JP5870699B2 - センサ出力補正回路及びセンサ出力補正装置、並びにセンサ出力補正方法 - Google Patents

センサ出力補正回路及びセンサ出力補正装置、並びにセンサ出力補正方法 Download PDF

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Description

本発明は、センサから供給されるセンサ出力を補正するセンサ出力補正回路及びセンサ出力補正装置、並びにセンサ出力補正方法に関する。
センサから供給されるセンサ出力を補正する装置として、例えば特許文献1に開示された出力補正装置が知られている。この出力補正装置では、イメージセンサから出力する各画素の出力を補正するための値が画素毎にテーブル設定されている。
特開2005−20681号公報
しかしながら、上述の従来技術のように、テーブルを用いてセンサ出力を補正する場合、補正の要求精度が高くなるほど大きなテーブルを用意しなければならない。そのため、メモリの容量等の制約によってテーブルの大きさに制限があると、センサ出力を高精度に補正できない。
そこで、本発明は、センサ出力を高精度に補正できる、センサ出力補正回路及びセンサ出力補正装置、並びにセンサ出力補正方法の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、
センサから供給されるセンサ出力を補正するセンサ出力補正回路であって、
前記センサ出力に応じた入力電圧と所定の基準電圧とが選択的に入力され、入力された電圧をAD変換して出力するAD変換部と、
前記基準電圧が前記AD変換部に入力されるときの前記AD変換部の出力結果を用いて、前記入力電圧が前記AD変換部に入力されるときの前記AD変換部の出力データを補正する演算部と
シーケンサとを備え、
前記演算部は、前記出力データの補正に使用される乗加算器と非回復法を用いた除算器を有し、
前記シーケンサは、
第1の基準電圧を前記AD変換部によってAD変換する第1のステップと、
第2の基準電圧を前記AD変換部によってAD変換する第2のステップと、
xを1とし、yを前記第1のステップで測定された第1の基準電圧とし、zを前記第2のステップでAD変換された第2の基準電圧として、xy−zの演算を乗加算器によって行う第3のステップと、
xを1とし、yを前記第3のステップで演算された結果として、x/yの演算を非回復法を用いた除算器によって行う第4のステップと、
xを1とし、yを前記第1のステップでAD変換された第1の基準電圧とし、zを前記第2のステップでAD変換された第2の基準電圧として、(xy+z)/2の演算を乗加算器によって演算する第5のステップと、
xを前記第4のステップで演算された結果とし、yを前記第5のステップで演算された結果とし、zを0として、−xy+zの演算を乗加算器によって行う第6のステップと、
センサから供給されるセンサ出力を前記AD変換部によってAD変換する第7のステップと、
xを前記第7のステップでAD変換された結果とし、yを前記第4のステップで演算された結果とし、zを前記第6のステップで演算された結果として、xy+zの演算を乗加算器によって行うことで、前記第7のステップでAD変換されたセンサ出力を補正する第8のステップとを実行するように構成された、センサ出力補正回路を提供するものである。
本発明によれば、センサ出力を高精度に補正できる。
本発明の一実施形態であるセンサ出力補正装置の構成図である。 ΔΣ変調器の入力電圧範囲の説明図である。 非回復法を用いた除算器の一構成例を示したブロック図である。 ΔΣ変調器の入力とデジタルフィルタの出力との関係図である。 校正値算出のタイミングチャートである。
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。
図1は、本発明の一実施形態であるセンサ出力補正装置30の構成図である。センサ出力補正装置30は、センサ21〜23と、センサ出力補正回路12とを備えたセンサ補正システムである。センサ21〜23は、所定の物理量を検出し、その検出値に応じた検出信号をセンサ出力として出力する。センサ21〜23の具体例として、圧力センサ、温度センサ、電圧センサ、電流センサ、歪みセンサ、磁気センサ、流速センサなどの物理量を検出するセンサが挙げられる。図1には、複数のセンサ21〜23がセンサ出力補正回路12に接続されている構成が例示されているが、センサ出力補正回路12によってセンサ出力が補正されるセンサは一つでも複数でもよい。
