JP2014095550A - Frequency detection device and frequency detection type sensor using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入力信号の周波数の変化量を検出する周波数検出装置に関する。 The present invention relates to a frequency detection device that detects a change in frequency of an input signal.
従来から、入力信号の周波数を検出するための種々の技術が提案されている。例えば、特許文献1には、無線受信機などに用いられる周波数カウンタが開示されている。特許文献1の周波数カウンタでは、水晶発振器の出力信号を分周したクロック信号に基づいてカウンタに入力信号を導入し、その周波数を計数して表示する。特許文献2には、入力信号の周波数を電圧に変換するF−Vコンパレータが開示されている。特許文献2のF−Vコンパレータでは、入力信号の周波数を所定の周波数と比較して、その大小をHighレベル、Lowレベルによって示す信号を出力する。特許文献3には、入力信号の周波数に同期する信号を、フィードバック回路を利用して生成し出力するPLL回路(Phase-Locked Loop)が開示されている。特許文献3のPLL回路では、位相比較器が出力する入力信号(外部リファレンスクロック信号)と帰還信号との位相差を示す信号を量子化して移動平均処理した周波数制御データに基づき、出力信号及び帰還信号を生成する。
Conventionally, various techniques for detecting the frequency of an input signal have been proposed. For example,
ところで、センサ素子として、その検出結果を周波数の変化量で示す共振型のセンサ素子が知られており、従来から、周波数の変化量を高い精度で検出することが要求されてきた。しかし、上記の特許文献1〜3の技術では、周波数の変化量を検出することについては考慮されていない。例えば、特許文献1の周波数カウンタでは、1Hzの検出分解能を実現するためには、入力信号をカウンタに導入するための1秒間のゲート時間が必要である。そのため、急峻な周波数の変化量を検出する場合には、そのゲート時間がボトルネックとなってしまう可能性がある。
By the way, as a sensor element, a resonance type sensor element that indicates a detection result by a frequency change amount is known, and conventionally, it has been required to detect a frequency change amount with high accuracy. However, the techniques disclosed in
特許文献2のF−Vコンパレータでは、検出分解能が回路内部のクロック周波数に依存し、例えば、内部クロックが1GHzの場合には検出分解能は1nsとなる。しかし、特許文献2のF−Vコンパレータでは、上記の内部クロックの場合に、200kHzの周波数を基準としたときに検出可能な周波数変化量は40Hzであり、微小な周波数の変化の検出が困難になってしまう可能性がある。
In the FV comparator of
特許文献3のPLL回路では、出力信号に漏洩する入力信号の高周波成分が移動平均フィルタにおける移動平均処理によって除去されるため、出力信号のノイズを低減することができる。しかし、特許文献3のPLL回路では、その移動平均処理によって遅延時間が生じ、帰還ループの応答性が低下してしまう可能性があり、急峻な周波数の変化に対応できない可能性がある。なお、広く知られているように、フィードバック経路を有する電気回路においては、フィードバック制御の安定性(発振耐性)を確保するために、十分な位相余裕が必要である。上述の移動平均処理には遅延効果が伴うため、フィードバック経路にこの移動平均処理を導入すると、その遅延効果を補償するためにその応答性を低下させざるを得なくなる。
In the PLL circuit of
このように、従来から、入力信号における周波数の変化量の検出性を向上させることについては十分な工夫がなされていなかった。より具体的には、周波数の変化量の検出については、その検出精度や応答性を向上させること、出力信号のノイズ成分を除去することに依然として改善の余地があった。 As described above, conventionally, sufficient contrivance has not been made to improve the detectability of the frequency change amount in the input signal. More specifically, with respect to detection of the amount of change in frequency, there is still room for improvement in improving the detection accuracy and responsiveness and removing the noise component of the output signal.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.
(1)本発明の一形態によれば、入力信号の周波数の変化量を検出するための検出信号を出力する周波数検出装置が提供される。この周波数検出装置は、位相同期部であって、入力信号とフィードバック信号との位相差を表す位相差信号に基づいて、前記入力信号と同期するフィードバック信号を生成するフィードバック制御部と、前記入力信号と前記フィードバック信号とを用いて前記位相差信号を生成する位相比較部と、を有し、前記位相差信号に基づく出力信号を出力する位相同期部と、前記位相同期部の前記出力信号を移動平均処理して前記検出信号として出力する移動平均部と、を備える。この形態の周波数検出装置によれば、移動平均部によって、検出信号におけるノイズ成分を低減させることができ、周波数の変化量の検出精度を向上させることができる。また、移動平均部は位相同期部の帰還ループの外側に設けられているため、移動平均処理に起因して周波数の変化に対する応答性が低下してしまうことが抑制される。 (1) According to an aspect of the present invention, there is provided a frequency detection device that outputs a detection signal for detecting a change in frequency of an input signal. The frequency detection device is a phase synchronization unit, and generates a feedback signal synchronized with the input signal based on a phase difference signal representing a phase difference between the input signal and the feedback signal, and the input signal And a phase comparison unit that generates the phase difference signal using the feedback signal and a phase synchronization unit that outputs an output signal based on the phase difference signal, and moves the output signal of the phase synchronization unit A moving average unit that performs an averaging process and outputs the detection signal. According to the frequency detection apparatus of this aspect, the noise component in the detection signal can be reduced by the moving average unit, and the detection accuracy of the frequency change amount can be improved. In addition, since the moving average unit is provided outside the feedback loop of the phase synchronization unit, it is possible to suppress a decrease in responsiveness to changes in frequency due to the moving average process.
