DE112014000634T5

DE112014000634T5 - Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung sowie Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE112014000634T5
Application number: DE112014000634.3T
Authority: DE
Inventors: Yukihiko Tanizawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2015-11-05
Anticipated expiration: 2034-01-22
Also published as: CN104969473B; DE112014000634B4; JP5768822B2; CN104969473A; US9350370B2; US20150358027A1; JP2014150338A; WO2014119247A1

Abstract

In einer Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung (4) führt eine Steuereinheit (9) wenigstens entweder einen Temperaturmessprozess oder einen Rechenprozess parallel zu einem Signalumwandlungsprozess durch. Im Temperaturmessprozess ermöglicht die Steuereinheit es einem zweiten A/D-Wandler (8), eine A/D-Umwandlung eines Temperatursignals durchzuführen. In dem Rechenprozess berechnet die Steuereinheit einen Offset und eine Umwandlungsverstärkung eines ersten A/D-Wandlers (7) auf der Grundlage eines A/D-Umwandlungswerts, der vom zweiten A/D-Wandler ausgegeben wird, und von Temperaturcharakteristikdaten des Sensors für eine physikalische Größe, welche vorab erstellt wurden. In dem Signalumwandlungsprozess setzt die Steuereinheit Offset und Umwandlungsverstärkung, welche von der Steuereinheit in dem Rechenprozess berechnet wurden, für den ersten A/D-Wandler und erlaubt es dem ersten A/D-Wandler, eine A/D-Umwandlung des Sensorsignals durchzuführen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Erfindung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2013-16878 vom 31. Januar 2013; auf den dortigen Offenbarungsgehalt wird vollinhaltlich Bezug genommen.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung bzw. eine Sensorvorrichtung, welche eine A/D-Umwandlung an einem Sensorsignal durchführen, welches von einem Sensor für eine physikalische Größe ausgegeben wird, und ein entsprechend umgewandeltes Signal ausgeben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Vielzahl von Sensoren für eine physikalische Größe hat eine Temperaturcharakteristik, und Offset und Empfindlichkeit eines Sensorsignals, welches von dem Sensor für eine physikalische Größe ausgegeben wird, ändern sich temperaturabhängig. Eine Sensorvorrichtung, wie sie in PTL 1 beschrieben ist, enthält einen Temperatursensor, der ein Temperatursignal entsprechend einer Umgebungstemperatur des Sensors für die physikalische Größe ausgibt, und erlangt A/D-Umwandlungswerte des Sensorsignals und des Temperatursignals durch selektive Verwendung eines A/D-Wandlers. Die Sensorvorrichtung führt eine Temperaturkorrektur an dem A/D-Umwandlungswert des Sensorsignals unter Verwendung des A/D-Umwandlungswerts des Temperatursignals durch.
Bei der bekannten Konfiguration gemäß obiger Darlegung werden die A/D-Umwandlung des Temperatursignals, die A/D-Umwandlung des Sensorsignals und der Temperaturkorrekturvorgang sequenziell durchgeführt. Aus diesem Grund tritt eine Verzögerung entsprechend einer Summe von wenigstens einer A/D-Umwandlungszeit oder einer Temperaturkorrekturberechnungszeit des Sensorsignals auf, bis A/D-gewandelte Daten, welche einer Temperaturkorrektur unterworfen wurden, erhalten werden können, beginnend von der A/D-Umwandlung des Sensorsignals (Beginn von Sample & Hold). Die obige Verzögerungszeit wird nicht verringert, auch wenn diese bekannte Konfiguration zu einer Konfiguration geändert wird, bei der ein spezieller A/D-Wandler für den Sensor für eine physikalische Größe und ein weiterer für den Temperatursensor vorgesehen wird.
Bei dem Temperaturkorrekturprozess besteht die Notwendigkeit, Offset und Inklination der A/D-Umwandlungsdaten zu korrigieren. Diese Korrekturberechnungen beinhalten vier arithmetische Vorgänge und benötigen daher Zeit. Insbesondere nimmt die Rechenzeit bei Multiplikation und Division zu. Im Ergebnis nimmt die Verzögerungszeit seit Beginn der A/D-Umwandlung des Sensorsignals (Beginn von Sample & Hold) bis zur Ausgabe von A/D-gewandelten Daten, welche der Temperaturkorrektur unterworfen wurden, zu und eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung einer Steuervorrichtung, welche mit dem Sensorsignal als Eingangssignal arbeitet, ist nicht möglich.
DRUCKSCHRIFTLICHER STAND DER TECHNIK
PATENTLITERATUR

PTL 1: JP 2004-85562 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung bzw. eine Sensorvorrichtung zu schaffen, die in der Lage sind, die Zeit zu verringern, welche vom Beginn der A/D-Umwandlung eines Sensorsignals bis zur Ausgabe von A/D-gewandelten Daten verstreicht, bei denen die Temperaturcharakteristik eines Sensors für eine physikalische Größe aufgehoben ist.
Eine Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält einen ersten A/D-Wandler, einen zweiten A/D-Wandler und eine Steuereinheit. Die Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung unterwirft ein Sensorsignal, welches von einem Sensor für eine physikalische Größe ausgegeben wird, einer A/D-Umwandlung und gibt ein umgewandeltes Signal aus. Der erste A/D-Wandler ist in der Lage, einen Offset und eine Umwandlungsverstärkung für ein Eingangssignal zu ändern, und unterwirft das Sensorsignal einer A/D-Umwandlung als Eingangssignal. Der zweite A/D-Wandler unterwirft ein Temperatursignal, das von einem Temperatursensor ausgegeben wird, der eine Temperatur des Sensors für die physikalische Größe erkennt, einer A/D-Umwandlung.
Die Steuereinheit führt einen Temperaturmessprozess, einen Rechenprozess und einen Signalumwandlungsprozess durch und führt wenigstens entweder den Temperaturmessprozess oder den Rechenprozess parallel zu dem Signalumwandlungsprozess durch. Im Temperaturmessprozess veranlasst die Steuereinheit den zweiten A/D-Wandler, das Temperatursignal der A/D-Umwandlung zu unterwerfen. Im Rechenprozess berechnet die Steuereinheit Offset und Umwandlungsverstärkung des ersten A/D-Wandlers auf der Grundlage eines A/D-Umwandlungswerts, der vom zweiten A/D-Wandler ausgegeben wird, sowie von vorab erstellten Temperaturcharakteristikdaten des Sensors für eine physikalische Größe, so dass beim Vorgang der A/D-Umwandlung des Sensorsignals der erste A/D-Wandler eine Temperaturcharakteristik des Sensors für eine physikalische Größe aufhebt. In dem Signalumwandlungsprozess setzt die Steuereinheit Offset und Umwandlungsverstärkung, welche im Rechenprozess von der Steuereinheit berechnet wurden, an den ersten A/D-Wandler und veranlasst den ersten A/D-Wandler, das Sensorsignal der A/D-Umwandlung zu unterwerfen.
Bei der Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung werden A/D-Umwandlungseigenschaften (Offset und Umwandlungsverstärkung) des ersten A/D-Wandlers auf derartige A/D-Umwandlungscharakteristika gesetzt, welche die Temperaturcharakteristik des Sensors für eine physikalische Größe aufheben. Aus diesem Grund wird die Temperaturcharakteristik des Sensors für eine physikalische Größe während der A/D-Umwandlung aufgehoben. Im Ergebnis enthält die Zeit, die vom Beginn der A/D-Umwandlung des Sensorsignals bis zur Ausgabe der A/D-gewandelten Daten benötigt wird, in welchen die Temperaturcharakteristik des Sensors für eine physikalische Größe aufgehoben ist, nicht eine Zeit, die zur Durchführung des Temperaturmessprozesses und des Rechenprozesses notwendig ist, und wird vielmehr abhängig von der A/D-Umwandlungszeit des ersten A/D-Wandlers bestimmt. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung ermöglicht eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung an einer Steuervorrichtung, welche mit dem Sensorsignal als Eingangssignal arbeitet.
Eine Sensorvorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält einen Sensor für eine physikalische Größe, einen Temperatursensor, der eine Temperatur des Sensors für die physikalische Größe erkennt, sowie die erfindungsgemäße Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.
Es zeigt:
1 als Blockdiagramm eine Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 als Blockdiagramm einen ersten A/D-Wandler;
3 die Darstellung des Ablaufs einer Signalverarbeitung;
4A Umwandlungscharakteristika erster und zweiter D/A-Wandler;
4B Umwandlungscharakteristika eines A/D-Wandlers mit sukzessiver Näherung;
5 in einer grafischen Darstellung eine Beziehung zwischen einer physikalischen Größe und A/D-gewandelten Daten;
6 in einer grafischen Darstellung eine Beziehung zwischen einem A/D-gewandelten Wert und einem Offset eines Temperatursignals;
7 in einer grafischen Darstellung eine Beziehung zwischen dem A/D-gewandelten Wert des Temperatursignals und einem Empfindlichkeitskoeffizienten und einem Verstärkungskorrekturkoeffizienten;
8 den Ablauf einer Signalverarbeitung bei einem Vergleichsbeispiel;
9 als Blockdiagramm einen ersten A/D-Wandler gemäß einer zweiten Ausführungsform;
10 als Blockdiagramm eine Sensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform; und
11 die elektrische Konfiguration eines Sensors.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden in den Ausführungsformen gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder einander entsprechende Teile zu bezeichnen und um redundante Erläuterungen weglassen zu können.