以下、センサ21から供給されるセンサ出力である検出信号Saがセンサ出力補正回路12によって補正される場合を例に挙げて説明する。
センサ出力補正回路12は、マイクロコンピュータが内蔵されていない半導体集積回路である。センサ出力補正回路12は、バンドギャップ回路11と、入力回路10と、デジタルフィルタ2と、演算回路9と、シーケンサ5とを備えている。バンドギャップ回路11と入力回路10がアナログ回路で構成され、デジタルフィルタ2と演算部9とシーケンサ5とがデジタル回路で構成されている。
バンドギャップ回路11は、一定の基準電圧VREFを生成して出力する基準電圧生成回路部である。基準電圧VREFは、バンドギャップ回路11の高電位部の電位VREFPからバンドギャップ回路11の低電位部の電位VREFNを引いた電位差である(すなわち、VREF=VREFP−VREFN)。
入力回路10は、検出信号Saに応じた入力電圧である検出検圧Vaが入力される入力インターフェース部である。入力回路10は、マルチプレクサ4と、ΔΣ変調器1とを備えている。
マルチプレクサ4は、マルチプレクサ4の複数の入力チャネルにそれぞれ入力されている電圧を選択的に切り替えて出力する切替回路である。図1の場合、マルチプレクサ4は、6つの入力チャネルを有している。各入力チャネルは、非反転入力端子と反転入力端子とを有する差動入力回路で構成されている。図1において、A*Pは、非反転入力端子を表し、A*Mは、反転入力端子を表している(*は整数を表す)。例えば、センサ21の検出信号Saに対応する検出電圧Vaが入力される入力チャネルch0は、非反転入力端子A0Pと反転入力端子A0Mとを有する差動入力回路で構成されている。他の入力チャネルch1〜ch5についても同様に差動入力回路で構成されている。
図1の場合、入力チャネルch0には、センサ21の検出信号Saに対応する検出電圧Vaが入力され、入力チャネルch3には、VSS電位(グランド電位)間の電位差である±0が一定の第1の基準電圧として入力され、入力チャネルch4には、+VREF(=VREFP−VREFN)が一定の第2の基準電圧として入力され、入力チャネルch5には、−VREF(=VREFN−VREFP)が一定の第3の基準電圧として入力されている。
マルチプレクサ4は、シーケンサ5から出力される選択指令信号に従って、各入力チャネルch0〜ch5に入力されている電圧の中から、ADコンバータ3のΔΣ変調器1に対して出力する電圧(すなわち、ΔΣ変調器1に入力される電圧)を選択する。マルチプレクサ4は、入力チャネルch0〜ch5のうちシーケンサ5によって指定された入力チャネルに入力されている電圧を、ΔΣ変調器1に対して出力する。本実施例では、マルチプレクサ4は、検出電圧Vaと複数の一定の基準電圧(例えば、±0,+VREF,−VREF)とを、ADコンバータ3のΔΣ変調器1に対して選択的に出力する。
ADコンバータ3は、サンプリング動作がシーケンサ5によって許可されているとき(シーケンサ5がADコンバータ3をイネーブルとしているとき)、マルチプレクサ4からΔΣ変調器1に入力されるアナログ電圧をサンプリングして測定するΔΣ型のアナログ−デジタル変換回路である。ADコンバータ3は、ΔΣ変調器1と、デジタルフィルタ2とを備えたAD変換部である。
ΔΣ変調器1は、シーケンサ5がΔΣ変調器1をイネーブルとしているとき、マルチプレクサ4から供給されるアナログ入力電圧に応じて変化する1ビットのデジタルデータ列を出力する。デジタルフィルタ2は、シーケンサ5がデジタルフィルタ2をイネーブルとしているとき、ΔΣ変調器1から出力されるデジタルデータを信号処理するフィルタである。デジタルフィルタ2は、例えば、CICフィルタ(カスケード積分コムフィルタ)等のデシメーションフィルタである。
