DE112021007305T5 - Schaltungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Schaltungsvorrichtung bereitgestellt, die eine A/D-Wandlung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Auflösung erreichen kann. Diese Schaltungsvorrichtung umfasst: Eine Verstärkungsanpassungsschaltung, die die Verstärkung eines von einem Sensor ausgegebenen analogen Ausgangssignals anpasst; eine Offsetanpassungsschaltung, die die Offsetspannung des analogen Ausgangssignals anpasst; einen A/D-Wandler, der das analoge Ausgangssignal in ein digitales Signal umwandelt; und eine Steuereinheit, die die Verstärkung und die Offsetspannung des analogen Ausgangssignals auf der Grundlage des Spannungswerts eines digitalen Signals festlegt, das unmittelbar zuvor durch den A/D-Wandler umgewandelt wurde.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsvorrichtung.
• STAND DER TECHNIK
• Eine Schaltungsvorrichtung, die eine Analog-DigitalWandlung (im Folgenden als A/D-Wandlung bezeichnet) durchführt, erfordert einen A/D-Wandler mit hoher Auflösung für einen weiten Messbereich und eine hochpräzise Messung (siehe zum Beispiel Patentdokument 1). Die in Patentdokument 1 beschriebene integrierte Schaltungsvorrichtung umfasst eine Verstärkerschaltung und einen A/D-Wandler, der eine A/D-Wandlung an einem Ausgangssignal der Verstärkerschaltung durchführt, und die Verstärkerschaltung wird durch einen Schaltkreis mit geschalteten Kapazitäten, der eine Offsetspannung eines in der Verstärkerschaltung enthaltenen Operationsverstärkers auslöscht, konfiguriert.
• Zitierliste
• Patentdokument
• Patentdokument 1: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. 2012-44347
• OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
• Durch die Erfindung zu lösende Probleme
• Da jedoch der A/D-Wandler mit hoher Auflösung eine lange Zeit für die A/D-Wandlung benötigt, kann das analoge Signal möglicherweise nicht innerhalb einer gewünschten Zeit in ein digitales Signal umgewandelt werden. Daher besteht ein Bedarf an einer Schaltungsvorrichtung, die eine A/D-Wandlung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Auflösung durchführen kann.
• Mittel zur Lösung der Probleme
• Eine Schaltungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält: Eine Verstärkungsanpassungsschaltung, die eine Verstärkung eines von einem Sensor ausgegebenen analogen Ausgangssignals anpasst; eine Offsetanpassungsschaltung, die eine Offsetspannung des analogen Ausgangssignals anpasst; einen A/D-Wandler, der das analoge Ausgangssignal in ein digitales Signal umwandelt; und eine Steuereinheit, die die Verstärkung und die Offsetspannung des analogen Ausgangssignals auf der Grundlage eines Spannungswerts des unmittelbar zuvor durch den A/D-Wandler umgewandelten digitalen Signals festlegt.
• Effekte der Erfindung
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine A/D-Wandlung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Auflösung zu realisieren.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Schaltungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Ausführungsform zeigt;
• 2 ist ein Flussdiagramm, das die Bearbeitung der Schaltungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
• 3 ist ein Diagramm, das die Bearbeitung der Umwandlung eines analogen Ausgangssignals in ein digitales Signal gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
• 4 ist ein Diagramm, das die Definition einer Verstärkung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
• 5 ist ein Flussdiagramm, das die Bearbeitung einer Schaltungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
• 6 ist ein Flussdiagramm, das die Bearbeitung der Berechnung eines Messwerts und die Festlegung der Verstärkungs- und Offsetbefehlswerte gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt; und
• 7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Betrag der Änderung eines Spannungswertes eines digitalen Signals und der Festlegung einer Verstärkung und einer Offsetspannung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
• BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
• Nachfolgend wird ein Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer Schaltungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Wie in 1 dargestellt, umfasst die Schaltungsvorrichtung 1 einen Sensor 11, eine Verstärkungsanpassungsschaltung 12, eine Verstärkerschaltung 13, einen A/D-Wandler 14, eine Offsetanpassungsschaltung 15 und einen Mikrocomputer 16.
• Der Sensor 11 umfasst einen Temperatursensor, einen Drucksensor, einen Durchflusssensor und dergleichen, erfasst eine beliebige physikalische Größe und gibt ein analoges Ausgangssignal als Erfassungsergebnis aus.
• Die Verstärkungsanpassungsschaltung 12 ist elektrisch mit dem Sensor 11, einem Widerstand R2, der Verstärkerschaltung 13 und dem Mikrocomputer 16 verbunden. Die Verstärkungsanpassungsschaltung 12 umfasst beispielsweise ein digitales Potentiometer. Die Verstärkungsanpassungsschaltung 12 passt die Verstärkung (den Verstärkungsfaktor) des vom Sensor 11 ausgegebenen analogen Ausgangssignals an, indem sie den Widerstandswert eines variablen Widerstands R1 unter Verwendung eines digitalen Potentiometers auf der Grundlage eines Verstärkungsanpassungsbefehls vom Mikrocomputer 16 ändert. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Widerstandswert eindeutig in Bezug auf die Verstärkung bestimmt.
