JP2013239964A - 半導体装置及びデータ処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】応用範囲の広い、Ａ／Ｄ変換器の断線検出のための技術を提供する。
【解決手段】本半導体装置（１００、１０１）は、信号を入力する入力端子（ＤＳＡＮ＿Ｐ、ＤＳＡＮ＿Ｎ）に電気的に接続される信号線（ＳＰ、ＳＮ）の電圧を示すアナログ信号をディジタル信号に変換するアナログ・ディジタル変換部（２）と、所定の周波数（ｆｘ）の信号を生成し容量素子（ＣＰ、ＣＮ）を介して前記信号線に出力する信号生成部（３、７）と、データ処理部（１）とを有する。前記データ処理部は、前記アナログ・ディジタル変換部による変換結果に含まれる前記所定の周波数に係るスペクトルの大きさに基づいて、前記入力端子に接続される信号経路の断線の有無を判別することが可能にされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置及びデータ処理システムに関し、特にＡ／Ｄ変換器を備える半導体装置に適用して有効な技術に関する。

家電製品、携帯電話、自動車、及び産業機械等の機器に組み込まれるマイクロコントローラ（以下単に「マイコン」とも称する。）は、用途に応じた信頼性・安全性が要求される。例えば車載マイコンでは、故障が発生した場合にこれを検出して自動車が危険な状態にならないようにする機能が要求されている。例えば、センサ等から入力されたアナログ信号をディジタル信号に変換するアナログ・ディジタル変換器（以下、「Ａ／Ｄ変換器」とも称する。）を搭載した車載マイコンは、Ａ／Ｄ変換器の故障の有無を診断する診断機能を備えている。近年、更なる安全性の向上のため、Ａ／Ｄ変換器自体の診断に加えて、Ａ／Ｄ変換器に信号を入力するための入力信号経路の断線を検出する診断機能も要求されている。

Ａ／Ｄ変換器の入力信号経路の断線を検出するための従来技術として、特許文献１及び２に開示がある。特許文献１には、複数の入力チャネルを有する逐次比較型のＡ／Ｄ変換器において、入力段のサンプリング容量に電荷が蓄えられることを利用し、所望の入力チャネルの変換結果とその直前に変換を行った他の入力チャネルの変換結果とが一致した場合には前記所望の入力チャネルが断線していると判断する技術が開示されている。特許文献２には、逐次比較型のＡ／Ｄ変換器において、入力段のサンプリング容量に蓄えられた電荷を定期的に放電させ、放電前後のアナログ・ディジタル変換結果を比較することで断線の有無を判別する技術が開示されている。

特開２０１０−１５４４４１号公報 特開２０１０−２３７０７９号公報

近年、マイコンを搭載する機器の高機能化・高精度化の要求に応えるため、ΔΣ方式のＡ／Ｄ変換器や差動入力方式のＡ／Ｄ変換器のような、より高精度なＡ／Ｄ変換器がマイコンに搭載されつつある。しかしながら、これらのＡ／Ｄ変換器を搭載したマイコンに、上述した特許文献１及び２の技術を適用したとしても、Ａ／Ｄ変換器の入力信号経路の断線を的確に検出することはできない。例えば、特許文献１の技術は、逐次比較型のＡ／Ｄ変換器を想定しており、入力段のサンプリング容量に電荷を蓄えることを前提とする技術である。そのため、ΔΣ方式のＡ／Ｄ変換器のように入力段のインピーダンスが低い場合には、サンプリング容量に電荷を蓄えておくことができず、入力信号線が断線していたとしても変換結果が直前の変換結果と一致しないため、断線を検出することは困難である。また、特許文献２の技術を差動入力方式のＡ／Ｄ変換器に適用すると、差動入力端子のうち一方の入力端子のみ断線している場合には、断線していない入力端子の電圧値によってアナログ・ディジタル変換結果が変化するため、断線を検出することは困難となる。

そこで、本願発明者は、Ａ／Ｄ変換器の構成等によって制限を受けないような応用範囲の広い、新たな診断のための技術が必要であると考えた。

このような課題を解決するための手段等を以下に説明するが、その他の課題と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される実施の形態のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記のとおりである。

すなわち、本半導体装置は、信号を入力する入力端子に電気的に接続される信号線の電圧を示すアナログ信号をディジタル信号に変換するアナログ・ディジタル変換部と、所定の周波数の信号を生成し容量素子を介して前記信号線に出力する信号生成部と、データ処理部とを有する。前記データ処理部は、前記アナログ・ディジタル変換部による変換結果に含まれる前記所定の周波数に係るスペクトルの大きさに基づいて、前記入力端子に接続される信号経路の断線の有無を判別することが可能にされる。

本願において開示される実施の形態のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。

すなわち、本半導体装置によれば、Ａ／Ｄ変換の方式等によらずＡ／Ｄ変換器を備えるシステムに広く適用することができる。

図１は、実施の形態１に係る半導体装置を例示するブロック図である。 図２は、Ａ／Ｄ変換部２の入力段の詳細な回路構成を例示するブロック図である。 図３は、断線していない場合のＡ／Ｄ変換結果のスペクトル特性を例示する説明図である。 図４は、断線している場合のＡ／Ｄ変換結果のスペクトル特性を例示する説明図である。 図５は、実施の形態２に係る半導体装置を例示するブロック図である。 図６は、Ａ／Ｄ変換部６によるＡ／Ｄ変換結果のスペクトル特性を例示する説明図である。

