JP2014206478A

JP2014206478A - 信号処理装置

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Publication number: JP2014206478A
Application number: JP2013084637A
Authority: JP
Inventors: 寛岡田; Hiroshi Okada
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2014-10-30

Abstract

【課題】波形信号の振幅のピーク値とボトム値とを検出する信号処理装置において、電気ノイズによる誤判定を排除する。【解決手段】振幅・周期判定部２６は、波形信号の振幅と振幅閾値設定部２４により設定された振幅用閾値とを比較すると共に、波形信号の周期と周期閾値設定部２５により設定された周期用閾値とを比較する。そして、振幅のピーク値及びボトム値が振幅正常範囲内であり、かつ、波形信号の周期が周期正常範囲内である場合、振幅・周期判定部２６は波形信号の振幅のピーク値及びボトム値が正常であると判定し、当該ピーク値及びボトム値を出力する。これにより、電気的ノイズによって波形信号の振幅が瞬間的に変化した場合のピーク値及びボトム値を正常値から除外することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、波形信号の振幅のピーク値とボトム値とを検出する信号処理装置に関する。

従来より、波形信号の振幅のピーク値とボトム値とを検出する信号処理装置が、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、周期的な波形信号と閾値とを比較することにより、波形信号の振幅が閾値を上回る場合には当該振幅のピーク値を検出し、波形信号の振幅が閾値を下回る場合には当該振幅のボトム値を検出するように構成された信号処理装置が提案されている。

特許第３３３６６６８号公報

しかしながら、上記従来の技術では、信号処理装置は波形信号の振幅と閾値とを比較して当該振幅のピーク値とボトム値とを検出しているので、電気的ノイズによって波形信号の振幅が瞬間的に変化した場合にも振幅のピーク値またはボトム値を検出してしまう。このため、信号処理装置が誤判定したピーク値やボトム値を出力してしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、波形信号の振幅のピーク値とボトム値とを検出する信号処理装置において、電気ノイズによる誤判定を排除することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、センサ素子（１０）によって検出された波形信号を入力し、当該波形信号の振幅のピーク値及びボトム値を検出するピーク値・ボトム値検出部（２３）と、ピーク値・ボトム値検出部（２３）によって検出された振幅のピーク値とボトム値とから振幅用閾値を設定する振幅閾値設定部（２４）と、を備えている。

また、一定の周波数の信号から一定の範囲の周期の信号を生成し、当該一定の範囲の周期の中から周期用閾値を設定する周期閾値設定部（２５）と、波形信号の振幅と振幅閾値設定部（２４）により設定された振幅用閾値とを比較すると共に、波形信号の周期と周期閾値設定部（２５）により設定された周期用閾値とを比較する振幅・周期判定部（２６）と、を備えている。

そして、振幅・周期判定部（２６）は、振幅のピーク値及びボトム値が振幅正常範囲内であり、かつ、波形信号の周期が周期正常範囲内である場合、当該波形信号の振幅のピーク値及びボトム値が正常であると判定し、当該ピーク値及びボトム値により出力することを特徴とする。

これによると、振幅・周期判定部（２６）によって波形信号の周期が周期正常範囲に含まれているか否かについても判定されるので、電気的ノイズによって波形信号の振幅が瞬間的に変化した場合のピーク値及びボトム値を正常値から除外することができる。したがって、信号処理装置において電気ノイズによる誤判定を排除することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る信号処理回路を含んだ回転検出装置の構成図である。図１の増幅部の具体的な回路構成図である。波形信号の振幅のピーク値及びボトム値を示した図である。波形信号の振幅及び周期が正常な範囲を示した図である。波形信号の周期が周期用閾値の下限値を下回る場合のタイミングチャートである。波形信号の周期が周期用閾値の上限値を上回る場合のタイミングチャートである。第２実施形態に係る信号処理装置の構成の一部を示した回路図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る信号処理回路は、例えば車両のエンジンのクランクやカム角等の回転位置を検出する回転センサから出力される信号を２値化処理して出力する回転検出装置に適用される。図１に示されるように、回転検出装置は、センサ素子１０と信号処理装置２０とを備えて構成されている。

センサ素子１０は、図示しない回転体に対向配置された一対の磁気抵抗素子１１、１２を有している。磁気抵抗素子１１、１２には、電源が直列に接続されている。また、磁気抵抗素子１１、１２の中点１３が信号処理装置２０の入力端子２１を介して増幅部２２に接続されている。磁気抵抗素子１１、１２は材料に起因した温度特性を有している。

