JP2002533706A - 校正付きセンサ信号コンディショナ - Google Patents

校正付きセンサ信号コンディショナ

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JP2002533706A
JP2002533706A JP2000591383A JP2000591383A JP2002533706A JP 2002533706 A JP2002533706 A JP 2002533706A JP 2000591383 A JP2000591383 A JP 2000591383A JP 2000591383 A JP2000591383 A JP 2000591383A JP 2002533706 A JP2002533706 A JP 2002533706A
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signal
sensor
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microprocessor
maximum
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JP2000591383A
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メイソン、ロバート、シー
ワシントン、ロドニイ、ビー
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スクウエアー ディー カンパニー
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/02Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for altering or correcting the law of variation
    • G01D3/022Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for altering or correcting the law of variation having an ideal characteristic, map or correction data stored in a digital memory

Abstract

(57)【要約】 このシステムは、第1の最小センサ入力値と第2の最大センサ入力値をセンスするセンサを含んでいる。センサはオフセット・エラーと利得エラーを受けやすい。このシステムは更に、第1出力信号と第2出力信号を有するマイクロプロセッサと、前記センサと前記マイクロプロセッサの間に結合された信号コンディショナを有する。信号コンディショナはセンサのオフセット・エラーを最小化する回路とセンサの利得エラーを最小化する回路を有する。オフセット最小化回路は、前記第1マイクロプロセッサ信号に応答して、センサ入力値が最小センサ値にあるときに実質的にゼロに等しい信号を生成する回路を含む。利得エラー最小化手段は、前記第2マイクロプロセッサ信号に応答して、センサ入力値が最大センサ値であるときに最大信号コンディショナ値に実質的に等しい信号を生成する回路を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (技術分野) この発明は圧力変換器のようなセンサに関し、特に、改良された校正を有する
センサに関する。
【0002】 (発明の背景) 現代のセンシング・システムは典型的にセンサ、マイクロプロセッサ、および
その間に結合されたA/D変換器を含む。センサは典型的に、使用される前に増
幅する必要がある低レベルの信号を供給する。そうしたシステムの主要なエラー
源にオフセット・エラーと利得エラーが含まれる。
【0003】 センサのオフセット・エラー校正は、センサへゼロ入力を加えて、A/D変換
器から結果の出力を読み取ることで行なうことができる。オフセット・エラーが
小さければ、プロセッサが信号からその値を加算または減算するだけで、補償さ
れた値に到達できる。しかしながら、大きなオフセット・エラーでこれを行なう