図2は、ΔΣ変調器1の入力電圧範囲の説明図である。ΔΣ変調器1の本来のフルスケール範囲(ΔΣ変調器1に入力可能な最大の入力電圧範囲)は、基準電圧VREFの所定倍の電圧範囲(例えば、−2VREFから+2VREFまでの4VREF)に設定されている。この場合、ΔΣ変調器1に入力される電圧を、仕様上、本来のフルスケール範囲よりも狭い入力電圧範囲(例えば、−VREFから+VREFまでの2VREF)に制限するとよい。
このように制限することによって、図1のADコンバータ3のデジタルフィルタ2の出力データVrawを校正可能な出力データ範囲が制限されることを防止できる。すなわち、ADコンバータ3のΔΣ変調器1の利得とオフセットに大きなばらつきがあっても、デジタル領域の演算回路9で飽和することなく、出力データVrawを校正できる。
図1において、演算回路9は、シーケンサ5から出力される制御信号に従って、ADコンバータ3のデジタルフィルタ2から出力されるデジタルの出力データVrawを補正演算する演算部である。演算回路9は、ADコンバータ3のゲインとオフセットのばらつきによって出力データVrawが所定の基準値に対してずれることを補正する。演算回路9は、出力データVrawの補正演算に使用される、乗加算器7と除算器8とRAM等の作業メモリ6とを有している。
乗加算器7は、乗加算器7の入力をx,y,zとしたときに、xy+zの演算を行って、その演算結果を出力する回路である。乗加算器7は、xy+zの演算の他に、例えば、xy−z,−xy+z,−xy−zの演算を行って、その演算結果を出力することもできる回路である。
除算器8は、除算器8の入力をx,yとしたときに、非回復法を用いてx/yの演算を行って、その演算結果を出力する回路である。非回復法を用いることにより、除算器8の回路規模を小さくできる。
図3は、非回復法を用いた除算器8の一構成例を示したブロック図である。2の補数で表された非除数のx、除数yが入力され、除算器8がシーケンサ5によってイネーブルとなると、以下の手順P1〜P10で除算動作が行われる。
(手順P1)
マルチプレクサ41で、最初の1回のみ非除数qnとして、xが選択される。
(手順P2)
非除数qnと除数yの最上位ビットである符号ビットが異なれば、qn+yがマルチプレクサ42で選択され、同符号であれば、qn-yがマルチプレクサ42で選択される。
(手順P3)
この余りが2倍(1ビットシフト)され、フリップフロップ43に入力される。
(手順P4)
非除数qnと除数yの最上位ビットである符号ビットが異なれば、除算器8の除算結果である除算出力値DIVoutの符号ビットとしてマルチプレクサ44で1が選択され、同符号であれば、マルチプレクサ44で0が選択される。
(手順P5)
手順P4で選択された信号がシフトレジスタ45を介してフリップフロップ46に入力される。
(手順P5)
フリップフロップ43からの出力が、非除数qnとして、マルチプレクサ41で選択される。
(手順P6)
非除数qnと除数yの最上位ビットである符号ビットが異なれば、qn+yがマルチプレクサ42で選択され、同符号であれば、qn-yがマルチプレクサ42で選択される。
(手順P7)
この余りが2倍(1ビットシフト)され、フリップフロップ43に入力される。
(手順P8)
非除数qnと除数yの最上位ビットである符号ビットが異なれば、マルチプレクサ44で0が選択され、同符号であれば、1がマルチプレクサ44で選択される。
(手順P9)
フリップフロップ46の出力をシフトレジスタ45で1ビット左シフトされ、最下位ビットに手順P8で選択された値が入力され、フリップフロップ46に入力される。
(手順P10)
手順P5から手順P9までの動作を(DIVoutビット数−1)回繰り返すことで、除算結果を得ることができる。
このような非回復法を用いた除算器8によれば、乗算器(図3中の乗算器は、ビットシフトで実現可能)が必要ないため小面積で実現できる。また、非回復法の特徴として符号も含めた除算を行うことができる。
次に、ADコンバータ3のデジタルフィルタ2の出力データVrawを校正するための校正値を算出する方法について説明する。
いま、ΔΣ変調器1へのある入力電圧をVとし、このときのデジタルフィルタ2の出力をVrawとすると、VrawはΔΣ変調器1の利得aとオフセットbを用いて、
式(1)のように表すことができる。
ここで、校正後のAD変換結果Vcompは、利得補正係数をα、オフセット補正係数をβとすると、
