JP3747153B2 - Square circuit and signal processing circuit using square circuit - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ベクトル量(加速度など)が複数の基準軸を有する物理量センサ(加速度センサなど)に入力されたとき、複数の基準軸におけるベクトル量の成分の二乗和、ひいては該ベクトル量の大きさを演算する信号処理回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
力センサ、圧力センサ、加速度センサ、角加速度センサ、磁気センサ、光センサ、焦電センサなどの直交2軸を有する物理センサにおいて、センサの検出する物理量の方向に依らない絶対量が必要な場合、従来は直交2軸の二乗和の平方根を求めていたが、実現する回路は高価で複雑であった。一般的には二乗和の平方根を演算する回路は主として二乗回路と根を求める回路で構成される。二乗回路および根を求める回路でなる二乗和平方根回路は、環境の影響を受けにくくするため、よく整合のとれたトランジスタ対をそれぞれ必要とする。そこで、二乗和平方根回路は、回路構成が複雑で高価なものとしている。
【0003】
例えば、集積回路で構成した二乗和平方根回路としては、図4のようなものが公表されている。図4はマグロウヒル社が昭和58年に刊行した「演算増幅器」のP327−P332に記載されている演算増幅器の回路図である。図4においてV1=V2とすることで二乗回路を構成することができる。図4の回路において電界効果トランジスタQ1及びQ2は、よく整合がとれの特性を有する必要がある。図4の例では最大誤差はフルスケールの4.4%と見積もられている。根を求める根生成回路は、除算器の出力を入力にフィードバックする回路でもって実現できる。このような回路構成の根生成回路における誤差の合計は、10%程度になると思われる。
【0004】
このように、従来の二乗和平方根回路は、複雑な回路である上に、精密な物理量測定には回路のさらなる調整を必要とし、簡単で安価な構成とはなり得ない。簡単で安価な構成で二乗和平方根を算出する方法として、特公昭58−34865に記載のものが提案されている。この二乗和平方根算出方法は、直交2軸の第一象現(0度から90度)に注目して角度を3等分(0度、30度、60度)し、各々の角度のセンサ出力に補正処理を行うという方法である。具体的には、0度から30度までの範囲では、0度向きのセンサ出力を適用する。60度から90度までの範囲では、90度向きのセンサ出力を適用する。30度から60度までの範囲では、0度向きのセンサ出力と90度向きのセンサ出力の和に係数としてCOS45°=0.707を乗じた値を適用する。この方法によれば誤差は7.6%と見積もられる。かかる公開発明においては3等分であったが、等分する角度を増加すれば更に誤差を少なくすることができる。また、この二乗和平方根算出方法は、比較的簡素な構成でかつ無調整で動作させることができる回路で実現できる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特公昭58−34865の方法は直交2軸の第一象現にのみ着目している。0度から360度の範囲におけるセンサ出力に対してその方法を適用する回路を実現するためには、直交2軸のセンサ出力の絶対値を求める絶対値回路を前置回路として設ける必要がある。絶対値回路が前置回路として必要であることから、特公昭58−34865の方法を0度から360度の範囲で適用する二乗和平方根算出回路は、簡素な構成では実現できず、低コスト化が困難であった。本発明は、以上の課題に鑑みて成されたものであり、0度から360度の範囲に対して感度を有する物理量センサに適用し、該物理量センサの複数の軸に関し検知されるベクトル量成分の二乗和を、簡素な構成で算出でき、ひいては安価に製造できる信号処理回路の提供を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するための本発明が要旨とするところは、次の各項の発明に存する。
【0007】
[1]繰り返し周波数fの第一の矩形波信号における矩形波のパルス幅の変化量で或る量Aを表し、該第一の矩形波信号を処理し、量Aの二乗値A2を表す二乗値信号を生成する二乗回路であり、
前記第一の矩形波信号の振幅の平均を表す第一の平均信号を生成する第一の平均手段と、
前記第一の平均信号と接地電圧などの一定値とを前記第一の矩形波信号に同期して交互に選択し、振幅が該第一の平均値と該一定値との差の値であり、パルス幅が該第一の矩形波信号のパルス幅である第二の矩形波信号を生成する選択手段と、
前記第二の矩形波信号の振幅の平均を表す第二の平均信号を生成し、該第二の平均信号の変化量を前記二乗値信号として出力する第二の平均手段と
を備えることを特徴とする二乗回路。
【0008】
[2]前記第一の平均手段は、前記第一の矩形波信号を入力する第一の濾波器と、該第一の濾波器の出力を増幅又は減衰することにより前記第一の平均信号を生成する振幅調整回路とでなり、
前記第二の平均手段は、前記第二の矩形波信号を入力とする第二の濾波器である
ことを特徴とする前記[1]に記載の二乗回路。
【0009】
[3]加速度その他のベクトル量が入力されたときに、互いに直交するn軸(nは2又は3)に関する該ベクトル量の成分を感知し、n軸それぞれの成分を出力するn軸センサから該n軸それぞれの成分を受け、n軸それぞれの成分の二乗和を生成する信号処理回路において、
前記[1]又は[2]に記載のn個の二乗回路と、これらn個の二乗回路の出力である前記二乗信号を加算し前記二乗和として出力する加算器とを備え、
前記n個の二乗回路は前記n軸にそれぞれに対応して設けてあり、
前記各二乗回路は、前記第一の矩形波信号を生成するパルス幅変調器を備え、
各前記パルス幅変調器は、対応する前記軸の成分に応じて前記第一の矩形波信号のパルス幅を変調する
ことを特徴とする信号処理回路。
【0010】
[4]矩形波信号であるクロック信号を出力するクロック回路を備え、
前記パルス幅変調器は、前記クロック信号を受け、対応する前記軸の成分でもって該クロック信号のパルス幅を変調することにより前記第一の矩形波信号を生成する
ことを特徴とする前記[3]に記載の信号処理回路。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施の形態である信号処理回路を示す構成図である。ただし、図1にはこの信号処理回路を適用する物理量センサ10が含まれている。物理量センサ10は、加速度センサ等の容量検出型センサであり、直交するX軸及びY軸を感知軸としている。そこで、加速度などのベクトル量が物理量センサ10に入力されると、物理量センサ10はそのベクトル量のX軸成分xおよびY軸成分yを出力する。容量検出型センサは、入力ベクトル量のX軸成分xおよびY軸成分yを、容量の変化量に変換し、X軸センサ信号xおよびY軸センサ信号yとしてそれぞれ出力する。
