JP2023145847A - Δσａｄ変換器及びセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路規模が小さく変換精度の高いΔΣＡＤ変換器及びセンサ装置を提供すること。【解決手段】ΔΣＡＤ変調器１２と累計器１３と計数部２０と調整値格納部３０と第一の加算器１４と累計値ラッチ部１５と制御回路４０を備え、制御回路４０は計数部２０から入力される計数値Ｃが所定の値に達したときに第一の加算器１４から入力された調整累計値Ｚに応じた温度領域を指定する信号を調整値格納部３０に出力し、調整値格納部３０は信号に応じたオフセット値の調整値及び計数値の調整値を第一の加算器１４及び計数部２０に出力し、制御回路４０は計数部２０の計数が終了したことを受けて累計値ラッチ部１５にラッチ信号を出力することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ΔΣＡＤ変換器及びセンサ装置に関する。

図４は、従来の高精度デジタル温度センサ装置の構成を示すブロック図である。
温度センサ装置５００は、アナログ温度センサ５０と、ΔΣＡＤ変換器５１と、デジタルフィルタ５２と、比較器５３と、バックエンドスケーリング５４と、基準電圧回路５５を備えている。

従来の温度センサ装置５００において、アナログ温度センサ５０及びΔΣＡＤ変換器５１は、固有のゲイン／オフセットを有している。そのため、デジタルフィルタ５２から出力される未加工のデジタルデータは、比較器５３及びバックエンドスケーリング５４によって、異なる温度に対応した異なるゲイン／オフセットを適用して誤差が減少される。

具体的には、デジタルフィルタ５２のデジタルデータは、比較器５３においてしきい値データと比較され、バックエンドスケーリング５４おいて決定された領域に対応するゲイン／オフセットで調整される（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１１－５２７００９号公報

しかしながら、未加工のデジタルデータをゲイン／オフセットで調整するバックエンドスケーリング５４は、乗算回路が必要のため回路規模が大きい。更に、高精度化のため、乗算の係数の桁数を増やすと、乗算回路は更に回路規模が大きくなる。
従って、従来の温度センサ装置５００は、高精度化のために回路の専有面積が増加してコストが高くなるという課題がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされ、回路規模が小さく変換精度の高いΔΣＡＤ変換器及びセンサ装置を提供することを目的とする。

本発明のΔΣＡＤ変換器は、
入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するΔΣＡＤ変換器であって、
前記アナログ信号が入力され変調信号を出力するΔΣＡＤ変調器と、
前記変調信号を累計し累計値を出力する累計器と、
設定された計数値を計数する計数部と、
前記計数値の調整値とオフセット値の調整値が格納される調整値格納部と、
前記累計値と前記オフセット値の調整値を加算した調整累計値を出力する第一の加算器と、
前記調整累計値が入力される累計値ラッチ部と、
前記調整累計値と前記計数部から計数値と前記調整値格納部から温度領域を決定する調整累計値のしきい値が入力され、前記計数部に制御信号と前記累計値ラッチ部に前記ラッチ信号を出力する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記計数部から入力される計数値が所定の値に達したときに前記第一の加算器から入力された前記調整累計値に応じて前記温度領域を決定し、前記調整値格納部に前記温度領域を指定する信号を出力し、
調整値格納部は、指定された前記温度領域に応じた前記オフセット値の調整値及び前記計数値の調整値を前記第一の加算器及び前記計数部に出力し、
前記制御回路は、前記計数部の計数が終了したことを受けて前記累計値ラッチ部に前記ラッチ信号を出力することを特徴とする。

