运算处理的一对输入信号作为1个差分信号之后，进行在∑ΔAD转换中通常所需要的由数字滤波器进行的低通滤波、抽选(decimation)等信号处理，从而与下述的情况相比，能够使差分运算电路、数字滤波器等运算电路的电路规模非常小，并能实现高精度的信号处理，所述情况为：对输入信号分别准备以低通滤波、抽选等对一对输入信号进行信号处理的数字滤波器，通过数字滤波器进行多位化处理之后，使用能进行多位加减运算的运算器进行差分运算处理。
接下来，1位差分运算装置70输出的1位差分信号被输入到修正运算部71，通过置换处理进行该1位差分信号与预定的修正信息的修正运算。如上所述，该修正运算利用如下情况，即1位差分信号限于“0”、“1”、“-1”这三个值。例如，当预定的修正信息为“5”时，输入到修正运算部中的1位差分信号“0”、“1”、“-1”分别被置换处理为“0”、“5”、“-5”，从而能够实现乘法运算而进行信号的修正。
由此，通过设定适当的修正信息能够修正因传感器元件30的制造离差等引起的灵敏度相对于角速度的离差、因温度变动引起的传感器元件30的灵敏度变动。另外，与如下的情况相比能够以非常小的电路规模来实现，所述情况为：通过数字滤波器转换为多位信号之后准备对多位信号进行乘法运算处理的乘法器来进行乘法运算处理，由此进行信号的修正。进而，在该置换处理中，并不存在因有限字长导致的数据舍弃等，能够实现高精度的修正运算。其结果是，传感器元件30和传感电路74的灵敏度调整能够以小型、低成本来实现高精度。
(实施方式2)
以下，参照附图对本发明实施方式2中的使用了∑Δ型AD转换器的角速度传感器进行说明。对于具有与上述的本发明实施方式1相同结构的部件标以相同的标号，省略其说明。
图3是本发明实施方式2中的使用了∑Δ型AD转换器的角速度传感器的电路图。在图3中，输入切换装置81包括模拟开关82、83。模拟开关83与传感器元件30中的第一传感电极34连接，根据第二定时信号Φ2进行工作。模拟开关82与第二传感电极35连接，基于第四定时信号Φ4进行工作。输入切换装置81基于第二定时信号Φ2和第四定时信号Φ4来切换输出来自一对传感电极34、35的输入信号。
DA切换装置84具有第一基准电压86和第二基准电压87。并且，根据预定的信号切换该第一基准电压86和第二基准电压87，根据第二定时信号Φ2和第四定时信号Φ4进行输出。DA输出装置88包括电容器89和模拟开关90、91。电容器89被输入DA切换装置84的输出信号。模拟开关90、91与该电容器89的各端连接，根据第一定时信号Φ1和第三定时信号Φ3进行工作，使电容器89的电荷释放。并且，DA转换装置85包括DA切换装置84和DA输出装置88。该DA转换装置85根据第一定时信号Φ1和第三定时信号Φ3使电容器89的电荷释放。而且，根据第二定时信号Φ2和第四定时信号Φ4使与DA切换装置84输出的基准电压相应的电荷输入输出。
模拟开关92被输入输入切换装置81和DA转换装置85的输出，根据第二定时信号Φ2和第四定时信号Φ4进行输出。积分电路93被输入模拟开关92的输出。积分电路93包括：运算放大器94、并联连接在该运算放大器94的反馈上的一对电容器95、96、以及与该电容器95、96连接的一对模拟开关97、98。模拟开关97根据第一定时信号Φ1和第二定时信号Φ2进行工作，向积分电路93的输入信号在电容器95中被积分而保持积分值。模拟开关98根据第三定时信号Φ3和第四定时信号Φ4进行工作，向积分电路93的输入信号在电容器96中被积分而保持积分值。并且，积分装置99包括模拟开关92和积分电路93。该积分装置99根据第一定时信号Φ1和第二定时信号Φ2，使模拟开关92的输出在电容器95中积分而输出其积分值。另外，根据第三定时信号Φ3和第四定时信号Φ4，使模拟开关92的输出在电容器96中积分而输出其积分值。