と、A/D変換器の解像度のほとんど半分を失う結果になる。従って、プロセッ
サから信号を出力して、D/A変換器を通じてそれを渡し、信号調節回路内でオ
フセット・エラーを打ち消すことが望ましい。これによりA/D変換器の全部の
解像度を信号の値に使用できる。他の関係からは、これはまた信号調節回路自体
内に起こるあらゆるオフセット・エラーを補償する。
【0004】 最良の解像度を得るためには、センサへフルスケールで入力すれば結果として
A/D変換器からフルスケールで読み取り出力される。センサのフルスケール出
力はユニットごとに異なり得るので、回路の利得を調節する何かの手段が必要で
ある。
【0005】 利得の校正は、オフセットの校正が完了した後でセンサにフルスケールの入力
を加えることにより行ない得る。A/D変換器の出力がちょうどフルスケールの
読み取りに達するまで、回路の利得が調節される。この時点で、利得とオフセッ
トについて全ての信号パスが校正される。
【0006】 オフセット・ヌル信号と利得制御は、センサからA/D変換器の出力までの全
信号パス内のあらゆるところで起きるエラーを補償できる。システムが校正され
ると、電源投入シーケンスのたびに読み出すために、必要な調節の値がマイクロ
プロセッサの非揮発性メモリ内に記憶される。電源投入後に直ちにセンサがゼロ
であることが知られているようなシステムであれば、電源投入のたびにオフセッ
ト校正が遂行され得るので、非揮発性メモリ内にオフセット・ヌル調節値を記憶
する必要がないであろう。
【0007】 (発明の要約) この発明の1つの目的は、センサ・システムのために信号コンディショナを供
給することである。
【0008】 センサ・システムは第1の最小値と第2の最大値の間で入力信号をセンスする
センサを含む。センサはセンサ入力に関するセンサ信号を生成する。センサはオ
フセット・エラーと利得エラーを受けやすい。センサ・システムは更に、第1マ
イクロプロセッサ信号と第2マイクロプロセッサ信号を有するマイクロプロセッ
サを含む。信号コンディショナはセンサ出力信号を校正する。
【0009】 この発明によれば、信号コンディショナは、ヌル信号を生成するためにセンサ
出力信号と第1マイクロプロセッサ信号に応答する手段を含んでいる。ヌル信号
は、センサ入力が最小センサ値であるときに実質上ゼロに等しい。信号コンディ
ショナは更に、センサ入力が最大センサ値であるときに最大信号コンディショナ
値に実質的に等しい利得信号を生成するために、ヌル信号と第2マイクロプロセ
ッサ信号に応答する手段を含んでいる。
【0010】 ヌル信号生成手段はセンサ出力信号と第1マイクロプロセッサ信号を合計する
合計回路を含むことを意図している。
【0011】 利得信号生成手段は周波数制御される増幅器を含むことが更に意図されている
【0012】 この発明の更なる目的は、オフセット・エラーとヌル・エラーが実質的に無い
校正済みのセンサ信号を供給することである。
【0013】 センサは第1の最小値と第2の最大値の間で1つの入力信号をセンスする。セ
ンサは、センサ入力信号に関するセンサ出力信号を生成する。
【0014】 この発明によれば、この方法は、第1出力信号と第2出力信号を有するマイク
ロプロセッサを供給することと、ヌル信号を生成するためにセンサ出力信号と第
1マイクロプロセッサ信号に応答する手段を含む信号コンディショナと、利得信
号を生成するためにヌル信号と第2マイクロプロセッサ信号に応答する手段を供
給することを含む。センサ入力値はゼロにセットされ、第1マイクロプロセッサ
信号はヌル信号がゼロに等しくなるまで調節される。その上、センサ入力値は最
大値に設定され、第2マイクロプロセッサ信号は信号コンディショナ信号が最大
値に等しくなるまで調節される。
【0015】 この発明の他の特徴と利点は、以下の明細書を添付図面と共に理解することに
より明らかになるであろう。
【0016】 (詳細な説明) 本発明は多くの他の異なった形で可能であり、そして本発明の好ましい実施例
を図面と共に本書に詳細に説明するが、この開示は本発明の諸原則の例示と考え
るべきであり、本発明の広汎な局面を例示される実施例に限定することを意図し
ないことの了解によって説明する。
【0017】 センサ・システム(一般的に12と指定)のための信号コンディショナ10が
