JP6918746B2 - Digital sensor - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、計測対象の物理量に対応する電圧値をデジタル値に変換して出力するデジタルセンサに関する。 The technique disclosed in the present specification relates to a digital sensor that converts a voltage value corresponding to a physical quantity to be measured into a digital value and outputs it.
特許文献1に、物理量をAD変換器を介さずに直接にデジタル信号で出力するデジタルセンサが開示されている。なお、特許文献1ではそのようなセンサを物理量センサと称している。そのデジタルセンサは、計測対象の物理量の変化に応じて抵抗値が変化する2種類の抵抗を用いる。一方の抵抗は、計測対象の物理量と正の相関を有しており、他方の抵抗は計測対象の物理量と負の相関を有している。特許文献1のデジタルセンサは、2種類の抵抗値の夫々を使って計測対象の物理量の変化に応じた2種類の遅延パルス信号を生成する。デジタルセンサは、2種類の遅延パルス信号の時間差の間にクロック信号をカウントする。即ち、計測対象の物理量が、クロック信号のカウント値(デジタル値)として得られる。上記のセンサは、AD変換器を必要としないため、小型、低消費電力であり、さらには高精度である。 Patent Document 1 discloses a digital sensor that directly outputs a physical quantity as a digital signal without going through an AD converter. In Patent Document 1, such a sensor is referred to as a physical quantity sensor. The digital sensor uses two types of resistors whose resistance value changes according to a change in the physical quantity to be measured. One resistor has a positive correlation with the physical quantity to be measured, and the other resistor has a negative correlation with the physical quantity to be measured. The digital sensor of Patent Document 1 uses each of the two types of resistance values to generate two types of delay pulse signals according to changes in the physical quantity to be measured. The digital sensor counts the clock signal between the time differences between the two types of delayed pulse signals. That is, the physical quantity to be measured is obtained as a count value (digital value) of the clock signal. Since the above sensor does not require an AD converter, it is compact, has low power consumption, and has high accuracy.
パルスやクロックを生成する一部のデジタル回路(デジタル素子)は、温度に依存してパルス幅やクロック速度がわずかに変化する。上記したデジタルセンサは高精度であるがゆえに、デジタル回路の温度依存性が計測精度に影響を及ぼす。本明細書は、一部のデジタル回路の温度変化による精度劣化を抑制したデジタルセンサを提供する。 In some digital circuits (digital elements) that generate pulses and clocks, the pulse width and clock speed change slightly depending on the temperature. Since the above-mentioned digital sensor has high accuracy, the temperature dependence of the digital circuit affects the measurement accuracy. The present specification provides a digital sensor in which accuracy deterioration due to a temperature change of some digital circuits is suppressed.
本明細書が開示するデジタルセンサは、センサ素子と、基準パルス回路と、参照クロック回路と、第1遅延回路と、第2遅延回路と、時間差パルス回路と、デジタル出力回路を備えている。センサ素子は、基準電圧Vcに対して物理量の変化に応じて変化する電圧変化分dVcを伴う第1電圧Vc+dVcと第2電圧Vc−dVcを出力する。基準電圧Vcは、センサ素子の出力電圧のなかで、物理量の変化に関わらずに一定の部分である。基準パルス回路は、基準パルス信号を出力する。参照クロック回路は、参照クロック信号を出力する。第1遅延回路は、電源電圧の変化に応じて遅延時間が変化する遅延回路であって第1電圧が電源電圧として供給される。第2遅延回路は、電源電圧の変化に応じて遅延時間が変化する遅延回路であって第2電圧が電源電圧として供給される。時間差パルス回路は、基準パルス信号を第1遅延回路で遅延させた第1遅延パルス信号と、基準パルス信号を第2遅延回路で遅延させた第2遅延パルス信号の時間差に対応したパルス幅を有する時間差パルス信号を出力する。デジタル出力回路は、時間差パルス信号のパルス幅の間に参照クロック信号をカウントし、カウントされた参照クロックカウント数を出力する。参照クロックカウント数が、物理量を表すデジタル値(即ち計測値)に相当する。 The digital sensor disclosed in the present specification includes a sensor element, a reference pulse circuit, a reference clock circuit, a first delay circuit, a second delay circuit, a time difference pulse circuit, and a digital output circuit. The sensor element outputs a first voltage Vc + dVc and a second voltage Vc−dVc accompanied by a voltage change dVc that changes according to a change in a physical quantity with respect to the reference voltage Vc. The reference voltage Vc is a constant portion of the output voltage of the sensor element regardless of changes in physical quantities. The reference pulse circuit outputs a reference pulse signal. The reference clock circuit outputs a reference clock signal. The first delay circuit is a delay circuit in which the delay time changes according to a change in the power supply voltage, and the first voltage is supplied as the power supply voltage. The second delay circuit is a delay circuit whose delay time changes according to a change in the power supply voltage, and the second voltage is supplied as the power supply voltage. The time difference pulse circuit has a pulse width corresponding to the time difference between the first delay pulse signal in which the reference pulse signal is delayed by the first delay circuit and the second delay pulse signal in which the reference pulse signal is delayed by the second delay circuit. Outputs a time difference pulse signal. The digital output circuit counts the reference clock signal during the pulse width of the time difference pulse signal and outputs the counted reference clock count number. The reference clock count number corresponds to a digital value (that is, a measured value) representing a physical quantity.
本明細書が開示するデジタルセンサでは、センサ素子の出力電圧の一定部分(基準電圧Vc)が、第1及び第2遅延回路の遅延時間を電源電圧で微分した値が温度に依存しない第1ZTCポイントに設定されている。さらに、参照クロック回路の電源電圧が、電源電圧に対するクロック速度(周期)が温度に依存しない第2ZTCポイントに設定されている。なお、ZTCは、Zero Temperature Coefficient の略であり、ゼロ温度係数を意味する。 In the digital sensor disclosed in the present specification, a fixed portion (reference voltage Vc) of the output voltage of the sensor element is the first ZTC point in which the value obtained by differentiating the delay times of the first and second delay circuits with the power supply voltage does not depend on the temperature. Is set to. Further, the power supply voltage of the reference clock circuit is set at the second ZTC point where the clock speed (cycle) with respect to the power supply voltage does not depend on the temperature. ZTC is an abbreviation for Zero Temperature Coefficient and means a zero temperature coefficient.