输入切换装置101包括模拟开关102、103。模拟开关103与传感器元件30中的第一传感电极34连接，根据第四定时信号Φ4进行工作。模拟开关102与第二传感电极35连接，根据第二定时信号Φ2进行工作。输入切换装置101根据第四定时信号Φ4和第二定时信号Φ2来切换输出来自一对传感电极34、35的输入信号。
DA切换装置104具有第一基准电压106和第二基准电压107。并且，根据预定的信号切换该第一基准电压106和第二基准电压107，根据第二定时信号Φ2和第四定时信号Φ4进行输出。DA输出装置108包括电容器109和模拟开关110、111。电容器109被输入DA切换装置104的输出信号。模拟开关110、111与该电容器109的各端连接，根据第一定时信号Φ1和第三定时信号Φ3使电容器109的电荷释放。并且，DA转换装置105包括DA切换装置104和DA输出装置108。该DA转换装置105根据第一定时信号Φ1和第三定时信号Φ3使电容器109的电荷释放。而且，根据第二定时信号Φ2和第四定时信号Φ4使与DA切换装置104输出的基准电压相应的电荷输入输出。
模拟开关112被输入输入切换装置101和DA转换装置105的输出，根据第二定时信号Φ2和第四定时信号Φ4进行输出。积分电路113被输入模拟开关112的输出。积分电路113包括运算放大器114、并联连接在该运算放大器114的反馈上的一对电容器115、116、以及与该电容器115、116连接的一对模拟开关117、118。模拟开关117根据第一定时信号Φ1和第二定时信号Φ2进行工作，向积分电路113的输入信号在电容器115中被积分而保持积分值。模拟开关118根据第三定时信号Φ3和第四定时信号Φ4进行工作，向积分电路113的输入信号在电容器116中被积分而保持积分值。并且，积分装置119包括模拟开关112和积分电路113。该积分装置119根据第一定时信号Φ1和第二定时信号Φ2使模拟开关112的输出在电容器115中积分而输出其积分值。另外，根据第三定时信号Φ3和第四定时信号Φ4使模拟开关112的输出在电容器116中积分而输出其积分值。
比较装置120被输入积分装置99、119输出的积分信号。比较装置120包括：比较该积分信号与预定值的比较器121、被输入该比较器121输出的1位数字信号的D触发器122。D触发器122在第二定时信号Φ2和第四定时信号Φ4上升时，锁存1位数字信号而输出锁存信号。该锁存信号被输入至DA转换装置85、105的DA切换装置84、104，切换基准电压86、87、106、107。并且，∑Δ调制器13包括：输入切换装置81、101；DA转换装置85、105；积分装置99、119以及比较装置120。
该∑Δ调制器123对由传感器元件30中的一对传感电极34、35输出的电荷进行∑Δ调制，转换为1位数字信号而进行输出。
接下来，说明如上述那样构成的本发明实施方式2中的角速度传感器的工作。首先，说明上述∑Δ调制器123的工作。
图4示出本发明实施方式2中的使用了∑Δ型AD转换器的角速度传感器的工作状态的图。在图4中，该∑Δ调制器123通过重复第一定时信号Φ1、第二定时信号Φ2、第三定时信号Φ3以及第四定时信号Φ4来进行工作。
在第一定时信号Φ1和第二定时信号Φ2中，从传感器元件30中的传感电极34输出的正极性信号通过第一输入切换装置81、第一DA转换装置85和第一积分装置99而被积分。另外，从传感器元件30中的传感电极35输出的负极性信号由第二输入切换装置101、第二DA转换装置105以及第二积分装置119而被积分。并且，该第一积分装置99和第二积分装置119输出的一对积分值被输入比较装置120的比较器121来进行比较，其比较结果作为1位数字信号而被输出。