• Die Verstärkerschaltung 13 ist elektrisch mit der Verstärkungsanpassungsschaltung 12, dem Widerstand R2, dem A/D-Wandler 14 und der Offsetanpassungsschaltung 15 verbunden. Die Verstärkerschaltung 13 addiert die durch die Offsetanpassungsschaltung 15 angepasste Offsetspannung zu dem durch die Verstärkungsanpassungsschaltung 12 angepassten analogen Ausgangssignal. Die Verstärkerschaltung 13 verstärkt das durch Addition der Offsetspannung erhaltene analoge Ausgangssignal. Die Verstärkerschaltung 13 gibt das verstärkte analoge Ausgangssignal an den A/D-Wandler 14 aus. Somit bilden der variable Widerstand R1, der Widerstand R2 und die Verstärkerschaltung 13 eine invertierende Verstärkerschaltung, und die Verstärkung kann anhand der Widerstandswerte des variablen Widerstands R1 und des Widerstands R2 bestimmt werden.
• Der A/D-Wandler 14 ist elektrisch mit der Verstärkerschaltung 13 und dem Mikrocomputer 16 verbunden. Der A/D-Wandler 14 wandelt (A/D-Wandlung) das von der Verstärkerschaltung 13 verstärkte analoge Ausgangssignal in ein digitales Signal um. Der A/D-Wandler 14 gibt das A/Dgewandelte digitale Signal an den Mikrocomputer 16 aus.
• Die Offsetanpassungsschaltung 15 ist elektrisch mit der Verstärkerschaltung 13 und dem Mikrocomputer 16 verbunden. Die Offsetanpassungsschaltung 15 umfasst beispielsweise einen D/A-Wandler, ein digitales Potentiometer und dergleichen. Die Offsetanpassungsschaltung 15 passt die Spannungsteilung durch den D/A-Wandler, das digitale Potentiometer oder dergleichen an, wodurch die Offsetspannung des analogen Ausgangssignals auf der Grundlage eines Offsetanpassungsbefehls vom Mikrocomputer 16 angepasst wird.
• Der Mikrocomputer 16 ist elektrisch mit der Verstärkungsanpassungsschaltung 12, dem A/D-Wandler 14 und der Offsetanpassungsschaltung 15 verbunden und führt verschiedene Steuerfunktionen aus. Der Mikrocomputer 16 enthält eine Steuereinheit 161, die die Verstärkungsanpassungsschaltung 12, den A/D-Wandler 14 und die Offsetanpassungsschaltung 15 steuert.
• Die Steuereinheit 161 legt die Verstärkung des analogen Ausgangssignals in der Verstärkungsanpassungsschaltung 12 und die Offsetspannung in der Offsetanpassungsschaltung 15 auf der Grundlage des Spannungswerts des unmittelbar zuvor durch den A/D-Wandler 14 umgewandelten digitalen Signals fest. Wie oben beschrieben, ändert die Schaltungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform dynamisch die Verstärkung und die Offsetspannung des analogen Ausgangssignals und A/D-wandelt das geänderte analoge Ausgangssignal, wodurch eine A/D-Wandlung mit höherer Geschwindigkeit und höherer Auflösung erreicht wird, als wenn die Verstärkung unveränderlich ist. Im Folgenden wird die spezifische Bearbeitung der Schaltungsvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform beschrieben.
• [Erste Ausführungsform]
• 2 ist ein Flussdiagramm, das die Bearbeitung der Schaltungsvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. In Schritt S1 passt die Schaltungsvorrichtung 1 die erste Verstärkung und die Offsetspannung an. Konkret gibt die Steuereinheit 161 einen Verstärkungsanpassungsbefehl an die Verstärkungsanpassungsschaltung 12 aus, so dass die erste Verstärkung G₁ des analogen Ausgangssignals auf G₁ = 1 festgelegt wird.
• Ferner gibt die Steuereinheit 161 einen Offsetanpassungsbefehl an die Offsetanpassungsschaltung 15 aus, so dass die erste Offsetspannung V_off1 des analogen Ausgangssignals auf V_{off1=Voff_init} festgelegt wird.
• Wenn hier die Verstärkung G₁ 1 ist, wird die Auflösung bei der A/D-Wandlung minimal und der Messbereich bei der A/D-Wandlung maximal. V_{off_init} ist z. B. ein Wert, der zum Zeitpunkt der Auslieferung ab Werk eingestellt wurde.
• Dann gibt der Sensor 11 das analoge Ausgangssignal V_a aus, und die Verstärkungsanpassungsschaltung 12 stellt die passt die erste Verstärkung G₁ des analogen Ausgangssignals V_a auf der Grundlage des Verstärkungsanpassungsbefehls an. Die Offsetanpassungsschaltung 15 passt die erste Offsetspannung V_off1 auf der Grundlage des Offsetanpassungsbefehls an.
• In Schritt S2 führt die Schaltungsvorrichtung 1 die erste A/D-Wandlung durch. Insbesondere addiert die Verstärkerschaltung 13 die erste Offsetspannung V_off1, die durch die Offsetanpassungsschaltung 15 angepasst wurde, zu dem analogen Ausgangssignal, dessen Verstärkung durch die Verstärkungsanpassungsschaltung 12 angepasst wurde. Die Verstärkerschaltung 13 verstärkt das analoge Ausgangssignal, das durch Addition der ersten Offsetspannung V_off1 erhalten wird. Die Verstärkerschaltung 13 gibt das verstärkte analoge Ausgangssignal an den A/D-Wandler 14 aus.
• Der A/D-Wandler 14 wandelt das von der Verstärkerschaltung 13 verstärkte analoge Ausgangssignal in ein digitales Signal um. Der A/D-Wandler 14 gibt das A/D-gewandelte erste digitale Signal V_b1 an den Mikrocomputer 16 aus. Außerdem kann der A/D-Wandler 14 Informationen über das Auftreten von Überlauf und/oder Unterlauf bei der A/D-Wandlung an den Mikrocomputer 16 ausgeben.
• In Schritt S3 erfasst die Schaltungsvorrichtung 1 eine erste Messinformation. Insbesondere berechnet die Steuereinheit 161 die erste Sensorspannung V_d1 bei der ersten Messung auf der Grundlage des ersten digitalen Signals V_b1, das vom A/D-Wandler 14 ausgegeben wird. Die erste Sensorspannung V_d1 wird mit Hilfe der folgenden Gleichung (1) berechnet.
  [Formel 1] $$V_{d1}=\left(V_{upper\_lim\_max}-V_{lower\_lim\_min}\right)\cdot \frac{{\left(V_{b1}\right)}_{10}}{2^N}+V_{lower\_lim\_min}$$