第1/第2遅延回路は、電源電圧に応じた遅延時間を有する遅延パルスを出力する。電源電圧は「基準電圧Vc±電圧変化分dVc」であり、計測対象の物理量の変化に応じて電圧変化分dVcが変化する。基準電圧Vcは、計測対象の物理量の変化に関わらずに一定である。遅延時間をtwで表すと、dtw/dVcがセンサ素子の感度を示す一つの指標となる。その指標の温度依存性を抑制するには、センサ素子の出力電圧の一定部分(即ち、基準電圧Vc)が、第1/第2遅延回路の電源電圧の変化に対する遅延時間の変化(即ちdtw/dV)が温度に依存しない第1ZTCポイントに設定されていればよい。別言すれば、遅延時間を電源電圧で微分した値が温度に依存しない第1ZTCポイントに設定されていればよい。ここでは、基準電圧Vcに対する遅延時間は温度に依存して変化しても構わないことに留意されたい。 The first / second delay circuit outputs a delay pulse having a delay time corresponding to the power supply voltage. The power supply voltage is "reference voltage Vc ± voltage change dVc", and the voltage change dVc changes according to the change in the physical quantity to be measured. The reference voltage Vc is constant regardless of changes in the physical quantity to be measured. When the delay time is expressed by tw, dtw / dVc is one index indicating the sensitivity of the sensor element. In order to suppress the temperature dependence of the index, a certain part of the output voltage of the sensor element (that is, the reference voltage Vc) changes the delay time with respect to the change of the power supply voltage of the first / second delay circuit (that is, dtw / It is sufficient that dV) is set to the first ZTC point that does not depend on the temperature. In other words, the value obtained by differentiating the delay time with the power supply voltage may be set at the first ZTC point that does not depend on the temperature. It should be noted here that the delay time with respect to the reference voltage Vc may change depending on the temperature.
一方、時間差パルス信号の時間幅をカウントする参照クロック信号の速度も温度依存性を有し得る。従って、参照クロック信号の温度依存性もセンサの精度を示す一つの指標となる。参照クロック信号の温度依存性を抑制するには、参照クロック回路の電源電圧が、電源電圧に対するクロック速度(周期)が温度に依存しない第2ZTCポイントに設定されていればよい。第1ZTCと第2ZTCを上記のごとく設定すれば、温度変化によるデジタルセンサの精度劣化を抑制し得る。なお、「クロック速度」は「クロック周期」と等価である。「クロック速度が速い」とは、クロック周期が短いことを意味し、「クロック速度が遅い」とは、クロック周期が長いことを意味する。 On the other hand, the speed of the reference clock signal that counts the time width of the time difference pulse signal may also have temperature dependence. Therefore, the temperature dependence of the reference clock signal is also an index showing the accuracy of the sensor. In order to suppress the temperature dependence of the reference clock signal, the power supply voltage of the reference clock circuit may be set at the second ZTC point where the clock speed (cycle) with respect to the power supply voltage does not depend on the temperature. If the first ZTC and the second ZTC are set as described above, it is possible to suppress the deterioration of the accuracy of the digital sensor due to the temperature change. The "clock speed" is equivalent to the "clock period". "Fast clock speed" means that the clock period is short, and "slow clock speed" means that the clock period is long.
本明細書が開示するデジタルセンサでは、時間差パルス回路は、第1遅延パルス信号と第2遅延パルス信号の時間差に等しい長さのパルス幅を有する時間差パルス信号を出力する構成を採用してよい。時間差に等しい長さのパルス幅を有する時間差パルス信号は、第1/第2遅延パルス信号を排他的論理和演算器に通せば得られるので、簡単な回路構成で得ることができる。 In the digital sensor disclosed in the present specification, the time difference pulse circuit may adopt a configuration that outputs a time difference pulse signal having a pulse width equal to the time difference between the first delay pulse signal and the second delay pulse signal. A time difference pulse signal having a pulse width equal to the time difference can be obtained by passing the first / second delay pulse signal through the exclusive OR arithmetic unit, and thus can be obtained with a simple circuit configuration.
他方、時間差パルス回路は、第1遅延パルス信号と第2遅延パルス信号の時間差のk倍(kは1より大きい実数)の長さのパルス幅を有する時間差パルス信号を出力するように構成することも好適である。即ち、第1/第2遅延パルス信号の現実の時間差をk倍に伸張し、伸張された時間差を参照クロック信号でカウントする。時間差を伸張することで、参照クロック信号の速度を落としても、高い計測精度を維持することができるようになる。 On the other hand, the time difference pulse circuit is configured to output a time difference pulse signal having a pulse width k times (k is a real number larger than 1) the time difference between the first delay pulse signal and the second delay pulse signal. Is also suitable. That is, the actual time difference of the 1st / 2nd delay pulse signal is expanded k times, and the extended time difference is counted by the reference clock signal. By extending the time difference, high measurement accuracy can be maintained even if the speed of the reference clock signal is reduced.
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。 Details of the techniques disclosed herein and further improvements will be described in the "Modes for Carrying Out the Invention" below.