在第二定时信号Φ2上升时，从比较装置120的比较器121输出的1位数字信号被锁存在D触发器122中，该锁存信号被输入到DA转换装置85、105的DA切换装置84、104。此时，在第二定时信号Φ2上升时被进行∑Δ调制而作为1位数字信号输出的值，变成从正极性信号输出的信号的电压振幅值减去负极性信号输出的信号的电压振幅值而得到的值。该值表示一对传感电极34、35中的输出的电压振幅的正的信息，其被锁存在运算装置73的D触发器68中。
在第三定时信号Φ3和第四定时Φ4中，从传感器元件30中的传感电极34输出的正极性信号通过第二输入切换装置101、第二DA转换装置105和第二积分装置119而被积分。另外，从传感器元件30中的传感电极35输出的负极性信号通过第一输入切换装置81、第一DA转换装置85以及第一积分装置99而被积分。并且，该第一积分装置99和第二积分装置119输出的一对积分值被输入到比较装置120的比较器121而进行比较，其比较结果作为1位数字信号而被输出。
在第四定时信号Φ4上升时，从比较装置120的比较器121输出的1位数字信号被锁存在D触发器122中，该锁存信号被输入到上述DA转换装置85、105的DA切换装置84、104中。此时，在第四定时信号Φ4上升时被进行∑Δ调制而作为1位数字信号输出的值，成为从负极性信号输出的信号的电压振幅值减去正极性信号输出的信号的振幅值而得到的值。该值表示一对传感电极34，35中的输出的电压振幅的负的信息，其被锁存在运算装置73的D触发器69中。
逐一说明上述的4个定时信号下的工作。首先，在第一定时信号Φ1上升时，与积分装置99中的电容器95连接的模拟开关97接通，保持在该电容器95中的积分值被输入到比较装置120中的比较器121。同时，与积分装置119中的电容器115连接的模拟开关117接通，保持在该电容器115中的积分值被输入到比较装置120中的比较器121。并且，该一对积分值的比较结果作为1位数字信号而被输出。另外，DA转换装置85、105中的模拟开关90、91、110、111接通，保持在电容器89、109中的电荷被释放。
接着，在第二定时信号Φ2上升时，从比较装置120的比较器121输出的1位数字信号被锁存在D触发器122中，该锁存信号被输入到DA转换装置85、105的DA切换装置84、104中。根据该所输入的锁存信号切换基准电压86、87、106、107而输入到电容器89、109，输出与由DA转换装置85、105切换的基准电压相应的电荷。与此同时，在输入切换装置81中，模拟开关83接通，从传感器元件30的传感电极34输出产生的电荷。另一方面，在输入切换装置101中，模拟开关102接通，从传感器元件30的传感电极35输出的电荷。而且，积分装置99、119中的模拟开关92、112接通，从输入切换装置81和DA转换装置85输出的电荷被输入到积分电路93，并且从输入切换装置101和DA转换装置105输出的电荷被输入到积分电路113中。由此，在第二定时信号Φ2中，在积分电路93的电容器95中，积分并保持图4的C的斜线部分所示的电荷量与从DA转换装置85输出的电荷量的总和，并且，在积分电路113的电容器115中，积分并保持图4的D的斜线部分所示的电荷量与由DA转换装置105输出的电荷量的总和。
通过上述的第一定时信号Φ1和第二定时信号Φ2的工作，与从传感器元件30的传感电极34、35输出的电压振幅值的正的值相当的电荷量被进行∑Δ调制，在第一定时信号Φ1和第二定时信号Φ2的信号上升时，作为1位数字信号而进行输出。
同样地，在第三定时信号Φ3和第四定时信号Φ4中，与从传感器元件30中的一对传感电极34、35输出的电荷的电压振幅值的负的值相当的电荷量被进行∑Δ调制，在第三定时信号Φ3和第四定时信号Φ4的信号上升时，被转换为1位数字信号而进行输出。