  
• Hier sind V_{upper_lim_max} und V_{lower_lim_min} der obere bzw. der untere Grenzwert des Messbereichs, wenn die Verstärkung minimal ist (wenn die Verstärkung und die Offsetspannung Anfangswerte sind), und diese Werte können im Voraus bekannt sein. V_b1 ist eine vom A/D-Wandler 14 erhaltene Spannung, und V_b1 ist ein Binärwert. N ist die Anzahl der Bits von V_b1. In Gleichung (1) steht (V_b1)₁₀ für einen Dezimalwert von V_b1.
• 3 ist ein Diagramm, das die Bearbeitung der Umwandlung eines analogen Ausgangssignals in ein digitales Signal gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Wie in 3 gezeigt, wird das analoge Ausgangssignal V_a durch den A/D-Wandler 14 A/D-gewandelt, und die erste Sensorspannung V_d1 wird auf der Grundlage des vom A/D-Wandler 14 ausgegebenen ersten digitalen Signals V_b1 berechnet.
• Mit Rückbezug auf 2 legt in Schritt S4 die Schaltungsvorrichtung 1 die zweite Verstärkung G₂ und die zweite Offsetspannung V_off2 der A/D-Wandlung fest. Konkret berechnet die Steuereinheit 161 die Einstellwerte der zweiten Verstärkung G₂ und des zweiten Offsets V_off2 in der zweiten Messung auf der Grundlage der ersten Sensorspannung V_d1 und der Gleichungen (2) und (3). $${\text{G}}_2=2^{\text{K}}$$