(第1実施例)図面を参照して第1実施例のデジタルセンサ2を説明する。第1実施例のデジタルセンサ2は、圧力センサである。図1に、デジタルセンサ2のブロック図を示す。デジタルセンサ2は、センサ素子10、基準パルス回路20、参照クロック回路30、第1遅延回路22a、第2遅延回路22b、時間差パルス回路24、デジタル出力回路33を備えている。
(First Example) The
センサ素子10は、圧力変化に非依存の基準電圧Vcに対して圧力の変化に応じて変化する電圧変化分dVcを伴う第1電圧(Vc+dVc)と第2電圧(Vc−dVc)を出力する。センサ素子10は、正端子A1と負端子A2の間にフルブリッジ接続されている4個の抵抗素子11、12、13、14を有する。フルブリッジ回路の正端子A1には、入力電圧2Vcが印加される。後述するように、4個の抵抗素子11、12、13、14は、加えられた圧力によって抵抗値が変化するが、無負荷のときは同じ抵抗値を示す。従って、無負荷のとき、正端子A1に入力電圧2Vcを印加することで、正側出力端子A3と負側出力端子A4の電圧が基準電圧Vcとなる。なお、入力電圧2Vcは、基準電圧Vcが所定の値となるように、電圧VDDを出力する共通電源9から可変抵抗15を介して正端子A1に入力される。可変抵抗15によって電圧VDDが電圧2Vcに調整され、正端子A1に入力される。基準電圧Vcが満たすべき特性については後述する。
The
フルブリッジ回路を構成する4個の抵抗11、12、13、14は、ワンチップ化されている。抵抗11、12、13、14は、加えられた圧力に応じて抵抗値が変化する可変抵抗特性を備えており、例えばピエゾ素子を材料としている。図1において抵抗11、12、13、14の夫々の記号に付した上向きあるいは下向きの矢印が、圧力に応じた抵抗値の変化方向を表している。第1抵抗11と第3抵抗13は、圧力の増加に比例して抵抗値が低下する特性を有している。第2抵抗12と第4抵抗14は、圧力の増加に比例して抵抗値が増加する特性を有している。別言すれば、第1抵抗11と第3抵抗13は、圧力に対して抵抗値が正の相関を有しており、第2抵抗12と第4抵抗14は、圧力に対して抵抗値が負の相関を有している。4個の抵抗11、12、13、14によるフルブリッジ回路は、作用する圧力が増加したときに、正側出力端子A3の出力が増加するとともに負側出力端子A4の出力が低下するように動作する。フルブリッジ回路の正端子A1には入力電圧2Vcが入力されており、正側出力端子A3からは、圧力の変化に応じて変化する電圧変化分dVcを伴う第1電圧(Vc+dVc)が出力される。負側出力端子A4からは、圧力の変化に応じて変化する電圧変化分dVcを伴う第2電圧(Vc−dVc)が出力される。
The four
センサ素子10は、さらに、ボルテージフォロワ18、19を備えている。第1ボルテージフォロワ18は、正側出力端子A3に接続されており、第1電圧(Vc+dVc)を高いインピーダンスで出力する。第2ボルテージフォロワ19は、負側出力端子A4に接続されており、第2電圧(Vc−dVc)を高いインピーダンスで出力する。説明を簡便化するため、以下では、第1電圧(Vc+dVc)を第1電圧V1と表し、第2電圧(Vc−dVc)を第2電圧V2と表す場合がある。
The
第1電圧V1は、第1遅延回路22aへ電源電圧として供給され、第2電圧V2は、第2遅延回路22bへ電源電圧として供給される。第1遅延回路22aと第2遅延回路22bには、基準パルス回路20から基準パルス信号P0が入力される。なお、基準パルス回路20は、共通電源9から電圧VDDの電力の供給を受けて動作する。
The first voltage V1 is supplied to the
第1遅延回路22aと第2遅延回路22bはともに、電源電圧の変化に応じて遅延時間が変化する遅延回路である。遅延回路については後に説明する。第1遅延回路22aは、電源電圧(第1電圧V1)の変化に応じて基準パルス信号P0を遅延させた第1遅延パルス信号P1を出力する。第2遅延回路22bは、電源電圧(第2電圧V2)の変化に応じて基準パルス信号P0を遅延させた第2遅延パルス信号P2を出力する。
Both the
第1遅延パルス信号P1と第2遅延パルス信号P2は時間差パルス回路24に入力される。時間差パルス回路24は、排他的論理和演算器であり、第1遅延パルス信号P1と第2遅延パルス信号P2の一方がHIGHレベルでありかつ他方がLOWレベルのときにHIGHレベルとなる時間差パルス信号P3を出力する。時間差パルス信号P3は、第1遅延パルス信号P1と第2遅延パルス信号P2のうち、早い方の立ち上がりエッジから、遅い方の立ち上がりエッジまでのパルス幅を有するパルス信号となる。即ち、時間差パルス信号P3は、第1遅延パルス信号P1の立ち上がりと第2遅延パルス信号P2の立ち上がりの間の時間差に等しいパルス幅を有するパルス信号となる。
The first delay pulse signal P1 and the second delay pulse signal P2 are input to the time
時間差パルス信号P3は、デジタル出力回路33に入力される。デジタル出力回路33には、参照クロック回路30から参照クロック信号CLK_rfも入力される。参照クロック回路30には、電圧Vrfが電源電圧として印加される。電圧Vrfも所定の特性を有するように調整される。そのため、電圧Vrfは、電圧VDDを出力する共通電源9から可変抵抗32を介して参照クロック回路30に供給される。可変抵抗32によって電圧VDDが電圧Vrfに調整され、参照クロック回路30に供給される。
The time difference pulse signal P3 is input to the
デジタル出力回路33は、複数個のD型フリップフロップで構成されるアップカウンタを有しており、時間差パルス信号P3のパルス幅の間に参照クロック信号CLK_rfをカウントし、カウントされた参照クロックカウント数を出力する。デジタル出力回路33の出力Doutが、参照クロックカウント数であり、かつ、センサ素子10が受けた圧力に対応したデジタル値に相当する。即ち、デジタル出力回路33の出力Doutが、圧力の計測結果を示すデジタル値である。
The
デジタルセンサ2は、センサ素子10が受ける圧力の変化に応じて変化するセンサ素子10の出力(第1電圧V1と第2電圧V2)に対応したデジタル値Doutを出力する。デジタルセンサ2は、AD変換器(Analog to Digital Converter)を必要とせず、圧力をダイレクトにデジタル値で出力することができるので、高精度であり、なおかつ、小型省電力のセンサである。
The
第1遅延回路22aについて補足する。図2に示されるように、第1遅延回路22aは、第1インバータINV1の複数個が直列に接続されたインバータチェーンで構成されている。例えば、インバータチェーンは、50段の第1インバータINV1を有する。第1遅延回路22aは、電源電圧として第1電圧V1が駆動電圧として入力するように構成されている。第1遅延回路22aは、入力される基準パルス信号P0を遅延させた第1遅延パルス信号P1を出力する。基準パルス信号P0と第1遅延パルス信号P1の間の遅延時間は、第1電圧V1の大きさに依存する。第2遅延回路22bは、第1遅延回路22aと同じ構成、同じ特性を有している。
The
参照クロック回路30について補足する。参照クロック信号CLK_rfは、例えばデューティー比が50%の矩形波である。図3に示されるように、参照クロック回路30は、第2インバータINV2の複数個がリング状に接続されたリングオシレータで構成されている。参照クロック回路30は、電圧Vrfが電源電圧として入力するように構成されている。電源電圧が変化すると、第2インバータINV2の応答波形が変化し、出力される参照クロック信号の速度(周期)が変化する。別言すれば、参照クロック回路30は、電源電圧の変化によって出力される参照クロック信号CLK_rfの速度(周期)が変化する。
The
