JP5489486B2 - センサの信号非依存性の動作パラメータを変調することによってセンサ出力中のｄｃオフセットを計測するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本開示は、包括的には、センサにおけるＤＣオフセットを測定する技法に関し、より詳細には、信号非依存性の可変動作パラメータを有するセンサにおけるＤＣオフセットを測定する技法に関する。

センサは、加速度、力、圧力、温度等のような物理パラメータを、静電容量、抵抗、周波数、又は電荷のような電気的に測定可能な信号に変換する物理パラメータ要素を含む。たとえば、バネ−マス−ダンパ系を慣性センサ内で物理パラメータ要素として使用して、加速力に対応する電気的に測定可能な信号を生成することができる。センサは、電気的に測定可能な信号を使用して物理パラメータに比例する電圧又はデジタル値を出力する電子インタフェースも含む。

ほとんどのセンサは、センサ出力と、センサ回路出力信号を生成する電子構成要素との間のインタフェースにおいてＤＣオフセットを受ける。たとえば、図１にセンサ回路１０が示される。センサ回路１０は、センサ１４と、電子インタフェース１８とを備える。物理信号はセンサ１４に対する入力として検知され、センサ１４は電気的に測定可能な信号を生成する。この信号が出力信号を生成するために電子インタフェースに入力される前に、ＤＣオフセットがこの信号に加わる場合がある。

以前から既知のセンサでは、ゼロ値の物理パラメータ入力に関してセンサの出力信号を測定して、センサのＤＣオフセットを特定する。この測定値は回路構築の間に特定され、次にそのＤＣオフセット値を、センサの信号出力から減算することができるように、データ値として記憶するか、又は回路要素内に組み込むことができる。センサによっては、ＤＣオフセットが、センサによって検知される物理パラメータに比例する信号よりも大きい場合があるため、ＤＣオフセットの除去は有用である。したがって、ＤＣオフセットの除去又は減衰によって、センサの出力範囲を、ＤＣオフセットではなく検知される物理パラメータを表すために使用することが可能になる。

残念なことに、ＤＣオフセットは、回路構築時に測定された値の付近の比較的狭い範囲内に常に留まっているとは限らない。変化は、センサの温度調整、又はセンサを電子インタフェースに結合するワイヤボンドの変化から生じ得る。センサの入力は物理パラメータから分離することができないため、回路の構築中に得られたＤＣオフセットの新たな測定値をその領域で得ることはできない。その結果、センサの製造後に発生するＤＣオフセット値の変化が、センサ回路によって生成される測定信号に影響を及ぼす。センサの運用中にＤＣオフセット変化を検出及び測定することが望ましい。

センサ回路によって、センサ出力信号中のＤＣオフセットを検出することが可能になる。センサ回路は、センサの入力に結合される物理信号に対応するセンサ出力信号を生成するセンサと、変調信号を生成する変調器であって、当該変調器はセンサに結合されて、そのセンサの物理パラメータを変調すると共に、ＤＣオフセットをセンサ出力信号から分離することを可能にする、変調器とを備える。回路がセンサの物理パラメータに反比例するセンサ出力信号中のＤＣオフセットを検出することを可能にするために、回路はフィードバック信号を生成するように構成されるフィードバック回路を備える。フィードバック信号はセンサの入力に結合されて、センサ出力信号の、センサによって電気信号に変換されている物理信号に起因する部分を変調することなく、センサの物理パラメータを変調することを可能にする。

本システムを使用して、センサ出力信号中のＤＣオフセットの検出を可能にする方法を実施することができる。本方法は、センサを用いて物理信号からセンサ出力信号を生成すること、変調周波数においてセンサの物理パラメータを変調すること、変調周波数においてセンサ出力信号を監視すること、及び閾値よりも大きい変調周波数のセンサ出力信号に反応して、センサ出力信号におけるＤＣオフセットを検出することを含む。本方法はまた、フィードバック信号を生成すること、及びフィードバック信号をセンサの入力に結合することであって、センサ出力信号の、センサによって電気信号に変換されている物理信号に起因する部分を変調することなく、センサの物理パラメータを変調することを可能にする、結合することを含むことができる。

