JP6389161B2 - Sensor interface calibration device - Google Patents
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Description
本発明は、センサの出力信号のオフセットを除去する技術に関する。 The present invention relates to a technique for removing an offset of a sensor output signal.
信号のダイナミックレンジは、最も重要な特性の一つである。ダイナミックレンジの特性は、システム設計とアーキテクチャ選択に影響を与える。広いダイナミックレンジを有する信号は設計の複雑さを軽減するので、ダイナミックレンジの特性の向上が強く望まれている。信号のオフセットの存在は、達成可能なダイナミックレンジを減少させるために好ましくない。図6に、センサの出力信号の理想と実際の例を示す。図6(b)に示すようにセンサの出力信号にオフセットが存在する場合、A/Dコンバータの出力が飽和し、図6(a)の理想よりもダイナミックレンジが減少してしまう。 The dynamic range of the signal is one of the most important characteristics. Dynamic range characteristics affect system design and architecture selection. Since a signal having a wide dynamic range reduces the design complexity, it is strongly desired to improve the characteristics of the dynamic range. The presence of signal offset is undesirable because it reduces the achievable dynamic range. FIG. 6 shows an ideal and actual example of the output signal of the sensor. As shown in FIG. 6 (b), when there is an offset in the output signal of the sensor, the output of the A / D converter is saturated, and the dynamic range is reduced from the ideal in FIG. 6 (a).
従来は、センサの出力信号のオフセットを補償する回路として、トランスデューサからの信号を検出する通常動作時にサンプリングした結果をリセット時にサンプリングした結果で補償することでオフセットを除去する相関二重サンプリング(Correlated Double Sampling:CDS)が使われていた。図7に、CDSを用いた回路の例を示す。トランスデューサの出力信号は、CRにおいてリセット状態でサンプリングされ、次いでCSにおいて通常動作でサンプリングされる。これらのサンプリング結果は、オフセット電圧を除去するために、出力差動増幅器を使って減算される(非特許文献1参照)。 Conventionally, as a circuit that compensates for an offset of the output signal of the sensor, correlated double sampling (correlated double sampling) that eliminates the offset by compensating the result of sampling during normal operation for detecting the signal from the transducer with the result of sampling at reset. Sampling (CDS) was used. FIG. 7 shows an example of a circuit using CDS. The output signal of the transducer, the C R are sampled at reset state, and then is sampled by the normal operation in the C S. These sampling results are subtracted using an output differential amplifier in order to remove the offset voltage (see Non-Patent Document 1).
また、別の方法として、図8に示す、可変の抵抗分割による抵抗値の制御によりオフセットを除去するオフセットトリミングがある。図8の例では、センサ回路は、オペアンプの差動入力に接続されているオフセット(OUT−とOUT+)を含む出力を有するブリッジ回路で構成されている。可変抵抗分割器を使用するとき、DCオフセット電圧を補正し、その影響を排除するために、オペアンプの入力の1つにDCオフセットが追加される(非特許文献2参照)。 As another method, there is offset trimming shown in FIG. 8 in which the offset is removed by controlling the resistance value by variable resistance division. In the example of FIG. 8, the sensor circuit is configured by a bridge circuit having an output including offsets (OUT− and OUT +) connected to the differential input of the operational amplifier. When a variable resistor divider is used, a DC offset is added to one of the inputs of the operational amplifier in order to correct the DC offset voltage and eliminate the effect (see Non-Patent Document 2).
しかしながら、CDSを用いた回路では、差動構成におけるデバイスのミスマッチによりオフセットが十分に除去されず、追加の校正ステップが必要であった。 However, in a circuit using CDS, the offset is not sufficiently removed due to device mismatch in the differential configuration, and an additional calibration step is necessary.
また、オフセットトリミングを用いた回路では、回路を較正するためにセンサをリセットする外部機構が必要となる。さらに、この外部機構は、トランスデューサに特化したものであるため、別のタイプのトランスデューサに取り替えた際には外部機構も取り替える必要があり、システムが複雑になるという課題があった。 Also, a circuit using offset trimming requires an external mechanism that resets the sensor to calibrate the circuit. Furthermore, since this external mechanism is specialized for a transducer, it is necessary to replace the external mechanism when the transducer is replaced with another type of transducer, resulting in a problem that the system becomes complicated.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、センサをリセットする外部機構を不要とし、システムを簡素化したセンサインタフェースキャリブレーション装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a sensor interface calibration device that eliminates the need for an external mechanism for resetting a sensor and simplifies the system.