インバータチェーンの第1インバータINV1とリングオシレータの第2インバータINV2の一例を説明する。第1インバータINV1と第2インバータINV2は、いずれも、CMOSインバータで構成される。図4に、一例のCMOSインバータの回路図を示す。CMOSインバータは、正電源ラインと負電源ラインの間に直列に接続された第1トランジスタTr1と第2トランジスタTr2を備える。第1トランジスタTr1は、p型のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であり、ソースが正電源ラインに接続されており、ドレインが第2トランジスタTr2のドレインに接続されている。第2トランジスタTr2は、n型のMOSFETであり、ドレインが第1トランジスタTr1のドレインに接続されており、ソースが負電源ラインに接続されている。第1トランジスタTr1と第2トランジスタTr2の接続点が、次段のCMOSインバータを構成するトランジスタのゲートに接続されている。遅延回路22aのインバータチェーンでは、正電源ラインに第1電圧V1が入力されるように構成されている。参照クロック回路30のリングオシレータでは、正電源ラインに電圧Vrfが入力されるように構成されている。
An example of the first inverter INV1 of the inverter chain and the second inverter INV2 of the ring oscillator will be described. Both the first inverter INV1 and the second inverter INV2 are composed of CMOS inverters. FIG. 4 shows a circuit diagram of an example CMOS inverter. The CMOS inverter includes a first transistor Tr1 and a second transistor Tr2 connected in series between the positive power supply line and the negative power supply line. The first transistor Tr1 is a p-type MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), the source is connected to the positive power supply line, and the drain is connected to the drain of the second transistor Tr2. The second transistor Tr2 is an n-type MOSFET, the drain is connected to the drain of the first transistor Tr1, and the source is connected to the negative power supply line. The connection point between the first transistor Tr1 and the second transistor Tr2 is connected to the gate of the transistor constituting the CMOS inverter in the next stage. The inverter chain of the
デジタルセンサ2は、圧力を直接デジタル値で計測できるため、高精度である。ただし、デジタル回路(デジタル素子)のいくつかは、温度依存性を有しており、この温度依存性が計測精度を劣化させる。デジタルセンサ2には、温度変化に対する計測精度の劣化を低減するメカニズムが組み込まれている。そのメカニズムについて説明する。
Since the
まず、図5を参照してセンサ素子10の出力について説明する。図5は、センサ素子10に加わる圧力と出力電圧(第1電圧V1と第2電圧V2)の関係を示すグラフである。
センサ素子10は、基準電圧Vcに対して印加される圧力の変化に応じて変化する電圧変化分dVcを伴う第1電圧V1=Vc+dVcと第2電圧V2=Vc−dVcを出力する。
First, the output of the
The
第1電圧V1は第1遅延回路22aの電源電圧として供給され、第2電圧V2は第2遅延回路22bの電源電圧として供給される。第1/第2遅延回路22a、22bはともに、電源電圧の変化に応じて遅延時間が変化する。図6に、第1、第2遅延回路22a、22bに入力される基準パルス信号P0と、第1遅延回路22aが出力する第1遅延パルス信号P1、第2遅延回路22bが出力する第2遅延パルス信号P2のタイムチャートを示す。図6には、第1遅延パルス信号P1と第2遅延パルス信号P2の時間差をパルス幅に有する時間差パルス信号P3のタイムチャートと、参照クロック信号CLK_rfのタイムチャートも図示してある。
The first voltage V1 is supplied as the power supply voltage of the
基準パルス信号P0と第1遅延パルス信号P1の間の遅延時間tw1は、第1電圧V1(=Vc+dVc)に依存している。基準パルス信号P0と第2遅延パルス信号P2の間の遅延時間tw2は、第2電圧V2(=Vc−dVc)に依存している。そして、時間差パルス信号P3のパルス幅は、第1遅延パルス信号P1と第2遅延パルス信号P2の差、即ち、遅延時間tw2と遅延時間tw1の差(tw2―tw1)の時間に相当する。 The delay time tw1 between the reference pulse signal P0 and the first delay pulse signal P1 depends on the first voltage V1 (= Vc + dVc). The delay time tw2 between the reference pulse signal P0 and the second delay pulse signal P2 depends on the second voltage V2 (= Vc−dVc). The pulse width of the time difference pulse signal P3 corresponds to the time difference between the first delay pulse signal P1 and the second delay pulse signal P2, that is, the time difference between the delay time tw2 and the delay time tw1 (tw2-tw1).
パルス幅(tw2−tw1)は、センサ素子10に印加される圧力に応じて変化する電圧変化分dVcの関数となる。また、遅延回路は温度の影響を受けるので、パルス幅(tw2−tw1)は、電圧変化分dVcと温度Tの関数、即ち、tw2(dVc、T)−tw1(dVc、T)と表すことができる。なお、本明細書では、小文字は「t」は時間に関する変数を表し、大文字の「T」は温度に関する変数を表すものとする。
The pulse width (tw2-tw1) is a function of the voltage change dVc that changes according to the pressure applied to the
図1のデジタル出力回路33は、時間差パルス信号P3のパルス幅(tw2ーtw1)の間の参照クロック信号CLK_rfをカウントする。結局、図6のDoutが示す範囲のパルス数が、パルス幅(tw2ーtw1)の間の参照クロック信号CLK_rfのカウント数に相当し、これが、センサ素子10に印加された圧力の計測結果を表すデジタル値に相当する。参照クロック回路30も温度によって参照クロック信号の速度(周期)が変化する。今、参照クロック信号CLK_rfの周期を記号tcで表すと、デジタル出力回路33の出力Doutは、図7の式で表すことができる。図7の式において、tc(T)は、クロック周期tcが温度Tに依存することを示している。
The
温度の影響による計測精度の劣化を抑えるには、図7の式の分子と分母の夫々の温度依存性を抑えればよい。 In order to suppress the deterioration of the measurement accuracy due to the influence of temperature, it is sufficient to suppress the temperature dependence of the numerator and denominator of the formula in FIG.