  

  $${\text{V}}_{\text{off2}}={\text{V}}_{\text{d}1}$$

  
• Gleichung (2) ist eine Verstärkungseinstellung für den Fall, dass die Kbit-Auflösung höher ist als die Auflösung bei der ersten A/D-Wandlung. K ist ein im Voraus festgelegter Wert. Gleichung (3) legt die zweite Offsetspannung V_off2 auf die erste Sensorspannung V_d1 fest. Bei der zweiten Messung wird der Messbereich eingeschränkt, während die Auflösung ansteigt. Daher wird nur die Spannung in der Nähe der ersten Sensorspannung V_d1, die bei der ersten Messung ermittelt wurde, gemessen. Wenn also die ursprüngliche Auflösung des A/D-Wandlers 14 N Bits beträgt, ist die Auflösung des erhaltenen Messwerts N+K Bits.
• 4 ist ein Diagramm, das eine Definition einer Verstärkung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Wie in 4 dargestellt, ist die Verstärkung G wie folgt definiert. $$\text{G}\cdot \left({\text{V}}_{\text{upper\_lim}}-{\text{V}}_{\text{lower\_lim}}\right)=\Delta {\text{V}}_{\text{ma}}\left(=\text{konstant}\right)$$

  
• Wie in gezeigt, ist bei der ersten A/D-Wandlung die Verstärkung auf G₁ = 1 eingestellt, und der Messbereich ist der maximal messbare Bereich (voller Bereich) des A/D-Wandlers 14. Bei der zweiten A/D-Wandlung wird im Fall von K = 1 in Ausdruck (2) die Verstärkung auf G₂ = 2 gesetzt, die Auflösung ist höher als die Auflösung bei der ersten A/D-Wandlung und der Messbereich beträgt 1/2 des Messbereichs bei der ersten A/D-Wandlung.
• Mit Rückbezug auf 2 führt die Schaltungsvorrichtung 1 in Schritt S5 eine zweite Anpassung der zweiten Verstärkung G₂ und der zweiten Offsetspannung V_off2 durch. Insbesondere gibt die Steuereinheit 161 einen Verstärkungsanpassungsbefehl an die Verstärkungsanpassungsschaltung 12 aus, und die Verstärkungsanpassungsschaltung 12 passt die zweite Verstärkung G₂ des analogen Ausgangssignals auf der Grundlage des Verstärkungsanpassungsbefehls auf G₂ = 2^K an. Ferner gibt die Steuereinheit 161 einen Offsetanpassungsbefehl an die Offsetanpassungsschaltung 15 aus und die Offsetanpassungsschaltung 15 stellt die zweite Offsetspannung V_off2 des analogen Ausgangssignals auf der Grundlage des Offsetanpassungsbefehls auf V_off2 = V_d1 ein.
• In Schritt S6 führt die Schaltungsvorrichtung 1 die zweite A/D-Wandlung durch. Insbesondere addiert die Verstärkerschaltung 13 die zweite Offsetspannung V_off2, die durch die Offsetanpassungsschaltung 15 angepasst wurde, zu dem analogen Ausgangssignal, das durch die Verstärkungsanpassungsschaltung 12 an die zweite Verstärkung G₂ angepasst wurde. Die Verstärkerschaltung 13 verstärkt das analoge Ausgangssignal, das durch Addition der zweiten Offsetspannung V_off2 erhalten wird. Die Verstärkerschaltung 13 gibt das verstärkte analoge Ausgangssignal an den A/D-Wandler 14 aus.
• Der A/D-Wandler 14 wandelt das von der Verstärkerschaltung 13 verstärkte analoge Ausgangssignal in ein zweites digitales Signal V_b2 um. Der A/D-Wandler 14 gibt das A/D-gewandelte zweite digitale Signal V_b2 an den Mikrocomputer 16 aus. Der A/D-Wandler 14 gibt Informationen über das Auftreten von Überlauf und/oder Unterlauf bei der A/D-Wandlung an den Mikrocomputer 16 aus.
• In Schritt S7 erfasst die Schaltungsvorrichtung 1 die zweite Messinformation. Insbesondere berechnet die Steuereinheit 161 in Schritt S6 die zweite Sensorspannung V_d2 bei der zweiten Messung auf der Grundlage des zweiten digitalen Signals V_b2, das von dem A/D-Wandler 14 ausgegeben wird. Die zweite Sensorspannung V_d2 wird mit Hilfe der folgenden Gleichungen (4) bis (6) berechnet. In Gleichung (4) stellt (V_b2)₁₀ einen dezimalen Wert von V_b1 dar.
  [Formel 2] $$V_{d2}=\left(V_{upper\_lim}-V_{lower\_lim}\right)\cdot \frac{{\left(V_{b2}\right)}_{10}}{2^N}+V_{lower\_lim}$$

  

  $$V_{upper\_lim}=V_{off2}+\frac{V_{upper\_lim\_max}-V_{lower\_lim\_min}}{2\cdot G_2}$$

  

  $$V_{lower\_lim}=V_{off2}-\frac{V_{upper\_lim\_max}-V_{lower\_lim\_min}}{2\cdot G_2}$$