通过以上的工作，与从传感器元件30中的一对传感电极34、35输出的电压振幅值的正/负相当的电荷量被∑Δ调制器123进行∑Δ调制，作为一对1位数字信号而以上述定时进行输出。另外，正极性信号和负极性信号被同时积分，其差被进行∑Δ调制，因此瞬时的同相噪声被去除而进行输出。而且，在第一定时信号Φ1、第二定时信号Φ2以及第三定时信号Φ3、第四定时信号Φ4的工作中，2个积分装置和DA转换装置切换正极性信号和负极性信号进行信号处理，因此在第二定时信号Φ2和第四定时信号Φ4上升时所输出的一对1位数字信号上，2个积分装置99、119和DA转换装置85、105的基准电压变动、偏置变动等同样发生影响。
从传感器元件30中的一对传感电极34、35输出的电荷，不仅产生相位比在监视电极33中产生的信号超前了90度的传感信号，还产生与监视信号同相的无用信号。在从传感器元件30中的一对传感电极34、35输出传感信号与无用信号的合成信号的情况下，与本发明实施方式1同样地，对一对输入信号的每一个实施所谓的同步检波处理。并且，通过该同步检波处理，消除无用信号，与传感信号的电压振幅相应的电荷量被积分。
通过以上的工作，能够对传感器元件30中的一对输出信号进行同步检波处理的同时进行∑Δ调制。这样，经过同步检波的数字信号无需通常的IV转换电路、相位器、同步检波电路等模拟电路就能得到。因此，能够实现小型、低成本的∑Δ型AD转换器。
接着，说明运算装置73的工作。首先，在第二定时信号Φ2，从∑Δ调制器123的比较装置120中的比较器121输出的1位数字信号被锁存在锁存电路67的D触发器68中。另外，在第四定时信号Φ4，从∑Δ调制器123的比较装置120中的比较器121输出的1位数字信号被锁存在锁存电路67的D触发器69中。
锁存在这一对D触发器68、69中的一对1位数字信号如上面说明的那样，是对去除了由传感器元件30中的一对传感电极34、35输出的信号无用信号的、与电压振幅值的正和负相当的电荷量分别进行∑Δ调制而转换为数字值后信号。另外，在第一定时信号Φ1、第二定时信号Φ2以及第三定时信号Φ3、第四定时信号Φ4中，2个积分装置和DA转换装置切换正极性信号和负极性信号而进行信号处理。因电源电压变化、温度变化的影响导致的各装置中的基准电压变动、偏置变动等的影响也针对一对1位数字信号以相同的极性施加。在此，运算装置73具有的1位差分运算装置70计算一对输入信号的信号处理结果之差。通过该运算处理，各装置中的基准电压变动等的影响被消除。而且，从传感器元件30中的一对传感电极34、35输出、且输入到∑Δ型AD转换器的一对输入信号具有的瞬时同相噪声成分、偏置成分的影响也被消除，因此能够精度良好地形成一对输入信号之差的2倍的信号。
(实施方式3)
以下，参照附图说明本发明实施方式3中的使用了∑Δ型AD转换器的角速度传感器。对于具有与上述的本发明实施方式1同样结构的部件，标以相同的标号并省略其说明。
图5是本发明实施方式3中的使用了∑Δ型AD转换器的角速度传感器的电路图。图6是表示本发明实施方式3中的使用了∑Δ型AD转换器的角速度传感器的工作状态的图。在图5中，驱动电路131包括输入切换装置132、DA转换装置133、积分装置134、比较装置135、DA切换装置136、数字带通滤波器137、AGC电路138以及驱动电路139。