第1/第2遅延回路22a、22bは、電源電圧に応じた遅延時間を有する遅延パルスを出力する。電源電圧は「基準電圧Vc±電圧変化分dVc」であり、計測対象である圧力の変化に応じて電圧変化分dVcが変化する。電源電圧変化に対する遅延時間twの変化、即ち、dtw/dVcがセンサ素子の感度を示す一つの指標となる。その指標の温度依存性を抑制するには、センサ素子への電源電圧の基準値、即ち、基準電圧Vcが、電源電圧の変化に対する第1/第2遅延回路の遅延時間の変化(即ちdtw/dV)が温度に依存しない第1ZTCポイントに設定されていればよい。別言すれば、遅延時間twを電源電圧で微分した値が温度に依存しない第1ZTCポイントに設定されていればよい。なお、ZTCは、Zero Temperature Coefficient の略であり、ゼロ温度係数と称される。ZTCとは、所定の変数において温度に依存しない点を意味する。
The first /
図8に、電源電圧に対する遅延時間の電圧微分値(tw/dV)のグラフを示す。グラフG11、G12、G13は、それぞれ、温度T=−40℃、20℃、100℃のときのグラフである。なお、図8の縦軸は、対数スケールで描かれている点に留意されたい。3本のグラフが重なった点ZTC1では、温度が変化しても電圧微分値(tw/dV)は変化しない。即ち、3本のグラフが重なった点ZTC1が、第1ZTCポイントである。この点に対応する電圧Vcを第1、第2遅延回路22a、22bの電源電圧に設定すれば、第1、第2遅延回路22a、22bの出力の差、即ち、パルス幅(tw2ーtw1)の温度依存性を抑制できる。図9の式が、電圧Vcが第1ZTCポイントであるための条件式となる。
FIG. 8 shows a graph of the voltage differential value (tw / dV) of the delay time with respect to the power supply voltage. Graphs G11, G12, and G13 are graphs at temperatures T = −40 ° C., 20 ° C., and 100 ° C., respectively. Note that the vertical axis of FIG. 8 is drawn on a logarithmic scale. At the point ZTC1 where the three graphs overlap, the voltage derivative (tw / dV) does not change even if the temperature changes. That is, the point ZTC1 where the three graphs overlap is the first ZTC point. If the voltage Vc corresponding to this point is set to the power supply voltage of the first and
次に、図7の式の分母、即ち、参照クロック信号CLK_rfの周期tc(T)について考察する。周期tc(T)の温度依存性を低減するには、参照クロック回路30の電源電圧が、参照クロック回路30に供給する電源電圧に対する周期tc(T)が温度に依存しない第2ZTCポイントに設定されていればよい。図10に、電源電圧に対する周期tc(T)のグラフを示す。グラフG21、G22、G23は、それぞれ、温度T=−40℃、20℃、100℃のときのグラフである。3本のグラフが重なったZTC2では、温度が変化してもクロック周期tc(T)が変化しない。即ち、3本のグラフが重なった点ZTC2が、第2ZTCポイントである。この点に対応する電圧Vrfを参照クロック回路30の電源電圧に設定すれば、参照クロック信号CLK_rfの周期tc(T)の温度依存性を抑制できる。図11の式が、電圧Vrfが第2ZTCポイントであるための条件式となる。なお、図10の縦軸も対数スケールで描かれている点に留意されたい。
Next, the denominator of the equation in FIG. 7, that is, the period tk (T) of the reference clock signal CLK_rf will be considered. In order to reduce the temperature dependence of the period tk (T), the power supply voltage of the
上記の通り、次の2個の条件を満たすと、デジタルセンサ2の計測精度に対する温度の影響を抑えることができる。(1)センサ素子10の出力電圧のうちの圧力非依存部分(基準電圧Vc)が、第1及び第2遅延回路22a、22bの遅延時間tw1、tw2を電源電圧で微分した値が温度に依存しない第1ZTCポイントに設定されている。(2)参照クロック回路30の電源電圧Vrfが、電源電圧に対するクロック速度(周期tc)が温度に依存しない第2ZTCポイントに設定されている。なお、第1遅延回路22aと第2遅延回路22bは同じ構成、同じ特性を有しているので、第1遅延回路22aが上記(1)の条件を満たせば、第2遅延回路22bも上記(1)の条件を満たす。
As described above, if the following two conditions are satisfied, the influence of temperature on the measurement accuracy of the
ここで、電源電圧を調整する回路について補足する。図1の回路図では、共通電源9の電圧VDDを電圧2Vcあるいは電圧Vrfに調整するのに一つの可変抵抗を使った回路を示した。安定した調整電圧を供給する回路の一例を図12に示す。図12の電圧調整回路40は、可変抵抗41、第1固定抵抗42、第2固定抵抗43、ボルテージフォロワ44を備えている。可変抵抗41と第1固定抵抗42と第2固定抵抗43は直列に接続される。その直列接続の高電位側に共通電源9が接続され、低電位側にはグランドが接続される。第1固定抵抗42と第2固定抵抗43の中点がボルテージフォロワ44の一方の入力端に接続される。ボルテージフォロワ44の他方の入力端は出力端と接続される。可変抵抗41の抵抗値を調整することで、第1固定抵抗42と第2固定抵抗43の中点の電圧を所望の電圧(電圧2Vc、あるいは、電圧Vrf)に調整する。ボルテージフォロワ44を介することで、電圧調整回路40の出力端が高インピーダンスとなり、負荷の変動に関わらずに出力電圧が安定する。図1の可変抵抗15、32に代えて図12の電圧調整回路40を採用することが好ましい。
