JP5016538B2 - Ａ／ｄ変換装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ａ／Ｄ変換装置に関し、特にＡ／Ｄ変換装置の異常検出に関する。

近年、自動車などの分野においては、搭載される電子機器の種類、数が増大傾向にある。電子機器には、オーディオなどの快適設備のほか、エンジン、ブレーキなどに設置されている各種のセンサなども含まれる。各種センサからの情報は、マイクロコンピュータ（以下、マイコン）に入力され、センサからの情報に基づいて各種の制御が行われる。

特許文献１には、各センサからの出力信号が入力されるマイコンについて記載されている。図６は特許文献１が開示しているマイコン及びセンサの全体構成図である。マイコン内には、ＡＤコンバータが搭載され、ＡＤコンバータにはセンサからの出力信号が入力されている。センサは、例えば、計測した電流、温度、電圧などの情報を伝達するものである。ＡＤコンバータは、センサからの出力信号をデジタルデータに変換し、マイコンはこのデジタルデータに基づいて各種制御処理を行う。なお、センサとＡＤコンバータは、共に電源電圧Ｖｃｃが動作電圧として供給されている。

自動車に搭載されたマイコンにおいて、上述した各センサからの情報に基づいた制御に誤りが生じると、重大事故につながるため、誤りが発生しないような制御や監視機能が要求される。監視すべき対象としてまず考えられるのが、マイコンや各電子機器に供給される電源電圧である。特許文献２には、マイコンのＡ／Ｄ入力端子の入力電圧を監視し、所定の基準電圧を下回ると制御信号を出力するといった技術が記載されている。図８は、特許文献２が開示している回路の全体図である。Ａ／Ｄ入力端子に入力されるＤＣ電源（例：５Ｖ）と、ＤＣ電源を生成するためのＡＣ電源の直流成分（５Ｖ）に乗数（例：０．８）をかけた電圧とを比較することにより、ＤＣ電源の電圧降下を監視している。
特開２００６−１４３１４４ 特開平１１−１０３５２２

マイコンなどの半導体装置においては、入力端子に過大な電圧がかかった場合に、内部回路を保護するため、ダイオードなどの保護素子を設けることが一般的に行われている。保護素子を特許文献１が開示しているマイコンに適用した場合の一例を図７で示す。センサに接続される入力端子と、電源電圧Ｖｃｃとの間に、図７のように保護ダイオードが設置される。なお、図７では簡略化のための、１箇所にのみ保護ダイオードを設置した場合であるが、他の場所にも設置されることは言うまでもない。更に言えば、図７では、ＡＤコンバータに入力される参照電圧（Ｖｒｅｆ。基準電圧とも呼ぶ。）に関する記載がないが、Ｖｒｅｆをマイコンの外部端子から供給するのであれば、Ｖｒｅｆにも同様に保護ダイオードが設置される。センサに接続される入力端子、Ｖｒｅｆの入力端子に過大な電圧がかかった場合、保護ダイオードがＯＮ状態となるため、電源電圧Ｖｃｃに電流が流れることにより、内部回路であるＡＤコンバータの破壊を防止することが可能となる。特許文献２の場合も同様である。しかしながら、ＡＤコンバータの入力端子に保護素子を設置すると、ＡＤコンバータに供給される電源電圧の異常検出が困難になるという課題が生じることを本願発明者は知見した。

ＡＤコンバータへの動作電圧Ｖｃｃの供給が、配線の切断などの理由で止まった場合、通常であれば、ＡＤコンバータの動作は停止する。しかし、保護素子を設置した場合、Ｖｒｅｆやセンサからの入力電圧が保護素子を経由して電源電圧Ｖｃｃに伝達されることになる。この場合、保護素子の電圧降下が０．６Ｖ程度だとすると、Ｖｃｃに伝達される電圧は、入力電圧（最大値Ｖｃｃ）−０．６Ｖ、あるいはＶｒｅｆ−０．６Ｖということになる。ＶｒｅｆがＶｃｃと同電位であれば、Ｖｃｃ−０．６Ｖである。よって、ＡＤコンバータに動作電圧Ｖｃｃの供給が止まるという異常が発生したとしても、保護素子を介して上述した電圧が供給されるため、ＡＤコンバータは動作し続ける。この場合、マイコンはこのＡＤコンバータの電源の異常を検出することは困難となり、また、ＡＤ変換結果に誤りが生じる可能性もある。特許文献２では、Ａ／Ｄの入力端子に入力されるＤＣ電源を、ＤＣ電源の元となるＡＣ電源で監視する技術が記載されているが、Ａ／Ｄに供給される動作電圧Ｖｃｃの異常を監視する方法としては適用が困難である。ＶｃｃをＶｃｃで監視しても意味が無いからである。