式(2)のように表すことができる。利得補正係数α及びオフセット補正係数βが、出力データVrawを校正するための校正値に相当する。
校正後のVcompは、ΔΣ変調器1の利得a及びオフセットbが補正されることによって利得a及びオフセットbに含まれる誤差が除去されたAD変換結果を表している。一方、ΔΣ変調器1のフルスケール入力電圧が4Vrefであり、この範囲でデジタルフィルタ2から−1〜+1が出力される。このため、VcompとVの関係は、
式(3)のように表すことができる。
以上より、利得補正係数α、及びオフセット補正係数βは、
式(4)のように表すことができる。
ΔΣ変調器1の利得aとオフセットbは、図4から明らかなように、
式(5)のように表すことができる。
図4は、ADコンバータ3の入力電圧Vと出力データVrawとの関係例を示したグラフである。実線51は校正前の関係を表し、破線52は校正後の関係を表す。
式(5)を式(4)に代入することによって、
式(6)が得られる。
次に、シーケンサ5は、校正値(利得補正係数α及びオフセット補正係数β)の算出を行う命令を受けると、その命令に従って、以下のステップS1〜S13のシーケンスを実行する。図5は、校正値算出のタイミングチャートである。
(ステップS1)
シーケンサ5は、マルチプレクサ4をチャネルch4に切り替え、ΔΣ変調器1とデジタルフィルタ2をイネーブルとする。
(ステップS2)
シーケンサ5は、ステップS1のときのデジタルフィルタ2の出力Vch4(図4参照)を作業メモリ6に保存する。
(ステップS3)
シーケンサ5は、ΔΣ変調器1とデジタルフィルタ2をディスエーブルとする。
(ステップS4)
シーケンサ5は、マルチプレクサ4をチャネルch3に切り替え、ΔΣ変調器1とデジタルフィルタ2をイネーブルとする。
(ステップS5)
シーケンサ5は、ステップS4のときのデジタルフィルタ2の出力Vch3(図4参照)を作業メモリ6に保存する。
(ステップS6)
シーケンサ5は、ΔΣ変調器1とデジタルフィルタ2をディスエーブルとする。
(ステップS7)
シーケンサ5は、マルチプレクサ4をチャネルch5に切り替え、ΔΣ変調器1とデジタルフィルタ2をイネーブルとする。
(ステップS8)
シーケンサ5は、ステップS7のときのデジタルフィルタ2の出力Vch5(図4参照)を作業メモリ6に保存する。
(ステップS9)
シーケンサ5は、ΔΣ変調器1とデジタルフィルタ2をディスエーブルとする。
(ステップS10)
シーケンサ5は、作業メモリ6に保存されたVch4及びVch5を読み出し、乗加算器7のxを1、yをVch4、zをVch5として、xy-zの演算を行う。
(ステップS11)
シーケンサ5は、非回復法を用いた除算器8のxを1、yをステップS10で得られた演算結果とし、x/yの演算を行うことで、上式(6)で表される利得補正係数αを算出し、その算出結果を作業メモリ6に保存する。
(ステップS12)
シーケンサ5は、作業メモリ6に保存されたVch4及びVch5を読み出し、乗加算器7のxを1、yをVch4、zをVch5として、さらに1ビット右シフトして、(xy+z)/2の演算を行う。
(ステップS13)
シーケンサ5は、作業メモリ6に保存されたαを読み出し、乗加算器7のxをα、yをステップS12で得られた演算結果、zを0として、-xy+zの演算を行うことで、上式(6)で表されるオフセット補正係数βを算出し、その算出結果を作業メモリ6に保存する。
このようなシーケンスで算出されたα及びβは、EEPROM等の不揮発性メモリ13に保存されるとよい。これにより、例えば、オフセット出力補正回路12の電源が遮断されるたびに、α,βの算出を繰り返す必要がなくなる。
次に、シーケンサ5は、デジタルフィルタ2の任意の出力データVrawが作業メモリ6に保存されているときに、校正値α,βを用いて出力データVrawを補正した値を算出する校正を行う命令を受けると、その命令に従って、以下のステップS21,S22のシーケンスを実行する。
(ステップS21)
シーケンサ5は、作業メモリ6に保存されたデジタルフィルタ2の出力データVraw、校正値算出のステップS11で求めたα、同じくステップS13で求めたβを読み出す。
(ステップS22)