１．実施の形態の概要
先ず、本願において開示される代表的な実施の形態について概要を説明する。代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面中の参照符号はそれが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。

〔１〕（容量結合によりＡ／Ｄ変換器の入力信号経路に入力した周期信号に係る周波数成分の大きさに基づいて、入力信号経路の断線を検出する半導体装置）
本願の代表的な実施の形態に係る半導体装置（１００、１０１）は、信号を入力する入力端子（ＤＳＡＮ＿Ｐ、ＤＳＡＮ＿Ｎ）と、前記入力端子と電気的に接続される信号線（ＳＰ、ＳＮ）と、前記信号線の電圧を示すアナログ信号をディジタル信号に変換するアナログ・ディジタル変換部（２）と、所定の周波数（ｆｘ）の信号を生成し、容量素子（ＣＰ、ＣＦ、ＣＰ０〜ＣＰｎ、ＣＮ０〜ＣＮｎ）を介して前記信号線に出力する信号生成部（３、７）と、を有する。更に前記半導体装置は、前記アナログ・ディジタル変換部による変換結果に含まれる前記所定の周波数に係るスペクトルの大きさに基づいて、前記入力端子に接続される信号経路の断線の有無を判別可能にするデータ処理部（１）と、を有する。

これによれば、前記入力端子に接続される容量成分（例えば、ノイズ除去を目的として入力端子と接地ノードとの間に接続される外付け容量等）と前記信号生成部における容量素子の容量成分の比率に応じて、前記アナログ・ディジタル変換部に入力される前記所定の周波数の信号成分の大きさが決まる。例えば、入力端子に接続される信号経路が断線している場合、前記入力端子に接続される容量成分が小さくなり、前記アナログ・ディジタル変換部による変換結果に含まれる前記所定の周波数に係るスペクトルは、断線していない場合に比べて大きくなる。そこで、項１の半導体装置のように、前記変換結果に含まれる前記所定の周波数に係るスペクトルの大きさを判別することで、Ａ／Ｄ変換器の入力信号線の断線を検出することができる。また、本半導体装置は、特許文献１及び２に記載された装置のようにアナログ・ディジタル変換結果が特定の値（特定の電圧値）になったことを検出するのではなく、特定の周波数成分の大きさに基づいて断線の有無を判別するものであるから、応用範囲が広い。例えば、逐次比較型のＡ／Ｄ変換器を備えるシステムのみならず、ΔΣ方式のＡ／Ｄ変換器や差動方式のＡ／Ｄ変換器を備えるシステムにも適用することができる。また、例えば、センサからの検出信号をＡ／Ｄ変換器によってディジタル信号に変換し、その変換結果の周波数解析を行うようなデータ処理システムを構成する半導体装置であれば、既存のデータ処理システムの周波数解析ブロックを用いて断線検出を行うことができ、断線検出のための周波数解析ブロックを新たに設ける必要はない。

〔２〕（所定の閾値と比較することにより断線の有無を判別する）
項１の半導体装置において、前記データ処理部は、前記所定の周波数に係るスペクトルが所定の閾値（４００、５００）よりも大きい場合には、前記入力端子に接続される信号経路に断線が有ると判断し、前記所定の周波数に係るスペクトルが所定の閾値よりも小さい場合には、前記入力端子に接続される信号経路に断線が無いと判断する。

これによれば、前記所定の周波数に係るスペクトルの大きさから、容易に断線の有無を検出することができる。

〔３〕（周波数調整用レジスタ）
項１又は２の半導体装置は、第１記憶部（２０４）を更に有する。本半導体装置において、前記信号生成部（７）は、前記第１記憶部に設定された値に基づいて前記所定の周波数を決定する。

これによれば、前記半導体装置を適用するシステムに合わせて、断線検出に用いる信号の周波数を容易に変更することができる。例えば、前述の例のように、センサの検出結果の周波数解析を行うデータ処理システムを構成する半導体装置の場合、データ処理システムによる検出目的とされる周波数帯域内に、断線検出のための前記所定の周波数が含まれると、主たるデータ処理システムの動作に悪影響を与える虞があるが、本半導体装置によれば、適用するシステムに応じて前記所定の周波数を容易に調整することができるので、適用するシステム本来の主たる機能に与える影響を小さくすることができる。

〔４〕（容量値調整用レジスタ）
項１乃至３の何れかの半導体装置は第２記憶部（２０３）を更に有する。本半導体装置において、前記信号生成部は、前記第２記憶部に設定された値に基づいて前記容量素子の容量値を決定する。