本発明に係るＡ／Ｄ変換装置は、電源電圧が供給され、入力電圧と参照電圧を用いてＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換部と、電源電圧あるいは参照電圧のどちらか一方を選択してＡ／Ｄ変換部の入力電圧として供給する入力選択部と、電源電圧と参照電圧とを切り換えてＡ／Ｄ変換部の参照電圧として供給する比較電圧選択部と、Ａ／Ｄ変換部の出力結果から、電源電圧の異常を検出する判定部とを備え、判定部は、入力選択部で選択された電圧と電源電圧とでＡ／Ｄ変換された第1のＡ／Ｄ変換結果と、入力選択部で選択された電圧と参照電圧とでＡ／Ｄ変換された第２のＡ／Ｄ変換結果とを比較することで電源電圧の異常を検出することを特徴とする。

本発明によれば、Ａ／Ｄ変換装置の異常動作、特に電源電圧や参照電圧の異常による異常動作の検出に有益である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
［第1の実施形態］

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＡ／Ｄ変換装置の概念を説明するための図である。変換入力選択部１、サンプル／ホールド選択部２、比較電圧選択部３、Ａ／Ｄ変換部４、判定部５、変換結果補正部６で構成される。ＡＶＤＤ、ＡＩｎ、ＡＶｒｅｆは、それぞれＡ／Ｄ変換部４の動作用電源電圧、変換対象の入力電圧、比較用参照電圧である。

変換入力選択部１は、スイッチ（ＳＷ）７〜９を備え、ＡＶＤＤ、ＡＩｎ、ＡＶｒｅｆから１つを選択してサンプル／ホールド選択部２に出力する。サンプル／ホールド選択部２は、ＳＷ１〜６と容量Ｃ１〜Ｃ３とを備え、変換入力部１から出力された信号の電圧に対して、サンプル／ホールドを行う。容量Ｃ１〜３は同じ容量値とする。Ａ／Ｄ変換部４は、比較電圧選択部３により選択されたＡＶＤＤまたはＡＶｒｅｆを参照電圧とし、サンプル／ホールド選択部２から出力される信号に対してＡ／Ｄ変換を行う。変換結果補正部６は、Ａ／Ｄ変換結果に対して補正を行うものである。

図２は、図１で示したＡ／Ｄ変換装置を備えたマイコン９の図である。マイコン９は、図１で示したＡ／Ｄ変換装置とＣＰＵ８を備える。また、センサの出力信号をＡＩｎとして接続した状態を一例として示している。変換入力選択部１、サンプル／ホールド選択部２、比較電圧選択部３、Ａ／Ｄ変換部４、判定部５、変換結果補正部６は、それぞれＣＰＵ８と制御用プログラムによって制御されて動作する。より具体的には、ＳＷ１〜９の制御がＣＰＵ８により行われる。詳細は後述するが、判定部５、変換結果補正部６は、ＣＰＵ８とその制御用プログラムで実現することも可能である。

次に、図３を用いて、本実施の形態に係るＡ／Ｄ変換装置の動作を説明する。以下の説明において、ＳＷ１〜９はＣＰＵ８により制御される。まず、変換入力選択回路１において、ＡＶＤＤ（またはＡＶｒｅｆ）を選択し、サンプル／ホールド選択部２に接続する（Ｓ１）。サンプル／ホールド選択部２において、ＳＷ１とＳＷ４をＯＮとし、ＡＶＤＤの電圧を容量Ｃ１に充電させる。Ｃ１の容量値をＣとすれば、Ｃ１の電荷はＡＶＤＤ・Ｃとなる。

次に、ＳＷ１をＯＦＦにし、ＳＷ２、ＳＷ４、ＳＷ５をＯＮにする（Ｓ３）。これにより、容量Ｃ１に充電された電荷がＣ１とＣ２に分割されるが、Ｃ１とＣ２は同じ容量値Ｃであるため、Ｃ１とＣ２の電荷は、共にＡＶＤＤ・Ｃ／２となる。

次に、ＳＷ２をＯＦＦにし、ＳＷ３、ＳＷ５、ＳＷ６をＯＮにする（Ｓ４）。これにより、容量Ｃ２に充電された電荷がＣ２とＣ３に分割されるが、Ｃ２とＣ３は同じ容量値であるため、Ｃ２とＣ３の電荷は、共にＡＶＤＤ・Ｃ／４となる。