センサの動作中に生成されるオフセットを当該オフセットを補償するために特定する方法及びシステムの、上記の態様及び他の特徴が、添付の図面と併せて解釈される以下の記述において説明される。

センサの入力において検知される物理パラメータに対応する出力信号を生成するセンサのブロック図である。 センサの動作寿命の間にＤＣオフセットを測定するのに有用なフィードバック回路を有して構成されるセンサ回路のブロック図である。 フィードバックを有するセンサ回路のブロック図である。 図２の回路によって生成され、センサ測定信号と変調されたＤＣオフセットとの分離を示す、周波数領域における出力信号のグラフである。 センサの出力信号におけるＤＣオフセットを補償するオフセット相殺（補正）回路を組み込むように変更された、図２に示す回路のブロック図である。

図１において、センサ１４を組み込むシステム１０が示される。システムは、伝達関数Ｈを有するセンサ１４と、ＤＣオフセットノード１６と、調整電子回路１８とを備える。入力信号がセンサ１４に印加され、センサの出力は出力信号を生成する調整電子回路に提供される。たとえば、物理的な力をＭＥＭＳ慣性センサに加えて、センサに作用する力の大きさを示すセンサ信号を生成することができる。調整電子回路１８によってセンサ信号を処理して、デジタル信号処理回路に提供することができる電気信号を生成する。

好ましくは、センサ１４のＤＣオフセットはゼロである。しかしながら、製造中、ボンディングワイヤ及び回路内の他の構成要素の物理特性によって、センサ１４の出力中にＤＣオフセット電圧がもたらされる場合がある。たとえば、センサ１４と調整電子回路１８との間のインタフェースは、これらの２つの構成要素間にボンディングワイヤを含む。ワイヤ又は接続はんだ付けの位置によって、センサ出力の出力中にＤＣオフセットがもたらされる場合がある。したがって、ノード１６はセンサ１４の出力信号であり、センサ出力の後段で、インタフェースによって当該出力信号中にＤＣオフセット信号がもたらされる場合がある。たとえば、慣性センサは静電容量出力信号を生成し、オフセット信号は静電容量オフセットである。オフセット信号は測定することができ、振幅は等しいが反対の符号を有するオフセット補償信号を、インタフェースにおいて、又は調整電子回路１８によって、センサ１４の出力に注入し、オフセット信号を補償することができる。オフセット補償信号は、最初にセンサ出力からのＤＣオフセット信号を除去するが、センサが環境応力等によりセンサの動作寿命の間に変化するため、ＤＣオフセットの補償をその後行うことができない場合がある。これらの変化によってＤＣオフセットが変化する場合があり、補償信号がもはやＤＣオフセットをセンサの出力から効果的に除去することができない場合がある。動作環境において、物理信号は分離することもゼロ値に固定することもできない。したがって、ＤＣオフセットの変化を測定することはできず、センサ回路の動作寿命の間、補償信号をＤＣオフセットの変化に従って調整することはできない。

図１において、センサの後段でセンサ出力信号にＤＣオフセットがもたらされる。入力信号にアクセス可能な回路では、チョッパ安定化を使用して、オフセット信号を回路の出力信号から分離及び除去することができる。特に、入力信号を、信号処理回路に提供する前に変調することができる。処理回路伝達関数による信号の増幅が、変調された入力信号及びＤＣオフセットに作用し、次に増幅された信号が復調される。周波数領域において、復調によって、変調された入力信号をＤＣオフセットから分離する。ローパスフィルタを復調された出力信号に対して使用することによって、復調された測定信号をフィルタリング除去することなく復調されたオフセット信号を大幅に減衰させる。しかしながら、この技法は、入力信号を直接変調することができないセンサ用途においては利用可能でない。加速度センサのような幾つかのセンサによって測定される物理パラメータは、直接変調することができない。したがって、上述した技法をオフセット信号を測定するのに使用することはできない。

センサ用途において入力信号を変調することはできないが、センサの物理パラメータは変調することができる。センサの物理パラメータの変調によって、オフセットを変調することなくセンサの出力信号を変調することができる。したがって、センサによっては、変調してＤＣオフセットとは大幅に異なる周波数の出力信号を生成することができる物理パラメータを有する場合がある。その結果、変調信号に対応する信号を用いる出力の復調、及びその結果のフィルタリングを利用して、ＤＣオフセットを測定信号から除去することができる。