<Erste Ausführungsform>
Nachfolgend wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der 1 bis 8 beschrieben. Eine Sensorvorrichtung 1 gemäß 1 umfasst einen Sensor 2 für eine physikalische Größe, einen Temperatursensor 3 und eine Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung 4.
Der Sensor 2 für eine physikalische Größe ist häufig in einem ausgewählten Sensorelementchip konfiguriert, der unterschiedlich zu einem Signalverarbeitungschip ist. Der Sensor 2 für eine physikalische Größe gibt ein Sensorsignal SS entsprechend einer physikalischen Größe aus, beispielsweise Druck, Strom, Magnetismus oder Licht. Wenn beispielsweise Druck erkannt wird, wird eine hintere Oberfläche eines Halbleitersubstrats geätzt, um eine dünne Membran auszubilden, und an einer Vorderfläche des Halbleitersubstrats ist eine Wheatstone'sche Brücke ausgebildet, welche vier Halbleiterdiffusionswiderstände mit piezoresistivem Effekt als Dehnmessmittel hat. Die Membran wird aufgrund einer Druckdifferenz zwischen Vorder- und Rückfläche des Chips ausgelenkt, diese Auslenkung wird von dem Dehnmessmittel erkannt und es wird das Sensorsignal SS eines Differenzialtyps ausgegeben.
Da es Widerstandsschwankungen der Diffusionswiderstände gibt, tritt im Sensorsignal SS ein Offset auf. Da die Diffusionswiderstände auch eine Temperaturcharakteristik haben, hat der Offset ebenfalls eine Temperaturcharakteristik. Da weiterhin der piezoresistive Effekt der Diffusionswiderstände eine Temperaturcharakteristik hat, hat auch die Empfindlichkeit eine Temperaturcharakteristik.
Der Temperatursensor 3 gibt ein Temperatursignal TS vom Differenzialtyp entsprechend einer Temperatur des Sensors 2 für eine physikalische Größe aus. Bei dieser Ausführungsform erkennt der Temperatursensor 3 eine Temperatur in der Nähe des Sensors 2 für eine physikalische Größe. Die Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung 4 führt eine A/D-Umwandlung am Sensorsignal SS durch, wobei die Temperaturcharakteristik im Sensorsignal SS aufgehoben wird, und gibt A/D-gewandelte Daten DT aus. Die Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung 4 ist als ein Signalverarbeitungs-IC ausgelegt, in welchem Verstärkerschaltungen 5, 6, ein erster A/D-Wandler 7, ein zweiter A/D-Wandler 8, eine Steuereinheit 9 und eine Kommunikationsschaltung 10 ausgebildet sind. Die jeweiligen Verstärkerschaltungen 5 und 6 sind dafür vorgesehen, das Sensorsignal SS und das Temperatursignal TS vom Differenzialtyp jeweils in Signale vom Single-end-Typ umzuwandeln. Diese Verstärkerschaltungen 5 und 6 können weggelassen werden, wenn die A/D-Wandler 7 und 8 einen Differenzialeingang haben.
Der erste A/D-Wandler 7 kann Offset und Umwandlungsverstärkung für das Eingangssignal ändern und unterwirft das eingegebene Sensorsignal einer A/D-Umwandlung mit m Bit. Wie in 2 gezeigt, enthält der erste A/D-Wandler 7 einen ersten D/A-Wandler 11, der einen digitalen Wert X1 empfängt, einen zweiten D/A-Wandler 12, der einen digitalen Wert X2 empfängt, und einen A/D-Wandler 13 mit sukzessiver Näherung. Der A/D-Wandler 13 mit sukzessiver Näherung hat einen Offset und eine Umwandlungsverstärkung, welche abhängig von Referenzspannungen VREF1 und VREF2 gesetzt sind, welche von den jeweiligen D/A-Wandlern 11 und 12 ausgegeben werden, und unterwirft das Sensorsignal SS der A/D-Umwandlung.
Der zweite A/D-Wandler 8 unterwirft das Temperatursignal TS vom Temperatursensor 3 einer A/D-Umwandlung. Offset und Umwandlungsverstärkung des zweiten A/D-Wandlers 8 sind konstant gehalten. Bei dieser Ausführungsform sei angenommen, dass die Temperaturcharakteristik der Verstärkerschaltungen 5 und 6 und der A/D-Wandler 7 und 8 ausreichend klein ist. Obgleich nicht gezeigt, enthält jeder der A/D-Wandler 7 und 8 je nach Anforderung eine Sample & Hold-Schaltung. Die Kommunikationsschaltung 10 überträgt die A/D-Umwandlungsdaten DT vom ersten A/D-Wandler 7 an eine elektronische Steuereinheit (ECU) in einem Fahrzeug gemäß beispielsweise einem SENT-Standard (single edge nibble transmission) Die Kommunikationsschaltung 10 kann durch eine serielle Kommunikationsschaltung oder eine Ausgangsschaltung vom parallelen Ausgabetyp ersetzt werden.
Die Steuereinheit 9 enthält einen digitalen Signalprozessor 14 (DSP), eine Steuerschaltung 15, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff 16 (RAM), einen Lesespeicher 17 (ROM), einen lösch- und programmierbaren Lesespeicher 18 (EPROM). Der DSP 14 berechnet Offset und Umwandlungsverstärkung des ersten A/D-Wandlers 7, um die Temperaturcharakteristik des Sensors 2 für eine physikalische Größe in einem Prozess aufzuheben, in welchem der erste A/D-Wandler 7 das Sensorsignal SS der A/D-Umwandlung auf der Grundlage des A/D-Umwandlungswerts unterwirft, der vom zweiten A/D-Wandler 8 ausgegeben wird, sowie der Temperaturcharakteristikdaten des Sensors 2 für eine physikalische Größe, welche vorab bereitgestellt wurden.
Ein vom DSP 14 durchzuführendes Rechenprogramm ist im ROM 17 gespeichert. Der RAM 16 ist ein Speicher zur Durchführung des Rechenprogramms. Die Temperaturcharakteristikdaten des Sensors 2 für eine physikalische Größe sind im EPROM 18 gespeichert. Die Steuerschaltung 15 führt einen Temperaturmessprozess durch, der erlaubt, dass der zweite A/D-Wandler 8 die A/D-Umwandlung des Temperatursignals TS durchführt, einen Rechenprozess, der es dem DSP 14 erlaubt, einen Rechenprozess durchzuführen, einen Signalumwandlungsprozess, der den berechneten Offset und die Umwandlungsverstärkung für den ersten A/D-Wandler 7 setzt und es dem ersten A/D-Wandler 7 ermöglicht, die A/D-Umwandlung des Sensorsignals SS durchzuführen, und einen Kommunikationssteuerprozess, der es der Kommunikationsschaltung 10 erlaubt, die A/D-gewandelten Daten DT auszugeben.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise dieser Ausführungsform anhand der 3 bis 8 beschrieben. Wie in 3 gezeigt, erlaubt die Steuerschaltung 15 es dem zweiten A/D-Wandler 8, dem DSP 14 und dem ersten A/D-Wandler 7, den Temperaturmessprozess, den Rechenprozess und den Signalumwandlungsprozess parallel zueinander durchzuführen. 3 zeigt eine Konfiguration, bei der die jeweiligen Prozesse synchron zu festen Intervallen durchgeführt werden. Bei dieser Konfiguration werden die jeweiligen Prozesse mit einer festen zeitlichen Beziehung zueinander durchgeführt. Wenn die Verarbeitungszeiten der jeweiligen Prozesse zueinander unterschiedlich sind, erfolgt ein Wartevorgang in einem Teil der Prozesse. Damit werden die jeweiligen Prozesse sequenziell ohne Wartezeit durchgeführt, während keine Synchronisation vorliegt, und die Verarbeitung an einer nachfolgenden Stufe, welche das Verarbeitungsergebnis verwendet, kann das letzte Prozess- oder Verarbeitungsergebnis an einer vorherigen Stufe verwenden.
Wenn die Steuerschaltung 15 den zweiten A/D-Wandler 8 zu einer Zeit t1 mit einem Umwandlungsstartbefehl CSC2 versorgt, führt der zweite A/D-Wandler 8 am Temperatursignal TS einen Abtast- und Haltevorgang durch und führt die A/D-Umwandlung durch (Temperaturmessprozess). Nach Abschluss der Umwandlung gibt der zweite A/D-Wandler 8 die erhaltenen Temperaturdaten an den DSP 14 und gibt ein Umwandlungsendsignal CES2 an die Steuerschaltung 15.