これによれば、前記半導体装置を適用するシステムに合わせて、断線検出の検出感度を容易に変更することができる。例えば、前記入力端子に接続される容量成分（例えば、ノイズ除去のための外付け容量）が比較的小さいシステムでは、断線が起きていない状態での前記所定の周波数に係る信号成分が大きくなるので、断線の誤検出の可能性が高くなるが、本半導体装置によれば、前記容量素子の容量値を調整することで、適用するシステムに適した検出感度になるように調整することが可能となる。また、断線が起きていない正常状態において、前記所定の周波数の信号によるアナログ・ディジタル変換結果に与える影響を小さくすることができる。

〔５〕（判定基準調整用レジスタ）
項２乃至４の何れかの半導体装置は、第３記憶部（２０５）を更に有する。本半導体装置において、前記データ処理部は、前記第３記憶部に設定された値に基づいて前記所定の閾値を決定する。

これによれば、前記半導体装置を適用するシステムに合わせて、断線検出の検出感度を容易に変更することができる。例えば、前記入力端子に接続される容量成分が比較的小さいシステムでは、断線が起きていない状態での前記所定の周波数に係る信号成分が大きくなるので、断線の誤検出の可能性が高くなるが、本半導体装置によれば、前記所定の閾値を調整することで、適用するシステムに適した検出感度になるように調整することが可能となる。

〔６〕（正弦波発生回路）
項１乃至５の何れかの半導体装置において、前記所定の周波数の信号は、正弦波信号である。

これによれば、前記アナログ・ディジタル変換部に入力される信号に重畳される前記所定の周波数以外の周波数成分の信号をより少なくすることができ、例えば、適用するシステム本来の主たる機能に与える影響を小さくすることができる。

〔７〕（システム）
本願の代表的な実施の形態に係るデータ処理システム（Ｕ１、Ｕ２）は、センサ（２００）と、前記センサからの検出信号を入力するフィルタ回路（３００）と、前記フィルタ回路を介して出力された前記検出信号を前記入力端子に入力する請求項１に記載の半導体装置（１００、１０１）と、を有する。

これによれば、前記センサと前記半導体装置との間の信号経路の断線を検出することができるから、センサからの信号を前記半導体装置が正常に受け付けているか否かを容易に判別することができる。

〔８〕（入力端子の外付け容量＞結合容量）
項７のデータ処理システムにおいて、前記信号生成部における容量素子（ＣＰ、ＣＮ、ＣＰ０〜ＣＰｎ、ＣＮ０〜ＣＮｎ）は、前記フィルタ回路を構成する容量素子（ＣＦＰ、ＣＦＮ）よりも容量値が小さい。

これによれば、断線が起きていない正常状態における前記センサの検出信号に重畳される前記所定の周波数の信号成分を小さくすることができる。これにより、断線が起きていない正常状態において前記所定の周波数の信号によるアナログ・ディジタル変換結果に与える影響を小さくすることができ、前記データ処理システム本来の主たる機能に与える影響を小さくすることができる。

〔９〕（ΔΣＡＤＣ）
項８のデータ処理システムにおいて、前記アナログ・ディジタル変換部は、デルタ・シグマ変調方式に基づいて、入力したアナログ信号を所要のサンプリングレートに基づくディジタル信号に変換して出力する。

２．実施の形態の詳細
実施の形態について更に詳述する。

≪実施の形態１≫
図１は、本願の一実施の形態に係る半導体装置を例示するブロック図である。

同図に示されるデータ処理システムＵ１は、例えば自動車のエンジン制御システムの一部であって、例えば、エンジンのノッキングを検出してプラグの点火時期を制御するノックコントロールシステムである。データ処理システムＵ１は、例えば、センサ２００、フィルタ回路３００、及び半導体装置１００を有する。センサ２００は、例えばノックセンサであり、自動車のエンジンブロックに取り付けられ、エンジンの振動を検出し検出信号を出力する。センサ２００は、特に制限されないが、例えば差動出力とされる。アナログ信号である前記検出信号は、フィルタ回路３００を介して半導体装置１００に入力される。フィルタ回路３００は、センサ２００からの検出信号に対するノイズを除去する。フィルタ回路３００は、特に制限されないが、ＲＣローパスフィルタである。例えば、図１に示されるように、センサ２００の正側の検出信号を伝達する信号経路に抵抗ＲＰ及び容量ＣＦＰからなるローパスフィルタが設けられ、負側の検出信号を伝達する信号経路に抵抗ＲＮ及び容量ＣＦＮからなるローパスフィルタが設けられる。具体的には、抵抗ＲＰは、センサ２００の正側の出力端子（＋）と半導体装置の正側の入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐとの間の信号経路に挿入され、容量ＣＦＰは、抵抗ＲＰと入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐが接続されるノードと接地ノード（グラウンド）との間に接続される。同様に、抵抗ＲＮはセンサ２００の負側の出力端子（−）と半導体装置の負側の入力端子ＤＳＡＮ＿Ｎとの間の信号経路に挿入され、容量ＣＦＮは、抵抗ＲＮと入力端子ＤＳＡＮ＿Ｎが接続されるノードと接地ノードとの間に接続される。