センサの物理パラメータを変調してＤＣオフセットを特定すると共にセンサの測定信号から除去することは、変調パラメータに正比例する測定信号を生成する伝達関数を有するセンサの場合に効果的である。しかしながら、この技法を、変調パラメータに反比例する測定信号を生成する伝達関数を有するセンサに使用することは、効率的ではない。たとえば、図１のセンサ１４が加速度計である場合、伝達関数Ｈ_{ＳｅｎｓｏｒＥｌｅｍｅｎｔ（センサ素子）}は、１／ｋの因数を含む。ここで、ｋはバネ定数である。したがって、図１における回路の出力は、Ｉｎｐｕｔ（入力）×Ｈ_{ＳｅｎｓｏｒＥｌｅｍｅｎｔ}×Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（電子回路）＋Ｏｆｆｓｅｔ（オフセット）×Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓである。すなわち、出力の第１項は、入力信号にセンサの伝達関数及び電子回路を乗算した値であり、第２項は、オフセットに電子回路の伝達関数を乗算した値である。したがって、第１項はｋ、すなわちバネ定数によって除算されている。バネ定数が変調される物理パラメータである場合、ここで第１項は非線形に変化する。このような入力信号の非線形変調は、ＤＣオフセットを有するセンサ測定信号中の入力信号の特定を複雑にする。これは信号エネルギーが周波数スペクトルにわたって拡散しているためである。信号エネルギーが周波数スペクトルにわたって拡散していることによって、信号の単一高調波において低信号対雑音比が生じる。入力信号全体を復元しようと試みることは計算上複雑であり、したがってコストがかかる。

ＤＣオフセットが発生するセンサにおける入力信号の非線形変調から生じる問題を回避するために、ネガティブフィードバックを使用することができる。図３に示すように、回路３００はフォワードゲインａを有するフォワードパス回路３０４と、フィードバックゲインｆを有するネガティブフィードバック回路３０８とを有する。フィードバック回路３０８の出力は、加算ノードにおいて入力信号から減算される。出力対入力比はａ／（１＋ａｆ）として記載することができる。ａが１よりも大幅に大きい回路では、この比は約１／ｆになる。その結果、フィードバックを有する回路３００の信号伝達関数は、フォワードパスにおけるゲインａに依存しない。したがって、フィードバックは、センサ出力信号の、センサによって電気信号に変換されている物理信号に起因する部分を変調することなく、センサの物理パラメータを変調することを可能にする。

図２の回路１００に示すように、フィードバックを使用して、高ループゲインシステムの出力は、以下の形態をとる：Ｏｕｔｐｕｔ（出力）＝Ｉｎｐｕｔ×１／ＦＢ＋Ｏｆｆｓｅｔ×１／（ＦＢ×Ｈ_{ＳｅｎｓｏｒＥｌｅｍｅｎｔ}）。したがって、センサのオフセットがセンサ物理パラメータの変調によって影響を受けるのに対し、入力信号はその変調によって影響を受けない。その結果、ＤＣオフセットは、変調されたパラメータが、回路１００が高ループゲインを有する周波数範囲内で変化している限り、回路全体の出力におけるセンサ信号から分離することができる。

ここで図２の回路をより詳細に説明する。回路１００は、伝達関数Ｈを有するセンサ１４と、制御信号入力１０４と、オフセットノード１６と、調整電子回路１８と、フィードバック回路１０８と、フィードバックノード１１０とを備える。フィードバック回路１０８は、既知のようにフィードバック信号を提供する。制御信号入力１０４は、制御信号をセンサ１４に提供するコントローラに結合される。制御信号はセンサ１４の物理パラメータを変調する。たとえば、慣性センサは、バネ−マス−ダンパ系を備える。バネ定数又はバネに結合されているマスを調整することは、センサの入力信号非依存変調である。これは、入力信号がセンサのこれらの物理パラメータを変更することができないためである。センサに対する入力信号ではなく、センサの物理パラメータを変調してＤＣオフセットを検出及び測定することは以前から既知である。