Wenn die Steuerschaltung 15 den DSP 14 zu einer Zeit t2 mit einem Rechenstartbefehl OSC versorgt, berechnet der DSP 14 Offset und Umwandlungsverstärkung des ersten A/D-Wandlers 7, welche zur Aufhebung der Temperaturcharakteristik (Offset, Empfindlichkeit) des Sensors 2 für eine physikalische Größe nötig sind (Rechenprozess). Konkret berechnet der DSP 14 die digitalen Werte X1 und X2 entsprechend den Referenzspannungen VREF1 und VREF2, welchen Offset und Umwandlungsverstärkung zugeordnet sind. Nach Abschluss der Berechnung gibt der DSP 14 die erhaltenen digitalen Werte X1 und X2 an den ersten A/D-Wandler 7 und gibt ein Berechnungsendsignal OES an die Steuerschaltung 15 aus.
Wenn die Steuerschaltung 15 den ersten A/D-Wandler 7 zu einer Zeit t3 mit einem Charakteristika-Update-Befehl CUC versorgt, setzt der erste A/D-Wandler 7 die digitalen Werte X1 und X2. Wenn nachfolgend die Steuerschaltung 15 den ersten A/D-Wandler 7 mit einem Umwandlungsstartbefehl CSC1 versorgt, führt der erste A/D-Wandler 7 am Sensorsignal SS einen Abtast- und Haltevorgang durch und führt die A/D-Umwandlung durch (Signalumwandlungsprozess). Bei dem Prozess der A/D-Umwandlung wird die Temperaturcharakteristik des Sensors 2 für eine physikalische Größe aufgehoben. Nach Abschluss der Umwandlung gibt der erste A/D-Wandler 7 die erhaltenen A/D-Umwandlungsdaten DT an die Kommunikationsschaltung 10 und gibt ein Umwandlungsendsignal CES1 an die Steuerschaltung 15. Wenn die Steuerschaltung 15 die Kommunikationsschaltung 10 zu den jeweiligen Zeiten t1, t2, ... mit einem Kommunikationssteuersignal CCS versorgt, überträgt die Kommunikationsschaltung 10 die A/D-Umwandlungsdaten DT, welche die physikalische Größe angeben, an die ECU.
4A zeigt die Umwandlungscharakteristiken des ersten DIA-Wandlers 11 und des zweiten DIA-Wandlers 12, und 4B zeigt die Umwandlungscharakteristiken des A/D-Wandlers 13 mit sukzessiver Näherung. Die DIA-Wandler 11 und 12 empfangen die digitalen Werte X1 und X2 und geben die Referenzspannungen VREF1 und VREF2 aus, wie sie durch die nachfolgenden Gleichungen (1) und (2) dargestellt sind. DAmax ist der maximale Eingangsdatenwert der DIA-Wandler 11 und 12, und Vcc ist die Versorgungsspannung der D/A-Wandler 11 und 12. Referenzspannung VREF1 = (X1/DAmax)·Vcc (1) Referenzspannung VREF2 = (X2/DAmax)·Vcc (2)
Ein Referenzwert, der ein Mittelwert zwischen den Referenzspannungen VREF1 und VREF2 ist, ist durch Gleichung (3) angegeben, und eine Referenzbreite, welche eine Differenz zwischen den Referenzspannungen VREF1 und VREF2 ist, ist durch Gleichung (4) angegeben. Referenzwert = (VREF1 + VREF2)/2 = Vcc/(2·DAmax)·(X1 + X2) (3) Referenzbreite = VREF1 – VREF2 = Vcc/DAmax)·(X1 – X2) (4)
Der A/D-Wandler 13 mit sukzessiver Näherung wandelt eine Eingangsspannung gleich dem Referenzwert in einen Code 0, wandelt die Referenzspannung VREF1 in +ADmax und wandelt die Referenzspannung VREF2 in –Admax. Wenn der A/D-Wandler 13 mit sukzessiver Näherung m Bit hat, ist ADmax 2m/2 – 1. Mit anderen Worten, die A/D-Umwandlungsdaten DT, welche vom A/D-Wandler 13 mit sukzessiver Näherung ausgegeben werden, sind durch Gleichung (5) angegeben, und die Gleichungen (3) und (4) werden in Gleichung (5) eingesetzt, um Gleichung (6) zu erhalten. DT = (Sensorsignal – Referenzwert)/(Referenzbreite/2)·ADmax (5) DT = ADmax/(X1 – X2)·{Sensorsignal·(2·DAmax/Vcc) – (X1 + X2)} (6)
Wenn in diesem Beispiel K1 und K2 durch die Gleichungen (7) und (8) angegeben sind, können die A/D-Umwandlungsdaten DT durch Gleichung (9) angegeben werden. K1 = (2·ADmax·DAmax)/Vcc (7) K2 = Admax (8) DT = K1·Sensorsignal/(X1 – X2) – K2·(X1 + X2)/(X1 – X2) (9)
Mit anderen Worten, der Offset des ersten A/D-Wandlers 7 wird gemäß (X1 + X2)/(X1 – X2) gesetzt und die Umwandlungsverstärkung des ersten A/D-Wandlers 7 wird gemäß 1/(X1 – X2) gesetzt. Der DSP 14 setzt die digitalen Werte X1 und X2 auf der Grundlage der Temperaturcharakteristikdaten und der Messtemperatur des Sensors 2 für eine physikalische Größe, so dass die Temperaturcharakteristik des Sensors 2 für eine physikalische Größe von der Temperaturcharakteristik (Offset und Umwandlungsverstärkung) des ersten A/D-Wandlers 7 aufgehoben wird.
Nachfolgend wird der von dem DSP 14 durchzuführende Rechenprozess beschrieben. In diesem Beispiel sei angenommen, dass eine Ausgangscharakteristik des Sensors 2 für eine physikalische Größe vorab auf einen Wert bei einer Referenztemperatur (von beispielsweise 25°C) eingestellt wird, wobei ein Offset-Korrekturwert Δh und ein Verstärkungskorrekturkoeffizient g berücksichtigt werden. Mit anderen Worten, wenn der Sensor 2 für eine physikalische Größe auf Referenztemperatur ist, wird angenommen, dass die A/D-Umwandlungsdaten DT, die vom ersten A/D-Wandler 7 ausgegeben werden, durch Gleichung (10) dargestellt werden, wobei ein Referenz-Offset (in diesem Beispiel 0) und eine Referenzumwandlungsverstärkung (in diesem Beispiel 1) im ersten A/D-Wandler 7 verwendet werden. Das Symbol p bezeichnet eine physikalische Größe, beispielsweise einen Druck. Die Symbole hr und sr sind Offset und Empfindlichkeit des Sensors 2 für eine physikalische Größe, wenn der Sensor 2 für eine physikalische Größe auf Referenztemperatur ist. DT = hr + sr·p (10)
Der Sensor 2 für eine physikalische Größe hat üblicherweise eine Temperaturcharakteristik oder Temperaturabhängigkeit. Wenn der Sensor 2 für eine physikalische Größe bei t °C ist, werden die A/D-Umwandlungsdaten DT, die vom ersten A/D-Wandler 7 ausgegeben werden, durch Gleichung (11) dargestellt. Wie oben beschrieben, wird angenommen, dass die Temperaturcharakteristika des ersten A/D-Wandlers 7 per se und der Verstärkerschaltung 5 per se ignoriert werden können. Die Symbole h und s stellen Offset und Empfindlichkeit des Sensors 2 für eine physikalische Größe dar, wenn der Sensor 2 für eine physikalische Größe auf t °C ist. DT = h + s·p (11)
Wenn Offset h und Empfindlichkeit s durch Polynome dritter Ordnung angenähert werden, werden Offset h und Empfindlichkeit s durch die Gleichungen (12) bzw. (13) dargestellt. Die Symbole h1 und s1 sind primäre Koeffizienten, h2 und s2 sind sekundäre Koeffizienten, und h3 und s3 sind Koeffizienten dritter Ordnung. h = hr·{1 + h1·(t – 25) + h2·(t – 25)² + h3·(t – 25)³} (12) s = sr·{1 + s1·(t – 25) + s2·(t – 25)² + s3·(t – 25)³} (13)
Unter Verwendung des A/D-Umwandlungswerts vom Temperatursignal kann der Offset h in Gleichung (12) durch Gleichung (14) dargestellt werden. Das Symbol T ist der A/D-Umwandlungswert des Temperatursignals TS bei t °C, und Tr ist der A/D-Umwandlungswert des Temperatursignals TS bei der Referenztemperatur. Hr, H1, H2 und H3, welche in diesem Beispiel verwendet werden, sind Temperaturkoeffizienten (Temperaturcharakteristikdaten), welche dem Offset des Sensors 2 für eine physikalische Größe zugehörig sind. h = Hr·{1 + H1·(T – Tr) + H2·(T – Tr)² + H3·(T – Tr)³} (14)
5 zeigt eine Beziehung zwischen einer physikalischen Größe p und den A/D-Umwandlungsdaten DT. Die A/D-Umwandlungsdaten DT werden, wenn die physikalische Größe p null ist, ein Wert, der erhalten wird durch Addition des Offset des Sensors 2 für eine physikalische Größe zu dem Offset (0 gemäß obiger Beschreibung) des ersten A/D-Wandlers 7. Eine Steigung der Grafik wird ein Wert, erhalten durch Multiplikation der Empfindlichkeit des Sensors 2 für eine physikalische Größe mit der Umwandlungsverstärkung (1 gemäß obiger Beschreibung) des ersten A/D-Wandlers 7.