図1に図示されている。
【0018】 システム12はセンサ14を含む。センサ14は例えば圧力センサであり得る
。圧力センサ14は、ゼロ圧力のような第1の最小値と第2の最大値の間で入力
をセンスする。センサ14は、センサ入力の量に関するある量を有するアナログ
・センサ信号を生成する。センサ一般に典型的なこととして、センサ14はオフ
セット・エラーと利得エラーを受けやすい。
【0019】 センサ・システム12は更に第1出力18aと第2出力18bを有するマイク
ロプロセッサ18を含む。第1出力18aと第2出力18bはそれぞれ第1マイ
クロプロセッサ出力信号と第2マイクロプロセッサ出力信号を生成する。A/D
変換器19がセンサ14とマイクロプロセッサ18の間に配置される。以下に議
論するが、信号コンディショナ10はセンサ出力信号を校正して、オフセット・
エラーまたは利得エラーを最小化するかまたは除去する。
【0020】 信号コンディショナ10は、ヌル信号を生成するためにセンサ出力信号と第1
マイクロプロセッサ信号に応答オフセット補正回路22を含む。センサ入力が最
小センサ値であるときに、ヌル信号は実質的にゼロに等しくなる。信号コンディ
ショナ10は更に、センサ入力が最大センサ値であるときに最大信号コンディシ
ョナ値に実質的に等しくなる利得信号を生成するために、ヌル信号と第2マイク
ロプロセッサ信号に応答する利得補正回路24を含む。
【0021】 図2に、オフセット補正回路22を図示する。オフセット補正回路は一般にセ
ンサ出力信号と第1マイクロプロセッサ信号を合計する合計回路を含む。オフセ
ット補正回路22は、センサ14から差動出力を受け取り、プロセッサ18と協
力して、全てのセンサ・オフセット電圧をゼロにして、シングル・エンド型出力
を利得補正回路24へ提出する。利得補正回路24は、この信号を正しいレベル
へ増幅して、A/D変換器19へ提出する。
【0022】 オフセット補正回路22は演算増幅器(すなわち、オペアンプ)非反転加減算
器に基づく。この回路は、フィルブリック/ネクサス研究所「演算増幅器の応用
マニュアル、第2刷」、1968年2月から取られた。このオフセット補正回路
はオペアンプ25を含む。センサ14の出力は抵抗器R2およびR3を介してオ
ペアンプ25に結合される。オフセット・ヌル電圧18aが抵抗器R1を介して
注入され、抵抗器R1はセンサ電圧から差し引かれる。システム内のどこかで負
のオフセットを正のオフセット調節によりゼロにしなければならない場合は、抵
抗器R4を介した接続が使用される。正のオフセット調節が何も必要なければ、
抵抗器R4が接地されるか、または全く除去される。
【0023】 図2に示すように、オフセット補正回路22の作動を説明する目的で、電圧e
1、同e2、同e3、同e4、同e5、同e6、同e7、同e8を考える。電圧
e5に対する電圧e1の比率は、今のところe2,e3、e4が全てゼロである
と仮定すると、抵抗R1に対する抵抗Rの比率に等しい。この比率はKファクタ
ー(factor)と呼ばれ、今の場合、K1は10k/432k、すなわち0
.023に等しい。対応する他のKファクターは、K2=R/R2、K3=R’
/R3、K4=R’/R4である。もしK1+K2=K3+K4ならば、そのと
きはこの回路の出力eoutはK3e3+K4e4−(K1e1+K2e2)で
ある。抵抗器R4を除去した場合は、残りのKファクターに必要な平衡の維持に
注意しなければならない。
【0024】 この設計において、オペアンプ25は+/−9mV程度のオフセットを有し得
る。このオフセットが正であるならば、それは抵抗器R1を介してゼロにされる
であろう。しかし、このオフセットが負であれば、抵抗器R4を介して電圧を加
えなければならない。校正中に単一のオフセット調節を供給するために、+9m
V/K4の電圧が、抵抗器R4を介して正の合計ポイントに固定される。この電
圧ヌルは、オペアンプ25における最悪の場合の負のオフセットである。最悪の
場合の負のオフセットよりも少ないものはいずれも、0から18mvまでの正の
オフセットとして現れる。これは、プロセッサからのオフセット・ヌル電圧によ
り処理できる。
【0025】 オフセット調節はマイクロプロセッサ18の出力から駆動される。マイクロプ