なお、回転体は、例えば円板の側面に断続的に突起が設けられたギヤや、円板の側面にＮ極とＳ極が交互に着磁されたもの等で構成されている。

そして、磁気抵抗素子１１、１２は、回転体の回転位置に応じて抵抗値を変化させる。その結果、磁気抵抗素子１１、１２の中点１３の電圧が変化し、センサ素子１０から電圧の波形信号が出力される。

信号処理装置２０は、増幅部２２、ピーク値・ボトム値検出部２３、振幅閾値設定部２４、周期閾値設定部２５、及び振幅・周期判定部２６を備えて構成されている。

増幅部２２は、センサ素子１０から波形信号を入力すると共に、当該波形信号を所定の増幅率で増幅する増幅回路である。具体的には、図２に示されるように、増幅部２２は、４個の抵抗２２ａ〜２２ｄと、オペアンプ２２ｅと、を備えて構成されている。

抵抗２２ａは、入力端子２１とオペアンプ２２ｅの反転入力端子との間に接続されている。抵抗２２ｂは、電源とオペアンプ２２ｅの非反転入力端子との間に接続されている。抵抗２２ｃは、オペアンプ２２ｅの反転入力端子と出力端子との間に接続され、これにより負帰還が構成されている。抵抗２２ｄは、オペアンプ２２ｅの非反転入力端子とグランドとの間に接続されている。これにより、増幅部２２は差動増幅回路として構成されている。オペアンプ２２ｅの出力端子がピーク値・ボトム値検出部２３と振幅閾値設定部２４に出力される。

ここで、差動増幅回路は、波形信号に含まれる温度特性成分に対して逆の成分を用いて波形信号を補正することにより波形信号に含まれる温度特性成分をキャンセルし、当該温度特性を補正した波形信号を出力する。このため、抵抗２２ａとして薄膜やポリシリコン等の温度特性が小さい抵抗が用いられている。一方、抵抗２２ｃとして拡散抵抗等の温度特性が大きい抵抗が用いられる。これにより、磁気抵抗素子１１、１２の感度温度特性が増幅部２２によって打ち消されるように補正される。

ピーク値・ボトム値検出部２３は、センサ素子１０から波形信号を入力し、当該波形信号の振幅のピーク値及びボトム値を検出する。図３に示されるように、波形信号の振幅のピーク値は当該波形信号の振幅の最大値であり、波形信号の振幅のボトム値は当該波形信号の最小値である。このようなピーク値・ボトム値検出部２３は、例えば、ピーク値を検出すると共にピーク値を保持するピークホールド回路や、ボトム値を検出すると共にボトム値を保持するボトムホールド回路等を有して構成されている。なお、各ホールド回路は、ピーク値やボトム値をキャパシタ電圧として保持する回路を有していても良いし、デジタルデータとして保持する回路を有していても良い。

振幅閾値設定部２４は、波形信号を２値化して出力する２値化機能と、ピーク値・ボトム値検出部２３によって検出された振幅のピーク値とボトム値とから振幅用閾値を設定する振幅用閾値設定機能と、を有する回路部である。２値化機能は、振幅閾値設定部２４が増幅部２２から波形信号を入力し、波形信号の振幅と２値化閾値とを比較することにより波形信号をＨｉとＬｏの２値化信号に生成する機能である。例えば、振幅閾値設定部２４は、波形信号の振幅が２値化閾値よりも大きい場合にはＨｉの２値化信号を生成し、波形信号の振幅が２値化閾値よりも小さい場合にはＬｏの２値化信号を生成する。

また、振幅用閾値設定機能は、振幅閾値設定部２４が波形信号の最大振幅がセンサ素子１０の温度特性により変動したとしても、波形信号の振幅のピーク値及びボトム値が信号処理装置２０の動作上下限に影響しないように波形信号の振幅の上限値及び下限値を振幅用閾値として設定する機能である。すなわち、振幅閾値設定部２４は、センサ素子１０と回転体とのギャップから波形信号の最大振幅（＝振幅用閾値の上限値）と波形信号の最小振幅（＝振幅用閾値の下限値）とを設定する。「振幅用閾値の上限値」とは振幅用閾値のうちの上限側の閾値を指し、「振幅用閾値の下限値」とは振幅用閾値の下限側の閾値を指す。

そして、振幅閾値設定部２４は、波形信号を２値化した２値化信号と振幅用閾値を振幅・周期判定部２６に出力する。なお、振幅用閾値の設定には、センサ素子１０、磁石、回転体からセンサ素子１０までのギャップ、増幅部２２の増幅率等の設計も考慮される。