Um die Temperaturcharakteristik aufzuheben, welche dem Offset des Sensors 2 für eine physikalische Größe zugehörig ist, kann der Offset der Umwandlungscharakteristiken des ersten A/D-Wandlers 7 geändert werden. Mit anderen Worten, der Offset-Korrekturwert Δh gemäß Gleichung (15) wird zu dem Referenz-Offset hinzuaddiert, der im ersten A/D-Wandler 7 vorliegt, so dass der Offset h, der durch Gleichung (14) dargestellt ist, zum Offset hr wird. Δh = –Hr·{H1·(T – Tr) + H2·(T – Tr)² + H3·(T – Tr)³} (15)
6 zeigt eine Beziehung zwischen dem A/D-Umwandlungswert und dem Offset des Temperatursignals. Eine durchgezogene Linie zeigt den Gesamt-Offset des Sensors 2 für eine physikalische Größe und des ersten A/D-Wandlers 7. Der Offset hr, der durch eine Strichpunktlinie dargestellt ist, stellt den Gesamt-Offset des Sensors 2 für eine physikalische Größe und des ersten A/D-Wandlers 7 dar, wenn sich der Sensor 2 für eine physikalische Größe auf Referenztemperatur befindet. In diesem Beispiel ist gemäß obiger Beschreibung der Offset des ersten A/D-Wandlers 7 auf 0 gesetzt. Werte, die durch eine Spiegelung des Gesamt-Offset (durchgezogene Linie) an der Strichpunktlinie erhalten werden, sind durch eine Zweipunkt-Strich-Linie dargestellt. Der Offset-Korrekturwert Δh (= hr – h), der durch Gleichung (15) ausgedrückt ist, wird gleich einer Differenz (negativ in diesem Fall) zwischen der Strichpunktlinie und der Zweipunkt-Strich-Linie.
Andererseits kann unter Verwendung des A/D-Umwandlungswerts vom Temperatursignal die durch Gleichung (13) ausgedrückte Empfindlichkeit s durch Gleichung (16) dargestellt werden. Sr, S1, S2 und S3, die in diesem Beispiel verwendet werden, sind Temperaturkoeffizienten (Temperaturcharakteristikdaten), welche der Empfindlichkeit des Sensors 2 für eine physikalische Größe zugeordnet sind. s = Sr·{1 + S1·(T – Tr) + S2·(T – Tr)² + S3·(T – Tr)³} (16)
Weiterhin wird der Empfindlichkeitskoeffizient Cs durch Gleichung (17) definiert. Cs = s/sr = 1 + S1·(T – Tr) + S2·(T – Tr)² + S3·(T – Tr)³} (17)
Um die Temperaturcharakteristik aufzuheben, welche der Empfindlichkeit des Sensors 2 für eine physikalische Größe zugeordnet ist, kann die Umwandlungsverstärkung der Umwandlungscharakteristik des ersten A/D-Wandlers 7 geändert werden. Mit anderen Worten, die Referenzumwandlungsverstärkung, die im ersten A/D-Wandler 7 geliefert wird, wird mit dem Verstärkungskorrekturkoeffizienten g gemäß Gleichung (18) multipliziert, so dass die Empfindlichkeit s gemäß Gleichung (16) die Empfindlichkeit sr wird. 7 zeigt eine Beziehung zwischen dem A/D-Umwandlungswert vom Temperatursignal und dem Empfindlichkeitskoeffizienten Cs und dem Verstärkungskorrekturkoeffizienten g. g = 1/Cs = 1/{1 + S1·[T – Tr) + S2·(T – Tr)² + S3·(T – Tr)³} = {1 + S1·(T – Tr) + S2·(T – Tr)² + S3·(T – Tr)³} – 1 (18)
Allgemein benötigt eine Division im Vergleich zu einer Multiplikation mehr Rechenzeit. Da jedoch die Division in Gleichung (18) enthalten ist, wird die Gleichung zu einem Format geändert, welches keine Division enthält, indem eine Erweiterung (1 + x) – 1 ≈ 1 – x + x2 – x3 + ... verwendet wird, wenn 1 > |x| gilt, und die Rechengeschwindigkeit lässt sich erhöhen. Wenn beispielsweise 1 >> |x| gilt, kann Gleichung (18) durch Gleichung (19) angenähert werden, indem nur ein Term erster Ordnung von x verwendet wird. g ≈ 1 – {S1·(T – Tr) + S2·(T – Tr)² + S3·(T – Tr)³} (19)
Wenn weiterhin die Terme zweiter und dritter Ordnung von x mit berücksichtigt werden, kann, wenn die jeweiligen Koeffizienten bis zur dritten Ordnung hin betrachtet werden, der obige Ausdruck als Gleichung (20) angenähert werden. g ≈ 1 – {S1'·(T – Tr) + S2'·(T – Tr)² + S3'·(T – Tr)³} (20)
In diesem Fall erfüllen die jeweiligen Koeffizienten von Gleichung (20) die folgenden Beziehungen. S1' = S1 S2' = S2 + S12 S3' = S3 + 2·S1·S2 + S1³
Der DSP 14 addiert den Offset-Korrekturwert Δh zu dem Referenz-Offset des ersten A/D-Wandlers 7, um den Offset zu erhalten, und multipliziert die Referenzumwandlungsverstärkung des ersten A/D-Wandlers 7 mit dem Verstärkungskorrekturkoeffizienten g, um die Umwandlungsverstärkung zu erhalten. Danach bestimmt der DSP 14 die digitalen Werte X1 und X2 auf der Grundlage von Gleichung (9), um diese Umwandlungscharakteristiken zu erhalten.
Gemäß der oben beschrieben Ausführungsform kann, da die Umwandlungscharakteristik des ersten A/D-Wandlers 7 so gesetzt wird, dass die Temperaturcharakteristik des Sensors 2 für eine physikalische Größe aufgehoben wird, die Temperaturcharakteristik des Sensors 2 für eine physikalische Größe zur gleichen Zeit wie der Prozess der Durchführung der A/D-Umwandlung des Sensorsignals SS aufgehoben werden. Im Ergebnis kann eine Zeit von Sample & Hold (Zeiten t1, t2, t3, ...) des Sensorsignals SS bis zur Ausgabe der A/D-Umwandlungsdaten DT, in welchen die Temperaturcharakteristik aufgehoben wird (Zeiten t2, t3, t4, ...), verringert werden. Dies deshalb, da die fragliche Zeit keine Ausführzeit für einen Rechenprozess enthält.
Im Gegensatz hierzu wird bei einer herkömmlichen Konfiguration, welche sequenziell die A/D-Umwandlung des Temperatursignals TS, die A/D-Umwandlung des Sensorsignals SS und die Korrekturberechnung durchführt, ein Prozessablauf gemäß 8 erhalten. Eine Zeit ausgehend von einer Zeit t12, zu der das Sensorsignal abgetastet und gehalten wird, bis die A/D-Umwandlungsdaten DT mittels der Korrekturberechnung erhalten werden, wird länger, da die Zeit enthalten ist, welche für die Korrekturberechnung nötig ist. Selbst wenn die obige Konfiguration zu einer Konfiguration geändert wird, in welcher das Temperatursignal TS und das Sensorsignal SS parallel einer A/D-Umwandlung unterworfen werden, wird die obige Verzögerungszeit nicht verringert. Bei der Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung 4 gemäß dieser Ausführungsform ist eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung einer Steuervorrichtung, welche mit dem Sensorsignal SS als Eingangssignal arbeitet, beispielsweise einer ECU eines Fahrzeugs, ermöglicht.
<Zweite Ausführungsform>
Anhand von 9 wird nachfolgend eine zweite Ausführungsform beschrieben. Ein A/D-Wandler 21 vom zeitlichen A/D-Typ kann einen Offset und eine Umwandlungsverstärkung ändern und kann anstelle des ersten A/D-Wandlers 7 gemäß obiger Beschreibung verwendet werden. Der erste A/D-Wandler 21 wandelt eine analoge Eingangsspannung Vin, welche ein Sensorsignal eines Sensors 2 für eine physikalische Größe ist, in einen digitalen Wert entsprechend einer Differenz zwischen der analogen Eingangsspannung Vin und einer Referenzspannung xref (= Vcc/2) und gibt den digitalen Wert als A/D-Umwandlungsdaten DT aus.