本発明によれば、回路規模が小さく変換精度の高いΔΣＡＤ変換器及びセンサ装置を提供することが可能である。

本実施形態のセンサ装置を示すブロック図である。 本実施形態のセンサ装置の温度と累計値の関係の一例を示すグラフである。 本実施形態のセンサ装置の他の例を示すブロック図である。 従来のセンサ装置を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態のセンサ装置を示すブロック図である。
センサ装置１００は、センサ１とΔΣＡＤ変換器を備えている。ΔΣＡＤ変換器は、計数値格納部１０と、オフセット値格納部１１と、ΔΣＡＤ変調器１２と、累計器１３と、加算器１４と、累計値ラッチ部１５と、マルチプレクサ１６と、加算器１７及び１８と、計数部２０と、調整値格納部３０と、制御回路４０を備えている。これらの回路は、クロック信号に応じて動作しているが、図や説明では省略する。

センサ１は、測定した物理情報（例えば温度）に応じたアナログ信号ＸをΔΣＡＤ変調器１２に出力する。ΔΣＡＤ変調器１２は、アナログ信号Ｘを変調して累計器１３に出力する。累計器１３は、アナログ信号Ｘに応じた累計値Ｙを加算器１４に出力する。加算器１４は、累計器１３の累計値Ｙと加算器１８のオフセット値を加算して調整累計値Ｚを出力する。計数値格納部１０は、計数値の初期値が格納されている。オフセット値格納部１１は、オフセット値の初期値が格納されている。調整値格納部３０は、調整を行う時の温度領域を決定する調整累計値Ｚのしきい値とその領域に対応する計数値の調整値及びオフセット値の調整値が格納されている。加算器１７は、計数部２０の計数値と調整値格納部３０の計数値の調整値を加算して調整計数値を出力する。加算器１８は、オフセット値格納部１１のオフセット値の初期値と調整値格納部３０のオフセット値の調整値を加算して出力する。計数部２０は、制御回路４０の制御信号に応じて計数値のロードと計数値のカウントダウンを行う。制御回路４０は、計数部２０から計数値及び加算器１４から調整累計値Ｚと、調整値格納部３０からの調整を行う時の温度領域を決定する調整累計値Ｚのしきい値が入力され、マルチプレクサ１６と計数部２０と調整値格納部３０と累計値ラッチ部１５に制御信号を出力する。マルチプレクサ１６は、制御端子に制御回路４０から制御信号を受けると、計数値格納部１０の計数値の初期値か加算器１７の調整計数値のどちらかのデータを出力する。累計値ラッチ部１５は、制御端子に制御回路４０からラッチ信号を受けると、加算器１４の出力する調整累計値Ｚをラッチして、出力端子からセンサ装置１００の出力信号である信号Ｚ_Ｎを出力する。

ΔΣＡＤ変調器１２は、例えば、１次のΔΣＡＤ変調器であって“０”と“１”の二値出力の場合、出力されるデータ“１”の密度は均等であって温度に依存する。累計器１３は、ΔΣＡＤ変調器１２が出力するデータを累計して、累計値Ｙを出力する。累計値Ｙは、加算器１４でオフセット値が加算され調整累計値Ｚとして累計値ラッチ部１５に入力される。即ち、調整累計値Ｚは、計数値の初期値及びオフセット値の初期値によって１次補正される。

センサ１が出力する物理情報（例えば温度）に応じたアナログ信号ＸやΔΣ変調器１２の特性は、一般的には２次以上の非線形特性であり１次補正では精度が保証されない。従って、本実施形態のΔΣＡＤ変換器は、累計器１３が出力する累計値Ｙを折れ線近似で補正をする。即ち、本実施形態のΔΣＡＤ変換器は、アナログ信号ＸとΔΣ変調器１２の非線形特性を纏めて補正することで、精度を保証することが可能である。