【0012】
X軸センサ信号xは第1のパルス幅変調器20に伝達され、Y軸センサ信号は第2のパルス幅変調器30に伝達される。まず、X軸センサ信号xを処理する回路について説明する。クロック回路11は、矩形波であるクロック信号を第1のパルス幅変調器20及び第2のパルス幅変調器30に出力する。第1のパルス幅変調器20は、クロック回路11の出力のクロック信号に同期するとともに、物理量センサ10出力のX軸センサ信号xのレベルに応じパルス幅を変調したパルス幅変調信号を出力する。X軸センサ信号xは容量の変化であるから、第1のパルス幅変調器20はその容量の変化に応じて入力クロック信号のパルス幅を変化させることにより、パルス幅変調信号を生成する。パルス幅変調信号は矩形波であり、前述の第一の矩形波信号に相当する。このパルス幅変調信号は、振幅が一定であり、パルス幅の変化量がX軸センサ信号xに対応している信号である。そこで、このパルス幅変調信号の平均値は、このパルス幅変調信号のパルス幅に比例する。そこで、パルス幅変調信号の平均値の変化量は、X軸センサ信号x(物理量センサ10のX軸用容量要素における容量の変化)に対応している。
【0013】
第1の濾波器21は、入力されたパルス幅変調信号が有するクロック周波数付近の成分を濾波し、そのパルス幅変調信号を整流した直流信号を生成する。この直流信号の振幅はパルス幅変調信号の振幅の平均値を表している。第1の増幅器22は、第1の濾波器21から出力される直流信号を受け、その直流信号のレベルを増幅し、レベルを調整した直流信号を第1の切替器23に供給する。第1の増幅器22による直流信号のレベルの増幅は、第1のパルス幅変調器20から出力され第1の切替器23に導かれるパルス幅変調信号の平均値に等しいレベルに、入力直流信号のレベルを調整し、レベル調整をした直流信号を第1の切替器23に供給するために行われる。そこで、第1の増幅器22から出力される直流信号のレベルは、X軸センサ信号xを表している。第1の濾波器21及び第1の増幅器22でなる回路は、前述の第一の平均手段に相当する。
【0014】
第1の切替器23は、第1のパルス幅変調器20から伝達されたパルス幅変調信号のレベルが高低する度に、第1の増幅器22から出力された直流信号と接地電圧とを交互に選択し、出力する。そこで、第1の切替器23の出力は矩形波信号である。この矩形波信号の振幅は、第1の増幅器22から出力される直流レベルである。また、その矩形波信号のパルス幅は、第1のパルス幅変調器20から伝達されたパルス幅変調信号のパルス幅である。そこで、第1の切替器23から出力される矩形波信号では、振幅およびパルス幅が共にX軸センサ信号xを表す。第1の切替器23は前述の第一の選択手段に相当する。また、第1の切替器23の出力である矩形波信号は前述の第二の矩形波信号に相当する。第3の濾波器24は、入力された矩形波信号が有するクロック周波数付近の成分を濾波し、その矩形波信号を整流した直流信号を生成する。この直流信号の振幅における変化量は、第3の濾波器24に入力された矩形波信号の平均値を表している。そして、該直流信号の振幅の変化量はX軸センサ信号xの二乗x2を表している。
【0015】
続いてY軸センサ信号の処理回路を説明する。Y軸センサ信号の処理回路は基本的にはX軸センサ信号処理回路と同一の構成である。両処理回路の相違は、処理する信号が、X軸センサ信号処理回路ではX軸センサ信号xあったのに対し、Y軸センサ信号処理回路ではY軸センサ信号yある点である。したがって、第2の切替器33から出力される矩形波信号では、振幅およびパルス幅が共にY軸センサ信号yを表している。第4の濾波器34から出力される直流信号は、加算器12に入力される。第4の濾波器34の出力は、直流信号であり、この直流信号の振幅における変化量は、第4の濾波器34に入力された矩形波信号の平均値を表している。そして、該直流信号の振幅の変化量はY軸センサ信号yの二乗y2を表している。
【0016】
加算器12は、X軸センサ信号xの二乗x2を変化量で表す直流信号(第3の濾波器24の出力)と、Y軸センサ信号yの二乗y2を変化量で表す直流信号(第4の濾波器34の出力)とを加算し、X軸センサ信号xとY軸センサ信号yとの二乗和 x2+y2を生成する。図1の回路の作用の詳細を図2を参照して次に詳しく説明する。
【0017】
図1を参照して説明したように、第1の切替器23および第2の切替器33で切替処理をし、第3の濾波器24及び第4の濾波器34でこれら切替器の出力の矩形波信号に平均処理を施した。これら切替処理および平均処理により、第1のパルス幅変調器20および第2のパルス幅変調器30でそれぞれ生成されるパルス変調波信号のパルス幅の変化量の二乗が得られる作用を、図2に基づいて説明する。
【0018】
図2は、センサ信号x,yを処理する図1の回路における各部信号のタイミング図を表す。図2−1は、クロック回路11から出力されるクロック信号のタイミング図である。クロック信号はデューティ比50%矩形波信号であり,そのクロック周期は1μSである。クロック信号の振幅は5Vppであり、その低電位は接地電位である。図2−2は、容量の変化として物理量センサ10から出力されるセンサ信号を表す。センサ信号x,yは容量の変化である。ここではセンサ信号xに替えて、容量の変化量aでもってセンサ信号xを表記している。同様に、センサ信号yに替えて、容量の変化量bでもってセンサ信号yを表記している。
【0019】
物理量センサ10から出力されるX軸センサ信号xおよびY軸センサ信号yは、X軸センサの容量変化がa[pF]であり、Y軸センサの容量変化がb[pF]であるとする。図2−2では、X軸センサ信号xが基準の容量である50[pF]からa[pF]だけ減少したことを表している。
【0020】
図1を参照して説明したように、X軸とY軸のセンサ信号の処理は加算器12までは同一の内容であるから、以下の図(図2−3から図2−7まで)ではX軸のセンサ信号xの処理について説明する。図2−3に示すように、第1のパルス幅変調器20は、第1のパルス幅変調器20におけるパルス幅変調特性に従い、物理量センサ10の出力である容量変化量a[pF]に対応する時間幅αだけ、クロック信号のパルス幅を変化させたパルス幅変調信号を生成する。図2−3では、クロック信号である矩形波の立ち上がり及び立下り時点にα/2時間だけ変化を与え、クロック信号よりα時間だけ狭いパルス幅のパルス幅変調信号を生成している。第1の濾波器21は、パルス幅変調信号の振幅の平均を直流信号として出力するから、その直流信号のレベルはαに比例した値だけ減少する。第1の濾波器21の出力である直流信号のレベルは、入力のパルス幅変調信号のデューティー比が50%のとき、5Vdcの1/2よりやや低い値である。
【0021】