周期閾値設定部２５は、一定の周波数すなわち一定の周期の信号から一定の範囲の周期の信号を生成し、当該一定の範囲の周期の中から周期用閾値を設定する回路部である。このような周期閾値設定部２５は、発振器２７（ＯＳＣ）と分周回路２８とを備えて構成されている。

発振器２７は、一定の周波数で発振する図示しない振動子を有し、当該振動子によって一定の周波数の信号を生成して分周回路２８に出力する。また、分周回路２８は、発振器２７から一定の周波数の信号を入力し、当該信号から一定の範囲の周期の信号を生成する回路である。周期閾値設定部２５は、分周回路２８で分周した一定の範囲の周期の中から波形信号の周期として正常な範囲の下限値と上限値を周期用閾値としてそれぞれ設定し、振幅・周期判定部２６に出力する。すなわち、「周期用閾値の上限値」が周期用閾値のうちの上限側の閾値を指し、「周期用閾値の下限値」が周期用閾値の下限側の閾値を指す。

回転体が車両のエンジンに適用されるギヤの場合、ギヤの回転数は概略５０〜１００００ｒｐｍである。ギヤの歯を６０歯とすると回転周期は０．１ｍｓ〜２０ｍｓとなるので、発振器２７で生成される信号の周波数が１ＭＨｚの場合、歯のカウント数は１００〜２００００カウントとなる。このような場合には、分周回路２８は例えば１５段程度に構成される。このように６０歯のギヤの場合は、周期用閾値の下限値が０．１ｍｓ、周期用閾値の上限値が２０ｍｓに設定される。

振幅・周期判定部２６は、波形信号の振幅と周期が所定の範囲に含まれるか否かを判定する回路部である。具体的には、振幅・周期判定部２６は、波形信号の振幅と振幅閾値設定部２４により設定された振幅用閾値とを比較すると共に、波形信号の周期と周期閾値設定部２５により設定された周期用閾値とを比較する。

すなわち、振幅・周期判定部２６は増幅部２２から波形信号を入力し、図４に示されるように、波形信号の振幅のピーク値及びボトム値が振幅正常範囲内であるか否か、かつ、波形信号の周期が周期正常範囲内であるか否かを判定する。つまり、振幅・周期判定部２６は波形信号の振幅及び周期の両方が正常範囲内であるか否かを判定する。

そして、波形信号の振幅のピーク値及びボトム値が振幅正常範囲内であり、かつ、波形信号の周期が周期正常範囲内である場合、振幅・周期判定部２６は、波形信号の振幅のピーク値及びボトム値が正常であると判定する。また、振幅・周期判定部２６は、正常であると判定された波形信号の振幅のピーク値及びボトム値による出力を出力端子２９を介して外部に出力する。

一方、波形信号の振幅のピーク値及びボトム値が振幅正常範囲及び周期正常範囲のうち少なくとも一方から外れている場合、振幅・周期判定部２６は、波形信号が異常であると判定すると共に波形信号の振幅のピーク値及びボトム値の出力を停止する。これにより、波形信号の誤ったピーク値及びボトム値を外部に出力しないようにすることができる。

例えば、波形信号の振幅が振幅用閾値の上限値を上回る場合はセンサ素子１０の異常が考えられ、波形信号の振幅が振幅用閾値の下限値を下回る場合は例えばギヤのガタが考えられる。また、波形信号の周期が周期用閾値の上限値を上回る場合はセンサ素子１０や他の回路部の温度特性変動が考えられ、波形信号の周期が周期用閾値の下限値を下回る場合は例えばノイズや他の回路部の誤動作が考えられる。

ここで、波形信号の誤ったピーク値及びボトム値を外部に出力しない具体的な方法について説明する。まず、図５及び図６に示されるように、波形信号が２値化閾値によって２値化され、この２値化信号が振幅閾値設定部２４から振幅・周期判定部２６に入力されている。なお、波形信号の山側がギヤの山に対応し、波形信号の谷側がギヤの谷に対応している。

そして、図５に示されるように、波形信号には最小周期すなわち周期用閾値の下限値よりも小さい周期のノイズが入っていたとする。この場合、波形信号はノイズ部分においても２値化閾値をまたぐので、振幅閾値設定部２４は２値化されたノイズが含まれた２値化信号を生成することとなる。したがって、振幅・周期判定部２６は、２値化信号のうちノイズ部分の周期が周期正常範囲には含まれないと判定する。

このように、振幅・周期判定部２６が波形信号の周期は異常であると判定した場合、振幅・周期判定部２６は２値化信号のうちのノイズ部分を「無視」した信号を出力信号として出力する。これにより、波形信号の誤ったピーク値及びボトム値を外部に出力しないようにする。つまり、振幅・周期判定部２６は、異常な出力信号を出力しないだけであり、正常な波形信号のピーク値及びボトム値を出力し続ける。