シーケンサ5は、乗加算器7のxをデジタルフィルタ2の出力データVraw、yをα、zをβとし、xy+zの演算を行うことで、上式(2)で表されるVcompを算出し、その算出結果を出力データVrawの校正結果として作業メモリ6に保存する。
シーケンサ5をこのように動作させることによって、校正値算出を行うタイミングと校正を行うタイミングが任意に設定できるため、校正値α,βを算出する回数を最小限にすることができる。
したがって、上述の実施例によれば、センサ出力補正回路12の電圧依存や個体ばらつきによって、ADコンバータ3の利得やオフセットに所定の基準値に対してばらつきがあっても、出力データVrawを校正するための校正値をデジタル領域の演算回路9で算出できる。この校正値によって出力データVrawを校正することにより、センサ補正システムを簡素化し、精度よく、高速に校正できる。
例えば、検査工程で予め校正する場合には、検査工程時の電圧に限定される。そのため、センサ出力補正回路12の電源電圧に乾電池などを用いた場合、電源電圧が変動する可能性があるため、校正の精度が低くなるおそれがある。これに対し、本実施例では、実際に取得された出力データVrawに基づいてその出力データVrawを校正するための校正値を演算回路9で算出し、その校正値を用いて出力データVrawを校正するため、電源電圧の変動があっても、校正の精度が低下することを防止できる。
また、校正値算出のタイミングと校正のタイミングが任意に設定可能なため、校正値算出回数を最小限に抑えることができる。また、ΔΣ変調器1の入力範囲を4VREFのうち、±VREFの2VREFとしているため、ADコンバータ3に大きなオフセットや利得ばらつきがあっても、デジタル領域の演算回路9で飽和することなく、校正が可能である。
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形、組み合わせ、改良、置換などを行うことができる。
例えば、あらかじめΔΣ変調器1への入力電圧範囲が既知であれば、校正値算出方法を図4に示した+VREF、±0、−VREFのうちのいずれか2点を用いて校正値算出を行うことで校正精度を高めることができる。
例えば、ΔΣ変調器1への入力電圧範囲が0V〜+VREFであれば、+VREF、±0の2点を用いることによって、利得補正係数αは式(7)で表すことができる。また、ΔΣ変調器1への入力電圧範囲が−VREF〜0Vであれば、±0、−VREFの2点を用いることによって、利得補正係数αは式(8)で表すことができる。
また、3点の出力データVrawの平均をとることによって、オフセット補正係数βは式(9)で表すことができる。また、1点の出力データVrawを用いることによって、オフセット補正係数βは式(10)で表すことができる。オフセット補正係数βは利得補正係数αの変化に伴い変化するため、αとβを組み合わせることで校正値を変更できる。
また、校正を2次補正で行うことも可能である。例えば、校正値をα,β,γとおくと、校正後のAD変換結果Vcompは、
式(11)のように表すことができる。そして、
図4から得られる式(12)を、式(11)代入して、連立方程式を解くと、α,β,γは、
式(13)で表すことができる。式(13)は、乗加算器7と除算器8を使って演算できる。
シーケンサ5は、このように求めたα,β,γを用いて、xy+zの演算を乗加算器7で2回行うことで、上式(11)で表される二次補正値Vcompを算出し、その算出結果を出力データVrawの校正結果として作業メモリ6に保存する。
また、一つのセンサのセンサ出力を補正するだけでなく、複数のセンサのセンサ出力のそれぞれを補正できる。例えば、入力チャネルch1には、センサ22の検出信号に対応する検出電圧が入力され、入力チャネルch2には、センサ23の検出信号に対応する検出電圧が入力されている場合、ΔΣ変調器1に入力される電圧をマルチプレクサ4によって切り替えることで、センサ22,23それぞれのセンサ出力を補正することができる。
また、マルチプレクサ4とADコンバータ3と演算回路9を制御する制御部として、シーケンサ5を例示したが、マイクロコンピュータがこれらを制御してもよい。
1 ΔΣ変調器
2 デジタルフィルタ
3 ADコンバータ
4 マルチプレクサ
5 シーケンサ
6 作業メモリ