図2−4は、第1の増幅器22による増幅の度合いを表わしている。第1の増幅器22の作用については、図1を参照して説明した。第1の増幅器22は、第1の切替器23に分岐入力された第1のパルス幅変調器20からのパルス幅変調信号の平均電圧(5Vdcの1/2)と等しい電圧になるように、第1の濾波器21の出力の直流信号を増幅する。第1のパルス幅変調器20からのパルス幅変調信号では、連続する矩形波のパルス幅が全てαづつ減少している。そこで、矩形波であるパルス幅変調信号のON領域の面積を考えると、第1のパルス幅変調器20から出力されるパルス幅変調信号の平均電圧5Vdcの1/2(基準電圧)からαだけ減少した値になることがわかる。従って図2−4は、第1の増幅器22での増幅作用としては5Vdcの1/2からαだけ減少した値に調整されていることを示している。
【0022】
図2−5は、第1の切替器23での切替処理によって出力される矩形波信号を表している。即ち、第1のパルス幅変調器20からはクロック信号よりαだけ狭いパルス幅のパルス幅変調信号が入力され、第1の切替器23における切替処理のタイミングを与える。また、第1の増幅器22からは基準電圧の5Vdcよりαだけ減じられた直流信号が第1の切替器23に入力される。これらの信号入力に応じ、上述のタイミングで切替処理すると、図2−5にあるパルス幅、高さともにαだけ減じられた矩形波信号が生成されて出力される。この矩形波信号におけるパルス幅および振幅の変化量を考えると、第1の切替器23から出力される矩形波信号の平均レベルは、第1のパルス幅変調器20から伝達されたパルス変調信号におけるパルス幅の変化量αの二乗に相当することになる。
【0023】
図2−6は、第3の濾波器24で第1の切替器23から伝達された矩形波信号を濾波した直流信号のレベル(第1の切替器23から出力される矩形波信号の平均レベル)が電圧値5Vdc−α2であることを表している。
【0024】
Y軸のセンサ信号の処理については第2のパルス幅変調器30において物理量センサ10から出力された容量変化量b[pF]に対して電圧変化量がβであるとすると上述の一連の処理が同様に行われ、第4の濾波器34において直流信号のレベル5Vdc−β2が加算器12に出力されることになる。図2−7は、加算器12がX軸及びY軸に関する直流信号を加算した値である5Vdc−(α2+β2)が出力されることを示す。但し、加算器12が半導体集積回路製の論理回路でなるから、加算器12における加算は、入力における固定値5Vdc成分からの変化分α2及びβ2について行われる。また、この論理回路の特性から、加算器12の出力も固定値5Vdcから変化分(α2+β2)を減じたレベルとなる。加算器12の出力の変化分として、加算値を得ることができる。
【0025】
以上の信号処理により、直交2軸のセンサ出力はα2+β2 という物理量の方向に依らない絶対量の二乗値に変換される。次の処理では二乗値のまま使用することも、平方根回路を追加して根である√(α2+β2)に変換して使用することも可能である。図1では直交2軸のセンサ出力の二乗値を濾波器を通して加算器で処理する構成を採ったが、比較的高速な加算器で加算してから濾波器を通す処理にしても図1の実施の形態と同様に物理量の方向に依らない絶対量の二乗値を得ることができる。また、容量検出型物理量センサの直交2軸のセンサ出力がパルス幅変調値として出力される場合、物理量センサのX軸、Y軸のパルス幅変調出力と、これらを平均化した出力を切替器によりON、OFFすることで元の物理量センサの各軸の出力の二乗値を得ることができる。この値を図1で説明した濾波器で処理し、加算器で加算することで物理量の方向に依らない絶対量の二乗和を得ることができる。この構成によれば図1のように電圧信号に変換する構成ではないので誤差要因である素子数を減じることができ、切替器と加算器の誤差の合計分としても2%程度の誤差ですむことが判明している。以上で説明したセンサ出力の二乗値に変換する処理構成は直交2軸の物理量センサに限らず、直交3軸の物理量センサについても適用することができる。3軸の出力のそれぞれについてセンサ出力の二乗値に処理変換し、加算器によって3軸分の二乗和を演算させる構成を採ればよい。
【0026】
図3は図1の構成をより具体的な素子によって表した回路構成図である。図1の物理量センサ10に相当するものとして2軸容量検出型加速度計100用いた場合を想定している。2軸容量検出型加速度計100の直交2軸であるX軸およびY軸の容量はそれぞれの加速度の変化により、増加および減少する差動容量(単位pF)として2つの出力を有する。また、第1のパルス幅変調器20と第2のパルス幅変調器30に相当するものとして第1の排他的論理和素子部200と第2の排他的論理和素子部300が備えられる。
【0027】
2軸容量検出型加速度計100のX軸のセンサ出力が処理変換される流れについて説明する。まず、第1の排他的論理和素子部200の内部構成について説明する。クロック回路11から出力される矩形波は第1の排他的論理和素子部200に分岐入力される。並列抵抗201から伸びたそれぞれの信号線にはX軸の正負2本のセンサ出力がそれぞれ合流し、排他的論理和素子202に結線される。この構成によってクロック回路11の矩形波出力は2軸容量検出型加速度計100のセンサ容量と並列抵抗201とによってパルス幅を変調され、更に排他的論理和素子202によって充放電波形として第1の濾波器210と第1の切替器230に分岐出力される。
【0028】
第1の濾波器210は図1の第1の濾波器21を具体的に表したものであり、抵抗211と接地コンデンサ212とから成る。作用は第1の濾波器21と同様で、矩形波を濾波して直流状の電圧信号に変換し、第1の増幅器22に伝達するものである。第1の増幅器22は第1の切替器230に入力される電圧信号の平均電圧に等しくなるように第1の濾波器210からの直流信号を調整増幅し、第1の切替器230に入力する。第1の切替器230はC−MOSトランジスタでなる。図1で説明した切替作用によって第1のパルス幅変調器200から出力された電圧信号の二乗に相当する直流信号を生成し、第2の濾波器240に出力する。第2の濾波器240は、図1の第3の濾波器24を具体的に表したものであり、抵抗241と接地コンデンサ242とから成る。作用は第3の濾波器24と同様で、矩形波を濾波して再び直流信号に変換し、加算器12に伝達するものである。2軸容量検出型加速度計100のY軸のセンサ出力が処理変換される流れは上述のX軸の処理の流れと全く同じである。第2の濾波器240から伝達された二乗処理済みの電圧信号と第4の濾波器340から伝達された二乗処理済みの電圧信号はともに加算器12に伝達され、加算することで加速の方向に依らない加速度の絶対値の二乗和を得ることができる。
【0029】
【発明の効果】