输入切换装置132与振动体31中的监视电极33连接，由根据图6所示的第六定时信号Φ6进行工作的模拟开关构成。DA切换装置136具有第一基准电压140和第二基准电压141，根据预定信号切换该第一基准电压140和第二基准电压141。在第六定时信号Φ6中，输出第一基准电压140的信号或第二基准电压141的信号。DA输出装置142包括被输入DA切换装置136的输出信号的电容器143以及模拟开关144、145。模拟开关144、145与电容器143的各端连接，根据图6所示的第五定时信号Φ5进行工作，使电容器143的电荷释放。并且，DA转换装置133包括DA切换装置136和DA输出装置142。该DA转换装置133根据第五定时信号Φ5使电容器143的电荷释放，根据第六定时信号Φ6使与DA切换装置136输出的基准电压相应的电荷输入输出。模拟开关146被输入输入切换装置132和DA转换装置133的输出，根据第六定时信号Φ6而进行输出。
积分装置134被输入模拟开关146的输出，包括运算放大器147、连接在该运算放大器147的反馈上的电容器148。积分装置134根据第六定时信号Φ6进行工作，向积分装置134的输入信号由电容器148所积分并保持积分值。并且，根据第五定时信号Φ5输出其积分值。
比较装置135被输入积分装置134输出的积分信号，包括：比较该积分信号与预定值的比较器149、被输入该比较器149输出的1位数字信号的D触发器150。D触发器150在第五定时信号Φ5上升时锁存并输出1位数字信号。该锁存信号被输入DA转换装置133的DA切换装置136，切换第一基准电压140和第二基准电压141。并且，∑Δ转换器151包括输入切换装置132、DA转换装置133、积分装置134以及比较装置135。并且，来自D触发器150的输出电压被输入到带通滤波器137。带通滤波器137仅抽取振动体31的谐振频率，输出去除了噪声成分的图6的P所示那样的正弦波形。并且，数字带通滤波器137的输出信号被输入到AGC电路138具有的半波整流平滑电路(未图示)，从而被转换为DC信号。
AGC电路138在该DC信号较大时，将用于使驱动电路131中的数字带通滤波器137的输出信号衰减的信号输入到驱动电路139中。另一方面，当DC信号较小时，将用于使驱动电路131中的数字带通滤波器137的输出信号放大的信号输入到驱动电路139中。通过这样的工作，振动体31的振动被调整成为恒定振幅。
定时控制电路43被输入图6的Q所示的正弦波信号。并且，基于用PLL电路41所倍增后的信号，利用定时生成电路152形成图6所示的第五定时信号Φ5、第六定时信号Φ6。这些定时信号Φ5、Φ6作为驱动电路131的∑Δ调制器151中的输入切换装置132、DA切换装置136、模拟开关144、模拟开关145以及模拟开关146的切换定时而被输入。
在第一定时切换开关153上从定时控制电路43中的定时生成电路152输入有第五定时信号Φ5，并且输入有时钟154的定时信号T5。第五定时信号Φ5和时钟154的定时信号T5的频率大致相同。同样地，在第二定时切换开关155上从定时控制电路43中的定时生成电路152输入有与第五定时Φ5处于相位相反关系的第六定时信号Φ6，并且输入有时钟154的第六定时信号T6。第六定时信号Φ6和时钟155的定时信号T6的频率大致相同。
振幅判断电路156被输入数字带通滤波器137的输出信号。另外，振幅判断电路156监视从数字带通滤波器137输出的输出信号的振幅量。该振幅量为AGC电路138中的目标振幅量的75％以上时，将定时控制电路43中的定时生成电路152的输出信号Φ5、Φ6作为时钟信号，切换第一定时切换开关153和第二定时切换开关155，以取为驱动电路131中的输入切换信号132、DA切换装置136、模拟开关144、模拟开关145以及模拟开关146的切换定时。另一方面，从数字带通滤波器137输出的输出信号的振幅量为AGC电路138中的目标振幅量的75％以下时，将来自时钟154的输出信号T5、T6作为时钟信号，切换第一定时切换开关153和第二定时切换开关155，以取为驱动电路131中的输入切换装置132、DA切换装置136、模拟开关144、模拟开关145以及模拟开关146的切换定时。