Der erste A/D-Wandler 21 enthält eine erste Pulsumlaufschaltung 22, eine zweite Pulsumlaufschaltung 23, eine dritte Pulsumlaufschaltung 24 und eine vierte Pulsumlaufschaltung 25. Jede dieser Pulsumlaufschaltungen 22 bis 25 enthält eine Mehrzahl und die gleiche Anzahl von Inverterschaltungen Na, Nb, ..., Nx (Verzögerungseinheiten), die in Ringform verbunden sind. Die Inverterschaltungen geben ein Eingangssignal aus, welches um eine Verzögerungszeit verzögert worden ist, welche abhängig von einer Versorgungsspannung bestimmt ist. Die Inverterschaltungen Na bis Nx der Pulsumlaufschaltungen 22 bis 25 sind in thermischer Verbindung miteinander.
Die erste Pulsumlaufschaltung 22 und die zweite Pulsumlaufschaltung 23 arbeiten als ein Paar, und die dritte Pulsumlaufschaltung 24 und die vierte Pulsumlaufschaltung 25 arbeiten als ein Paar. Die Inverterschaltungen Na bis Nx der ersten Pulsumlaufschaltung 22 empfangen die Versorgung einer Versorgungsspannung (Vcc – Vin) von einer bestimmten Spannungsleitung 26 mit einer bestimmten Spannung Vcc (beispielsweise 5 V) und einer Signaleingangsleitung 27, welche die analoge Eingangsspannung Vin erhält. Die Versorgungsspannung ist gleich einer Spannung (2·xref – Vin), erhalten durch Addition einer positiven und negativen Inversionsspannung einer Differenzspannung, die erhalten wird durch Subtraktion einer Referenzspannung xref von der analogen Eingangsspannung Vin, zu der Referenzspannung xref. Die Inverterschaltungen Na bis Nx der zweiten Pulsumlaufschaltung 23 empfangen die Versorgung der analogen Eingangsspannung Vin von der Signaleingangsleitung 27 und einer Masseleitung 28.
Die Inverterschaltungen Na bis Nx der dritten Pulsumlaufschaltung 24 empfangen die Versorgung einer Versorgungsspannung (Vcc – Vset) von der festgelegten Spannungsleitung 26 und einer Setzspannungsleitung 29, welche eine Setzspannung Vset empfängt. Die Versorgungsspannung ist gleich einer Spannung (2·xref – Vset), erhalten durch Addition einer positiven und negativen Inversionsspannung einer Differenzspannung, die erhalten wird durch Subtraktion der Referenzspannung xref von der Setzspannung Vset, zu der Referenzspannung xref. Die Inverterschaltungen Na bis Nx der vierten Pulsumlaufschaltung 25 empfangen die Versorgung der Setzspannung Vset von der Setzspannungsleitung 29 und der Masseleitung 28.
Ein Schaltungsabschnitt des ersten A/D-Wandlers 21 mit Ausnahme der Pulsumlaufschaltungen 22 bis 25 arbeitet bei Empfang der Versorgung der festgelegten Spannung Vcc von der festgelegten Spannungsleitung 26 und der Masseleitung 28. Eingangspegelschieberschaltungen 30 liegen stromaufwärts der jeweiligen Pulsumlaufschaltungen 22 und 24, und Eingangspegelschieberschaltungen 31 liegen stromaufwärts der Pulsumlaufschaltungen 23 und 25. Ausgangspegelschieberschaltungen 32 liegen stromabwärts der jeweiligen Pulsumlaufschaltungen 22 und 24, und Ausgangspegelschieberschaltungen 33 liegen stromabwärts der jeweiligen Pulsumlaufschaltungen 23 und 25.
Latches und Encoder 34 und 35 liegen als erste und zweite Umlaufpositionserkennungsschaltungen in der ersten Pulsumlaufschaltung 22 und der zweiten Pulsumlaufschaltung 23 zum Zweck der Erkennung von Pulspositionen in den Pulsumlaufschaltungen zum Zeitpunkt der Ausgabe der Prozesssignale Sa. Ausgangspegelschieberschaltungen 36 und 37 liegen zwischen der ersten Pulsumlaufschaltung 22 und dem Latch und Encoder 34 und zwischen der zweiten Pulsumlaufschaltung 23 und dem Latch und Encoder 35.
Bei Empfang des Prozesssignals Sa mit dem Pegel H empfängt der Latch und Encoder 34 Ausgangssignale der Inverterschaltungen Na bis Nx der ersten Pulsumlaufschaltung 22 parallel. Der Latch und Encoder 34 erkennt (codiert) die Umlaufposition des Pulssignals in der ersten Pulsumlaufschaltung 22 auf der Grundlage dieser Ausgangssignale und gibt Erkennungssignale mit einer bestimmten Bitbreite (beispielsweise 4 Bit) aus. Der Latch und Encoder 35 ist auf gleiche Weise konfiguriert. Ein Subtrahierer 38 subtrahiert Positionsdaten, welche vom Latch und Encoder 34 ausgegeben werden, von Positionsdaten, welche vom Latch und Encoder 35 ausgegeben werden, und setzt einen Subtraktionswert zum Zeitpunkt des Empfangs des Prozesssignals Sa als beispielsweise die vier unteren Bit der A/D-Umwandlungsdaten DT.
Eine Schaltung mit der ersten Pulsumlaufschaltung 22, dem Latch und Encoder 34 und den Pegelschieberschaltungen 30, 32, 36 kann „System A” genannt werden. Eine Schaltung mit der zweiten Pulsumlaufschaltung 23, dem Latch und Encoder 35 und den Pegelschieberschaltungen 31, 33, 37 kann „System B” genannt werden. Eine Schaltung mit der dritten Pulsumlaufschaltung 24 und den Pegelschieberschaltungen 30, 32 kann „System C” genannt werden. Eine Schaltung mit der vierten Pulsumlaufschaltung 25 und den Pegelschieberschaltungen 31, 33 kann „System D” genannt werden.
Ein erster Zähler 39 ist ein Aufwärts/Abwärts-Zähler, der die Anzahl von Umläufen von Pulssignalen in der ersten Pulsumlaufschaltung 22 und die Anzahl von Umläufen von Pulssignalen in der zweiten Pulsumlaufschaltung 23 zählt und einen Differenzwert dazwischen ausgibt (beispielsweise 14 Bit). Ein Ausgangssignal der zweiten Pulsumlaufschaltung 23 wird einem Hochzähleingangsanschluss des ersten Zählers 39 eingegeben und ein Ausgangssignal der ersten Pulsumlaufschaltung 22 wird einem Herunterzähleingangsanschluss hiervon eingegeben.
Ein Charakteristik-Update-Befehl wird einem Preset-Anschluss und einem Stopp-Cancel-Anschluss eingegeben, und das Prozesssignal Sa wird einem Stoppanschluss eingegeben. Ein Preset-Wert des ersten Zählers 39 erhält einen Wert entsprechend dem Offset des A/D-Wandlers 21. Ein Ausgangswert des ersten Zählers 39 zum Zeitpunkt des Empfangs des Prozesssignals Sa wird beispielsweise als die höheren 14 Bit der A/D-Umwandlungsdaten gesetzt.
Ein zweiter Zähler 40 ist ein Aufwärts/Abwärts-Zähler, der die Anzahl von Umläufen von Pulssignalen in der dritten Pulsumlaufschaltung 24 und die Anzahl von Umläufen der Pulssignale in der vierten Pulsumlaufschaltung 25 zählt und einen Differenzwert dazwischen ausgibt (beispielsweise 14 Bit). Ein Ausgangssignal der vierten Pulsumlaufschaltung 25 wird einem Hochzähleingangsanschluss des zweiten Zählers 40 eingegeben und ein Ausgangssignal der dritten Pulsumlaufschaltung 24 wird einem Herunterzähleingangsanschluss hiervon eingegeben.
Ein Charakteristik-Update-Befehl CUC wird einem Preset-Anschluss und einem Stopp-Cancel-Anschluss eingegeben, und das Prozesssignal Sa wird einem Stoppanschluss eingegeben. Wenn der Charakteristik-Update-Befehl CUC dem Preset-Anschluss eingegeben wird, wird ein Wert (bestimmter Wert Y) entsprechend der Umwandlungsverstärkung des ersten A/D-Wandlers 21 als Preset-Daten gesetzt.