半導体装置１００は、センサ２００からの信号を受けてエンジンを制御するためのマイクロコントローラであり、例えばＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）を構成する１つの半導体集積回路である。半導体装置１００は、特に制限されないが、公知のＣＭＯＳ集積回路の製造技術によって１個の単結晶シリコンのような半導体基板に形成される。具体的には、半導体装置１００は、センサ２００から出力されたアナログ形式の検出信号をフィルタ回路３００を介して入力するとともに前記検出信号をディジタル信号に変換する。そして、半導体装置１００は、その変換結果の周波数解析を行うことによりノッキングの発生の有無を判別するとともに、判別結果に応じてプラグの点火タイミングを制御する。半導体装置１００は、自己診断機能として、センサ２００からの検出信号を入力する信号経路の断線を検出する機能を備える。

半導体装置１００は、例えば、入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐ、ＤＳＡＮ＿Ｎ、データ処理部１、アナログ・ディジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）２、信号生成部３、内部周辺バス４、内部メインバス５、並びに、その他の図示されない複数の入力端子及び出力端子や周辺回路等から構成される。

入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐ、ＤＳＡＮ＿Ｎは、センサ２００からの検出信号（アナログ信号）を入力するため端子である。例えば、入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐは信号線ＳＰと接続され、入力端子ＤＳＡＮ＿Ｎは信号線ＳＮと接続される。なお、以下の説明では、参照符号ＳＰ及びＳＮは、信号線のみならずその信号線を伝播する信号をも表すものとする。

データ処理部１は、例えば、ＣＰＵ１０、メモリ（ＭＲＹ）１１、ＤＭＡ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｃｃｅｓｓ）コントローラ（ＤＭＡＣ）１２等から構成される。ＣＰＵ１０は、メモリ１１に格納されたプログラムに係る命令を実行し、演算やデータ転送などの処理を行うプロセッサであり、半導体装置１００全体の統括的な制御を行う。メモリ１２は、例えばＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）や内蔵ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）であり、ＣＰＵ１０が実行するプログラム、及び当該プログラム処理によって算出されたデータを記憶するための記憶領域を備える。ＤＭＡコントローラ１２は、ＣＰＵ１０のアクセスによって設定された転送制御情報に従ってデータ転送制御を行う。データ処理部１は、半導体装置１００全体の統括的な制御を行う。例えば、データ処理部１は、内部周辺バス４や内部メインバス５を介してＡ／Ｄ変換部２と接続され、Ａ／Ｄ変換部２によるＡ／Ｄ変換処理の実行と停止を制御するとともに、Ａ／Ｄ変換結果を取得し、各種のデータ処理を実行する。データ処理部１によるデータ処理の詳細は後述する。

信号生成部３は、入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐ，ＤＳＡＮ＿Ｎに接続される信号経路における断線検出のための信号（以下、「断線検出用信号」とも称する。）を生成し、信号線ＳＰ、ＳＮに供給する。具体的には、信号生成部３は、発振回路３０及び容量ＣＰ、ＣＮを含んで構成される。発振回路３０は、断線検出用信号として、特定の周波数の周期信号を生成する。前記断線検出用信号としては、周期信号であれば特に制限されないが、データ処理システムＵ１の主たる動作（例えばノッキングコントロールに係る動作）に与える影響を小さくするため、周期信号に含まれる周波数成分が少ない信号が望ましい。本実施の形態では、断線検出用信号は、周波数ｆｘの正弦波信号であるとして説明する。

容量ＣＰは、発振回路３０の出力端子と信号線ＳＰとの間に接続され、容量ＣＮは、発振回路３０の出力端子と信号線ＳＮとの間に接続される。これにより、発振回路３０から出力された断線検出用信号のＡＣ成分が、容量ＣＰ、ＣＮを介して信号線ＳＰ、ＳＮに入力される。すなわち、Ａ／Ｄ変換部２には、センサ２００からの検出信号に断線検出用信号のＡＣ成分が重畳された信号ＳＰ、信号ＳＮが入力される。

Ａ／Ｄ変換部２は、Ａ／Ｄ変換処理部２１と制御部２０とから構成される。制御部２０は、例えば、制御レジスタ２０２及び変換結果格納レジスタ２０１等のレジスタ群から構成される。制御レジスタ２０２には、例えば、Ａ／Ｄ変換処理部２１によるＡ／Ｄ変換処理の実行と停止を指示する情報がＣＰＵ１０によって設定される。変換結果格納レジスタ２０１には、Ａ／Ｄ変換処理部２１による変換結果が格納される。

Ａ／Ｄ変換処理部２１の正側の入力端子ＩＮＰは信号線ＳＰに接続され、負側の入力端子ＩＮＮは信号線ＳＮに接続される。Ａ／Ｄ変換処理部２１は、制御レジスタ２０２の設定値に従って、正側の入力端子ＩＮＰと負側の入力端子ＩＮＮとの間の電圧を示すアナログ信号に対してＡ／Ｄ変換処理を行い、変換結果を変換結果格納レジスタ２０１に格納する。特に制限されないが、本実施の形態では、Ａ／Ｄ変換処理部２１がΔΣ方式のＡ／Ｄ変換回路であるとして説明する。

図２は、Ａ／Ｄ変換部２の入力段の詳細な回路構成を例示するブロック図である。同図には、説明の便宜上、半導体装置１００の機能部として、Ａ／Ｄ変換処理部２１、信号生成部３００、及び入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐ、ＤＳＡＮ＿Ｎのみが図示される。