  
• Hier sind V_{upper_lim} und V_{lower_lim} der Maximalwert bzw. der Minimalwert des Messbereichs bei der zweiten A/D-Wandlung. V_{uper_lim} wird nach Gleichung (5) und V_{lower_lim} nach Gleichung (6) berechnet. Wie oben beschrieben, werden V_{upper_lim} und V_{lower_lim} auf der Grundlage der Verstärkung G₂ und des Offsets V_off2 bei der zweiten Messung berechnet.
• In Schritt S8 überträgt die Steuereinheit 161 die in Schritt S7 berechnete zweite Sensorspannung V_d2, die bei der A/D-Wandlung angepasste Verstärkung und Offsetspannung sowie Informationen über das Auftreten von Über- und/oder Unterlauf bei der A/D-Wandlung an das Host-System.
• Wie oben beschrieben, legt die Steuereinheit 161 gemäß der ersten Ausführungsform die erste Verstärkung G₁ und die erste Offsetspannung V_off1 des analogen Ausgangssignals so fest, dass der Messbereich des A/D-Wandlers 14 mit dem Spannungsbereich des analogen Ausgangssignals übereinstimmt, und der A/D-Wandler 14 wandelt das durch die erste Verstärkung G₁ und die erste Offsetspannung V_off1 angepasste analoge Ausgangssignal in ein digitales Signal um.
• Dann berechnet die Steuereinheit 161 die erste Sensorspannung V_d1 auf der Grundlage des vom A/D-Wandler umgewandelten ersten digitalen Signals V_b1, passt die zweite Offsetspannung V_off2 des analogen Ausgangssignals in der Offsetanpassungsschaltung 15 auf der Grundlage der ersten Sensorspannung V_d1 an und legt die zweite Verstärkung G₂ des analogen Ausgangssignals in der Verstärkungsanpassungsschaltung 12 auf einen Wert fest, der größer ist als die erste Verstärkung G₁. Der A/D-Wandler 14 wandelt ein analoges Ausgangssignal, das durch die zweite Verstärkung G₂ und die zweite Offsetspannung V_off2 angepasst wird, in ein digitales Signal um.
• Somit wandelt die Schaltungsvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform bei der ersten A/D-Wandlung durch Anpassen der ersten Verstärkung G₁ und der ersten Offsetspannung V_off1 das analoge Ausgangssignal in ein digitales Signal im maximalen Messbereich des A/D-Wandlers 14 um. Durch Anpassen der zweiten Verstärkung G₂ und der zweiten Offsetspannung V_off2 verengt die Schaltungsvorrichtung 1 den Messbereich des A/D-Wandlers 14 und wandelt bei der zweiten A/D-Wandlung das analoge Ausgangssignal in ein digitales Signal mit hoher Auflösung um.
• Da die Schaltungsvorrichtung 1 die Auflösung des A/D-Wandlers 14 erhöhen und den Messbereich bei der zweiten A/D-Wandlung verkleinern kann, kann somit beispielsweise die Schaltungsvorrichtung 1 eine A/D-Wandlung über einen großen Bereich und mit hoher Auflösung bei hoher Geschwindigkeit durchführen, indem sie den A/D-Wandler 14 mit niedriger Auflösung und hoher Geschwindigkeit verwendet.
• Die Steuereinheit 161 berechnet ferner die zweite Sensorspannung V_d2 auf der Grundlage des vom A/D-Wandler 14 umgewandelten zweiten digitalen Signals V_b2 und des oberen Grenzwerts V_{upper_lim} und des unteren Grenzwerts V_{lower_lim} des Messbereichs im A/D-Wandler 14 und überträgt die berechnete zweite Sensorspannung V_d2 an das Host-Gerät. Somit kann die Schaltungsvorrichtung 1 die zweite Sensorspannung V_d2 aus dem durch A/D-Wandlung gewonnenen zweiten digitalen Signal V_b2 über einen großen Bereich und mit hoher Auflösung berechnen und überträgt die zweite Sensorspannung V_d2 an das Host-Gerät. Daher kann die Schaltungsvorrichtung 1 die mit hoher Genauigkeit gemessene zweite Sensorspannung V_d2 an das Host-Gerät übertragen.
• [Zweite Ausführungsform]
• 5 ist ein Flussdiagramm, das die Bearbeitung der Schaltungsvorrichtung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. Die Schaltungsvorrichtung 1 gemäß der zweiten Ausführungsform hat die gleiche Konfiguration wie die in 1 gezeigte Schaltungsvorrichtung, unterscheidet sich aber von der Schaltungsvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform in den Bearbeitungsinhalten. Insbesondere legt die Schaltungsvorrichtung 1 gemäß der zweiten Ausführungsform einen weiten Messbereich bei der A/D-Wandlung fest, wenn der Betrag der Änderung der von dem A/D-Wandler 14 ausgegebenen Sensorspannung groß ist, und legt einen engen Messbereich bei der A/D-Wandlung fest, wenn der Betrag der Änderung der von dem A/D-Wandler 14 ausgegebenen Sensorspannung klein ist.
• In Schritt S11 passt die Schaltungsvorrichtung 1 die Verstärkung und die Offsetspannung an. Insbesondere gibt die Steuereinheit 161 einen Verstärkungsanpassungsbefehl an die Verstärkungsanpassungsschaltung 12 aus, und die Verstärkungsanpassungsschaltung 12 passt die Verstärkung G₁ des analogen Ausgangssignals auf der Grundlage des Verstärkungsanpassungsbefehls an.
• Ferner gibt die Steuereinheit 161 einen Offsetanpassungsbefehl an die Offsetanpassungsschaltung 15 aus und die Offsetanpassungsschaltung 15 passt die Offsetspannung V_off1 des analogen Ausgangssignals auf der Grundlage des Offsetanpassungsbefehls an. Dabei werden die Verstärkung G und die Offsetspannung V_{off_}an die Verstärkung und die Offsetspannung, die bei der vorherigen Messung verwendet wurden (z.B. Bearbeitung entsprechend der Bearbeitung von Schritt S4 in 2), angepasst.
• In Schritt S12 führt die Schaltungsvorrichtung 1 eine A/D-Wandlung durch. Insbesondere gibt der Sensor 11 das analoge Ausgangssignal V_a aus und die Verstärkungsanpassungsschaltung 12 passt die Verstärkung des analogen Ausgangssignals V_a auf der Grundlage des Verstärkungsanpassungsbefehls ein. Die Verstärkerschaltung 13 addiert die von der Offsetanpassungsschaltung 15 angepasste Offsetspannung zu dem von der Verstärkungsanpassungsschaltung 12 angepassten analogen Ausgangssignal. Die Verstärkerschaltung 13 verstärkt das durch Addition der Offsetspannung erhaltene analoge Ausgangssignal. Die Verstärkerschaltung 13 gibt das verstärkte analoge Ausgangssignal an den A/D-Wandler 14 aus.
• Der A/D-Wandler 14 wandelt das von der Verstärkerschaltung 13 verstärkte analoge Ausgangssignal in ein digitales Signal um. Der A/D-Wandler 14 gibt das A/D-gewandelte digitale Signal V_b2 an den Mikrocomputer 16 aus. Außerdem gibt der A/D-Wandler 14 zusammen mit dem digitalen Signal V_b Informationen über das Auftreten von Überlauf und/oder Unterlauf bei der A/D-Wandlung an den Mikrocomputer 16 aus.
• In Schritt S13 führt die Schaltungsvorrichtung 1 eine Messwertberechnung durch und legt Verstärkungs- und Offsetbefehlswerte fest. Konkret berechnet die Steuereinheit 161 die Sensorspannung V_d1 die Verstärkung G_next und die Offsetspannung V_{off_next} zum Zeitpunkt der nächsten A/D-Wandlung auf der Grundlage des vom A/D-Wandler 14 ausgegebenen digitalen Signals V_b (Binärzahl).
• Die Bearbeitung von Schritt S13 wird anhand von 6 im Detail beschrieben. 6 ist ein Flussdiagramm, das die Berechnung eines Messwertes und die Festlegung der Verstärkungs- und Offsetbefehlswerte gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
• In Schritt S131 bestimmt die Steuereinheit 161, ob bei der A/D-Wandlung ein Überlauf aufgetreten ist. Wenn ein Überlauf aufgetreten ist (JA), geht die Bearbeitung zu Schritt S132 über. Tritt hingegen kein Überlauf auf (NEIN), wird mit Schritt S133 fortgefahren.
• In Schritt S132 legt die Steuereinheit 161 die obere Grenzspannung V_{upper_lim} des Messbereichs als Sensorspannung V_d fest, wie in der folgenden Gleichung (11) dargestellt. $${\text{V}}_{\text{d}}={\text{V}}_{\text{upper\_lim}}$$