本発明に係るセンサインタフェースキャリブレーション装置は、トランスデューサと、インピーダンスの値が既知のテストインピーダンスと、前記トランスデューサ又は前記テストインピーダンスのいずれかを当該センサインタフェースキャリブレーション装置に接続するスイッチと、前記トランスデューサ又は前記テストインピーダンスに電気信号を与えるドライブ信号発生手段と、前記トランスデューサ又は前記テストインピーダンスの出力値を検出する検出手段と、当該センサインタフェースキャリブレーション装置内の寄生インピーダンスから生成されるオフセットを除去するオフセット除去信号を前記検出手段に与えるオフセット補償手段と、キャリブレーション動作時には、前記スイッチを制御して前記テストインピーダンスを当該センサインタフェースキャリブレーション装置に接続し、前記検出手段の出力が前記インピーダンスの値に応じた期待値になるように前記オフセット補償手段を制御して前記オフセット除去信号を決定し、センシング動作時には、前記スイッチを制御して前記トランスデューサを当該センサインタフェースキャリブレーション装置に接続する制御手段と、を有することを特徴とする。 The sensor interface calibration device according to the present invention includes a transducer, a test impedance whose impedance value is known, a switch for connecting either the transducer or the test impedance to the sensor interface calibration device, the transducer or the Drive signal generation means for providing an electrical signal to the test impedance, detection means for detecting the output value of the transducer or the test impedance, and an offset removal signal for removing an offset generated from a parasitic impedance in the sensor interface calibration device Offset compensation means for providing the detection means, and during the calibration operation, the test impedance is controlled by controlling the switch. Connected to the sensor interface calibration device, the offset compensation means is determined by controlling the offset compensation means so that the output of the detection means becomes an expected value according to the value of the impedance, and during the sensing operation, Control means for controlling the switch to connect the transducer to the sensor interface calibration device.
本発明によれば、センサをリセットする外部機構を不要とし、システムを簡素化したセンサインタフェースキャリブレーション装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the external mechanism which resets a sensor is unnecessary, and the sensor interface calibration apparatus which simplified the system can be provided.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、第1の実施例のセンサインタフェースキャリブレーション装置の構成を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the sensor interface calibration apparatus of the first embodiment.
図1のセンサインタフェースキャリブレーション装置では、物理量を電気信号に変換するトランスデューサ21と並列に、インピーダンスの値が既知のテストインピーダンスZtestが接続される。トランスデューサ21の一方の端子は、トランジスタスイッチ17を介してドライブ信号発生器11に接続される。トランスデューサ21のもう一方の端子は、別のトランジスタスイッチ17を介して電流−電圧(I/V)変換器12に接続される。テストインピーダンスZtestの一方の端子は、トランジスタスイッチ18を介してドライブ信号発生器11に接続される。テストインピーダンスZtestのもう一方の端子は、別のトランジスタスイッチ18を介してI/V変換器12に接続される。
In the sensor interface calibration apparatus of FIG. 1, a test impedance Z test having a known impedance value is connected in parallel with the
トランジスタスイッチ17がオンのときは、トランスデューサ21は回路の端子T1,T2に接続され、オフのときは、トランスデューサ21は回路から切り離される。また、トランジスタスイッチ18がオンのときは、テストインピーダンスZtestは回路の端子T1,T2に接続され、オフのときは、テストインピーダンスZtestは回路から切り離される。較正プロセスにおいてはトランスデューサ21は回路から切り離され、テストインピーダンスZtestが回路に接続される。センシング動作時においてはトランスデューサ21が回路に接続され、テストインピーダンスZtestは回路から切り離される。トランスデューサ21と回路の接続とテストインピーダンスZtestと回路の接続を切り替えることができるならば、どのようなスイッチを用いてもよい。
When the
ドライブ信号発生器11は、トランスデューサ21又はテストインピーダンスZtestにパルスの電気信号又は一定の電気信号を与える。
The
I/V変換器12は、トランスデューサ21又はテストインピーダンスZtestで生じた電流を電圧に変換する。なお、計測するトランスデューサ21の電気信号が電圧の場合は、I/V変換器12は不要である。
The I /
積分器13は、I/V変換器12の出力信号を積分し、トランスデューサ21又はテストインピーダンスZtestの出力値を検出する。積分器13には、D/Aコンバータ(DAC)16から、システム内の寄生インピーダンスZc1,Zc2から生成されたオフセットを除去するバイアス電圧が与えられる。このバイアス電圧は、較正プロセスにおいて決定される。積分器13には、従来例として図8に示した積分器を用いることができる。
The
A/Dコンバータ(ADC)14は、積分器13の出力をNビットのディジタル値に変換する。ADC14の出力は、コントローラ15に入力される。
The A / D converter (ADC) 14 converts the output of the
コントローラ15は、信号φ1,φ2によりトランジスタスイッチ17,18を制御し、較正プロセスでは、ADC14の出力が所望の値となるように、DAC16の値を制御する。具体的には、較正プロセスでは、コントローラ15は、トランジスタスイッチ17をオフ、トランジスタスイッチ18をオンにして、トランスデューサ21を回路から切り離し、テストインピーダンスZtestを回路に接続し、ADC14の出力がテストインピーダンスZtestの既知のインピーダンスの値に応じた期待値と一致するように、DAC16の出力を制御する。センシング動作時には、コントローラ15は、トランジスタスイッチ17をオン、トランジスタスイッチ18をオフにして、トランスデューサ21を回路に接続し、テストインピーダンスZtestを回路から切り離す。
The
D/Aコンバータ(DAC)16は、コントローラ15により制御されて、コントローラ15から与えられた信号に応じたバイアス電圧を積分器13に入力する。
The D / A converter (DAC) 16 is controlled by the
次に、第1の実施例のセンサインタフェースキャリブレーション装置の動作について説明する。 Next, the operation of the sensor interface calibration apparatus of the first embodiment will be described.