図２に示されるように、Ａ／Ｄ変換処理部２１は、ΔΣ変調器２１０とディジタルフィルタ２１１とを含んで構成される。例えば、ＣＰＵ１０が内部メインバス５及び内部周辺バス４を経由して制御レジスタ２０２にＡ／Ｄ変換のための各種制御情報を設定すると、ΔΣ変調器２１０が、設定された制御情報に従って正側の入力端子ＩＮＰと負側の入力端子ＩＮＮとの間の電圧を示すアナログ信号をオーバーサンプリングし、オーバーサンプリングすることによって取得したデータをΔΣ変調方式によって変調し、変調データを出力する。ディジタルフィルタ２１１は、ΔΣ変調器２１０から出力された変調データに対して所定のフィルタ処理を行うとともに、所要のサンプリングレート（サンプリング周波数）に基づくディジタル信号にダウンサンプリングして出力する。ディジタルフィルタ２１１から出力されたディジタル信号は、Ａ／Ｄ変換結果として変換結果格納レジスタ２０１に格納される。

データ処理部１は、内部メインバス５及び内部周辺バス４を介して、変換結果格納レジスタ２０１にアクセスし、Ａ／Ｄ変換結果を取得する。データ処理部１は、取得したＡ／Ｄ変換結果に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）演算を行い、時間の関数で表される時間軸信号を周波数軸上の信号（スペクトル信号）に変換する。そして、データ処理部１は、前記スペクトル信号に基づいてセンサ２００の検出信号にノッキングに起因するエンジンの振動に応じた特定の周波数帯域の信号成分が含まれるか否かを判別することにより、ノッキングの発生の有無を判別し、当該判別結果に応じてプラグの点火タイミングを制御するための制御データを生成する。前記制御データは、例えば内部メインバス５や図示されないインターフェース回路等を介して外部に出力される。

更に、データ処理部１は、入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐ，ＤＳＡＮ＿Ｎに接続される信号経路における断線検出のためのデータ処理を行う。具体的には、データ処理部１は、前述の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）演算によって得たスペクトル信号を参照し、Ａ／Ｄ変換結果に含まれる断線検出用信号に係る周波数成分（周波数ｆｘ）の大きさを判別する。例えば、データ処理部１は、周波数ｆｘにおけるスペクトル信号の大きさが所定の閾値を超えているか否かを判別することにより、入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐ，ＤＳＡＮ＿Ｎに接続される信号経路における断線の有無を判別する。以下、断線検出について詳細に説明する。

前述したように、Ａ／Ｄ変換部２に入力される信号ＳＰ、ＳＮは、センサ２００からの検出信号に断線検出用信号のＡＣ成分が重畳された信号である。重畳される断線検出用信号のＡＣ成分の大きさは、入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐ、ＤＳＡＮ＿Ｎの容量成分によって決定される。具体的には、主に、信号線ＳＰ（ＳＮ）と発振回路３０の出力端子との間に接続される容量ＣＰ（ＣＮ）と、信号線ＳＰ（ＳＮ）と外部の接地ノードとの間に接続される容量ＣＦＰ（ＣＦＮ）との容量比によって決定される。例えば、容量ＣＰに対する外付けの容量ＣＦＰの容量値が大きくなるほど、重畳される断線検出用信号のＡＣ成分は小さくなり、外付けの容量ＣＦＰの容量値が小さくなるほど、重畳される断線検出用信号のＡＣ成分は大きくなる。したがって、入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐ、ＤＳＡＮ＿Ｎにおいて断線が発生する前と後では、検出信号に重畳される断線検出用信号のＡＣ成分の大きさが異なる。例えば、容量ＣＦＰとして数μＦの容量を接続し、容量ＣＦＰとして数ｐＦの容量を接続したときに、入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐとセンサ２００との間の信号経路が断線した場合を考える。この場合、信号線ＳＰには容量ＣＦＰが接続されず容量ＣＰのみが接続されるため、検出信号に重畳される断線検出用信号のＡＣ成分は大きくなる。他方、信号線ＳＮには容量ＣＰと容量ＣＦＮとが接続されるため、容量ＣＰと容量ＣＦＮの容量比により、検出信号に重畳される断線検出用信号のＡＣ成分は小さくなる。そこで、半導体装置１００では、入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐ、ＤＳＡＮ＿Ｎの容量成分による信号ＳＰ、ＳＮに含まれる断線検出用信号のＡＣ成分の差異を利用し、断線検出を行う。なお、断線していないときのＡ／Ｄ変換結果に与える影響を小さくするため、容量ＣＰ、ＣＮは、フィルタ回路３００における容量ＣＦＰ、ＣＦＮよりも小さい容量値とされる。

図３は、断線していない場合のＡ／Ｄ変換結果のスペクトル特性を例示する説明図である。同図に示される参照符号４０１は、入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐに接続される信号経路及び入力端子ＤＳＡＮ＿Ｎに接続される信号経路の双方に断線が無い場合におけるＡ／Ｄ変換結果のスペクトル特性の一例である。例えば、ノッキングが発生している場合、ノッキングに起因するエンジンの振動に応じた周波数ｆｄの信号成分が検出される。他方、重畳される断線検出用信号に起因する信号成分（周波数ｆｘ）は小さい。