ロセッサは正確なタイミング信号を供給するのに優れている。この場合、プロセ
ッサ18はパルス幅変調(PWM)信号を18aで出力し、この信号のデューテ
ィ・サイクルは希望するオフセット電圧に比例する。PWM信号は濾波されてオ
フセット電圧を生成する。濾波された出力電圧は抵抗器R1を介して加えられ、
ここから加減算器回路のK4ファクターによりスケールされる通りに合計ポイン
トに加えられる。PWMフィルタの出力はいくらかの残存リップルを有するが、
このリップルもまたK4ファクターにより減少させられる。この例では、K4フ
ァクタは0.023である。
【0026】 もう一つの代案は、多重ビットのオフセット調節値を出力して、それをディジ
タル・アナログ変換器を駆動するのに使用して、調節電圧を生成することである
【0027】 利得補正回路24は図3に図示され、また一般に周波数制御増幅器28を含む
。この周波数制御増幅器は、上に議論したように、オフセット補正回路22のe
out出力に結合される入力28aを有する。周波数制御増幅器28は一般に第
1スイッチト・キャパシタ装置29aと第2スイッチト・キャパシタ装置29b
を有する。第1スイッチト・キャパシタ装置29aと第2スイッチト・キャパシ
タ装置29bは、リニア・テクノロジー社から商用できるLTC1043、また
は類似のスイッチト・キャパシタ装置であり得る。周波数制御増幅器28は更に
演算増幅器30を含む。
【0028】 1kHzのクロック信号がクロック30により供給され、典型的にマイクロプ
ロセッサ18により供給される。第2のマイクロプロセッサ信号18bは可変周
波数の利得制御信号であり得る。利得制御回路24の利得Gは、クロック信号の
周波数(Fin)を10の係数で、キャパシタC1とキャパシタC2の比率の回
数だけ割ったものに等しい。0から10KHzにわたるFinについて、利得は
0から1000まで変化し得る。利得信号だけを変化させることで達成できない
ような利得値を得るために、利得制御信号と1kHZのクロック信号の両方の周
波数を変化させることができる。その場合はもちろん利得方程式が変化するが、
これは閉鎖型システムであって、希望する利得が達成されるまで周波数を調節で
きるので、試行錯誤アルゴリズムが作動する。
【0029】 マイクロプロセッサ18に制御能力を与えることにより、信号調節回路10の
利得を制御する能力がいくつかの長所を有する。その1つは、可変抵抗器または
類似の装置が何もなしに、特定のセンサと構成要素の許容誤差に必要な利得へ回
路を校正できることである。この利得校正は、センサからオフセット・ヌルと利
得ステージを通じてアナログ・ディジタル変換器の外まで、信号パス内の全ての
利得変数を補償する。
【0030】 第2の長所は、オフセット校正の手順の間に、非常に高い値に利得を設定でき
ることである。これは現在のあらゆるオフセット電圧を強化して、オフセットゼ
ロ化回路と結合して、要求されるオフセット・ヌル電圧がすでに得られたという
非常に正確な決定を結果する。
【0031】 第3の長所は、システム全体の利得に影響する構成要素の許容誤差を校正する
ことである。例えば、増幅器の利得は2つの周波数の比率および2つのコンデン
サの比率に依存する。これらの周波数は両方ともマイクロプロセッサから来るの
で、これらはクリスタル制御でき、互いに関して非常に安定なものになるであろ
う。しかしながらこれらのコンデンサは2つの離散型装置であり、各々その固有
の初期許容誤差を有する。その結果として希望する利得の数字からかなり逸脱す
ることがあり得る。事前に規定された利得校正処理が、厳密でないコンデンサ値
から生じる利得エラーを調節するであろう。1つの初期許容誤差が補償されれば
、温度のような作動状態によるコンデンサ値の変化はキーとなる値が比率なので
、相殺される傾向になる。両方のコンデンサが同一の誘電タイプと構成を有する
ときに最良な性能が現れる。リニア・テクノロジー社は、ポリスチレンのコンデ
ンサが使用された場合、利得の安定性は標準値で20ppm/℃であると示唆し
ている。
【0032】 第4の特徴は、アナログ・ディジタル変換器の全目盛よりもかなり小さく信号
が測定されたときに見出される。センサが全目盛値の半分よりも少ないことをプ
ロセッサが決定すれば、プロセッサは利得制御周波数を2倍にして、その結果を