Here, the circuit for adjusting the power supply voltage is supplemented. In the circuit diagram of FIG. 1, a circuit using one variable resistor for adjusting the voltage VDD of the
(第2実施例)次に、第2実施例のデジタルセンサ2aを説明する。図13にデジタルセンサ2aのブロック図を示す。なお、デジタルセンサ2aは、第1実施例のデジタルセンサ2と同じセンサ素子10を備えるので、図13ではセンサ素子10の図示は省略した。デジタルセンサ2aは、時間差パルス回路50の構成が第1実施例のデジタルセンサ2の時間差パルス回路24と異なる。図13では、図1と同じ部品には同じ符号を付してある。
(Second Example) Next, the
第1実施例のデジタルセンサ2では、時間差パルス回路24は、単純な排他的論理和演算器であった。第1実施例のデジタルセンサ2では、時間差パルス回路24(排他的論理和演算器)によって、第1/第2遅延パルス信号P1、P2の時間差に等しい長さのパルス幅を有する時間差パルス信号P3を得た。第2実施例のデジタルセンサ2aでは、時間差パルス回路50によって、第1/第2遅延パルス信号P1、P2の時間差のk倍(kは1より大きい実数)の長さのパルス幅を有する時間差パルス信号を得る。
In the
時間差パルス回路50は、第1クロック回路51、第2クロック回路52、第1クロックカウント回路56、時間伸張パルス回路53を備えている。第1クロック回路51は、第1クロック信号CLK1を出力する。第2クロック回路52は、第1クロック信号CLK1を受け、これを分周して第1クロック信号CLK1よりも低速の第2クロック信号CLK2を出力する。
The time
第1クロックカウント回路56は、基準パルス信号P0を第1遅延回路22aで遅延させた第1遅延パルス信号P1と、基準パルス信号P0を第2遅延回路22bで遅延させた第2遅延パルス信号P2の時間差の間に第1クロック信号CLK1をカウントする。第1クロックカウント回路56は、カウントされた第1クロックカウント数を出力する。第1クロックカウント回路56は、排他的論理和演算器54と、カウンタ55を備えている。排他的論理和演算器54が、第1遅延パルス信号P1と第2遅延パルス信号P2の時間差に相当するパルス幅を有する中間パルス信号P3を出力する。なお、この中間パルス信号P3は、第1実施例における時間差パルス信号P3に相当する。カウンタ55が、第1クロック信号CLK1を受け、第1遅延パルス信号P1と第2遅延パルス信号P2の時間差の間の第1クロック信号CLK1をカウントする。今、カウンタ55が係数した第1クロックカウント数を記号N1で表す。
The first
時間伸張パルス回路53には、第1クロックカウント数N1と、第2クロック信号CLK2が入力される。時間伸張パルス回路53は、第1クロックカウント数N1と同数のクロック分の第2クロック信号CLK2と等しいパルス幅を有する時間差パルス信号P4を出力する。デジタル出力回路33は、時間差パルス信号P4のパルス幅の間に参照クロック信号CLK_rfをカウントし、カウントされた参照クロックカウント数Doutを出力する。デジタルセンサ2aの出力Doutが、センサ素子10が受けた圧力の大きさを示す。
The first clock count number N1 and the second clock signal CLK2 are input to the time
図14に、デジタルセンサ2aにおける各出力パルス信号のタイムチャートを示す。基準パルス信号P0、第1遅延パルス信号P1、第2遅延パルス信号P2は、第1実施例の場合(図6)と同じである。中間パルス信号P3のパルス幅tw21は、第1遅延パルス信号P1と第2遅延パルス信号P2の時間差tw2−tw1に相当する。図14の例では、パルス幅tw21の間に、第1クロックカウント回路56が、第1クロック信号CLK1をN1=5クロック分カウントした。時間伸張パルス回路53は、第1クロックカウント数N1(=5クロック)と同数だけ、低速の第2クロック信号CLK2をカウントし、カウント数N1(=5クロック)分のパルス幅を有する時間差パルス信号P4を出力する。図14の例では、第2クロック信号CLK2は、第1クロック信号CLK1を四分周しており、周期は4倍、速度は1/4となっている。それゆえ、時間差パルス信号P4のパルス幅は、中間パルス信号P3のパルス幅tw21(即ち、第1遅延パルス信号P1と第2遅延パルス信号P2の時間差)の4倍(tw21×4)となっている。
FIG. 14 shows a time chart of each output pulse signal in the
なお、図14では、第1クロックCLK1のタイムチャート上のカウント数N1と、第2クロックCLK2のタイムチャート上のカウントN1が時間軸上で一部重なっている。これは、紙面の面積の都合で便宜上のものである。本来は、第1クロックCLK1のN1個をカウントした後に第2クロックCLK2をカウントするので、第2クロックCLK2のタイムチャート上のカウントN1は、第1クロックCLK1のタイムチャート上のN1よりも右側に描かれるべきであることに留意されたい。 In FIG. 14, the count number N1 on the time chart of the first clock CLK1 and the count N1 on the time chart of the second clock CLK2 partially overlap on the time axis. This is for convenience due to the space of the paper. Originally, since N1 of the first clock CLK1 is counted and then the second clock CLK2 is counted, the count N1 on the time chart of the second clock CLK2 is on the right side of N1 on the time chart of the first clock CLK1. Note that it should be drawn.