本発明は、上述の実施の形態で説明したように、物理量センサの検出値によりパルス幅変調器を変調し、矩形波のパルス幅変調信号を生成し、矩形波のパルス幅の変化で検出値を表し、更に平均手段によりパルス幅変調信号の平均信号を生成し、選択手段によりパルス幅の変化分と振幅の変化分との積を生成することにより、物理量センサの検出値の二乗を得ている。更に物理量センサの複数の基準軸に沿う検出値のそれぞれについて上述の積に変換する処理を行い、最終的に全ての積を加算器で加算して二乗和を演算する構成を採っている。この構成により、物理量の方向に依らない絶対量の二乗値を出力することができ、0度から360度の範囲に対して感度を有することを仕様とする物理量センサに適用する信号処理回路において、安価かつ簡素な構成で、しかも高精度の演算をする信号処理回路を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る物理量センサを含む信号処理回路の構成図を表す。
【図2】図1の構成でセンサ信号を処理する際のタイミング図を表す。
【図3】図1の構成をより具体的な素子によって表した回路構成図である。
【図4】従来の二乗回路の一例であるマグロウヒル社が昭和58年に刊行した「演算増幅器」のP327−P332に記載されている演算増幅器の回路図である。
【符号の説明】
10…物理量センサ
11…クロック回路
12…加算器
20…第1のパルス幅変調器
21…第1の濾波器
22…第1の増幅器
23…第1の切替器
24…第3の濾波器
30…第2のパルス幅変調器
30…第2のパルス幅変調器
31…第2の濾波器
32…第2の増幅器
33…第2の切替器
34…第4の濾波器
100…2軸容量検出型加速度計
200…第1の排他的論理和素子部
201…並列抵抗
202…排他的論理和素子
210…第1の濾波器
211…抵抗
212…接地コンデンサ
230…第1の切替器
240…第2の濾波器
241…抵抗
242…接地コンデンサ
300…第2の排他的論理和素子部
301…並列抵抗
302…排他的論理和素子
310…第2の濾波器
311…抵抗
312…接地コンデンサ
330…第2の切替器
340…第4の濾波器
341…抵抗
342…接地コンデンサ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, when a vector quantity (acceleration, etc.) is input to a physical quantity sensor (acceleration sensor, etc.) having a plurality of reference axes, the sum of squares of the components of the vector quantity on the plurality of reference axes, and thus the magnitude of the vector quantity. The present invention relates to a signal processing circuit that calculates
[0002]
[Prior art]
In a physical sensor having two orthogonal axes such as a force sensor, pressure sensor, acceleration sensor, angular acceleration sensor, magnetic sensor, optical sensor, pyroelectric sensor, etc., when an absolute quantity independent of the direction of the physical quantity detected by the sensor is required, Conventionally, the square root of the sum of squares of two orthogonal axes has been obtained, but the circuit to be realized is expensive and complicated. In general, a circuit for calculating the square root of the sum of squares is mainly composed of a square circuit and a circuit for obtaining a root. A square sum square root circuit composed of a square circuit and a circuit for obtaining a root requires a well-matched transistor pair in order to make it less susceptible to environmental influences. Therefore, the square sum square root circuit has a complicated circuit configuration and is expensive.
[0003]
For example, as a square sum square root circuit composed of integrated circuits, a circuit as shown in FIG. 4 has been published. FIG. 4 is a circuit diagram of an operational amplifier described in P327-P332 of “Operational Amplifier” published by McGraw-Hill in 1983. In FIG. 4, a square circuit can be configured by setting V1 = V2. In the circuit of FIG. 4, the field effect transistors Q1 and Q2 need to have well-matched characteristics. In the example of FIG. 4, the maximum error is estimated to be 4.4% of full scale. The root generation circuit for finding the root can be realized by a circuit that feeds back the output of the divider to the input. The total error in the root generation circuit having such a circuit configuration is considered to be about 10%.