Ein Komparator 41 zur Bestimmung, dass alle Bits eines Ausgangswerts vom zweiten Zähler 40 Null werden, wird in einer nachfolgenden Stufe des zweiten Zählers 40 angeordnet. Der zweite Zähler 40 gibt ein Bestimmungsabschlusssignal mit dem Pegel H an den Komparator 41 bei Bestimmung des Zählwerts aus, so dass der Komparator 41 einen Vergleich durchführen kann, nachdem der Ausgangswert des zweiten Zählers 40 bestimmt worden ist. Bei Empfang eines Vergleichsabschlusssignals mit dem Pegel H vom Komparator 41 setzt der zweite Zähler 40 das Bestimmungsabschlusssignal auf einen Pegel L zurück.
Wenn ein Vergleichsergebnissignal mit dem Pegel H, das anzeigt, dass alle Bits Null sind, vom Komparator 41 ausgegeben wird, wird ein RS-Flipflop 42 gesetzt und das Prozesssignal Sa mit dem Pegel H wird von einem Anschluss Q des RS-Flipflops 42 ausgegeben. Das Prozesssignal Sa wird ein Umwandlungsendsignal über ein Verzögerungselement, das aus einem Inverter 43 gebildet ist. Der Q/Ausgang vom RS-Flipflop 42 wird einem UND-Gatter 44 eingegeben.
Ein Umwandlungsstartbefehl CSC1 wird den Eingangspegelschieberschaltungen 30 und 31 über das UND-Gatter 44 zugeführt. Da der Q/Ausgang vom RS-Flipflop 42 zum Zeitpunkt des Abschlusses der Umwandlung den Pegel L annimmt und der Ausgang vom UND-Gatter 44 ebenfalls den Pegel L annimmt, stoppt der Umlauf des Pulssignals. Um die A/D-Umwandlung zu beginnen, nachdem der Charakteristik-Update-Befehl CUC vorübergehend auf den Pegel H gesetzt worden ist, kann sich der Umwandlungsstartbefehl CSC1 vom Pegel L zum Pegel H ändern. Der Subtrahierer 38, der Komparator 41, das RS-Flipflop 42 und das UND-Gatter 44 bilden eine Umwandlungssteuerschaltung 45.
Wenn die Steuerschaltung 15 gemäß 1 den Charakteristik-Update-Befehl CUC an den ersten A/D-Wandler 21 liefert, wird ein Offset-Entsprechungswert OCV im ersten Zähler 39 vorab gesetzt und ein bestimmter Wert Y im zweiten Zähler 40 vorab gesetzt. Der bestimmte Wert Y ist ein Wert zur Bestimmung der Umwandlungsverstärkung, wie später beschrieben wird. Wenn die Setzspannung Vset höher als die Spannung Vcc/2 ist, da der Zählwert des zweiten Zählers 40 zunimmt, wird ein Komplement 2 des bestimmten Werts Y im zweiten Zähler 40 festgesetzt. Wenn die Setzspannung Vset niedriger als die Spannung Vcc/2 ist, da der Zählwert des zweiten Zählers 40 abnimmt, wird der bestimmte Wert Y im zweiten Zähler 40 vorab gesetzt.
Wenn die Steuerschaltung 15 den Umwandlungsstartbefehl CSC1 an den ersten A/D-Wandler 21 liefert, beginnen die ersten bis vierten Pulsumlaufschaltungen 22 bis 25 gleichzeitig mit dem Pulsumlaufvorgang. Wenn der zweite Zähler 40 den bestimmten Wert Y zählt und der Zählwert in allen Bits 0 wird, wird das RS-Flipflop 42 gesetzt und das Prozesssignal Sa erhält den Pegel H. Der erste A/D-Wandler 21 gibt den Ausgangswert (die höheren 14 Bit) des ersten Zählers 39 zu dieser Zeit und den Differenzwert (untere 4 Bit), der von den Latches und Encodern 34 und 35 ausgegeben wird, als A/D-Umwandlungsdaten DT der analogen Eingangsspannung Vin (Sensorsignal) aus. Der erste A/D-Wandler 21 gibt das Umwandlungsendsignal CES1 an die Steuerschaltung 15 aus. Während des Signalumwandlungsprozesses werden die Temperaturcharakteristika des Sensors 2 für eine physikalische Größe aufgehoben.
Nachfolgend werden die Umwandlungscharakteristiken des A/D-Wandlers 21 beschrieben. Eine Versorgungsspannung x (= Setzspannung Vset) wird der Pulsumlaufschaltung 25 des Systems D zugeführt und eine Versorgungsspannung x' (= Vcc – Vset) wird der Pulsumlaufschaltung 24 des Systems C zugeführt. Im Ergebnis sind die Gleichungen (21) und (22) stets für die Referenzspannung xref erfüllt. Δx ist eine Differenzspannung zwischen der Setzspannung Vset und der Referenzspannung xref in den Systemen C und D. Die Referenzspannung xref hat einen Spannungswert, der 1/2-mal größer als die bestimmte Spannung Vcc ist, und die Versorgungsspannung x (= Setzspannung Vset) wird so gesetzt, dass sie unterschiedlich zur Referenzspannung xref ist. x = xref + Δx (21) x = xref – Δx (22)
Charakteristika der Pulsumlaufschaltungen der Systeme A bis D können durch eine quadratische Funktion angenähert werden und werden durch die Gleichungen (23) und (24) gesetzt, um die Referenzspannung xref herum zentriert Die Symbole y und y' zeigen die Anzahl von Umläufen pro Zeiteinheit, wenn die Versorgungsspannungen x und x' an die Pulsumlaufschaltungen 25 und 24 der Systeme D und C angelegt werden. Das Symbol yref ist die Anzahl von Umläufen pro Zeiteinheit, wenn die Referenzspannung xref hieran angelegt wird, wenn sich der A/D-Wandler 21 auf Referenztemperatur befindet (beispielsweise 25°C). Y = A·(Δx)2 + B·(Δx) + yref (23) Y' = A·(–Δx)2 + B·(–Δx) + yref (24)
Der Koeffizient A ist der sekundäre Koeffizient für Δx und der Koeffizient B ist der primäre Koeffizient für Δx, welche die Temperaturcharakteristik haben. Die nachfolgende Gleichung (25) wird von den Gleichungen (23) und (24) gebildet. y – y' = 2·B·Δx (25)
Es zeigt sich, dass eine Differenz in der Anzahl von Umläufen y – y' pro Zeiteinheit zwischen den Systemen D und C keinen Term für den sekundären Koeffizienten A hat, der eine nichtlineare Komponente bezüglich einer Spannungsänderung Δx ist, und eine ausgezeichnete Linearität ist sichergestellt. Da die Pulsumlaufschaltung 22 des Systems A und die Pulsumlaufschaltung 23 des Systems B die gleichen Konfigurationen wie die Systeme C und D haben, hat die Linearität der A/D-Umwandlungsdaten eine ausgezeichnete Ähnlichkeit.
Eine Zeit TAD (A/D-Umwandlungszeit), zu der die Differenz in der Anzahl von Umläufen der Pulsumlaufschaltungen 24 und 25 von zwei Systemen, welche die Systeme C und D haben, zu Y wird, ist durch Gleichung (26) dargestellt. TAD = Y/(y – y') = Y/(2·B·Δx) (26)
Auf ähnliche Weise wird in den Systemen A und B, wenn die Versorgungsspannung der Pulsumlaufschaltung 23 im System B um ΔxAB ansteigt und die Versorgungsspannung der Pulsumlaufschaltung 22 im System A um ΔxAB abnimmt, eine Spannung, wenn die Versorgungsspannungen in den Pulsumlaufschaltungen der Systeme A und B gleich werden, zu xref. Daher ist die Gleichung (25) wie bei den Systemen C und D erfüllt, mit der Ausnahme, dass die Setzspannung Vset durch die analoge Eingangsspannung Vin ersetzt ist. Es sei angenommen, dass die Setzspannung Vset und die analoge Eingangsspannung Vin innerhalb eines Spannungsbereichs gelegt sind, wo die Charakteristika der Pulsumlaufschaltungen 22 bis 25 durch eine quadratische Funktion angenähert werden können.
Wenn die Pulsumlaufschaltungen 22 bis 25 in den Systemen A bis D gleichzeitig mit dem Pulsumlaufvorgang beginnen, wird eine Differenz in der Anzahl von Umläufen YAB zwischen den Pulsumlaufschaltungen 22 und 23 der beiden Systeme mit den Systemen A und B während des Verstreichens der Zeit TAD durch Gleichung (27) ausgedrückt. ΔxAB ist eine Differenzspannung Vin – xref zwischen der analogen Eingangsspannung Vin und der Referenzspannung xref in den Systemen A und B YAB = 2·B·ΔxAB·TAD = (ΔxAB/Δx)XY (27)
Die Differenz in der Anzahl von Umläufen YAB per se wird zu den A/D-Umwandungsdaten der analogen Eingangsspannung Vin, gesehen von der Referenzspannung xref (= Vcc/2) her. Wie sich aus Gleichung (27) ergibt, kann Δx nicht auf 0 gesetzt werden (x = xref). Gleichung (27) ist ein mathematischer Ausdruck ohne Koeffizienten A und B mit der Temperaturcharakteristik und zeigt, dass die erhaltenen A/D-Umwandlungsdaten YAB keine Temperaturcharakteristik des ersten A/D-Wandlers 21 per se haben.