以上の動作により、ＡＶＤＤに対する１／２と１／４を示す電圧が得られる。すなわち、Ｃ１の端子電圧はＡＶＤＤ／２であり、Ｃ２、Ｃ３の端子電圧はＡＶＤＤ／４である。ここで、比較電圧選択部３は、ＡＶＤＤを選択してＡ／Ｄ変換部４に接続し、サンプル／ホールド選択部２は、容量Ｃ１をＡ／Ｄ変換部４に接続、すなわちＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４をＯＮにする。Ａ／Ｄ変換部４は、容量Ｃ１の端子電圧ＡＶＤＤ／２を入力電圧とし、ＡＶＤＤを参照電圧としてＡ／Ｄ変換を行う（Ｓ５）。更に、比較電圧選択部３は、ＡＶｒｅｆをＡ／Ｄ変換部４に接続し、ＡＶｒｅｆを参照電圧としてＡ／Ｄ変換を行う。同様にして容量Ｃ２またはＣ３の端子電圧、すなわちＡＶＤＤ／４を入力電圧とし、ＡＶＤＤとＡＶｒｅｆを参照電圧としたＡ／Ｄ変換を行う。

以上の動作により、変換結果として、図４のような結果が得られる。図４の結果は、ＡＶＤＤ端子に入力される配線に断線等の障害が発生し、ＡＶｒｅｆから保護素子を介して電圧が回りこんでいる状態に対するものである。一例として、ＡＶＤＤ、ＡＶｒｅｆが共に５Ｖ、保護素子の電位降下を０．６Ｖとすると、Ａ／Ｄ変換器のＡＶＤＤとしては４．４Ｖが供給されている状態である。

変換結果に基づき、判定部５は次のように異常を判断する（Ｓ６）。
ＡＶｒｅｆを参照電圧とした変換結果＝ＡＶＤＤを参照電圧とした変換結果：ＡＶＤＤ、ＡＶｒｅｆ共に正常。
ＡＶｒｅｆを参照電圧とした変換結果＜ＡＶＤＤを参照電圧とした変換結果：ＡＶＤＤが異常。
ＡＶｒｅｆを参照電圧とした変換結果＞ＡＶＤＤを参照電圧とした変換結果：ＡＶｒｅｆが異常。

なお、上記では、ＡＶＤＤ／２とＡＶＤＤ／４の２つの電圧を生成する内容で説明したが、これは後述する変換結果の補正に有効なためである。ＡＶＤＤの異常を検出するだけであれば、ＡＶＤＤ／２の電圧だけ、あるいはＡＶＤＤそのものをＡ／Ｄ変換部４の入力電圧とすることでも実現可能である。

判定の結果、ＡＶＤＤの異常が検出された場合は、変換結果補正部６は、任意の入力電圧のＡ／Ｄ変換結果に対する補正値を算出し、補正値に基づいて補正を行う（Ｓ７）。図５は、本実施の形態に係る補正方法の概念を説明する図であり、Ａ／Ｄ変換部４の変換電圧（入力電圧）に対する変換結果を示している。理想直線（期待値）は、Ａ／Ｄ変換部４が動作電圧、参照電圧が固定であり、かつ正常の場合に、入力電圧とその変換結果を示したものである。「異常時の変換値」は、上述したように、Ａ／Ｄ変換部４に入力される動作電圧に異常が発生した場合などに、Ａ／Ｄ変換部４が出力する変換結果である。

変換結果補正部６は、理想直線に相当する情報を予め保持しておく。より具体的には、ＡＶｒｅｆ／２とＡＶｒｅｆ／４に対する変換結果の値と、この２点間を結ぶ直線の傾きをテーブルデータとして保持しておく。また、上述したＳ１〜Ｓ５までの各ステップで得られた、ＡＶｒｅｆ／２とＡＶｒｅｆ／４に対するＡ／Ｄ変換結果を用いて、異常時の変換値の直線を求める。そして、理想直線と異常時の変換値の直線との差分により、任意の入力電圧のＡ／Ｄ変換結果に対して補正するための補正値を求めることが可能となる。

Ａ／Ｄ変換器には、量子化誤差などがあるため、図５のような完全な直線とはならない。より精度の高い補正を行うには、サンプル／ホールド選択部の規模を増やすことにより実現可能である。

判定部５、変換結果補正部６は、ＣＰＵ８と制御用プログラムでも実現可能である。この場合、ＣＰＵ８は、Ａ／Ｄ変換部４の変換結果に基づいて異常を判断する。また、理想直線のテーブルデータは、ＣＰＵ８がアクセス可能なメモリ（図示なし）に保存され、異常と判断した場合には、上述した補正をＣＰＵ８が行う。なお、ＣＰＵ８が補正を行うにあたっては、まずＡ／Ｄ変換した結果とエラー出力を行ってユーザに通知し、ユーザからの指示を受けて補正を行う、としても良い。