一方、図６に示されるように、波形信号には最大周期すなわち周期用閾値の上限値よりも大きい周期のノイズが入っていたとする。そして、センサ素子１０及び信号処理装置２０が例えば車輪速センサとして構成されていた場合は回転体の回転数を検出できれば良いので、ｔ１の期間が最大周期よりも小さいときには、振幅・周期判定部２６はｔ１期間後の２値化信号のＨｉ部分をＬｏに出力変化させる。これにより、振幅・周期判定部２６は波形信号のギヤの谷と出力信号（例１）のＬｏとを合わせずに出力する。

また、センサ素子１０及び信号処理装置２０が例えばエンジンのクランク角やカムの回転位置を検出するように構成されている場合、波形信号のギヤの谷と出力信号のＬｏとが合うように、振幅・周期判定部２６はｔ１期間後の２値化信号のＨｉをそのまま維持してＬｏの出力待ちを行う。この後、振幅・周期判定部２６は波形信号のギヤの谷と出力信号（例２）のＬｏとを合わせて出力する。

このように、振幅・周期判定部２６は、回転体であるギヤの山・谷と出力信号のＨｉ／Ｌｏを合わせる方法または合わせないことにより、異常であると判定された波形信号を無視することができる。振幅・周期判定部２６は、異常であると判定された波形信号を無視するための指令をピーク値・ボトム値検出部２３に出し、異常であると判定された波形信号がピーク値・ボトム値検出部２３から出力されないようにする。

以上説明したように、本実施形態では、振幅・周期判定部２６が、波形信号の振幅のピーク値及びボトム値が振幅正常範囲内であるか否かを判定するだけではなく、さらに波形信号の周期が周期正常範囲内であるか否かも判定することが特徴となっている。これにより、電気的ノイズや回路内の特性変動、検出対象の不具合や誤作動等によって波形信号の振幅が瞬間的に変化したり周期が長くなった場合のピーク値及びボトム値を正常値から除外することができる。したがって、信号処理装置２０において電気ノイズ等による誤判定を排除することができる。

また、本実施形態では、センサ素子１０は温度特性を有する磁気抵抗素子１１、１２で構成されており、増幅部２２がセンサ素子１０の温度特性成分をキャンセルするように構成されている。これにより、振幅・周期判定部２６は、センサ素子１０の温度特性に依存しない波形信号に基づいて波形信号の振幅及び周期の判定を行うことができる。このため、振幅・周期判定部２６の判定精度をさらに向上させることができる。このように、温度特性を有するセンサ素子１０によって検出される波形信号に対して周期が正常であるか否かを判定する場合には本実施形態に係る増幅部２２の構成が特に有効である。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、増幅部２２が特許請求の範囲の「温度特性補正部」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図７に示されるように、周期閾値設定部２５及び振幅・周期判定部２６が構成されている。図７は、特に、波形信号の周期が正常範囲であるか否かを判定するための具体的な構成を示している。

周期閾値設定部２５は、小分周回路３０と大分周回路４０とを備えて構成されている。小分周回路３０は２ＮＡＮＤ３１と複数のセットリセット付きＤ−ＦＦ３２を有しており、大分周回路４０は、２ＮＡＮＤ４１と複数のセットリセット付きＤ−ＦＦ４２を有している。２ＮＡＮＤ３１、４１はそれぞれ発振器２７に接続されており、例えば１ＭＨｚの周波数の信号が発振器２７から入力される。

小分周回路３０ではＤ−ＦＦ３２が６段（＝３２μｓ）に構成されており、大分周回路４０ではＤ−ＦＦ４２が２１段（＝１ｓ）に構成されている。これにより、小分周回路３０によって周期用閾値の下限値である最小周期が生成され、大分周回路４０によって周期用閾値の上限値である最大周期が設定される。

振幅・周期判定部２６は、エッジパルス回路５０、ＡＮＤ６０、及び出力回路７０を備えている。エッジパルス回路５０は、ＩＮＶ５１、４個のＤ−ＦＦ５２、２個のＥＸ−Ｎ５３、及び２ＮＯＲ５４を有しており、２値化信号反転時にパルスを出力するように構成されている。２値化信号は上述の振幅閾値設定部２４からエッジパルス回路５０に入力される。また、エッジパルス回路５０の出力は、ＡＮＤ６０を介して出力回路７０に接続されている。出力回路７０は、ＡＮＤ７１とＤ−ＦＦ７２を有して構成されている。