在本发明的实施方式3中，∑Δ型AD转换器的驱动电路131包括：使从振动体31中的监视电极33输出的信号通断的输入切换装置132；输出至少两个电平的电荷量的DA转换装置133；对从输入切换装置132和DA转换装置133输出的电荷进行积分、并保持其积分值的积分装置134；将从该积分装置134输出的积分值与预定值进行比较的比较装置135；根据该比较装置135的输出来切换DA转换装置133的输出的DA切换装置136；数字带通滤波器137；AGC电路138；以及驱动电路139。因此，仅用数字电路就构成驱动电路131的大部分结构，由此与用模拟电路构成驱动电路131的所有结构相比，能够使驱动电路131的体积变小，所以能够使驱动电路131小型化。
工业上的实用性
本发明的∑Δ型AD转换器以及使用了该转换器的角速度传感器具有如下效果，即能够消除来自输入切换装置、DA转换装置、积分装置、比较装置和DA切换装置的输出信号中的基准电压变动等的影响，能用于航空器、车辆等移动体的姿势控制、导航系统等。

Claims (10)

1.一种∑Δ型AD转换器，包括：
输入切换装置，其对至少两个输入信号进行切换；
DA转换装置，其输出至少两个电平的电荷量；
积分装置，其对从所述输入切换装置和所述DA转换装置输出的电荷进行积分，并保持其至少两个积分值；
比较装置，其将从所述积分装置输出的至少两个积分值与预定值进行比较；
DA切换装置，其根据所述比较装置的至少两个输出，对所述DA转换装置的输出进行切换；以及
运算装置，其对所述比较装置的输出信号进行运算，
所述运算装置具有计算从所述比较装置输出的至少两个比较信号的差的差分运算装置。
2.根据权利要求1所述的∑Δ型AD转换器，其中，
所述差分运算装置通过对一对比较信号进行1位差分运算来形成1位差分信号。
3.根据权利要求1所述的∑Δ型AD转换器，其中，
所述运算装置还具有将1位差分信号与预定的修正信息进行乘法运算的修正运算部。
4.根据权利要求1所述的∑Δ型AD转换器，其中，
还包括定时控制电路，其根据预定的输入信号的相位进行所述输入切换装置和所述积分装置的切换。
5.根据权利要求4所述的∑Δ型AD转换器，其中，
所述定时控制电路具有PLL电路。
6.一种使用了∑Δ型AD转换器的角速度传感器，包括：
传感器元件，其具有驱动电极、传感电极以及监视电极；
驱动电路，其以预定的驱动频率来驱动所述传感器元件；
输入切换装置，其对从所述传感电极输出的信号进行电处理，并且对至少两个输入信号进行切换；
DA转换装置，其输出至少两个电平的电荷量；
积分装置，其对从所述输入切换装置和所述DA转换装置输出的电荷进行积分，并保持其至少两个积分值；
比较装置，其将从所述积分装置输出的至少两个积分值与预定值进行比较；
DA切换装置，其根据所述比较装置的至少两个输出来切换所述DA转换装置的输出；以及
运算装置，其对所述比较装置的输出信号进行运算，
所述运算装置具有计算从所述比较装置输出的至少两个比较信号的差的差分运算装置。
7.根据权利要求6所述的角速度传感器，其中，
所述差分运算装置通过对一对比较信号进行1位差分运算来形成1位差分信号。
8.根据权利要求6所述的角速度传感器，其中，
所述运算装置还具有将1位差分信号与预定的修正信息进行运算的修正运算部。
9.根据权利要求6所述的角速度传感器，其中，
还包括定时控制电路，其根据预定的输入信号的相位进行所述输入切换装置、所述积分装置以及所述运算装置的切换。
10.根据权利要求9所述的角速度传感器，其中，
所述定时控制电路具有PLL电路。
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