  
• In Schritt S133 bestimmt die Steuereinheit 161, ob bei der A/D-Wandlung ein Unterlauf aufgetreten ist oder nicht. Wenn ein Unterlauf aufgetreten ist (JA), geht die Bearbeitung zu Schritt S134 über. Wenn hingegen kein Unterlauf aufgetreten ist (NEIN), geht die Bearbeitung zu Schritt S136 weiter.
• In Schritt S134 legt die Steuereinheit 161 die untere Grenzspannung V_{lower_lim} des Messbereichs als Sensorspannung V_d fest, wie in der folgenden Gleichung (12) dargestellt. $${\text{V}}_{\text{d}}={\text{V}}_{\text{lower\_lim}}$$

  
• In Schritt S135 berechnet die Steuereinheit 161 die Einstellwerte der Verstärkung und der Offsetspannung für die nächste A/D-Wandlung. Wenn bei der aktuellen A/D-Wandlung ein Über- oder Unterlauf auftritt, setzt die Steuereinheit 161 die Verstärkung G_next und die Offsetspannung V_{off_next} auf Anfangswerte für die nächste A/D-Wandlung, wie in den folgenden Gleichungen (13) und (14) gezeigt. $${\text{G}}_{\text{next}}=1$$

  

  $${\text{V}}_{\text{off\_next}}={\text{V}}_{\text{off\_init}}$$

  
• In Schritt S136 berechnet die Steuereinheit 161 die Sensorspannung V_d auf der Grundlage des vom A/D-Wandler 14 ausgegebenen digitalen Signals V_b (Binärzahl) und den folgenden Gleichungen (15), (16) und (17). In Gleichung (15) stellt (V_b)₁₀ einen dezimalen Wert von V_b dar.
  [Formel 3] $$V_d=\frac{\left(V_b\right)10}{{}_{2}N}\cdot \left(V_{upper\_lim}-V_{lower\_lim}\right)+V_{lower\_lim}$$

  

  $$V_{upper\_lim}=V_{off}+\frac{V_{upper\_lim\_max}-V_{lower\_lim\_min}}{2\cdot G}$$

  

  $$V_{lower\_lim}=V_{off}+\frac{V_{upper\_lim\_max}-V_{lower\_lim\_min}}{2\cdot G}$$

  
• In Schritt S137 berechnet die Steuereinheit 161 die Einstellwerte der Verstärkung und der Offsetspannung für die nächste A/D-Wandlung. Die Steuereinheit 161 berechnet die Verstärkung G_next unter Verwendung der folgenden Gleichung (18).
  [Formel 4] $$G_{next}=\{\begin{array}{l}G\times 2if\left|\frac{V_d-V_{d-1}}{V_{upper\_lim}-V_{lower\_lim}}\right|<\alpha \\ G/2elseif\left|\frac{V_d-V_{d-1}}{V_{upper\_lim}-V_{lower\_lim}}\right|>\beta \\ Gelse\end{array}$$

  
• Das heißt, die Steuereinheit 161 vergleicht die Sensorspannung V_d-1 bei der vorherigen A/D-Wandlung mit der Sensorspannung V_d bei der aktuellen A/D-Wandlung. Wenn der Betrag der Änderung zwischen der Sensorspannung V_d-1 und der Sensorspannung V_d kleiner als ein Grenzwert α ist, setzt die Steuereinheit 161 die Verstärkung G_next auf einen Wert, der größer als die vorherige Verstärkung ist, um die Auflösung zu erhöhen.
• Andererseits, wenn der Betrag der Änderung zwischen der Sensorspannung V_d-1 und der Sensorspannung V_d einen Grenzwert β überschreitet, legt die Steuereinheit 161 die Verstärkung G_next auf einen Wert fest, der kleiner als die vorherige Verstärkung ist, um den Messbereich zu erweitern. Wenn der Betrag der Änderung gleich oder größer als der Grenzwert α oder gleich oder kleiner als der Grenzwert β ist, behält die Steuereinheit 161 den Wert der Verstärkung G_next auf dem vorherigen Wert bei, d.h. sie ändert den Wert der Verstärkung G_next nicht. In Gleichung (18) sind die mit der Verstärkung multiplizierten Koeffizienten (2 und 1/2) beliebige Werte und nicht auf die obigen Werte beschränkt.
• Ferner berechnet die Steuereinheit 161 die Offsetspannung V_{off_next} anhand der folgenden Gleichung (19) . $${\text{V}}_{\text{off\_next}}={\text{V}}_{\text{d}}\left({\text{V}}_{\text{d}}-{\text{V}}_{\text{d}-1}\right)$$