[0004]
As described above, the conventional square sum square root circuit is a complicated circuit, and requires further adjustment of the circuit for precise physical quantity measurement, and cannot be a simple and inexpensive configuration. As a method for calculating the square sum of squares with a simple and inexpensive configuration, a method described in Japanese Patent Publication No. 58-34865 has been proposed. This square sum of squares calculation method pays attention to the first quadrant (0 degree to 90 degree) of two orthogonal axes, and divides the angle into three equal parts (0 degree, 30 degree, 60 degree), and outputs the sensor at each angle. This is a method of performing correction processing. Specifically, in the range from 0 degree to 30 degrees, the sensor output directed to 0 degree is applied. In the range from 60 degrees to 90 degrees, the sensor output for 90 degrees is applied. In the range from 30 degrees to 60 degrees, a value obtained by multiplying the sum of the sensor output directed to 0 degrees and the sensor output directed to 90 degrees by COS45 ° = 0.707 as a coefficient is applied. According to this method, the error is estimated to be 7.6%. In such a disclosed invention, it was divided into three equal parts, but the error can be further reduced by increasing the angle of equally dividing. Further, this square sum square root calculation method can be realized by a circuit that has a relatively simple configuration and can be operated without adjustment.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the method of Japanese Patent Publication No. 58-34865 focuses only on the first quadrant of two orthogonal axes. In order to realize a circuit that applies the method to the sensor output in the range of 0 to 360 degrees, it is necessary to provide an absolute value circuit for obtaining an absolute value of the orthogonal two-axis sensor output as a pre-circuit. Since an absolute value circuit is necessary as a pre-circuit, the sum-of-squares root calculation circuit to which the method of Japanese Patent Publication No. 58-34865 is applied in the range of 0 to 360 degrees cannot be realized with a simple configuration, and the cost is reduced. It was difficult. The present invention has been made in view of the above problems, and is applied to a physical quantity sensor having sensitivity to a range of 0 degrees to 360 degrees, and a vector quantity component detected with respect to a plurality of axes of the physical quantity sensor. It is an object of the present invention to provide a signal processing circuit that can calculate the sum of squares of the sq.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The gist of the present invention for achieving the object lies in the inventions of the following items.
[0007]
[1] A change amount of the pulse width of the rectangular wave in the first rectangular wave signal having the repetition frequency f represents a certain amount A, and the first rectangular wave signal is processed to represent a square value A 2 of the amount A. A square circuit that generates a square value signal;
First averaging means for generating a first average signal representing an average amplitude of the first rectangular wave signal;
The first average signal and a constant value such as a ground voltage are alternately selected in synchronization with the first rectangular wave signal, and the amplitude is a difference value between the first average value and the constant value. Selecting means for generating a second rectangular wave signal whose pulse width is the pulse width of the first rectangular wave signal;
And a second averaging means for generating a second average signal representing an average amplitude of the second rectangular wave signal and outputting a change amount of the second average signal as the square value signal. A square circuit.
[0008]
[2] The first averaging means includes a first filter that inputs the first rectangular wave signal, and amplifies or attenuates the output of the first filter to obtain the first average signal. With the amplitude adjustment circuit to generate,
The square circuit according to [1], wherein the second averaging means is a second filter that receives the second rectangular wave signal.
[0009]
[3] When acceleration and other vector quantities are input, the components of the vector quantities relating to the n-axis (n is 2 or 3) orthogonal to each other are sensed, and the n-axis sensor that outputs each component of the n-axis In a signal processing circuit that receives each n-axis component and generates a sum of squares of each n-axis component,
The n square circuits according to the above [1] or [2], and an adder that adds the square signals that are outputs of the n square circuits and outputs the sum as a square sum.
The n square circuits are provided corresponding to the n-axis,
Each square circuit includes a pulse width modulator that generates the first rectangular wave signal;
Each of the pulse width modulators modulates the pulse width of the first rectangular wave signal according to the corresponding component of the axis.
[0010]
[4] a clock circuit that outputs a clock signal that is a rectangular wave signal;
The pulse width modulator generates the first rectangular wave signal by receiving the clock signal and modulating the pulse width of the clock signal with the corresponding component of the axis. ]. The signal processing circuit of description.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a configuration diagram showing a signal processing circuit according to an embodiment of the present invention. However, FIG. 1 includes a physical quantity sensor 10 to which this signal processing circuit is applied. The physical quantity sensor 10 is a capacitance detection type sensor such as an acceleration sensor, and uses the orthogonal X axis and Y axis as sensing axes. Therefore, when a vector quantity such as acceleration is input to the physical quantity sensor 10, the physical quantity sensor 10 outputs an X-axis component x and a Y-axis component y of the vector quantity. The capacitance detection type sensor converts the X-axis component x and the Y-axis component y of the input vector quantity into a change amount of the capacitance and outputs it as an X-axis sensor signal x and a Y-axis sensor signal y, respectively.
[0012]
The X-axis sensor signal x is transmitted to the first pulse width modulator 20, and the Y-axis sensor signal is transmitted to the second pulse width modulator 30. First, a circuit for processing the X-axis sensor signal x will be described. The clock circuit 11 outputs a clock signal that is a rectangular wave to the first pulse width modulator 20 and the second pulse width modulator 30. The first pulse width modulator 20 synchronizes with the clock signal output from the clock circuit 11 and outputs a pulse width modulation signal obtained by modulating the pulse width in accordance with the level of the X-axis sensor signal x output from the physical quantity sensor 10. Since the X-axis sensor signal x is a change in capacitance, the first pulse width modulator 20 generates a pulse width modulation signal by changing the pulse width of the input clock signal in accordance with the change in capacitance. The pulse width modulation signal is a rectangular wave and corresponds to the first rectangular wave signal described above. The pulse width modulation signal is a signal having a constant amplitude and a pulse width change amount corresponding to the X-axis sensor signal x. Therefore, the average value of the pulse width modulation signal is proportional to the pulse width of the pulse width modulation signal. Therefore, the amount of change in the average value of the pulse width modulation signal corresponds to the X-axis sensor signal x (change in capacitance in the X-axis capacitance element of the physical quantity sensor 10).
[0013]
The first filter 21 filters a component near the clock frequency included in the input pulse width modulation signal, and generates a DC signal obtained by rectifying the pulse width modulation signal. The amplitude of the DC signal represents the average value of the amplitude of the pulse width modulation signal. The first amplifier 22 receives the DC signal output from the first filter 21, amplifies the level of the DC signal, and supplies the DC signal whose level is adjusted to the first switch 23. The amplification of the level of the DC signal by the first amplifier 22 causes the level of the input DC signal to be equal to the average value of the pulse width modulation signal output from the first pulse width modulator 20 and guided to the first switch 23. This is performed in order to adjust the level and supply the DC signal whose level has been adjusted to the first switch 23. Therefore, the level of the DC signal output from the first amplifier 22 represents the X-axis sensor signal x. The circuit composed of the first filter 21 and the first amplifier 22 corresponds to the first averaging means described above.