伸張された時間差パルス信号P4のパルス幅は、常に、第1遅延パルス信号P1と第2遅延パルス信号P2の時間差の4倍となる。伸張された時間差パルス信号P4のパルス幅を、参照クロック信号CLK_rfでカウントする。カウントされた値が、デジタルセンサ2aの出力Doutに相当する。
The pulse width of the stretched time difference pulse signal P4 is always four times the time difference between the first delay pulse signal P1 and the second delay pulse signal P2. The pulse width of the stretched time difference pulse signal P4 is counted by the reference clock signal CLK_rf. The counted value corresponds to the output Dout of the
第2実施例のデジタルセンサ2aでは、第1遅延パルス信号P1と第2遅延パルス信号P2の時間差をk倍に伸張し、伸張された時間差を参照クロック信号CLK_rfでカウントする。それゆえ、参照クロック信号CLK_rfの速度を落としても、センサの高い計測精度を維持できる。
In the
(第3実施例)図15に、第3実施例のデジタルセンサ2bのブロック図を示す。第3実施例のデジタルセンサ2bも、センサ素子に加えられる圧力に応じたデジタル値を出力することができる。第3実施例のデジタルセンサ2bは、第1実施例のデジタルセンサ2(図1)と多くの共通部品を有している。図15において、第1実施例のデジタルセンサ2の部品と同じ部品には同じ符号を付す。デジタルセンサ2bは、センサ素子10a、基準パルス回路20、参照クロック回路130、第1遅延回路22a、第2遅延回路22b、時間差パルス回路24、デジタル出力回路33を備えている。これらの部品のうち、参照クロック回路130以外は一つのユニット(センサユニット60)に集約されている。参照クロック回路130は、センサユニット60とは別体であり、その意味では外部クロック回路と称してもよい。
(Third Example) FIG. 15 shows a block diagram of the
センサ素子10aは、圧力が加えられると、圧力変化に非依存の基準電圧Vcに対して圧力の変化に応じて変化する電圧変化分dVcを伴う第1電圧V1(=Vc+dVc)と第2電圧V2(=Vc−dVc)を出力する。第1電圧V1は、第1遅延回路22aへ電源電圧として供給され、第2電圧V2は、第2遅延回路22bへ電源電圧として供給される。第1遅延回路22aと第2遅延回路22bには、基準パルス回路20から基準パルス信号P0が入力される。なお、基準パルス回路20は、共通電源9から電圧VDDの電力の供給を受けて動作する。
When pressure is applied, the
第1遅延回路22aは、電源電圧(第1電圧V1)の変化に応じて基準パルス信号P0を遅延させた第1遅延パルス信号P1を出力する。第2遅延回路22bは、電源電圧(第2電圧V2)の変化に応じて基準パルス信号P0を遅延させた第2遅延パルス信号P2を出力する。時間差パルス回路24は、基準パルス信号を第1遅延回路22aで遅延させた第1遅延パルス信号P1と、基準パルス信号を第2遅延回路22bで遅延させた第2遅延パルス信号P2の時間差に対応したパルス幅を有する時間差パルス信号P3を出力する。デジタル出力回路33は、時間差パルス信号P3のパルス幅の間に、参照クロック回路130が出力する参照クロック信号CLK_rfをカウントし、カウントされた参照クロックカウント数を出力する。
The
センサ素子10aの基準電圧Vcは、、第1及び第2遅延回路22a、22bの遅延時間を電源電圧で微分した値が温度に依存しない第1ZTCポイントに設定されている。参照クロック回路130は、センサユニット60から離れた位置に配置することができるので、圧力計測位置の温度に依存しないようにすることができる。従って、参照クロック回路130は、出力する参照クロック信号のクロック速度が圧力計測位置の温度に依存しないようにすることができる。その意味で、参照クロック回路130の電源電圧は、電源電圧に対するクロック速度が圧力計測位置の温度に依存しない第2ZTCポイントに設定されている、と理解することができる。
The reference voltage Vc of the
第3実施例のデジタルセンサ2bも、第1実施例のデジタルセンサ2と同じ作用効果を奏することができる。
The
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。理想的には、ZTCポイントとは、温度依存性が全くないことが望ましい。しかしながら、現実には、温度依存性が全くないことは稀である。例えば、図8のグラフでは、電源電圧=Vcにおいて3本のグラフは一致しているがその傾きはわずかに異なっている。図8におけるグラフの傾きが、遅延時間を電源電圧で微分した値を意味している。即ち、遅延時間を電源電圧で微分した値は、電源電圧=Vcにおいてもわずかに温度に依存する。ただし、電源電圧=Vcにおいて、遅延時間を電源電圧で微分した値の温度依存性は全電圧域において最小である。本明細書において、「温度に依存しない第1ZTCポイント」とは、温度依存性が最小のポイントを含む概念であることに留意されたい。図9の式において近似を表す等号を用いていることが、時間依存が極めて小さいこと(即ち全電圧域で最小であること)を意味している。第1ZTCポイントと同様に、本明細書における「温度に依存しない第2ZTCポイント」は、温度依存性が最小のポイントを含む概念であることに留意されたい。 The points to be noted regarding the technique described in the examples will be described. Ideally, the ZTC point should have no temperature dependence. However, in reality, it is rare that there is no temperature dependence. For example, in the graph of FIG. 8, when the power supply voltage = Vc, the three graphs are the same, but their slopes are slightly different. The slope of the graph in FIG. 8 means the value obtained by differentiating the delay time with the power supply voltage. That is, the value obtained by differentiating the delay time with the power supply voltage slightly depends on the temperature even when the power supply voltage = Vc. However, when the power supply voltage = Vc, the temperature dependence of the value obtained by differentiating the delay time with the power supply voltage is the minimum in the entire voltage range. It should be noted that in the present specification, the "first ZTC point independent of temperature" is a concept including the point having the minimum temperature dependence. The use of an equal sign representing an approximation in the equation of FIG. 9 means that the time dependence is extremely small (that is, it is the minimum in the entire voltage range). It should be noted that, like the first ZTC point, the "temperature-independent second ZTC point" herein is a concept that includes the point with the least temperature dependence.