具体的には、制御回路４０は、計数値Ｃが予め決められた値Ｍ（例えば初期値の１／２）をカウントダウンしたところでの調整累計値Ｚ_Ｍと調整累計値Ｚのしきい値から温度領域を決定し、選択する調整値を調整値格納部３０へ指定する。調整値格納部３０は、制御回路４０から指定された調整値を出力する。加算器１７は、計数値Ｍに調整値を加算した新たな計数値を出力する。マルチプレクサ１６は、制御回路４０の指示により加算器１７から入力された新たな計数値を出力する。計数部２０は、制御回路４０の指示により、新たな計数値をロードして、カウントダウンを開始する。加算器１８は、オフセット値の初期値にオフセット値の調整値を加算した新たなオフセット値を出力する。加算器１４は、累計値Ｙに新たなオフセット値を加算した調整累計値Ｚを出力する。制御回路４０は、計数部２０が新たな計数値のカウントダウンを終了したことを受けて累計値ラッチ部１５にラッチ信号を出力してデジタル信号Ｚ_Ｎを確定する。即ち、調整累計値Ｚは、温度領域に対応した調整計数値及び調整オフセット値によって新たな１次補正されることになり、従って折れ線近似で非線形特性の補正がされたことになる。以上説明したような調整累計値Ｚの折れ線近似補正は、累計方式のΔΣＡＤ変換器を用いたことによって実現が可能となったものである。

以下、図面に基づいて、本実施形態のセンサ装置１００の動作について説明する。
センサ装置１００は、起動すると、ΔΣＡＤ変調器１２や累計器１３、計数部２０などはリセットされるが、図や説明では省略する。

図２は、本実施形態のセンサ装置の温度と調整累計値Ｚの関係の一例を示すグラフである。実線は、温度に対する加算器１４が出力する調整累計値Ｚが線形性を有していない場合の一例を示している。破線は、温度に対する調整累計値Ｚが線形性を有している場合の特性を示している。また、縦の点線が温度に対する調整累計値Ｚのしきい値であり、縦の点線で区切られたエリアが温度領域である。

制御回路４０は、出力端子４６からマルチプレクサ１６の制御端子に“０”の制御信号を出力する。マルチプレクサ１６は、“０”の制御信号が入力されると、計数値格納部１０が出力する計数値の初期値を選択して出力する。オフセット値格納部１１は、オフセット値の初期値を出力する。次に、制御回路４０は、出力端子４５から計数部２０の制御端子２２に“ロード”を指示する制御信号を出力する。計数部２０は、“ロード”を指示する制御信号が入力されると、計数値の初期値を入力端子２１から入力して、内部のレジスタにロードする。制御回路４０は、調整値格納部３０の出力端子３２から温度領域を決定するための調整累計値Ｚのしきい値を入力端子４２からロードする。ここで、計数値の初期値（例えば１０００）及びオフセット値の初期値は、図２の破線に応じた値である。

以上がセンサ装置１００の初期設定であるが、計数部２０は、計数値の初期値を入力される前に、ΔΣＡＤ変調器１２のアイドリング用の計数値が入力されても良い。ΔΣＡＤ変調器１２のアイドリングについては、説明の簡略化のため省略する。

制御回路４０は、出力端子４５から計数部２０の制御端子２２に“カウントダウン”を指示する制御信号を出力する。計数部２０は、“カウントダウン”を指示する制御信号が入力されると、クッロク信号に応じてカウントダウンを開始し、その計数値を出力端子２３から出力する。ΔΣＡＤ変調器１２は、クッロク信号に応じて、センサ１が出力するアナログ信号Ｘを“０”“１”データとして累計器１３に出力する。累計器１３は、クッロク信号に応じて、そのデータを累計した累計値Ｙを加算器１４に出力する。加算器１８は、オフセット値の初期値を出力する。加算器１４は、累計値Ｙとオフセット値の初期値を加算した調整累計値Ｚを累計値ラッチ部１５に出力する。このとき、累計値ラッチ部１５は、制御回路４０からラッチ信号を受けていないので、デジタル信号Ｚを出力しない。

以上の処理がセンサ装置１００の累計値Ｙの最初の一次補正である。次に、累計値Ｙの新たな一次補正について説明する。例として、計数値Ｃが所定の値Ｍ（例えば初期値の１／２）になった時の調整累計値Ｚ_Ｍが図２の点線で示した値であった場合について説明する。