[0014]
The first switch 23 alternately switches the DC signal output from the first amplifier 22 and the ground voltage every time the level of the pulse width modulation signal transmitted from the first pulse width modulator 20 increases or decreases. Select and output. Therefore, the output of the first switch 23 is a rectangular wave signal. The amplitude of this rectangular wave signal is a DC level output from the first amplifier 22. The pulse width of the rectangular wave signal is the pulse width of the pulse width modulation signal transmitted from the first pulse width modulator 20. Therefore, in the rectangular wave signal output from the first switch 23, both the amplitude and the pulse width represent the X-axis sensor signal x. The first switch 23 corresponds to the first selection means described above. The rectangular wave signal that is the output of the first switch 23 corresponds to the second rectangular wave signal described above. The third filter 24 filters components around the clock frequency of the input rectangular wave signal, and generates a DC signal obtained by rectifying the rectangular wave signal. The amount of change in the amplitude of the DC signal represents the average value of the rectangular wave signal input to the third filter 24. Then, the amplitude of variation of the direct current signal is representative of the square x 2 of the X-axis sensor signal x.
[0015]
Next, the Y-axis sensor signal processing circuit will be described. The Y-axis sensor signal processing circuit has basically the same configuration as the X-axis sensor signal processing circuit. The difference between the two processing circuits is that the signal to be processed is the X-axis sensor signal x in the X-axis sensor signal processing circuit, but the Y-axis sensor signal y in the Y-axis sensor signal processing circuit. Therefore, in the rectangular wave signal output from the second switch 33, both the amplitude and the pulse width represent the Y-axis sensor signal y. The direct current signal output from the fourth filter 34 is input to the adder 12. The output of the fourth filter 34 is a DC signal, and the amount of change in the amplitude of this DC signal represents the average value of the rectangular wave signal input to the fourth filter 34. The amount of change in the amplitude of the DC signal represents the square y 2 of the Y-axis sensor signal y.
[0016]
The adder 12 is a DC signal representative of a change amount of the square x 2 of the X-axis sensor signal x (output of the third filter 24), a DC signal representative of a change amount of the square y 2 of Y-axis sensor signal y ( And the output of the fourth filter 34) is added to generate a square sum x 2 + y 2 of the X-axis sensor signal x and the Y-axis sensor signal y. Details of the operation of the circuit of FIG. 1 will now be described in detail with reference to FIG.
[0017]
As described with reference to FIG. 1, the switching process is performed by the first switch 23 and the second switch 33, and the outputs of these switches are output by the third filter 24 and the fourth filter 34. A rectangular wave signal was averaged. The switching process and the averaging process have the effect of obtaining the square of the amount of change in the pulse width of the pulse modulated wave signal generated by the first pulse width modulator 20 and the second pulse width modulator 30, respectively. Based on
[0018]
FIG. 2 shows a timing diagram of each signal in the circuit of FIG. 1 that processes the sensor signals x and y. FIG. 2A is a timing diagram of the clock signal output from the clock circuit 11. The clock signal is a rectangular wave signal with a duty ratio of 50%, and its clock cycle is 1 μS. The amplitude of the clock signal is 5 Vpp, and its low potential is the ground potential. FIG. 2B illustrates a sensor signal output from the physical quantity sensor 10 as a change in capacity. The sensor signals x and y are changes in capacitance. Here, instead of the sensor signal x, the sensor signal x is represented by a change amount a of the capacitance. Similarly, instead of the sensor signal y, the sensor signal y is represented by a capacitance change amount b.
[0019]
In the X-axis sensor signal x and the Y-axis sensor signal y output from the physical quantity sensor 10, it is assumed that the capacitance change of the X-axis sensor is a [pF] and the capacitance change of the Y-axis sensor is b [pF]. FIG. 2B shows that the X-axis sensor signal x has been reduced by a [pF] from the reference capacitance of 50 [pF].
[0020]
As described with reference to FIG. 1, the processing of the X-axis and Y-axis sensor signals has the same contents up to the adder 12, and therefore in the following diagrams (FIGS. 2-3 to 2-7). Processing of the X-axis sensor signal x will be described. As shown in FIG. 2-3, the first pulse width modulator 20 corresponds to the capacitance change amount a [pF], which is the output of the physical quantity sensor 10, in accordance with the pulse width modulation characteristics of the first pulse width modulator 20. The pulse width modulation signal in which the pulse width of the clock signal is changed by the time width α to be generated is generated. In FIG. 2-3, a change is given by α / 2 hours at the rising and falling times of the rectangular wave that is the clock signal, and a pulse width modulation signal having a pulse width narrower by α time than the clock signal is generated. Since the first filter 21 outputs the average of the amplitude of the pulse width modulation signal as a DC signal, the level of the DC signal decreases by a value proportional to α. The level of the DC signal that is the output of the first filter 21 is slightly lower than 1/2 of 5 Vdc when the duty ratio of the input pulse width modulation signal is 50%.
[0021]
FIG. 2-4 shows the degree of amplification by the first amplifier 22. The operation of the first amplifier 22 has been described with reference to FIG. The first amplifier 22 has a voltage equal to the average voltage (1/2 of 5 Vdc) of the pulse width modulation signal from the first pulse width modulator 20 branched and input to the first switch 23. The DC signal output from the first filter 21 is amplified. In the pulse width modulation signal from the first pulse width modulator 20, the pulse widths of continuous rectangular waves are all decreased by α. Therefore, considering the area of the ON region of the pulse width modulation signal which is a rectangular wave, only α is obtained from 1/2 (reference voltage) of the average voltage 5 Vdc of the pulse width modulation signal output from the first pulse width modulator 20. It can be seen that the value decreases. Therefore, FIG. 2-4 shows that the amplification effect in the first amplifier 22 is adjusted to a value that is reduced by α from ½ of 5 Vdc.