図４は、断線している場合のＡ／Ｄ変換結果のスペクトル特性を例示する説明図である。同図に示される参照符号４０２は、例えば、入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐに接続される信号経路が断線している場合におけるＡ／Ｄ変換結果のスペクトル特性の一例である。この場合、前述したように、信号線ＳＰには容量ＣＰのみが接続されるため、信号ＳＰに含まれる断線検出用信号に起因する信号成分（周波数ｆｘ）が大きくなる。

データ処理部１は、断線検出用信号に起因する信号成分（周波数ｆｘ）のスペクトル信号の大きさが、閾値４００を超えるか否かによって、断線の有無を判別する。例えば、図３のように周波数ｆｘでのスペクトル信号の大きさが閾値４００を超えない場合には、データ処理装置１は、入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐに接続される信号経路及び入力端子ＤＳＡＮ＿Ｎに接続される信号経路が断線していないと判断する。一方、図４のように周波数ｆｘでのスペクトル信号の大きさが閾値４００を超える場合には、データ処理装置１は、入力端子ＤＳＡＮ＿Ｐに接続される信号経路又は入力端子ＤＳＡＮ＿Ｎに接続される信号経路が断線していると判断する。なお、断線検出のためのデータ処理を行うタイミングは、特に制限されない。例えば、データ処理システムＵ１のパワーオンリセット解除後に行ってもよいし、データ処理システムＵ１の動作中に定期的に行っても良い。

以上のように、実施の形態１に係る半導体装置１００は、断線の有無に応じてＡ／Ｄ変換部２の入力信号経路における容量成分が変化することを利用し、容量結合により前記入力信号経路に入力した周期信号に係る周波数成分の大きさに基づいて、Ａ／Ｄ変換部２の入力信号経路の断線を検出することができる。また、半導体装置１００は、前述の特許文献１及び２のように断線時のＡ／Ｄ変換結果が特定の電圧値（ＤＣ値）になるようにするものではないから、本実施の形態のようにＡ／Ｄ変換部２が入力段のインピーダンスが低いΔΣ方式のＡ／Ｄ変換器を備えるデータ処理システムに適用することができるし、差動方式のＡ／Ｄ変換器や逐次比較型のＡ／Ｄ変換器を備えるデータ処理システムにも適用することができる。また、本半導体装置はＡ／Ｄ変換器を用いた様々なデータ処理システムに適用することができるが、上述したノックコントロールシステムのように、センサからの検出信号をＡ／Ｄ変換器によってディジタル信号に変換し、その変換結果の周波数解析を行うようなデータ処理システムに適用すると、特に有効である。すなわち、このようなデータ処理システムであれば、断線検出のために周波数解析ブロックを別途設けずに、既存のデータ処理システムの周波数解析ブロックを用いて断線検出のための周波数解析を行うことができる。これにより、データ処理システムとしての主たる目的を実現するための機能部の大規模な設計変更を行うことなく、回路規模の増大を抑えて、断線検出機能を追加することができる。以上のように断線検出機能を備える半導体装置１００は、Ａ／Ｄ変換器を備えるシステムに広く適用することができる。

≪実施の形態２≫
図５は、本願の実施の形態２に係る半導体装置を例示するブロック図である。

同図に示されるデータ処理システムＵ２を構成する半導体装置１０１は、半導体装置１００の機能に加えて、断線検出の検出感度や断線検出用信号の周波数を調整する機能を備える。なお、同図において、データ処理システムＵ１と同様の構成要素には同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

図５に示されるように、Ａ／Ｄ変換部６における制御部２２は、前述した制御レジスタ２０２及び変換結果格納レジスタ２０１に加え、検出感度設定レジスタ２０５、周波数設定レジスタ２０４、及び容量値設定レジスタ２０３を更に備える。検出感度設定レジスタ２０５、周波数設定レジスタ２０４、及び容量値設定レジスタ２０３は、データ処理部１によってアクセス可能とされ、例えば半導体装置１０１のパワーオンリセット解除後に、ＣＰＵ１によって内部メインバス５及び内部周辺バス４を介して所定の値が設定される。

検出感度設定レジスタ２０５には、断線の有無を判別するための基準となる、断線検出用信号に起因する周波数成分のスペクトル信号の大きさを判定するための閾値を示す値が設定される。例えば、データ処理部１は、断線検出のための処理を行う際、検出感度設定レジスタ２０５の設定値に応じて前記閾値を決定し、断線検出用信号に起因する周波数成分のスペクトル信号が前記閾値を超えているか否か判別することにより、断線の有無を判定する。周波数設定レジスタ２０４及び容量値設定レジスタ２０３の詳細については後述する。

半導体装置１０１における信号生成部７は、発振回路７０と、容量回路ＣＰＸ、ＣＮＸとを備える。

発振回路７０は、周波数設定レジスタ２０４の設定値に応じた周波数の断線検出用信号を生成して出力する。周波数設定レジスタ２０４には、断線検出用信号の周波数を指示する値が設定される。