さらに、周期閾値設定部２５の各Ｄ−ＦＦ３２、４２のセット端子にはＩＮＶ６１が接続されており、パワーオンリセット信号の反転信号が入力される。一方、振幅・周期判定部２６の各Ｄ−ＦＦ５２、７２のリセット端子にはパワーオンリセット信号が入力される。なお、図７に示されたＩＮＶ５１、６１、ＥＸ−Ｎ５３、２ＮＡＮＤ３１、４１、２ＮＯＲ５４はいずれもロジック回路である。

このような構成によると、まず、エッジパルス回路５０は２値化信号反転時にパルスを出力する。続いて、小分周回路３０はエッジパルス回路５０で生成されたエッジパルスによってＤ−ＦＦ３２のデータをゼロリセットして動作を開始し、３２μｓ後に小分周回路３０の出力（ｍｉｎ）を１にする。仮に、３２μｓ以内にエッジパルスが再発すればリセットを繰り返し、出力（ｍｉｎ）は０のまま変化しない。

また、大分周回路４０においてエッジパルスが発生し、かつ、小分周回路３０の出力（ｍｉｎ）が１の場合、すなわち２値化信号反転後３２μｓ以降にエッジパルス未発生の場合、大分周回路４０はＤ−ＦＦ４２のデータをリセットして動作を開始し、１ｓ後に大分周回路４０の出力（ＭＡＸ）を１にする。

そして、出力回路７０においてエッジパルスが発生し、小分周回路３０の出力（ｍｉｎ）が１であり、かつ、大分周回路４０の出力（ＭＡＸ）が０の場合、２値化信号のパルス幅は３２μｓ以上、かつ、１ｓ以内であるので、出力を反転させる。つまり、波形信号の周期が正常範囲である旨が出力される。以上のように、信号処理装置２０の周期閾値設定部２５及び振幅・周期判定部２６を構成することもできる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された信号処理装置２０の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、信号処理装置２０は、上述のように車両への適用には限られない。回転体の回転を検出するものに適宜適用することができる。

また、増幅部２２は必須ではない。また、センサ素子１０は、温度特性を有するホール素子でも良い。さらに、周期閾値設定部２５は一定の範囲の周期の信号を生成するために、例えば図７に示された構成ではなく、カウンタ回路やＲＣフィルタ回路等で構成されていても良い。

１０センサ素子
２３ピーク値・ボトム値検出部
２４振幅閾値設定部
２５周期閾値設定部
２６振幅・周期判定部

Claims

センサ素子（１０）によって検出された波形信号を入力し、当該波形信号の振幅のピーク値及びボトム値を検出するピーク値・ボトム値検出部（２３）と、
前記ピーク値・ボトム値検出部（２３）によって検出された前記振幅のピーク値とボトム値とから振幅用閾値を設定する振幅閾値設定部（２４）と、
一定の周波数の信号から一定の範囲の周期の信号を生成し、当該一定の範囲の周期の中から周期用閾値を設定する周期閾値設定部（２５）と、
前記波形信号の振幅と前記振幅閾値設定部（２４）により設定された振幅用閾値とを比較すると共に、前記波形信号の周期と前記周期閾値設定部（２５）により設定された周期用閾値とを比較する振幅・周期判定部（２６）と、
を備えており、
前記振幅・周期判定部（２６）は、前記振幅のピーク値及びボトム値が振幅正常範囲内であり、かつ、前記波形信号の周期が周期正常範囲内である場合、当該波形信号の振幅のピーク値及びボトム値が正常であると判定し、当該ピーク値及びボトム値により出力することを特徴とする信号処理装置。
前記センサ素子（１０）は、温度特性を有する磁気抵抗素子（１１、１２）またはホール素子を備えて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
前記センサ素子（１０）から前記波形信号を入力すると共に、当該波形信号に含まれる温度特性成分に対して逆の成分を用いて前記波形信号を補正することにより前記波形信号に含まれる温度特性成分をキャンセルし、当該温度特性を補正した波形信号を前記ピーク値・ボトム値検出部（２３）及び前記振幅閾値設定部（２４）に出力する温度特性補正部（２２）を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の信号処理装置。
前記振幅・周期判定部（２６）は、前記振幅のピーク値及びボトム値が前記振幅正常範囲及び前記周期正常範囲のうち少なくとも一方から外れていると判定した場合、当該ピーク値及びボトム値による出力を停止することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の信号処理装置。
前記周期閾値設定部（２５）は、前記一定の範囲の周期の信号を生成するために、分周回路（２８）、カウンタ回路、及びＲＣフィルタ回路のいずれかを有して構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の信号処理装置。