[0022]
FIG. 2-5 shows a rectangular wave signal output by the switching process in the first switch 23. That is, a pulse width modulation signal having a pulse width narrower by α than the clock signal is input from the first pulse width modulator 20, and the timing of the switching process in the first switch 23 is given. Also, a DC signal that is reduced by α from the reference voltage of 5 Vdc is input to the first switch 23 from the first amplifier 22. When switching processing is performed at the above-described timing according to these signal inputs, a rectangular wave signal in which the pulse width and height shown in FIG. 2-5 are reduced by α is generated and output. Considering the amount of change in pulse width and amplitude in this rectangular wave signal, the average level of the rectangular wave signal output from the first switch 23 is the same as that in the pulse modulated signal transmitted from the first pulse width modulator 20. This corresponds to the square of the change amount α of the pulse width.
[0023]
2-6 shows the level of the DC signal obtained by filtering the rectangular wave signal transmitted from the first switch 23 by the third filter 24 (the average level of the rectangular wave signal output from the first switch 23). ) Represents a voltage value of 5 Vdc-α 2 .
[0024]
As for the processing of the Y-axis sensor signal, if the voltage change amount is β with respect to the capacitance change amount b [pF] output from the physical quantity sensor 10 in the second pulse width modulator 30, the above-described series of processing is performed. In the same manner, the fourth filter 34 outputs the DC signal level 5Vdc-β 2 to the adder 12. FIG. 2-7 shows that 5Vdc− (α 2 + β 2 ), which is a value obtained by adding the DC signals related to the X axis and the Y axis by the adder 12, is output. However, since the adder 12 is a logic circuit made of a semiconductor integrated circuit, the addition in the adder 12 is performed for the changes α 2 and β 2 from the fixed value 5 Vdc component at the input. Further, due to the characteristics of this logic circuit, the output of the adder 12 is also at a level obtained by subtracting the change (α 2 + β 2 ) from the fixed value 5 Vdc. An added value can be obtained as a change in the output of the adder 12.
[0025]
By the signal processing described above, the sensor output of the orthogonal two axes is converted into the square value of the absolute amount that does not depend on the direction of the physical quantity α 2 + β 2 . In the next processing, the square value can be used as it is, or a square root circuit can be added and converted to a root √ (α 2 + β 2 ). Although the configuration in which the square value of the sensor output of the orthogonal two axes is processed by the adder through the filter is adopted in FIG. 1, the processing of FIG. As in the case of, the square value of the absolute quantity independent of the direction of the physical quantity can be obtained. In addition, when the orthogonal 2-axis sensor output of the capacitance detection type physical quantity sensor is output as a pulse width modulation value, the X-axis and Y-axis pulse width modulation output of the physical quantity sensor and the output obtained by averaging these are output by a switch. By turning on and off, the square value of the output of each axis of the original physical quantity sensor can be obtained. This value is processed by the filter described with reference to FIG. 1 and added by an adder, thereby obtaining the sum of squares of the absolute quantity independent of the direction of the physical quantity. According to this configuration, since it is not configured to convert to a voltage signal as shown in FIG. 1, the number of elements that are the cause of error can be reduced, and the total error of the switcher and the adder is only about 2%. It has been found. The processing configuration for conversion to the square value of the sensor output described above is not limited to the orthogonal 2-axis physical quantity sensor, but can be applied to an orthogonal 3-axis physical quantity sensor. What is necessary is just to take the structure which carries out process conversion to the square value of a sensor output about each of 3 axis | shaft output, and calculates the square sum for 3 axes | shafts by an adder.
[0026]
FIG. 3 is a circuit configuration diagram showing the configuration of FIG. 1 with more specific elements. Assuming that the biaxial capacitance detection type accelerometer 100 is used as the physical quantity sensor 10 of FIG. The X-axis and Y-axis capacitances, which are two orthogonal axes of the biaxial capacitance detection type accelerometer 100, have two outputs as differential capacitances (unit pF) that increase and decrease according to changes in the respective accelerations. Further, a first exclusive OR element unit 200 and a second exclusive OR element unit 300 are provided corresponding to the first pulse width modulator 20 and the second pulse width modulator 30.
[0027]
A flow of processing conversion of the X-axis sensor output of the biaxial capacitance detection type accelerometer 100 is described. First, the internal configuration of the first exclusive OR element unit 200 will be described. The rectangular wave output from the clock circuit 11 is branched and input to the first exclusive OR element unit 200. The X-axis positive and negative two sensor outputs merge with each signal line extending from the parallel resistor 201 and are connected to the exclusive OR element 202. With this configuration, the rectangular wave output of the clock circuit 11 is modulated in pulse width by the sensor capacitance of the biaxial capacitance detection type accelerometer 100 and the parallel resistance 201, and further, the exclusive OR element 202 performs the first filtering as a charge / discharge waveform. Is branched and output to the device 210 and the first switch 230.
[0028]
The first filter 210 specifically represents the first filter 21 of FIG. 1 and includes a resistor 211 and a ground capacitor 212. The operation is the same as that of the first filter 21, and the rectangular wave is filtered and converted into a DC voltage signal and transmitted to the first amplifier 22. The first amplifier 22 adjusts and amplifies the DC signal from the first filter 210 so as to be equal to the average voltage of the voltage signal input to the first switch 230, and inputs it to the first switch 230. . The first switch 230 is a C-MOS transistor. A DC signal corresponding to the square of the voltage signal output from the first pulse width modulator 200 is generated by the switching operation described with reference to FIG. 1 and output to the second filter 240. The second filter 240 specifically represents the third filter 24 of FIG. 1, and includes a resistor 241 and a ground capacitor 242. The operation is the same as that of the third filter 24, and the rectangular wave is filtered, converted again into a DC signal, and transmitted to the adder 12. The flow of processing conversion of the Y-axis sensor output of the biaxial capacitance detection type accelerometer 100 is exactly the same as the above-described X-axis processing flow. The square-processed voltage signal transmitted from the second filter 240 and the square-processed voltage signal transmitted from the fourth filter 340 are both transmitted to the adder 12, and are added in the direction of acceleration. The sum of squares of the absolute value of acceleration that does not depend can be obtained.