アナログ・ディジタル変換器から読み取る。これは小さい信号の解像度が増すこ
とを意味する。例えばアナログ・ディジタル変換器が8ビットの解像度を有する
ときは、全目盛の半分よりも小さい信号を9ビットの解像度で測定できる。この
概念を更に拡張して、全目盛の1/4よりも小さい信号を10ビットの解像度で
測定でき、同様にして、信号調節回路とセンサ自体の正確さの限界まで測定でき
る。これにより、基礎的な8ビットのアナログ・ディジタル変換器が処理できな
いような条件でいくらかのより小さな変化を検出することが可能になる。
【0033】 例えば8ビットのアナログ・ディジタル変換器は256通りの出力値を有し得
る。全目盛値が5ボルトであれば、変換器が報告し得る最小の変化は、5/25
6=19.5mVである。変換器が10ビットの解像度を有するならば、それが
報告できる最小の変化は5/1024=4.9mVである。1.2ボルトよりも
小さい信号の上の5mVの変化が重要であっても、固定8ビットの解像度の変換
器はそれを全く見逃してしまうかもしれない。
【0034】 センサ14は下記の通りに校正される。センサ入力値がゼロにセットされて、
第1マイクロプロセッサ信号のデューティ・サイクルはヌル信号がゼロに等しく
なるまで調節される。続いて、センサ入力値が最大値にセットされ、第2マイク
ロプロセッサ信号の周波数は信号コンディショナ信号が最大値に等しくなるまで
調節される。こうして、この時点において、ゼロ・マグニチュードのセンサ14
への入力が信号コンディショナからの出力ゼロをもたらす。その上、センサ14
への最大マグニチュードの入力は、信号コンディショナからの最大値の出力をも
たらす。
【0035】 特定の実施例を図示し説明してきたが、本発明の精神から大きく離れることな
く多数の修正が想起され、また保護の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ
限定される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によるセンサ・システムのブロック図である。
【図2】 本発明によるオフセット・エラー補正回路の略図である。
【図3】 本発明による利得エラー補正回路の略図である。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の最小センサ入力値と第2の最大センサ入力値の間で1
    つの入力をセンスするセンサであって、前記センサは前記センサ入力信号に関す
    るセンサ出力信号を生成し、オフセット・エラーと利得エラーを受けやすい前記
    センサと、 第1出力信号と第2出力信号を有するマイクロプロセッサと、 前記センサと前記マイクロプロセッサの間に結合された信号コンディショナで
    あって、前記信号コンディショナは前記入力値が前記最小センサ入力値に等しい
    ときに第1信号コンディショナ信号を生成し、また前記入力値が前記最大センサ
    入力値に等しいときに最大信号コンディショナ信号を生成し、前記信号コンディ
    ショナは前記センサ・オフセット・エラーを最小化する手段と前記センサ利得エ
    ラーを最小化する手段を有し、ここで前記オフセット最小化手段は前記センサ入
    力値が前記最小センサ値にあるときに実質的にゼロに等しい信号を生成するため
    に前記第1マイクロプロセッサ信号に応答する手段を含み、前記利得エラー最小
    化手段は前記センサ入力が前記最大センサ値にあるときに前記最大信号コンディ
    ショナ値に実質的に等しい信号を生成するために前記第2マイクロプロセッサ信
    号に応答する手段を含む、前記センサ・システム。
  2. 【請求項2】 第1の最小センサ入力値と第2の最大センサ入力値の間で1
    つの入力をセンスするセンサであって、前記センサは前記センサ入力値に関する
    1つのセンサ出力信号を生成し、オフセット・エラーと利得エラーを受けやすい
    前記センサと、 それぞれ第1マイクロプロセッサ信号と第2マイクロプロセッサ信号を生成す
    る第1出力信号と第2出力信号を有するマイクロプロセッサと、 前記センサと前記マイクロプロセッサの間に結合される信号コンディショナで