  
• Das heißt, die Offsetspannung V_{off_next} ist ein Wert, der sich durch Addition der Differenz zwischen der vorherigen Sensorspannung V_d-1 und der aktuellen Sensorspannung V_d zur aktuellen Sensorspannung V_d ergibt. Wenn der Betrag der Änderung der Sensorspannung konstant ist, wird deshalb die Sensorspannung als Mitte des Messbereichs festgelegt.
• In Schritt S138 bestimmt die Steuereinheit 161, ob die in Schritt S137 berechnete Verstärkung G_next innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt oder nicht. Wenn die Verstärkung G_next nicht innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, legt die Steuereinheit 161 die Verstärkung G_next auf den oberen Grenzwert (G_next = G_max) oder den unteren Grenzwert (G_next = 1) der Verstärkung unter Verwendung der folgenden Gleichung (20) fest.
  [Formel 5] $$G_{next}=\{\begin{array}{l}{G}_{max}if{G}_{next}>G_{max}\\ 1if{G}_{next}<1\end{array}$$

  
• Mit Rückbezug auf 5 überträgt die Steuereinheit 161 in Schritt S14 die in Schritt S132, Schritt S134 oder Schritt S136 berechnete Sensorspannung V_d, die zum Zeitpunkt der A/D-Wandlung festgelegte Verstärkung und Offsetspannung sowie Informationen über das Auftreten von Überlauf und/oder Unterlauf bei der A/D-Wandlung an das Host-System.
• Außerdem speichert die Steuereinheit 161 die Sensorspannung V_d und die zum Zeitpunkt der A/D-Wandlung festgelegte Verstärkung und Offsetspannung im Speicherbereich des Mikrocomputers 16, um sie für nachfolgende Messungen zu verwenden.
• 7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Betrag der Änderung eines Spannungswertes eines digitalen Signals und der Einstellung einer Verstärkung und einer Offsetspannung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
• Wie in 7 gezeigt, setzt die Steuereinheit 161 die Verstärkung G_next auf einen größeren Wert als die vorherige Verstärkung, wenn der Betrag der Änderung unter dem Grenzwert α liegt. Wenn der Betrag der Änderung den Grenzwert β überschreitet, stellt die Steuereinheit 161 die Verstärkung G_next auf einen kleineren Wert als die vorherige Verstärkung ein, um den Messbereich zu erweitern.
• Wenn der Betrag der Änderung gleich oder größer als der Grenzwert α oder gleich oder kleiner als der Grenzwert β ist, hält die Steuereinheit 161 den Wert der Verstärkung G_next auf dem vorherigen Wert, d.h. sie ändert den Wert der Verstärkung G_next nicht. Die Offsetspannung V_{off_next} ist ein Wert, der durch Addition der Differenz zwischen der vorherigen Sensorspannung V_d-1 und der aktuellen Sensorspannung V_d zu der aktuellen Sensorspannung V_d erhalten wird.
• Wie oben beschrieben, vergleicht die Steuereinheit 161 gemäß der zweiten Ausführungsform die Sensorspannung V_d-1, die auf dem durch die vorherige A/D-Wandlung erhaltenen digitalen Signal basiert, mit der Sensorspannung V_d, die auf dem durch die aktuelle A/D-Wandlung erhaltenen digitalen Signal basiert, und wenn der Betrag der Änderung von der Sensorspannung V_d-1 zu der Sensorspannung V_d kleiner als der Grenzwert α ist, setzt sie die Verstärkung G_next des analogen Ausgangssignals auf einen Wert, der größer als die Verstärkung zum vorherigen Zeitpunkt ist, und wenn der Betrag der Änderung den Grenzwert β überschreitet, setzt sie die Verstärkung G_next des analogen Ausgangssignals auf einen Wert, der kleiner als die Verstärkung zum vorherigen Zeitpunkt ist.
• Mit einer solchen Konfiguration ist es in der Schaltungsvorrichtung 1 gemäß der zweiten Ausführungsform möglich, die Auflösung zu erhöhen, wenn der Betrag der Änderung der Sensorspannung kleiner als der Grenzwert α ist, indem die Verstärkung auf einen Wert eingestellt wird, der größer ist als die Verstärkung zum vorherigen Zeitpunkt. Andererseits kann in der Schaltungsvorrichtung 1, wenn der Betrag der Änderung der Sensorspannung den Grenzwert β übersteigt, die Auflösung verfeinert werden, indem die Verstärkung auf einen Wert eingestellt wird, der kleiner ist als die Verstärkung zum vorherigen Zeitpunkt. Dementsprechend ist es für die Schaltungsvorrichtung 1 möglich, die Auflösung entsprechend dem Betrag der Änderung der Sensorspannung festzulegen und eine A/D-Wandlung in einem großen Bereich und mit hoher Auflösung bei hoher Geschwindigkeit durchzuführen.
• Die Steuereinheit 161 stellt die Offsetspannung V_{off_next} des analogen Ausgangssignals auf der Grundlage der Sensorspannung V_d-1 auf der Grundlage des durch die vorherige A/D-Wandlung gewonnenen digitalen Signals und der Sensorspannung V_d auf der Grundlage des durch die aktuelle A/D-Wandlung gewonnenen digitalen Signals ein. Mit einer solchen Konfiguration ist es für die Schaltungsvorrichtung 1 möglich, die Sensorspannung als die Mitte des Messbereichs festzulegen, wenn der Betrag der Änderung der Sensorspannung konstant ist.
• Ferner gibt der A/D-Wandler 14 Informationen über das Auftreten von Überlauf und/oder Unterlauf bei der A/D-Wandlung zusammen mit dem digitalen Signal an die Steuereinheit 161 aus. Die Steuereinheit 161 berechnet die Sensorspannung V_d als obere Grenze des Messbereichs des A/D-Wandlers 14, wenn bei der A/D-Wandlung ein Überlauf auftritt, berechnet die Sensorspannung V_d als untere Grenze des Messbereichs des A/D-Wandlers 14, wenn bei der A/D-Wandlung ein Unterlauf auftritt, und setzt die Verstärkung und die Offsetspannung bei der nächsten A/D-Wandlung auf die Anfangswerte, wenn bei der A/D-Wandlung ein Überlauf oder Unterlauf auftritt. Mit einer solchen Konfiguration ist es der Schaltungsvorrichtung 1 möglich, die Sensorspannung, die Verstärkung und die Offsetspannung auf geeignete Werte einzustellen, selbst wenn ein Überlauf und/oder Unterlauf auftritt.
• Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsformen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind, ist der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Modifikationen können vorgenommen werden, ohne vom Kern der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
• ERLÄUTERUNG DER BEZUGSZAHLEN