[0029]
【The invention's effect】
As described in the above embodiment, the present invention modulates the pulse width modulator with the detection value of the physical quantity sensor, generates a pulse width modulation signal of a rectangular wave, and detects the detection value by changing the pulse width of the rectangular wave. The average signal of the pulse width modulation signal is generated by the averaging means, and the product of the change in the pulse width and the change in the amplitude is generated by the selection means, thereby obtaining the square of the detection value of the physical quantity sensor. Yes. Further, a process of converting each of the detected values along the plurality of reference axes of the physical quantity sensor into the above-described product and finally adding all the products with an adder to calculate the sum of squares is adopted. With this configuration, in a signal processing circuit applied to a physical quantity sensor that can output a square value of an absolute quantity that does not depend on the direction of the physical quantity and has a sensitivity with respect to a range of 0 to 360 degrees, It is possible to provide a signal processing circuit that performs an accurate calculation with an inexpensive and simple configuration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a signal processing circuit including a physical quantity sensor according to an embodiment of the invention.
FIG. 2 is a timing chart when sensor signals are processed in the configuration of FIG.
FIG. 3 is a circuit configuration diagram illustrating the configuration of FIG. 1 with more specific elements.
FIG. 4 is a circuit diagram of an operational amplifier described in P327-P332 of “Operational Amplifier” published in 1983 by McGraw-Hill, which is an example of a conventional square circuit.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Physical quantity sensor 11 ... Clock circuit 12 ... Adder 20 ... 1st pulse width modulator 21 ... 1st filter 22 ... 1st amplifier 23 ... 1st switch 24 ... 3rd filter 30 ... 2nd pulse width modulator 30 ... 2nd pulse width modulator 31 ... 2nd filter 32 ... 2nd amplifier 33 ... 2nd switch 34 ... 4th filter 100 ... 2 axis capacity detection type Accelerometer 200 ... first exclusive OR element 201 ... parallel resistor 202 ... exclusive OR element 210 ... first filter 211 ... resistor 212 ... grounding capacitor 230 ... first switch 240 ... second Filter 241 ... Resistor 242 ... Ground capacitor 300 ... Second exclusive OR element 301 ... Parallel resistor 302 ... Exclusive OR element 310 ... Second filter 311 ... Resistor 312 ... Ground capacitor 330 ... Second Switcher 340 ... Fourth filter 41 ... resistance 342 ... ground capacitor

Claims (4)

繰り返し周波数fの第一の矩形波信号における矩形波のパルス幅の変化量で或る量Aを表し、該第一の矩形波信号を処理し、量Aの二乗値A2を表す二乗値信号を生成する二乗回路であり、
前記第一の矩形波信号の振幅の平均を表す第一の平均信号を生成する第一の平均手段と、
前記第一の平均信号と接地電圧などの一定値とを前記第一の矩形波信号に同期して交互に選択し、振幅が該第一の平均値と該一定値との差の値であり、パルス幅が該第一の矩形波信号のパルス幅である第二の矩形波信号を生成する選択手段と、
前記第二の矩形波信号の振幅の平均を表す第二の平均信号を生成し、該第二の平均信号の変化量を前記二乗値信号として出力する第二の平均手段と
を備えることを特徴とする二乗回路。
A square value signal representing a certain amount A by a change amount of a pulse width of the rectangular wave in the first rectangular wave signal of the repetition frequency f, processing the first rectangular wave signal, and representing a square value A 2 of the amount A Is a square circuit that generates
First averaging means for generating a first average signal representing an average amplitude of the first rectangular wave signal;
The first average signal and a constant value such as a ground voltage are alternately selected in synchronization with the first rectangular wave signal, and the amplitude is a difference value between the first average value and the constant value. Selecting means for generating a second rectangular wave signal whose pulse width is the pulse width of the first rectangular wave signal;
And a second averaging means for generating a second average signal representing an average amplitude of the second rectangular wave signal and outputting a change amount of the second average signal as the square value signal. A square circuit.
前記第一の平均手段は、前記第一の矩形波信号を入力する第一の濾波器と、該第一の濾波器の出力を増幅又は減衰することにより前記第一の平均信号を生成する振幅調整回路とでなり、
前記第二の平均手段は、前記第二の矩形波信号を入力とする第二の濾波器である
ことを特徴とする請求項1に記載の二乗回路。
The first averaging means includes a first filter for inputting the first rectangular wave signal, and an amplitude for generating the first average signal by amplifying or attenuating the output of the first filter. With the adjustment circuit,
2. The squaring circuit according to claim 1, wherein the second averaging means is a second filter having the second rectangular wave signal as an input.
加速度その他のベクトル量が入力されたときに、互いに直交するn軸(nは2又は3)に関する該ベクトル量の成分を感知し、n軸それぞれの成分を出力するn軸センサから該n軸それぞれの成分を受け、n軸それぞれの成分の二乗和を生成する信号処理回路において、
請求項1又は2に記載のn個の二乗回路と、これらn個の二乗回路の出力である前記二乗信号を加算し前記二乗和として出力する加算器とを備え、
前記n個の二乗回路は前記n軸にそれぞれに対応して設けてあり、
前記各二乗回路は、前記第一の矩形波信号を生成するパルス幅変調器を備え、
各前記パルス幅変調器は、対応する前記軸の成分に応じて前記第一の矩形波信号のパルス幅を変調する
ことを特徴とする信号処理回路。
When acceleration and other vector quantities are input, the components of the vector quantities relating to the n-axis (n is 2 or 3) orthogonal to each other are detected, and the n-axis sensor outputs each component of the n-axis. In the signal processing circuit that generates the sum of squares of each component of the n-axis,
An n number of square circuits according to claim 1 and an adder that adds the square signals that are outputs of the n number of square circuits and outputs the sum of the squares.
The n square circuits are provided corresponding to the n-axis,
Each square circuit includes a pulse width modulator that generates the first rectangular wave signal;
Each of the pulse width modulators modulates the pulse width of the first rectangular wave signal according to the corresponding component of the axis.
矩形波信号であるクロック信号を出力するクロック回路を備え、
前記パルス幅変調器は、前記クロック信号を受け、対応する前記軸の成分でもって該クロック信号のパルス幅を変調することにより前記第一の矩形波信号を生成する
ことを特徴とする請求項3に記載の信号処理回路。
It has a clock circuit that outputs a clock signal that is a rectangular wave signal,
4. The pulse width modulator generates the first rectangular wave signal by receiving the clock signal and modulating the pulse width of the clock signal with a corresponding component of the axis. A signal processing circuit according to 1.
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