ΔxAB kann sowohl positiv als auch negativ abhängig von der analogen Eingangsspannung Vin erhalten werden. Wenn die analoge Eingangsspannung Vin gleich der Referenzspannung xref ist, ist für die A/D-Umwandlungsdaten YAB = 0 erfüllt, da ΔxAB = 0. Wenn die analoge Eingangsspannung Vin gleich der Setzspannung Vset ist, ist YAB = Y für die A/D-Umwandlungsdaten erfüllt, da ΔxAB = Δx. Wenn die analoge Eingangsspannung Vin gleich –Vset ist, ist YAB = –Y für die A/D-Umwandlungsdaten erfüllt, da ΔxAB = –Δx. Da auf diese Weise die Spannung Δx (= Vset – xref) in den festgelegten Wert Y umgewandelt wird, bestimmt der festgelegte Wert Y einen Code für die Eingangsbreite Δx über den vollen Maßstab, d. h. die Umwandlungsverstärkung.
Der erste A/D-Wandler 21 gemäß obiger Beschreibung hat eine ausgezeichnete Linearität und behält die ausgezeichnete Linearität ungeachtet einer starken Temperaturänderung bei und hat eine hohe Umwandlungspräzision in einem Spannungsbereich, wo die Charakteristika der Pulsumlaufschaltungen 22 bis 25 zumindest bei der Referenzspannung xref ± Δx (xref = Vcc/2, Δx = Vset – xref) durch eine quadratische Funktion angenähert werden können. Daher wird der erste A/D-Wandler 21 vom ersten A/D-Wandler 7 ersetzt, wodurch man in der Lage ist, eine Sensorvorrichtung mit hoher Präzision zu konfigurieren. Die Latches und Encoder 34 und 35 können bei Bedarf vorgesehen werden.
<Dritte Ausführungsform>
Nachfolgend wird anhand der 10 und 11 eine dritte Ausführungsform beschrieben. Eine Sensorvorrichtung 51 gemäß 10 enthält einen Sensor 52, in welchem eine Sensor für eine physikalische Größe und ein Temperatursensor zusammengefasst sind, und eine Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung 4 gemäß der ersten Ausführungsform. Wie in 11 gezeigt, enthält der Sensor 52 zur Erkennung eines Drucks eine Brückenschaltung 53 mit vier Halbleiterdiffusionswiderständen (Dehnmesswiderständen Ra bis Rd, welche Erfassungswiderstände sind), die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, und einen Temperaturerkennungswiderstand 54.
Die Brückenschaltung 53 hat ein Paar von Treiberanschlüssen 53a, 53b und ein Paar von Signalausgangsanschlüssen 53c, 53d. Da der Temperaturerkennungswiderstand 54 aus einem Widerstand eines Typs unterschiedlich zu demjenigen der Dehnmesswiderstände Ra bis Rd gebildet ist, hat der Temperaturerkennungswiderstand 54 einen Temperaturkoeffizienten unterschiedlich zu demjenigen der Brückenschaltung 53 und kann ein Temperatursignal erzeugen. Die Brückenschaltung 53 und der Temperaturerkennungswiderstand 54 sind in Serie zwischen Versorgungsleitungen geschaltet, um eine Halbbrücke zu bilden. Bei Verwendung des Sensors 52 besteht keine Notwendigkeit, den Temperatursensor zusätzlich zu dem Sensor für eine physikalische Größe bereitzustellen.
<Andere Ausführungsformen>
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden oben beschrieben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die obigen jeweiligen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann auf verschiedene Arten modifiziert und erweitert werden, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen.
Die oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen können gleichermaßen bei einem Sensor für eine physikalische Größe zur Erkennung einer physikalischen Größe, beispielsweise Strom, Magnetismus oder Licht anders als Druck, angewendet werden. Wenn der Sensor für eine physikalische Größe ein Stromsensor eines Shunt-Widerstandssystems ist, tritt, da ein einzelner Widerstand als Sensorelement verwendet wird, kein Offset aufgrund der Kombination einer Mehrzahl von Sensorelementen auf. Jedoch hat der Stromsensor die Temperaturcharakteristik der Empfindlichkeit aufgrund einer Temperaturcharakteristik des Shunt-Widerstands.
Wenn der Sensor für eine physikalische Größe ein Stromsensor mit einer Wheatstone'schen Brücke ist, welche vier Giant-magneto-resistive-effect-Elemente (GMR) verwendet, tritt Offset auf, da die Widerstandswerte der jeweiligen Elemente und Verbindungswiderstände zwischen den Elementen und den Leitungen schwanken. Da diese Widerstände eine Temperaturcharakteristik haben, hat auch der Offset eine Temperaturcharakteristik. Weiterhin hat auch die Empfindlichkeit eine Temperaturcharakteristik.
Wenn der Sensor für eine physikalische Größe ein Magnetsensor eines Hall-Elementsystems ist, wird auf äquivalente Weise eine Wheatstone'sche Brücke innerhalb des Magnetsensors konfiguriert und Offset tritt auf. Der Offset hat die Temperaturcharakteristik. Da die Hall-Spannung ebenfalls eine Temperaturcharakteristik hat, hat auch die Empfindlichkeit die Temperaturcharakteristik.
Wenn der Sensor für eine physikalische Größe ein optischer Sensor eines Fotodiodensystems ist, integriert eine Integrierschaltung mit einem Kondensator und einem Operationsverstärker einen in einer Fotodiode fließenden Strom. Aus diesem Grund erscheint der Offset des Operationsverstärkers als Offset des optischen Sensors.
Der erste A/D-Wandler ist nicht auf den Typ der sukzessiven Näherung wie in der ersten Ausführungsform oder auf das zeitliche A/D-System wie in der zweiten Ausführungsform beschränkt, wenn Offset und Umwandlungsverstärkung für das Eingangssignal geändert werden können. Jeglicher Typ eines zweiten A/D-Wandlers ist anwendbar.
Es ist wünschenswert, wenn der Temperatursensor 3 nahe dem Sensor 2 für eine physikalische Größe angeordnet und thermisch mit dem Sensor 2 für die physikalische Größe verbunden ist. Selbst wenn jedoch diese beiden Sensoren entfernt voneinander sind, kann die Temperaturcharakteristik aufgehoben werden, wenn die Temperaturen dieser Sensoren eine Korrelationsbeziehung haben.
In den obigen Ausführungsformen wurde aus Gründen der Einfachheit der Beschreibung die Temperaturcharakteristik des ersten A/D-Wandlers 7 und der Verstärkerschaltung 5 auf ausreichend klein gesetzt. Wenn jedoch wenigstens entweder der erste A/D-Wandler 7 oder die Verstärkerschaltung 5 eine nicht ignorierbare Temperaturcharakteristik hat und die Temperatur des ersten A/D-Wandlers 7 und die Temperatur der Verstärkerschaltung 5 und die Temperatur des Sensors 2 für eine physikalische Größe eine Korrelationsbeziehung haben, können die Temperaturcharakteristik des Sensors 2 für eine physikalische Größe und die Temperaturcharakteristik des ersten A/D-Wandlers 7 und die Temperaturcharakteristik der Verstärkerschaltung 5 zusammen aufgehoben werden. In diesem Fall kann ein Wert, erhalten durch Addition des Offset des Sensors 2 für die physikalische Größe, des Offset des ersten A/D-Wandlers 7 und des Offset der Verstärkerschaltung 5 als Offset h gesetzt werden, der durch Gleichung (12) ausgedrückt ist. Ein Wert, der erhalten wird durch Multiplikation der Empfindlichkeit des Sensors 2 für die physikalische Größe mit der Umwandlungsverstärkung des ersten A/D-Wandlers 7 und der Verstärkung der Verstärkerschaltung 5, kann als die Empfindlichkeit s gesetzt werden, die in Gleichung (13) ausgedrückt ist.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen werden der Signalumwandlungsprozess, der Temperaturmessprozess und der Rechenprozess parallel durchgeführt. Jedoch kann der Signalumwandlungsprozess parallel mit wenigstens entweder dem Temperaturmessprozess oder dem Rechenprozess durchgeführt werden. Auch in diesem Fall wird die Zeit von Sample & Hold des Sensorsignals bis zur Ausgabe der A/D-Umwandlungsdaten DT, in welchen die Temperaturcharakteristik aufgehoben ist, verkürzt.