    あって、第1信号コンディショナ信号は前記入力値が前記最小センサ入力値に等
    しいときに第1信号コンディショナ信号を生成し、また前記入力値が前記最大セ
    ンサ入力値に等しいときに最大信号コンディショナ信号を生成し、前記信号コン
    ディショナは前記センサ・オフセット・エラーを最小化する手段と前記センサ利
    得エラーを最小化する手段を有し、ここで前記オフセット最小化手段は前記セン
    サ入力値が前記最小センサ値にあるときに前記センサ出力信号と前記第1マイク
    ロプロセッサ信号を合計して実質的にゼロに等しい合計信号を生成する合成回路
    を含み、前記利得エラー最小化手段は前記合計信号と前記第2マイクロプロセッ
    サ信号に応答して前記センサ入力信号が前記最大センサ値にあるときに前記最大
    信号コンディショナ値に実質的に等しい信号を生成する可変利得増幅器を含む、
    前記システム。
  3. 【請求項3】 前記マイクロプロセッサ信号はパルス幅変調信号である請求
    項2記載のセンサシステム。
  4. 【請求項4】 前記合計回路は前記第1マイクロプロセッサ信号を実質的に
    DC信号に変換する請求項3記載のセンサシステム。
  5. 【請求項5】 前記可変利得増幅器は周波数制御増幅器である請求項2記載
    のセンサシステム。
  6. 【請求項6】 前記信号コンディショナと前記マイクロプロセッサの間にA
    /D変換器を含む請求項2記載のセンサシステム。
  7. 【請求項7】 第1の最小値と第2の最大値の間をセンスするセンサであっ
    て、前記センサは前記センサ入力に関するセンサ信号を生成し、前記センサはオ
    フセット・エラーと利得エラーを受けやすい前記センサと、 第1マイクロプロセッサ出力信号と第2マイクロプロセッサ出力信号を有する
    マイクロプロセッサと、 前記センサ出力信号を校正する信号コンディショナを含むセンサ・システムに
    おいて、前記信号コンディショナは、 ヌル(null)信号を生成するために前記センサ出力信号と前記第1マイクロプ
    ロセッサ信号に応答する手段であって、前記センサ入力が前記最小センサ値にあ
    るとき前記ヌル信号が実質的にゼロに等しい前記手段と、 前記センサ入力が前記最大センサ値にあるときに前記最大信号コンディショナ
    値に実質的に等しい利得信号を生成するために前記ヌル信号と前記第2マイクロ
    プロセッサ信号に応答する手段を含んでいる前記信号コンディショナを含む前記
    センサ・システム。
  8. 【請求項8】 前記ヌル信号生成手段が前記センサ出力信号と前記第1マイ
    クロプロセッサ信号を合計する合計回路を含む請求項7記載のセンサ。
  9. 【請求項9】 前記利得信号生成手段は周波数制御増幅器を含む請求項7記
    載のセンサ。
  10. 【請求項10】 第1の最小値と第2の最大値の間の1つの入力をセンスす
    るセンサであって、前記センサは前記センサ入力信号値に関するセンサ出力信号
    を生成し、前記センサ・オフセット・エラーと利得エラーを受けやすい前記セン
    サについて、オフセット・エラーとヌル・エラーが実質的に無い校正されたセン
    サを供給する方法であって、 第1出力信号と第2出力信号を有するマイクロプロセッサを供給することと、 ヌル信号を生成するために前記センサ出力信号と前記第1マイクロプロセッサ
    信号に応答する手段と、利得信号を生成するために前記ヌル信号と前記第2マイ
    クロプロセッサ信号に応答する手段を含む信号コンディショナを供給することと
    、 前記センサ入力信号値をゼロに設定することと、 前記ヌル信号がゼロに等しくなるまで前記第1マイクロプロセッサ信号を調整
    することと、 前記センサ入力値を前記最大値に設定することと、 前記信号コンディショナ信号が前記最大値に等しくなるまで前記第2マイクロ
    プロセッサ信号を調節することを含んでいる前記方法。
JP2000591383A 1998-12-29 1999-12-29 校正付きセンサ信号コンディショナ Withdrawn JP2002533706A (ja)

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