7 乗加算器
8 除算器
9 演算回路
10 入力回路
11 バンドギャップ回路
12 センサ出力補正回路
13 不揮発性メモリ
21,22,23 センサ
30 センサ出力補正装置

Claims (5)

  1. センサから供給されるセンサ出力を補正するセンサ出力補正回路であって、
    前記センサ出力に応じた入力電圧と所定の基準電圧とが選択的に入力され、入力された電圧をAD変換して出力するAD変換部と、
    前記基準電圧が前記AD変換部に入力されるときの前記AD変換部の出力結果を用いて、前記入力電圧が前記AD変換部に入力されるときの前記AD変換部の出力データを補正する演算部と
    シーケンサとを備え、
    前記演算部は、前記出力データの補正に使用される乗加算器と非回復法を用いた除算器を有し、
    前記シーケンサは、
    第1の基準電圧を前記AD変換部によってAD変換する第1のステップと、
    第2の基準電圧を前記AD変換部によってAD変換する第2のステップと、
    xを1とし、yを前記第1のステップで測定された第1の基準電圧とし、zを前記第2のステップでAD変換された第2の基準電圧として、xy−zの演算を乗加算器によって行う第3のステップと、
    xを1とし、yを前記第3のステップで演算された結果として、x/yの演算を非回復法を用いた除算器によって行う第4のステップと、
    xを1とし、yを前記第1のステップでAD変換された第1の基準電圧とし、zを前記第2のステップでAD変換された第2の基準電圧として、(xy+z)/2の演算を乗加算器によって演算する第5のステップと、
    xを前記第4のステップで演算された結果とし、yを前記第5のステップで演算された結果とし、zを0として、−xy+zの演算を乗加算器によって行う第6のステップと、
    センサから供給されるセンサ出力を前記AD変換部によってAD変換する第7のステップと、
    xを前記第7のステップでAD変換された結果とし、yを前記第4のステップで演算された結果とし、zを前記第6のステップで演算された結果として、xy+zの演算を乗加算器によって行うことで、前記第7のステップでAD変換されたセンサ出力を補正する第8のステップとを実行するように構成された、センサ出力補正回路。
  2. 前記第4のステップは、前記AD変換部の利得を補正する利得補正係数の演算である、請求項1に記載のセンサ出力補正回路。
  3. 前記第6のステップは、前記AD変換部のオフセットを補正するオフセット補正係数の演算である、請求項1又は2に記載のセンサ出力補正回路。
  4. 請求項1からのいずれか一項に記載のセンサ出力補正回路と、
    前記センサとを備える、センサ出力補正装置。
  5. 第1の基準電圧をAD変換部によって測定する第1のステップと、
    第2の基準電圧を前記AD変換部によって測定する第2のステップと、
    xを1とし、yを前記第1のステップで測定された第1の基準電圧とし、zを前記第2のステップで測定された第2の基準電圧として、xy−zの演算を乗加算器によって行う第3のステップと、
    xを1とし、yを前記第3のステップで演算された結果として、x/yの演算を非回復法を用いた除算器によって行う第4のステップと、
    xを1とし、yを前記第1のステップで測定された第1の基準電圧とし、zを前記第2のステップで測定された第2の基準電圧として、(xy+z)/2の演算を乗加算器によって演算する第5のステップと、
    xを前記第4のステップで演算された結果とし、yを前記第5のステップで演算された結果とし、zを0として、−xy+zの演算を乗加算器によって行う第6のステップと、
    センサから供給されるセンサ出力を前記AD変換部によって測定する第7のステップと、
    xを前記第7のステップで測定された結果とし、yを前記第4のステップで演算された結果とし、zを前記第6のステップで演算された結果として、xy+zの演算を乗加算器によって行うことで、前記第7のステップで測定されたセンサ出力を補正する第8のステップとを有する、センサ出力補正方法。
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