以上説明した通り、本実施の形態によれば、ＡＶＤＤ／２、ＡＶＤＤ／４の電圧に対してＡＶＤＤとＡＶｒｅｆを参照電圧としてＡ／Ｄ変換を行い、結果を比較することでＡ／Ｄ変換器の電源の異常を判定することが可能となる。更に、ＡＶＤＤが異常と判定された場合は、ＡＶｒｅｆ／２、ＡＶｒｅｆ／４の期待値でできる直線と、ＡＶＤＤ異常時のＡＶｒｅｆ／２、ＡＶｒｅｆ／４に対する変換値でできる直線との差分で、任意の入力電圧の変換結果に対する補正値を求めることができ、補正値に基づいて補正を行うことが可能となる。ＡＶＤＤが下がると、Ａ／Ｄ変換部のロジック部の動作マージンが減ることになるため、動作不良（Ａ／Ｄ誤変換）が生じる可能性があるが、本実施の形態によれば、この動作不良を検出と回避を可能とする。

なお、本実施の形態では、サンプル／ホールド選択部のＣ１〜Ｃ３の容量値を同じとし、ＡＶＤＤ、ＡＶｒｅｆの１／２、１／４の電位で説明をしたが、これに限られないことは言うまでもない。Ｃ１〜Ｃ３の容量値を変え、１／３などでの電位でも同様に実現可能である。また、ＡＶＤＤの異常の発生の原因として、保護素子を介しての電圧の回りこみをあげたが、単にＡＶＤＤの電位降下といった異常であっても、本実施の形態を適用することにより異常検出が可能である。

第1の実施の形態に係るＡ／Ｄ変換装置の全体図である。 第1の実施の形態に係るＡ／Ｄ変換装置を備えたマイクロコンピュータである。 第1の実施の形態に係るＡ／Ｄ変換装置の動作フロー図である。 第１の実施の形態に係るＡ／Ｄ変換装置のＡ／Ｄ変換結果である。 第１の実施の形態に係るＡ／Ｄ変換装置のＡ／Ｄ変換結果に対する補正の概念図である。 従来のＡ／Ｄ変換装置の図である。 従来のＡ／Ｄ変換装置の図である。 従来のＡ／Ｄ変換装置の図である。

符号の説明

１・・・変換入力選択部
２・・・サンプル／ホールド選択部
３・・・比較電圧選択部
４・・・Ａ／Ｄ変換部
５・・・判定部
６・・・変換結果補正部
７・・・保護素子
８・・・ＣＰＵ
９・・・マイクロコンピュータ

Claims (12)