容量回路ＣＰＸは、例えば、複数の容量ＣＰ０〜ＣＰｎ（ｎは１以上の整数）と、複数のスイッチ素子ＳＷＰ０〜ＳＷＰｎとから構成される。同様に、容量回路ＣＮＸは、例えば、複数の容量ＣＮ０〜ＣＮｎと、複数のスイッチ素子ＳＷＮ０〜ＳＷＮｎとから構成される。容量回路ＣＰＸ、ＣＮＸの容量値は、容量値設定レジスタ２０３によって決定される。容量値設定レジスタ２０３には、容量回路ＣＰＸ、ＣＮＸの容量値を指示する値が設定される。例えば、容量回路ＣＰＸは、容量値設定レジスタ２０３の設定値に従ってスイッチ素子ＳＷＰ０〜ＳＷＰｎのオン・オフが制御されることにより、発振回路７０の出力端子と信号線ＳＰとの間に接続される容量の容量値が可変にされる。これにより、外付け容量ＣＦＰと容量回路ＣＰＸの容量比を調整することができる。同様に、容量値設定レジスタ２０３の設定値に従ってスイッチ素子ＳＷＮ０〜ＳＷＮｎのオン・オフが制御されることにより、外付け容量ＣＦＮと容量回路ＣＮＸの容量比を調整することができる。容量回路ＣＰＸ、ＣＮＸの容量比を調整することにより、検出信号に重畳される断線検出用信号のＡＣ成分の大きさ、すなわち、Ａ／Ｄ変換結果に係るスペクトル信号の周波数ｆｘにおける大きさを調整することができる。

図６は、Ａ／Ｄ変換部６によるＡ／Ｄ変換結果のスペクトル特性を例示する説明図である。同図において参照符号５００は、断線検出用信号に起因する周波数成分のスペクトル信号の大きさを判定するための閾値を表し、周波数ｆｘは発振回路７０によって生成される断線検出用信号の周波数を表す。

図６に示されるように、閾値５００の大きさは、検出感度設定レジスタ２０５の設定値に応じて調整可能にされる。これにより、断線検出の検出感度を調整することができる。例えば、容量値の小さい外付け容量ＣＦＰ、ＣＦＮを用いるデータ処理システムの場合、外付け容量ＣＦＰ、ＣＦＮに対する容量回路ＣＰＸ、ＣＮＸの容量の比率が大きくなるので、断線が起きていない正常動作時における前記検出信号に重畳される断線検出用信号のＡＣ成分が大きくなる。その結果、断線が起きていない正常動作時におけるＡ／Ｄ変換結果のスペクトル信号の周波数ｆｘでのピーク値が大きくなり、誤検出の虞がある。本半導体装置１０１によれば、閾値５００の大きさを調整することができるので、データ処理システムの構成によらず断線検出の検出感度を最適な状態にすることができる。

また、図６に示されるように、周波数ｆｘは、周波数設定レジスタ２０４の設定値に応じて調整可能にされる。これにより、データ処理システム主たる検出目的とされる周波数帯域内に、断線検出のための前記所定の周波数が含まれないように調整することが可能となり、主たるデータ処理システムの動作に与える影響を小さくすることができる。例えば、搭載するエンジンによってノッキング発生時の検出信号の周波数が変わるノッキングコントロールシステムのように、検出目的の周波数が搭載するシステムによって変わるような場合には、主たる検出動作に影響を与えないように、断線検出用信号の周波数を調整することができる。

更に、図６に示されるように、周波数ｆｘにおけるスペクトル信号の大きさは、容量値設定レジスタ２０３の設定値によって調整可能にされる。例えば、容量回路ＣＰＸ（ＣＮＸ）の容量値を小さくすると、参照符号５０２のように周波数ｆｘにおけるスペクトル信号のピークが小さくなり、容量回路ＣＰＸ（ＣＮＸ）の容量値を大きくすると、参照符号５０１のように周波数ｆｘにおけるスペクトル信号のピークが大きくなる。このように、容量回路ＣＰＸ，ＣＮＸの容量値を調整することで、適用するシステムに適した検出感度になるように調整することが可能となる。例えば、外付け容量ＣＦＰ、ＣＦＮが小さいデータ処理システムでは、容量回路ＣＰＸ、ＣＮＸの容量値を小さくすることで、断線が起きていない正常状態において、断線検出信号によるアナログ・ディジタル変換結果に与える影響を小さくすることができる。

以上、実施の形態２に係る半導体装置１０１によれば、半導体装置１００と同様に、Ａ／Ｄ変換部２の入力信号経路の断線を検出することができる。また、上述したように、断線検出の検出感度や断線検出用信号の周波数を調整する機能を備えることで、応用範囲がより広がり、より多くのＡ／Ｄ変換器を備えるシステムに適用することが可能となる。

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、発振回路３０、７０によって生成される断線検出用信号が正弦波信号である場合を例示したが、これに限られず、矩形波（パルス）信号等の非正弦波信号であってもよい。