上記で提示した図２の回路に関する式におけるセンサ伝達関数に１／ｋを代入すると、式は以下のようになる：Ｏｕｔｐｕｔ＝Ｉｎｐｕｔ×１／ＦＢ＋Ｏｆｆｓｅｔ×ｋ／ＦＢ。この式は、ＤＣオフセットがバネ定数の変調によって影響を受けるのに対し、センサ信号はバネ定数の変調によって影響を受けないことを示している。したがって、変調は、ＤＣオフセットを図２の回路の出力におけるセンサ信号から分離するように実行することができる。バネ定数ｋは、常に何らかの正値を有するため、ゼロ平均で変調することができない。その結果、ＤＣオフセットのうちの幾らかは低周波数に留まる。すなわち、バネ定数ｋ＝ｋ_{ｃｏｎｓｔａｎｔ（一定）}＋ｋ_{ｍｏｄｕｌａｔｅｄ（変調）}である。したがって、図２に示される回路の出力は、図４に示すグラフによって表すことができる。ＤＣ位置にあるか又はＤＣ位置の近くにある出力信号の部分２００は、センサ出力信号＋バネ定数の不変部分に関連付けられるＤＣオフセットの部分を表す。部分２０４は変調されたバネ定数によって影響を受けているＤＣオフセットである。出力信号のこの部分は、図２の回路に結合されて図５に示す回路５００を提供するオフセット相殺回路５０４によって監視される。オフセット相殺回路５０４によって信号部分２０４の振幅を閾値と比較し、閾値を超えると、次に、加算ノード５０８において対応する振幅を有する負の信号を出力信号に加算して、ＤＣオフセットを除去する。反比例パラメータ変調の周波数範囲において測定信号を監視することによって、ＤＣオフセットを求めることができる。次に、オフセット相殺回路５０４はＤＣオフセットを使用して、ＤＣオフセットを測定信号から除去するための補償値を生成する。

センサの反比例パラメータをゼロ付近で変調して変調パラメータのゼロ平均をもたらすことはできないため、パラメータの成分は回路の較正の間に測定される。たとえば、ｋ_{ｃｏｎｓｔａｎｔ}とｋ_{ｍｏｄｕｌａｔｅｄ}との比は、ＤＣオフセットを特定する回路の較正の間に測定され、その比は上述したようなＤＣ補償値を生成するのに使用される。この測定は、入力信号をゼロに保ちながら、反比例パラメータを変調することによって実行される。次に、２つのパラメータ成分の比を電子回路内に記憶することができる。オフセット相殺回路５０４が閾値を超えるＤＣオフセットを検出するのに応答して、加算ノード５０８における入力のために新たな補償値が生成される。ＤＣオフセット部分の変調を監視すること及び比例係数を用いて補償値を生成することによって、オフセット相殺回路５０４はセンサの出力における変動するＤＣオフセットを補償することが可能であり続ける。

フィードバック回路１０８を離散型アナログコンポーネント又はデジタルコンポーネントを用いて実施することができる。たとえば、フィードバック回路１０８は、センサ１４の入力に対する連続時間アナログフィードバック信号を生成するように構成することができる。別の実施形態ではフィードバック回路１０８は、パルス幅変調信号のような離散出力値を用いて連続時間アナログフィードバック信号を生成するように構成することができる。このタイプのフィードバック信号は、フィードバック回路の設計をより単純にする。さらに別の実施形態では、フィードバック回路１０８の離散時間的な実施態様を使用することができる。離散時間フィードバック回路は、たとえば、測定信号を受信し、離散出力値を生成するシグマ−デルタ変調器とすることができる。シグマ−デルタ変調器を使用することによって、時間多重を使用して複数のフィードバックを提供することが可能になる。生成されるフィードバック信号のうちの１つを上記で説明したように入力信号に適用して、その入力信号が反比例パラメータによって影響を受けないようにすることができ、生成される別のフィードバック信号を使用してセンサの物理パラメータを変調することができる。