1. 電源電圧の入力端子と入力電圧の入力端子との間及び前記電源電圧の入力端子と参照電圧の入力端子との間に配され内部回路を保護する保護素子を介して前記電源電圧、前記入力電圧、及び前記参照電圧が供給されるＡ／Ｄ変換装置であって、
   前記電源電圧が供給され、前記入力電圧と前記参照電圧を用いてＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換部と、
   前記電源電圧あるいは参照電圧のどちらか一方を選択して前記Ａ／Ｄ変換部の入力電圧
   として供給する入力選択部と、
   前記電源電圧と参照電圧とを切り換えて前記Ａ／Ｄ変換部の参照電圧として供給する比較電圧選択部と、
   前記Ａ／Ｄ変換部の出力結果から、前記電源電圧の異常を検出する判定部とを備え、
   前記判定部は、前記入力選択部で選択された電圧と前記電源電圧とでＡ／Ｄ変換された第1のＡ／Ｄ変換結果と、前記入力選択部で選択された電圧と前記参照電圧とでＡ／Ｄ変換された第２のＡ／Ｄ変換結果とを比較することで前記電源電圧の異常を検出するＡ／Ｄ変換装置。
2. 前記入力選択部で選択された電圧から第１の電圧を生成し、前記Ａ／Ｄ変換部の入力電圧として供給するサンプル・ホールド部を更に備え、
   前記Ａ／Ｄ変換部は、前記第１の電圧と前記電源電圧とでＡ／Ｄ変換して前記第１のＡ／Ｄ変換結果を生成し、前記第１の電圧と前記参照電圧とでＡ／Ｄ変換して前記第２のＡ／Ｄ変換結果を生成する請求項１に記載のＡ／Ｄ変換装置。
3. 前記サンプル・ホールド部は、複数の容量素子と、当該容量素子への前記電源電圧または参照電圧の供給を制御するスイッチとで構成される請求項２に記載のＡ／Ｄ変換装置。
4. 前記判定部は、前記第１のＡ／Ｄ変換結果が、前記第２のＡ／Ｄ変換結果よりも大きな値を示す場合に、前記電源電圧の異常と判定する請求項１に記載のＡ／Ｄ変換装置。
5. 前記判定部が電源電圧の異常を検出した場合、任意の入力電圧のＡ／Ｄ変換結果に対して補正を行う補正部を更に備え、当該補正部は、前記Ａ／Ｄ変換部の前記第１の電圧に対する期待値を予め保持し、当該期待値と、前記第２のＡ／Ｄ変換結果との差分から、補正を行うための補正値を算出する請求項２に記載のＡ／Ｄ変換装置。
6. 前記判定部が電源電圧の異常を検出した場合、任意の入力電圧のＡ／Ｄ変換結果に対して補正を行う補正部を更に備え、
   前記サンプル・ホールド部は、前記第１の電圧とは異なる第２の電圧を更に生成し、前記Ａ／Ｄ変換部は、前記第２の電圧と前記参照電圧とで第３のＡ／Ｄ変換を行い、前記補正部は、前記第１と第２の電圧に対するＡ／Ｄ変換部の期待値から得られる直線をテーブルデータとして予め保持し、当該テーブルデータと、前記第２と第３の変換結果とで得られる直線との差分から、前記補正値を算出する請求項２に記載のＡ／Ｄ変換装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のＡ／Ｄ変換装置を備えたマイクロコンピュータであって、
   前記Ａ／Ｄ変換装置は、前記マイクロコンピュータの電源電圧入力端子と、参照電圧入力端子とに接続され、前記電源電圧入力端子と前記参照電圧入力端子間には保護素子が接続されるマイクロコンピュータ。
8. 電源電圧の入力端子と入力電圧の入力端子との間及び前記電源電圧の入力端子と参照電圧の入力端子との間に配され内部回路を保護する保護素子を介して前記電源電圧、前記入力電圧、及び前記参照電圧が供給されるＡ／Ｄ変換装置の電源電圧の異常を検出する方法であって、
   前記Ａ／Ｄ変換装置に供給される電源電圧あるいは参照電圧のどちらか一方を選択して前記Ａ／Ｄ変換部の入力電圧として選択する選択ステップと、
   前記選択ステップで選択された電圧と、前記電源電圧とでＡ／Ｄ変換を行って第１のＡ／Ｄ変換結果を生成し、前記選択ステップで選択された電圧と、前記参照電圧とでＡ／Ｄ変換を行って第2のＡ／Ｄ変換結果を生成するＡ／Ｄ変換ステップと、
   前記第１と第２のＡ／Ｄ変換結果を比較することにより前記電源電圧の異常を検出する判定ステップとを有する電源電圧の異常検出方法。
9. 前記選択ステップで選択された電圧から第１の電圧を生成する電圧生成ステップを更に備え、
   前記Ａ／Ｄ変換ステップは、前記第１の電圧と前記電源電圧とでＡ／Ｄ変換を行って前記第１のＡ／Ｄ変換結果を生成し、前記第１の電圧と前記参照電圧とでＡ／Ｄ変換を行って前記第2のＡ／Ｄ変換結果を生成する請求項８に記載の電源電圧の異常検出方法。
10. 前記判定ステップは、前記第１のＡ／Ｄ変換結果が、前記第２のＡ／Ｄ変換結果よりも大きな値を示す場合に、前記電源電圧の異常と判定する請求項８に記載の電源電圧の異常を検出する方法。
11. 前記電源電圧の異常を検出した場合、任意の入力電圧のＡ／Ｄ変換結果に対して補正を行う補正ステップを更に備え、当該補正ステップは、前記第１の電圧に対するＡ／Ｄ変換の期待値と、前記第２のＡ／Ｄ変換結果との差分から、補正を行うための補正値を算出する請求項９に記載の電源電圧の異常を検出する方法。
12. 前記電源電圧の異常を検出した場合、任意の入力電圧のＡ／Ｄ変換結果に対して補正を行う補正ステップを更に備え、
    前記電圧生成ステップは、前記第１の電圧とは異なる第２の電圧を更に生成し、
    前記Ａ／Ｄ変換ステップは、前記第２の電圧と前記参照電圧とで第３のＡ／Ｄ変換を行い、
    前記補正ステップは、前記第１と第２の電圧に対するＡ／Ｄ変換部の期待値から得られる直線のテーブルデータと、前記第２と第３の変換結果とで得られる直線との差分から、前記補正値を算出する請求項９に記載の電源電圧の異常を検出する方法。

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