図2は、第1の実施例のセンサインタフェースキャリブレーション装置の各ポイントにおける波形を示す図である。同図では、トランジスタスイッチ17,18のそれぞれを制御する信号φ1,φ2、ドライブ信号発生器11が出力するS/G(Signal Generator)、I/V変換器12の入力と出力、及び積分器13の出力を示している。
FIG. 2 is a diagram illustrating waveforms at each point of the sensor interface calibration apparatus according to the first embodiment. In the figure, signals
センサインタフェースキャリブレーション装置は、較正プロセスを行った後に、センシング動作を開始する。較正プロセスは、キャリブレーションフェーズ1,2の二段階に分けられる。
The sensor interface calibration device starts a sensing operation after performing the calibration process. The calibration process is divided into two stages,
キャリブレーションフェーズ1では、信号φ1をLにしてトランジスタスイッチ17をオフ、信号φ2をHにしてトランジスタスイッチ18をオンにする。これにより、トランスデューサ21が回路から切り離され、テストインピーダンスZtestが回路に接続される。積分器13を初期状態にリセットし、積分器13がI/V変換器12の出力を積分して、テストインピーダンスZtestと寄生インピーダンスZc1,Zc2とを合わせた値を検出する。積分器13の出力が変化しなくなったら、キャリブレーションフェーズ2に移る。
In the
キャリブレーションフェーズ2では、コントローラ15は、ADC14の出力、つまり積分器13の出力がテストインピーダンスZtestの期待値と一致するように、DAC16に入力する値を調整し、積分器13に入力するバイアス電圧を決定する。ADC14の出力がテストインピーダンスZtestの期待値と一致したときのDAC16の値が、寄生インピーダンスZc1,Zc2から生成されたオフセットを除去するバイアス電圧である。
In the
較正プロセスが終了すると、信号φ1をHにしてトランジスタスイッチ17をオン、信号φ2をLにしてトランジスタスイッチ18をオフにして、トランスデューサ21を回路に接続し、テストインピーダンスZtestを回路から切り離し、積分器13を初期状態にリセットしてセンシング動作を開始する。
When the calibration process is completed, signal φ1 is set to H,
次に、第2の実施例のセンサインタフェースキャリブレーション装置について説明する。 Next, a sensor interface calibration apparatus according to the second embodiment will be described.
図3は、第2の実施例のセンサインタフェースキャリブレーション装置の構成を示すブロック図である。同図に示すセンサインタフェースキャリブレーション装置は、複数のテストインピーダンスZtest2〜ZtestNを備えた点で、第1の実施例のセンサインタフェースキャリブレーション装置と異なる。 FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the sensor interface calibration apparatus of the second embodiment. The sensor interface calibration apparatus shown in the figure is different from the sensor interface calibration apparatus of the first embodiment in that a plurality of test impedances Z test2 to Z testN are provided.
テストインピーダンスZtest2〜ZtestNのそれぞれは、トランジスタスイッチ18−2〜18−Nを介して、トランスデューサ21と並列に回路に接続される。テストインピーダンスZtest2〜ZtestNは互いに異なる値を持つ。
Each of the test impedances Z test2 to Z testN is connected to the circuit in parallel with the
コントローラ15は、信号φ2〜φNにより、トランジスタスイッチ18−2〜18−Nを制御する。第2の実施例のセンサインタフェースキャリブレーション装置では、図4に示すように、複数のテストインピーダンスZtest2〜ZtestNのそれぞれについて、2段階のキャリブレーションフェーズを行った後で、センシング動作を開始する。具体的には、トランジスタスイッチ17を制御する信号φ1をLにしてトランスデューサ21を回路から切り離したまま、信号φ2〜φNを順番にHにして、テストインピーダンスZtest2〜ZtestNを順番に1つずつ回路に接続して較正プロセスを行う。各テストインピーダンスZtest2〜ZtestNにより較正プロセスを行った結果を用いて寄生インピーダンスZc1,Zc2から生成されたオフセットを除去するのに最適なバイアス電圧を決定する。
The
第2の実施例では、複数のテストインピーダンスZtest2〜ZtestNを用いることで、テストインピーダンスの値、すなわち、システムの精度に影響を及ぼすプロセス変動に対して、より高精度な較正プロセスを提供できる。 In the second embodiment, by using a plurality of test impedances Z test2 to Z testN , it is possible to provide a more accurate calibration process with respect to test impedance values, that is, process variations that affect the accuracy of the system. .