物理パラメータの変調周波数の選択は、多岐にわたる要因に応じて決まる。たとえば、特定の周波数帯域は、別の周波数帯域よりも大きい信号対雑音比（ＳＮＲ）を有する出力を生成することができる。たとえば、フィードバック回路１０８のためにシグマ−デルタ変調器を使用することによって、より高い周波数において大きなノイズ量を有するノイズシェーピングがもたらされる。その結果、変調周波数には中域周波数がより適している。しかしながら、この中域内では、寄生的加速度によって引き起こされる入力値のような幾つかの入力値が、変調周波数におけるセンサ物理パラメータ変調に干渉する場合がある。この問題を回避するために、中域内の様々な変調周波数が使用され、その様々な周波数における出力信号の変調された部分の測定値が平均化される。干渉する入力値によって引き起こされる値が回路の操作に悪影響を与えないことをさらに確実にするために、測定された信号の平均から大幅に逸れる測定値は平均化計算から除外される。

上述した特定の実施形態に対し、多数の変更を行うことができることが当業者には認識されよう。したがって、以下の特許請求の範囲は、上記で図示及び説明された特定の実施形態には限定されない。原提出の特許請求の範囲、及び補正され得る特許請求の範囲は、変形形態、代替形態、変更形態、改良形態、均等物、及び本明細書において開示された実施形態及び教示の実質的な均等物を包含し、これらは現在予測又は理解されていないもの、並びに、たとえば出願人／特許権者及びその他から生じ得るものを含む。

Claims (12)

1. センサ出力信号中のＤＣオフセットの検出を可能にするセンサ回路であって、
   前記センサの入力に結合される物理信号に対応する、入力信号依存成分及びＤＣオフセット成分を有するセンサ出力信号を生成するセンサと、
   変調信号を生成するコントローラであって、該変調信号は前記センサに動作可能に結合されて、該センサの物理パラメータを変調すると共に、前記センサの物理パラメータの変調によって影響を受ける前記センサ出力信号のＤＣオフセット成分を前記センサ出力信号の前記入力信号依存成分から分離する、コントローラと、
   オフセット相殺回路であって、
   前記センサの物理パラメータの変調によって影響を受ける前記センサ出力信号の前記ＤＣオフセット成分を測定すると共に、
   前記センサの物理パラメータの変調によって影響を受ける前記センサ出力信号の前記ＤＣオフセット成分を補償するためのオフセット相殺信号を生成する、
   ように構成されるオフセット相殺回路と、
   を備え、
   前記オフセット相殺回路は、前記センサの物理パラメータの変調によって影響を受ける前記センサ出力信号の前記ＤＣオフセット成分の複数の測定値を平均化して、該ＤＣオフセット成分の測定値の平均に対応する振幅を有する前記オフセット相殺信号を生成する、センサ回路。
2. フィードバック信号を生成するように構成されるフィードバック回路であって、該フィードバック信号は、前記センサの前記入力に結合されて、前記センサ出力信号の前記入力信号依存成分を変調することなく、前記センサの前記物理パラメータを変調することを可能にする、フィードバック回路をさらに備える請求項１に記載のセンサ回路。
3. 前記フィードバック回路は、連続時間アナログフィードバック信号であるフィードバック信号を生成する、請求項２に記載のセンサ回路。
4. 前記フィードバック回路は、離散値を有する離散時間フィードバック信号であるフィードバック信号を生成する、請求項２に記載のセンサ回路。
5. 前記フィードバック回路は、パルス幅変調されたフィードバック信号を生成する、請求項３に記載のセンサ回路。
6. 前記フィードバック回路は、シグマ−デルタ変調回路である、請求項４に記載のセンサ回路。
7. 前記コントローラは、複数の異なる周波数において前記変調信号を生成する、請求項１に記載のセンサ回路。
8. 前記センサは慣性センサである、請求項１に記載のセンサ回路。
9. 前記コントローラは前記慣性センサに結合されてバネ定数を変調する、請求項８に記載のセンサ回路。
10. 前記センサは、前記物理信号に対応する静電容量信号を生成する、請求項１に記載のセンサ回路。
11. 前記センサの前記物理パラメータはバネ定数である、請求項１０に記載のセンサ回路。
12. 前記静電容量信号は前記センサの前記バネ定数に反比例する、請求項１１に記載のセンサ回路。

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