1

Schaltungsvorrichtung

11

Sensor

12

Verstärkungsanpassungsschaltung

13

Verstärkerschaltung

14

A/D-Wandler

15

Offsetanpassungsschaltung

16

Mikrocomputer

161

Steuereinheit

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• JP 201244347 [0003]

Claims (6)

1. Eine Schaltungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Verstärkungsanpassungsschaltung, die eine Verstärkung eines analogen Ausgangssignals, das von einem Sensor ausgegeben wird, anpasst; eine Offsetanpassungsschaltung, die eine Offsetspannung des analogen Ausgangssignals anpasst; einen A/D-Wandler, der das analoge Ausgangssignal in ein digitales Signal umwandelt; und eine Steuereinheit, die die Verstärkung und die Offsetspannung des analogen Ausgangssignals auf der Grundlage eines Spannungswerts des unmittelbar zuvor durch den A/D-Wandler umgewandelten digitalen Signals festlegt.
2. Die Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit eine erste Verstärkung und eine erste Offsetspannung des analogen Ausgangssignals so festlegt, dass ein Messbereich des A/D-Wandlers einem Spannungsbereich des analogen Ausgangssignals entspricht, und die Steuereinheit eine erste Sensorspannung auf der Grundlage eines ersten vom A/D-Wandler umgewandelten digitalen Signals berechnet, eine zweite Offsetspannung des analogen Ausgangssignals in der Offsetanpassungsschaltung auf der Grundlage der ersten Sensorspannung festlegt und eine zweite Verstärkung des analogen Ausgangssignals in der Verstärkungsanpassungsschaltung auf einen Wert festlegt, der größer als die erste Verstärkung ist.
3. Die Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit ferner eine zweite Sensorspannung auf der Grundlage eines zweiten vom A/D-Wandler umgewandelten digitalen Signals und eines oberen Grenzwerts und eines unteren Grenzwerts für den Messbereich in dem A/D-Wandler berechnet und die berechnete zweite Sensorspannung an eine Host-Vorrichtung überträgt.
4. Die Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit eine dritte Sensorspannung, die auf dem durch eine vorherige A/D-Wandlung erhaltenen digitalen Signal basiert, mit einer vierten Sensorspannung, die auf dem durch eine aktuelle A/D-Wandlung erhaltenen digitalen Signal basiert, vergleicht und, wenn ein Betrag der Änderung von der dritten Sensorspannung zur vierten Sensorspannung kleiner als ein erster Grenzwert ist, eine dritte Verstärkung des analogen Ausgangssignals auf einen Wert festlegt, der größer als eine vorherige Verstärkung ist, und, wenn der Betrag der Änderung einen zweiten Grenzwert überschreitet, die dritte Verstärkung des analogen Ausgangssignals auf einen Wert festlegt, der kleiner als die vorherige Verstärkung ist.
5. Die Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuereinheit eine dritte Offsetspannung des analogen Ausgangssignals auf der Grundlage der dritten Sensorspannung, die auf dem durch die vorherige A/D-Wandlung erhaltenen digitalen Signal basiert, und der vierten Sensorspannung, die auf dem durch die aktuelle A/D-Wandlung erhaltenen digitalen Signal basiert, festlegt.
6. Die Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei der A/D-Wandler Informationen über das Auftreten eines Überlaufs und/oder Unterlaufs bei der A/D-Wandlung zusammen mit dem digitalen Signal an die Steuereinheit ausgibt, und die Steuereinheit die vierte Sensorspannung (Vd) als oberen Grenzwert eines Messbereichs des A/D-Wandlers berechnet, wenn bei der A/D-Wandlung ein Überlauf auftritt, die vierte Sensorspannung (Vd) als unteren Grenzwert des Messbereichs des A/D-Wandlers berechnet, wenn bei der A/D-Wandlung ein Unterlauf auftritt, und die Verstärkung und die Offsetspannung bei der nächsten A/D-Wandlung auf die Anfangswerte festlegt, wenn bei der A/D-Wandlung ein Überlauf oder Unterlauf auftritt.

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