Claims

Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung (4), welche ein Sensorsignal, das von einem Sensor (2, 52) für eine physikalische Größe ausgegeben wird, einer A/D-Umwandlung unterwirft und ein umgewandeltes Signal ausgibt, wobei die Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung (4) aufweist: einen ersten A/D-Wandler (7, 21), der in der Lage ist, Offset und Umwandlungsverstärkung für ein Eingangssignal zu ändern, und der das Sensorsignal als Eingangssignal der A/D-Umwandlung unterwirft; einen zweiten A/D-Wandler (8), der ein Temperatursignal einer A/D-Umwandlung unterwirft, wobei das Temperatursignal von einem Temperatursensor (3, 52) ausgegeben wird, der eine Temperatur des Sensors für die physikalische Größe erkennt; und eine Steuereinheit (9), welche durchführt: einen Temperaturmessprozess, um den zweiten A/D-Wandler zu veranlassen, das Temperatursignal der A/D-Umwandlung zu unterwerfen; einen Rechenprozess, um Offset und Umwandlungsverstärkung des ersten A/D-Wandlers auf der Grundlage eines A/D-Umwandlungswerts, der vom zweiten A/D-Wandler ausgegeben wird, und von vorab erstellten Temperaturcharakteristikdaten des Sensors für die physikalische Größe zu berechnen, so dass der erste A/D-Wandler eine Temperaturcharakteristik des Sensors für die physikalische Größe im Prozess des Unterwerfens des Sensorsignals der A/D-Umwandlung mit dem berechneten Offset und der Umwandlungsverstärkung des ersten A/D-Wandlers aufhebt; und einen Signalumwandlungsprozess, um den ersten A/D-Wandler zu veranlassen, das Sensorsignal der A/D-Umwandlung mit dem Offset und der Umwandlungsverstärkung zu unterwerfen, welche in dem Rechenprozess berechnet wurden, wobei die Steuereinheit (9) wenigstens entweder den Temperaturmessprozess oder den Rechenprozess parallel mit dem Signalumwandlungsprozess durchführt.
Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste A/D-Wandler (7) aufweist: einen ersten D/A-Wandler (11), der einen digitalen Wert X1 empfängt und eine Analogspannung VREF1 ausgibt; einen zweiten D/A-Wandler (12), der die gleiche Umwandlungscharakteristik wie der erste D/A-Wandler (11) hat und der einen digitalen Wert X2 empfängt und eine Analogspannung VREF2 ausgibt; und einen A/D-Wandler (13) mit sukzessiver Näherung, der einen Spannungsbereich von der Analogspannung VREF1 bis zur Analogspannung VREF2 mit einer bestimmten Anzahl von Bits codiert, wobei die Steuereinheit die digitalen Werte X1 und X2 bestimmt und die digitalen Werte X1 und X2 an den ersten D/A-Wandler und den zweiten D/A-Wandler derart ausgibt, dass (X1 + X2)/(X1 – X2) ein Wert entsprechend dem berechneten Offset wird und dass 1(X1 – X2) ein Wert entsprechend der berechneten Umwandlungsverstärkung wird.
Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste A/D-Wandler (21) A/D-Umwandlungsdaten entsprechend einer Differenz zwischen einer analogen Eingangsspannung, welche das Sensorsignal bildet, und einer vorbestimmten Referenzspannung ausgibt, wobei der erste A/D-Wandler (21) aufweist: eine erste Pulsumlaufschaltung (22), die eine Mehrzahl von Verzögerungseinheiten (Na, ... Nx) aufweist, die in Ringform verbunden sind, und ein Pulssignal zu den Verzögerungseinheiten umlaufen lässt, wobei die Verzögerungseinheiten das Eingangssignal um eine Verzögerungszeit verzögern, welche abhängig von einer Versorgungsspannung der ersten Pulsumlaufschaltung (22) bestimmt ist, und das verzögerte Eingangssignal ausgeben, wobei die Versorgungsspannung der ersten Pulsumlaufschaltung (22) eine Spannung ist, die erhalten wird durch Addition einer positiven/negativen Umkehrspannung zu der Referenzspannung, wobei die positive/negative Umkehrspannung eine positive/negative Umkehrung einer Differenzspannung ist, die erhalten wird durch Subtraktion der Referenzspannung von der analogen Eingangsspannung; eine zweite Pulsumlaufschaltung (23), die eine Mehrzahl von Verzögerungseinheiten (Na, ... Nx) aufweist, die in Ringform verbunden sind, und das Pulssignal zu den Verzögerungseinheiten umlaufen lässt, wobei die Verzögerungseinheiten das Eingangssignal um eine Verzögerungszeit verzögern, welche abhängig von einer Versorgungsspannung der zweiten Pulsumlaufschaltung (23) bestimmt ist, und das verzögerte Eingangssignal ausgeben, wobei die Versorgungsspannung der zweiten Pulsumlaufschaltung (23) die analoge Eingangsspannung ist; einen ersten Zähler (39), der in der Lage ist, einen Zählwert vorab festzusetzen, und der die Anzahl von Umläufen des Pulssignals in der ersten Pulsumlaufschaltung und die Anzahl von Umläufen des Pulssignals in der zweiten Pulsumlaufschaltung zählt und einen Differenzwert zwischen den Anzahlen von Umläufen ausgibt; eine dritte Pulsumlaufschaltung (24), der eine Setzspannung unterschiedlich zur Referenzspannung eingegeben wird und welche eine Mehrzahl von Verzögerungseinheiten (Na, ... Nx) aufweist, die in Ringform verbunden sind, und das Pulssignal zu den Verzögerungseinheiten umlaufen lässt, wobei die Verzögerungseinheiten das Eingangssignal um eine Verzögerungszeit verzögern, welche abhängig von einer Versorgungsspannung bestimmt ist, und das verzögerte Eingangssignal ausgeben, wobei die Versorgungsspannung der dritten Pulsumlaufschaltung (24) eine Spannung ist, die erhalten wird durch Addition einer positiven/negativen Umkehrspannung zu der Referenzspannung, wobei die positive/negative Umkehrspannung eine positive/negative Umkehrung einer Differenzspannung ist, die erhalten wird durch Subtraktion der Referenzspannung von der gesetzten Spannung; eine vierte Pulsumlaufschaltung (25), welche mit der Setzspannung als Versorgungsspannung arbeitet und welche eine Mehrzahl von Verzögerungseinheiten (Na, ... Nx) aufweist, die in Ringform verbunden sind, und das Pulssignal zu den Verzögerungseinheiten umlaufen lässt, wobei die Verzögerungseinheiten das Eingangssignal um eine Verzögerungszeit verzögern, welche abhängig von der Versorgungsspannung bestimmt ist, und das verzögerte Eingangssignal ausgeben; einen zweiten Zähler (40), der die Anzahl von Umläufen des Pulssignals in der dritten Pulsumlaufschaltung und die Anzahl von Umläufen des Pulssignals in der vierten Pulsumlaufschaltung zählt und einen Differenzwert zwischen den Anzahlen von Umläufen ausgibt; und eine Umwandlungssteuerschaltung (45), welche nach Festlegen eines Werts entsprechend dem Offset des ersten Zählers die ersten bis vierten Pulsumlaufschaltungen veranlasst, gleichzeitig mit dem Beginn des Umlaufs der Pulssignale zu beginnen, und ein Prozesssignal ausgibt, wenn der Differenzwert, der vom zweiten Zähler ausgegeben wird, einen bestimmten Wert erreicht, um die Umwandlungsverstärkung zu bestimmen, und welche als A/D-Umwandlungsdaten für die analoge Eingangsspannung den Differenzwert ausgibt, der vom ersten Zähler zu einem Zeitpunkt ausgegeben wird, zu dem der Differenzwert, der vom zweiten Zähler ausgegeben wird, den bestimmten Wert erreicht, um die Umwandlungsverstärkung zu bestimmen, wobei die Verzögerungseinheiten in jeder der ersten bis vierten Pulsumlaufschaltungen die gleiche Gesamtanzahl von Verzögerungseinheiten haben und in thermischer Verbindung miteinander angeordnet sind.
Sensorvorrichtung, aufweisend: einen Sensor (2, 52) für eine physikalische Größe; einen Temperatursensor (3, 52), der eine Temperatur des Sensors für die physikalische Größe erkennt; und eine Sensorsignalverarbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, wobei sowohl der Sensor (52) für die physikalische Größe als auch der Temperatursensor (52) aufweisen: eine Brückenschaltung (53) mit Erfassungswiderständen (Ra bis Rd), welche in Brückenkonfiguration verbunden sind, um ein Paar von Treiberanschlüssen (53a, 53b) und ein Paar von Signalausgangsanschlüssen (53c, 53d) zu bilden; und einen Temperaturerkennungswiderstand (54) mit einem Temperaturkoeffizienten unterschiedlich zu dem der Erfassungswiderstände und in Verbindung mit der Brückenschaltung über die Treiberanschlüsse, wobei die Brückenschaltung und der Temperaturerkennungswiderstand in Serie zwischen ein Paar von Versorgungsleitungen geschaltet sind.