制御回路４０は、計数部２０から入力端子４１に入力される計数値Ｃが所定の値Ｍ（例えば５００）になると、加算器１４から入力端子４３に入力される調整累計値Ｚ_Ｍと調整累計値Ｚのしきい値から温度領域を決定し、選択する調整値を決定する。
図２において、計数値Ｍの時の調整累計値Ｚ_Ｍが点線（ａ）で示した値の場合、制御回路４０は、計数終了時の調整累計値Ｚ_Ｍが点線（ｂ）で示した値であると判断して１００℃～１２０℃の温度領域（１）を選択する。そして、制御回路４０は、温度領域（１）を指定する信号を出力端子４４から調整値格納部３０の入力端子３１へ出力する。

調整値格納部３０は、入力端子３１に温度領域（１）を指定する信号を受けると、出力端子３３から計数値の調整値（例えば－２００）を出力し、出力端子３４からオフセット値の調整値を出力する。
加算器１７は、計数値Ｍに計数値の調整値を加算した調整計数値（例えば３００）をマルチプレクサ１６に出力する。加算器１８は、オフセット値の初期値にオフセット値の調整値を加算した調整オフセット値を加算器１４に出力する。

制御回路４０は、出力端子４６からマルチプレクサ１６に制御信号“１”を出力し、続いて出力端子４５から計数部２０の制御端子２２に“ロード”を指示する制御信号を出力する。
計数部２０は、“ロード”を指示する制御信号が入力されると、マルチプレクサ１６が出力する調整計数値を入力端子２１から入力して、内部のレジスタにロードする。次に、計数部２０は、制御端子２２に制御回路４０の出力端子４５から“カウントダウン”を指示する制御信号が入力されると、クッロク信号に応じてカウントダウンを再度開始し、その計数値を出力端子２３から出力する。加算器１４は、累計値Ｙと調整オフセット値を加算した調整累計値Ｚを累計値ラッチ部１５に出力する。

以上のようにして、累計値Ｙの新たな一次補正が開始され、最初の一次補正と合わせて、折れ線近似で非線形特性が補正された調整累計値Ｚを得ることが出来る。具体的には、計数値の初期値が１０００で調整計数値が８００であるので、（１）の曲線は（２）の略直線に補正される。そして、（２）の略直線は、調整オフセット値によって（３）の略直線に補正される。即ち、オフセットの調整値は、調整累計値Ｚの連続性が確保されるように決定される。

制御回路４０は、計数部２０から入力される計数値Ｃが“０”になると、即ちカウントダウンが終了すると、出力端子４７から累計値ラッチ部１５の制御端子にラッチ信号を出力する。累計値ラッチ部１５は、制御端子にラッチ信号を受けると、加算器１４から入力した調整累計値Ｚをラッチして、信号Ｚ_Ｎを出力する。即ち、信号Ｚ_Ｎは、（３）の略直線上の何処かに対応するため、センサ１が出力するアナログ信号Ｘに応じた補正済みのデジタル信号である。

以上の処理がセンサ装置１００の累計値Ｙの温度領域に対応した計数値の調整値及びオフセット値の調整値による新たな一次補正である。この処理によって、センサ装置１００の信号Ｚ_Ｎは、非線形特性の補正がされた精度の良いデジタルデータとして出力される。

以上説明したように、本実施形態のΔΣＡＤ変換回路及びセンサ装置は、計数値の調整値とオフセット値の調整値を格納した調整値格納部３０を備え、計数部の計数値が所定の値に達したときに計数値とオフセット値を調整するように構成したので、乗算回路を必要とせず回路規模が小さくて精度の良いΔΣＡＤ変換器及びセンサ装置を提供することが出来る。

本実施形態では、計数値Ｃが所定の値Ｍになった時に計数値とオフセット値を調整するとしたが、これを複数回実施するようにしても良い。このようにすると、調整累計値Ｚ_Ｍが調整累計値Ｚのしきい値近傍にあった場合に、疎調整と微調整が可能になるので有効である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