また、フィルタ回路３００として、ＣＲローパスフィルタを例示したが、これに限られない。例えば、容量ＣＰ、ＣＮとの容量比の関係で、Ａ／Ｄ変換部２の入力信号に重畳される断線検出用信号のＡＣ成分の大きさが断線の有無によって相違する構成のフィルタ回路であれば、半導体装置１００、１０１によって断線検出を行うことができる。例えば、ＯＰアンプを用いたアクティブフィルタでも良い。

また、実施の形態２における容量回路ＣＰＸ、ＣＮＰの構成は、図５に示される回路構成に限られず、容量値が調整できる構成であれば別の回路構成であってもよい。

Ｕ１ データ処理システム
２００ センサ
３００ フィルタ回路
ＲＰ、ＲＮ 外付けの抵抗
ＣＦＰ、ＣＦＮ 外付けの容量
１００ 半導体装置
ＤＳＡＮ＿Ｐ 正側の入力端子
ＤＳＡＮ＿Ｎ 負側の入力端子
ＳＰ 信号線、及び当該信号線を伝播する信号
ＳＮ 信号線、及び当該信号線を伝播する信号
１ データ処理部
１０ ＣＰＵ
１１ メモリ部（ＭＲＹ）
１２ ＤＭＡＣ
３ 信号生成部
３０ 発振回路
ＣＰ、ＣＮ 容量
４ 内部周辺バス
５ 内部メインバス
２ Ａ／Ｄ変換部
２０ 制御部
２０１ 変換結果格納レジスタ
２０２ 制御レジスタ
２１ Ａ／Ｄ変換処理部
２１０ ΔΣ変調器
２１１ ディジタルフィルタ
ＩＮＰ ΔΣ変調器２１０の正側の入力端子
ＩＮＮ ΔΣ変調器２１０の負側の入力端子
４０１ 断線していない場合のＡ／Ｄ変換結果のスペクトル特性
４０２ 断線している場合のＡ／Ｄ変換結果のスペクトル特性
４００ 閾値
ｆｄ ノッキングに起因するエンジンの振動に応じた周波数
ｆｘ 断線検出用信号の周波数
Ｕ２ データ処理システム
１０１ 半導体装置
６ Ａ／Ｄ変換部
２２ 制御部
２０３ 容量値設定レジスタ
２０４ 周波数設定レジスタ
２０５ 検出感度設定レジスタ
７ 信号生成部
７０ 発振回路
ＣＰＸ、ＣＮＸ 容量回路
ＣＰ０〜ＣＰｎ、ＣＮ０〜ＣＮｎ 容量
ＳＷＰ０〜ＳＷＰｎ、ＳＷＮ０〜ＳＷＮｎ スイッチ素子
５００ 閾値
５０１ 容量回路ＣＰＸ（ＣＮＸ）を大きくした場合のＡ／Ｄ変換結果のスペクトル特性
５０２ 容量回路ＣＰＸ（ＣＮＸ）を小さくした場合のＡ／Ｄ変換結果のスペクトル特性

Claims (9)

1. 信号を入力する入力端子と、
   前記入力端子と電気的に接続される信号線と、
   前記信号線の電圧を示すアナログ信号をディジタル信号に変換するアナログ・ディジタル変換部と、
   所定の周波数の信号を生成し、容量素子を介して前記信号線に出力する信号生成部と、
   前記アナログ・ディジタル変換部による変換結果に含まれる前記所定の周波数に係るスペクトルの大きさに基づいて、前記入力端子に接続される信号経路の断線の有無を判別可能にするデータ処理部と、を有する半導体装置。
2. 前記データ処理部は、前記所定の周波数に係るスペクトルが所定の閾値よりも大きい場合には、前記入力端子に接続される信号経路に断線が有ると判断し、前記所定の周波数に係るスペクトルが所定の閾値よりも小さい場合には、前記入力端子に接続される信号経路に断線が無いと判断する請求項１に記載の半導体装置。
3. 第１記憶部を更に有し、
   前記信号生成部は、前記第１記憶部に設定された値に基づいて前記所定の周波数を決定する請求項２に記載の半導体装置。
4. 第２記憶部を更に有し、
   前記信号生成部は、前記第２記憶部に設定された値に基づいて前記容量素子の容量値を決定する請求項２に記載の半導体装置。
5. 第３記憶部を更に有し、
   前記データ処理部は、前記第３記憶部に設定された値に基づいて前記所定の閾値を決定する請求項２に記載の半導体装置。
6. 前記所定の周波数の信号は、正弦波信号である請求項２に記載の半導体装置。
7. センサと、
   前記センサからの検出信号を入力するフィルタ回路と、
   前記フィルタ回路を介して出力された前記検出信号を前記入力端子に入力する請求項１に記載の半導体装置と、を有するデータ処理システム。
8. 前記信号生成部における容量素子は、前記フィルタ回路を構成する容量素子よりも容量値が小さい請求項７に記載のデータ処理システム。
9. 前記アナログ・ディジタル変換部は、デルタ・シグマ変調方式に基づいて、入力したアナログ信号を所要のサンプリングレートに基づくディジタル信号に変換して出力する請求項８に記載のデータ処理システム。

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