基準電圧Vcは第1ZTCポイントに厳密に一致するように設定され、参照クロック回路の電源電圧Vrfは第2ZTCポイントに厳密に一致するのが好ましい。しかしながら、実用上は、電圧を厳密にZTCポイントに一致させることは難しい。その場合、基準電圧Vcが第1ZTCから一方にずれたら、参照クロック回路の電源電圧Vrfも、同じ方向にずらすとよい。そうすることで、ZTCポイントからのずれを第1/第2遅延回路22a、22bと参照クロック回路30で相殺することができ、温度変化に対する計測精度の劣化を抑えることができる。
It is preferable that the reference voltage Vc is set to exactly match the first ZTC point, and the power supply voltage Vrf of the reference clock circuit exactly matches the second ZTC point. However, in practice, it is difficult to match the voltage exactly with the ZTC point. In that case, if the reference voltage Vc deviates from the first ZTC to one side, the power supply voltage Vrf of the reference clock circuit may also be deviated in the same direction. By doing so, the deviation from the ZTC point can be canceled by the first /
実施例のデジタルセンサは、圧力を計測するセンサであった。センサ素子は、圧力以外の物理量に対して出力電圧(第1電圧V1と第2電圧V2)が変化するものであってもよい。例えば、センサ素子10の抵抗11−14として、サーミスタを用いれば、温度を計測するデジタルセンサを実現することができる。
The digital sensor of the embodiment was a sensor that measures pressure. The sensor element may have an output voltage (first voltage V1 and second voltage V2) that changes with respect to a physical quantity other than pressure. For example, if a thermistor is used as the resistance 11-14 of the
第1実施例のセンサ素子10は、フルブリッジ回路の4個の抵抗素子11、12、13、14が、無負荷のときに同じ抵抗値を示すので、入力電圧は、基準電圧Vcの2倍となるように調整される。正側出力端子A3(負側出力端子A4)の電圧は、入力電圧と、抵抗11及び抵抗12(抵抗14及び抵抗13)の抵抗比で定まる。センサ素子10への入力電圧は、第1ZTCポイントに設定された基準電圧Vcと、フルブリッジ回路の抵抗11(抵抗14)及び抵抗12(抵抗13)の抵抗比に応じて定められる。
Since the
実施例のデジタルセンサのセンサ素子は、4個の抵抗を使ったフルブリッジ回路を使って第1電圧(Vc+dVc)と第2電圧(Vc−dVc)を出力する構成を実現している。センサ素子は、基準電圧Vcに対して計測対象の物理量の変化に応じて変化する電圧変化分dVcを伴う第1電圧Vc+dVcと第2電圧Vc−dVcを出力する回路であれば、必ずしもフルブリッジ回路でなくてもよい。 The sensor element of the digital sensor of the embodiment realizes a configuration in which a first voltage (Vc + dVc) and a second voltage (Vc−dVc) are output by using a full bridge circuit using four resistors. The sensor element is not necessarily a full-bridge circuit if it is a circuit that outputs a first voltage Vc + dVc and a second voltage Vc-dVc with a voltage change dVc that changes according to a change in the physical quantity to be measured with respect to the reference voltage Vc. It does not have to be.
第2実施例において、第2クロック回路52は第1クロック信号CLK1を4分周した。第2クロック信号CLK2は、第1クロック信号CLK1よりも低速であればよく、必ずしも第1クロック信号CLK1を分周したクロックでなくともよい。
In the second embodiment, the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above. The technical elements described herein or in the drawings exhibit their technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques illustrated in the present specification or drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes itself has technical usefulness.
2、2a、2b:デジタルセンサ
9:共通電源
10、10a:センサ素子
11−14:抵抗素子
15:可変抵抗
18、19:ボルテージフォロワ
20:基準パルス回路
22a:第1遅延回路
22b:第2遅延回路
24:時間差パルス回路
30、130:参照クロック回路
32:可変抵抗
33:デジタル出力回路
40:電圧調整回路
41:可変抵抗
42:第1固定抵抗
43:第2固定抵抗
44:ボルテージフォロワ
50:時間差パルス回路
51:第1クロック回路
52:第2クロック回路
53:時間伸張パルス回路
54:排他的論理和演算器
55:カウンタ
56:第1クロックカウント回路
60:センサユニット
2, 2a, 2b: Digital sensor 9:
Claims (3)
基準電圧Vcに対して前記物理量の変化に応じて変化する電圧変化分dVcを伴う第1電圧Vc+dVcと第2電圧Vc−dVcを出力するセンサ素子と、
基準パルス信号を出力する基準パルス回路と、
参照クロック信号を出力する参照クロック回路と、
電源電圧の変化に応じて遅延時間が変化する遅延回路であって前記第1電圧が電源電圧として供給される第1遅延回路と、
電源電圧の変化に応じて遅延時間が変化する遅延回路であって前記第2電圧が電源電圧として供給される第2遅延回路と、
前記基準パルス信号を前記第1遅延回路で遅延させた第1遅延パルス信号と、前記基準パルス信号を前記第2遅延回路で遅延させた第2遅延パルス信号の時間差に対応したパルス幅を有する時間差パルス信号を出力する時間差パルス回路と、
前記時間差パルス信号の前記パルス幅の間に前記参照クロック信号をカウントし、カウントされた参照クロックカウント数を出力するデジタル出力回路と、を備えており、
前記基準電圧Vcが、前記第1及び前記第2遅延回路の遅延時間を電源電圧で微分した値が温度に依存しない第1ZTCポイントに設定されており、
前記参照クロック回路の電源電圧が、電源電圧に対するクロック速度が温度に依存しない第2ZTCポイントに設定されている、デジタルセンサ。 It is a digital sensor that converts the voltage value corresponding to the physical quantity to be measured into a digital value and outputs it.
A sensor element that outputs a first voltage Vc + dVc and a second voltage Vc-dVc with a voltage change dVc that changes according to the change in the physical quantity with respect to the reference voltage Vc.
A reference pulse circuit that outputs a reference pulse signal and
A reference clock circuit that outputs a reference clock signal and
A delay circuit whose delay time changes according to a change in the power supply voltage, and a first delay circuit in which the first voltage is supplied as a power supply voltage.
A second delay circuit in which the delay time changes according to a change in the power supply voltage and the second voltage is supplied as the power supply voltage.
A time difference having a pulse width corresponding to the time difference between the first delay pulse signal in which the reference pulse signal is delayed by the first delay circuit and the second delay pulse signal in which the reference pulse signal is delayed by the second delay circuit. A time difference pulse circuit that outputs a pulse signal and
It is provided with a digital output circuit that counts the reference clock signal during the pulse width of the time difference pulse signal and outputs the counted reference clock count number.
The reference voltage Vc is set at the first ZTC point where the value obtained by differentiating the delay times of the first and second delay circuits with the power supply voltage does not depend on the temperature.
A digital sensor in which the power supply voltage of the reference clock circuit is set at a second ZTC point where the clock speed with respect to the power supply voltage does not depend on temperature.
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