例えば、図３に示したように、計数部２０はリセットされたときに計数値の初期値になるように構成すれば計数値格納部１０とマルチプレクサ１６は無くても良い。また、図３に示したように、累計器１３はリセットされたときにオフセット値の初期値になるように構成すればオフセット値格納部１１と加算器１８は無くても良い。また、計数値の所定の値Ｍが固定値であって、調整値格納部３０に（値Ｍ＋計数値の調整値）を格納するようにすれば、加算器１７は無くても良い。

また、制御回路４０の入力端子４３は、調整累計値Ｚが入力されているが、折れ線近似が１回のみの場合には信号Ｙが入力されても良い。なお、新たな一次補正において調整が不要な時は、計数値の調整値及びオフセット値の調整値は“０”が出力されることは言うまでもない。

１ センサ
１０ 計数値格納部
１１ オフセット値格納部
１２ ΔΣＡＤ変調器
１３ 累計器
１４、１７、１８ 加算器
１５ 累計値ラッチ部
１６ マルチプレクサ
２０ 係数部
３０ 調整値格納部
４０ 制御回路
１００ センサ装置

Claims (6)

1. 入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するΔΣＡＤ変換器であって、
   前記アナログ信号が入力され変調信号を出力するΔΣＡＤ変調器と、
   前記変調信号を累計し累計値を出力する累計器と、
   設定された計数値を計数する計数部と、
   前記計数値の調整値とオフセット値の調整値が格納される調整値格納部と、
   前記累計値と前記オフセット値の調整値を加算した調整累計値を出力する第一の加算器と、
   前記調整累計値が入力される累計値ラッチ部と、
   前記調整累計値と前記計数部から計数値と前記調整値格納部から温度領域を決定する調整累計値のしきい値が入力され、前記計数部に制御信号と前記累計値ラッチ部に前記ラッチ信号を出力する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記計数部から入力される計数値が所定の値に達したときに前記第一の加算器から入力された前記調整累計値に応じて前記温度領域を決定し、前記調整値格納部に前記温度領域を指定する信号を出力し、
   調整値格納部は、指定された前記温度領域に応じた前記オフセット値の調整値及び前記計数値の調整値を前記第一の加算器及び前記計数部に出力し、
   前記制御回路は、前記計数部の計数が終了したことを受けて前記累計値ラッチ部に前記ラッチ信号を出力する
   ことを特徴とするΔΣＡＤ変換器。
2. 調整値格納部の前記計数値の調整値は、前記所定の値を含んだ調整計数値である
   ことを特徴とする請求項１に記載のΔΣＡＤ変換器。
3. 前記計数部の計数値と前記計数値の調整値を加算した調整計数値を前記計数部に出力する第二の加算器を更に備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載のΔΣＡＤ変換器。
4. 前記計数部に設定する計数値の初期値を格納する計数値格納部と、
   前記調整計数値と前記計数値の初期値を選択して前記計数部に出力するマルチプレクサと、を更に備え、
   前記制御回路は、前記マルチプレクサに前記調整計数値と前記計数値の初期値を選択する制御信号を出力し、前記計数部に前記マルチプレクサが出力する計数値をロードするか設定された計数値を計数するかの制御信号を出力する
   ことを特徴とする請求項１または３に記載のΔΣＡＤ変換器。
5. オフセット値の初期値が格納されるオフセット値格納部と、
   前記オフセット値の調整値と前記オフセット値の初期値を加算した調整オフセット値を出力する第三の加算器と、を更に備え、
   前記第一の加算器は、前記累計値と前記調整オフセット値を加算した前記調整累計値を出力する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のΔΣＡＤ変換器。
6. 測定した物理情報に応じたアナログ信号を出力するセンサ素子と、
   前記アナログ信号が入力される請求項１から３のいずれかに記載のΔΣＡＤ変換器と、
   を備えたことを特徴とするセンサ装置。

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