次に、第3の実施例のセンサインタフェースキャリブレーション装置について説明する。 Next, a sensor interface calibration apparatus according to a third embodiment will be described.
図5は、第3の実施例のセンサインタフェースキャリブレーション装置の構成を示すブロック図である。同図に示すセンサインタフェースキャリブレーション装置は、第2の実施例の構成と類似しているが、同じ値のテストインピーダンスZtestを複数備えた点が異なる。 FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the sensor interface calibration apparatus of the third embodiment. The sensor interface calibration apparatus shown in the figure is similar to the configuration of the second embodiment, except that a plurality of test impedances Z test having the same value are provided.
第3の実施例では、プロセス変動に対するオフセットキャンセルの精度を向上させるダイナミック・エレメント・マッチング(DEM)を行うことにより、テストインピーダンスZtestの値に対するプロセス変動の影響を平均化できる。 In the third embodiment, the effect of process variation on the value of the test impedance Z test can be averaged by performing dynamic element matching (DEM) that improves the accuracy of offset cancellation with respect to process variation.
以上説明したように、本実施の形態によれば、トランスデューサ21と並列にテストインピーダンスZtestを回路に接続し、キャリブレーション動作時に、コントローラ15がトランジスタスイッチ17,18を制御してトランスデューサ21を回路から切り離し、テストインピーダンスZtestを回路に接続するとともに、テストインピーダンスZtestの出力を積分する積分器13の出力がテストインピーダンスZtestのインピーダンスの値に応じた期待値になるように、積分器13にバイアス電圧を与えるDAC16の値を制御し、センシング動作時に、コントローラ15がトランジスタスイッチ17,18を制御してトランスデューサ21を回路に接続し、テストインピーダンスZtestを回路から切り離す。これにより、センサのキャリブレーションにトランスデューサ21を外部から初期化する機構が不要となり、システムを簡素化できる。また、任意の種類のトランスデューサ21に適用することができ、別の種類のトランスデューサ21に交換した場合にもシステムを変更する必要がない。
As described above, according to the present embodiment, the test impedance Z test is connected to the circuit in parallel with the
11…ドライブ信号発生器
12…電流−電圧変換器
13…積分器
14…A/Dコンバータ
15…コントローラ
16…D/Aコンバータ
17,18,18−2〜18−N…トランジスタスイッチ
21…トランスデューサ
Ztest,Ztest2〜 ZtestN…テストインピーダンス
Zc1,Zc2…寄生インピーダンス
DESCRIPTION OF
Claims (4)
トランスデューサと、
インピーダンスの値が既知のテストインピーダンスと、
前記トランスデューサ又は前記テストインピーダンスのいずれかを当該センサインタフェースキャリブレーション装置に接続するスイッチと、
前記トランスデューサ又は前記テストインピーダンスに電気信号を与えるドライブ信号発生手段と、
前記トランスデューサ又は前記テストインピーダンスの出力値を検出する検出手段と、
当該センサインタフェースキャリブレーション装置内の寄生インピーダンスから生成されるオフセットを除去するオフセット除去信号を前記検出手段に与えるオフセット補償手段と、
キャリブレーション動作時には、前記スイッチを制御して前記テストインピーダンスを当該センサインタフェースキャリブレーション装置に接続し、前記検出手段の出力が前記インピーダンスの値に応じた期待値になるように前記オフセット補償手段を制御して前記オフセット除去信号を決定し、センシング動作時には、前記スイッチを制御して前記トランスデューサを当該センサインタフェースキャリブレーション装置に接続する制御手段と、
を有することを特徴とするセンサインタフェースキャリブレーション装置。 A sensor interface calibration device,
A transducer;
A test impedance with a known impedance value,
A switch connecting either the transducer or the test impedance to the sensor interface calibration device;
Drive signal generating means for providing an electrical signal to the transducer or the test impedance;
Detecting means for detecting an output value of the transducer or the test impedance;
Offset compensation means for providing the detection means with an offset removal signal for removing the offset generated from the parasitic impedance in the sensor interface calibration device;
During the calibration operation, the switch is controlled to connect the test impedance to the sensor interface calibration device, and the offset compensation unit is controlled so that the output of the detection unit becomes an expected value corresponding to the impedance value. Determining the offset removal signal, and at the time of sensing operation, control means for controlling the switch to connect the transducer to the sensor interface calibration device;
A sensor interface calibration apparatus comprising:
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