(2)上記形態の周波数検出装置は、さらに、前記位相同期部における前記フィードバック信号の周波数に応じたクロック信号を生成するクロック信号生成部を備え、前記移動平均部は、前記クロック信号生成部が出力するクロック信号の周波数に基づくサンプリング周波数によって前記移動平均処理を実行するとしても良い。この形態の周波数検出装置によれば、入力信号の周波数変化に応じて移動平均処理のサンプリング速度が変化するため、入力信号の周波数と同じ周波数成分の高周波ノイズを適切に除去することができ、周波数の変化量の検出精度を向上させることができる。 (2) The frequency detection apparatus according to the above aspect further includes a clock signal generation unit that generates a clock signal corresponding to the frequency of the feedback signal in the phase synchronization unit, and the moving average unit includes the clock signal generation unit. The moving average process may be executed at a sampling frequency based on the frequency of the output clock signal. According to the frequency detection device of this aspect, since the sampling rate of the moving average process changes according to the frequency change of the input signal, high frequency noise having the same frequency component as the frequency of the input signal can be appropriately removed, and the frequency The detection accuracy of the amount of change can be improved.
(3)上記形態の周波数検出装置において、前記移動平均部の移動平均タップ数はn(nは2以上の自然数)であり、前記移動平均部は、前記フィードバック信号の周波数がFdであるときに、(Fd/Fs)×n=N(Nは任意の整数)の関係式を満たすサンプリング周波数Fsによって移動平均を実行するとしても良い。この形態の周波数検出装置によれば、移動平均部によって、より確実に、入力信号の高周波成分を除去することができる。 (3) In the frequency detection device of the above aspect, when the moving average tap number of the moving average unit is n (n is a natural number of 2 or more), and the moving average unit has a frequency of the feedback signal of Fd , (Fd / Fs) × n = N (N is an arbitrary integer), the moving average may be executed with a sampling frequency Fs that satisfies the relational expression. According to the frequency detection device of this aspect, the moving average unit can more reliably remove the high frequency component of the input signal.
(4)上記形態の周波数検出装置において、前記移動平均部は、前記クロック信号の立ち上がり、または、立ち下がりのタイミングに基づいてサンプリングを実行し、前記クロック信号は、前記フィードバック信号の周期に応じた周期を有しつつ、前記フィードバック信号とは信号の立ち上がり、または、立ち下がりのタイミングが異なる、としても良い。この形態の周波数検出装置によれば、位相比較部にフィードバック信号の信号の立ち上がり、または、立ち下がりが入力されるタイミングと、移動平均部におけるサンプリングのタイミングをずらすことができる。従って、位相比較部へのフィードバック信号の入力によって回路の電位が不安定になる場合であっても、移動平均部がその影響を受けてしまうことを抑制することができる。 (4) In the frequency detection device of the above aspect, the moving average unit performs sampling based on a rising timing or falling timing of the clock signal, and the clock signal corresponds to a period of the feedback signal While having a period, the timing of rising or falling of the signal may be different from the feedback signal. According to the frequency detection device of this aspect, the timing at which the rising or falling edge of the feedback signal is input to the phase comparison unit and the sampling timing in the moving average unit can be shifted. Therefore, even when the circuit potential becomes unstable due to the input of the feedback signal to the phase comparison unit, it is possible to suppress the moving average unit from being affected.
(5)上記形態の周波数検出装置において、前記移動平均部は、並列に接続され、サンプリング信号に応じて順番に駆動し、それぞれのタイミングで前記出力信号をサンプリングする複数のサンプルアンドホールド部と、前記複数のサンプルアンドホールド部のそれぞれの出力を加算する加算部と、を備えるとしても良い。この形態の周波数検出装置によれば、移動平均部をアナログ回路として構成することができ、アナログ信号のデジタル化を省略することができる。従って、ADコンバータ等の信号変換部を省略することができ、量子化ノイズの発生を回避することができる。 (5) In the frequency detection device of the above aspect, the moving average units are connected in parallel, driven in order according to a sampling signal, and a plurality of sample and hold units that sample the output signal at respective timings; An adder that adds the outputs of the plurality of sample-and-hold units. According to the frequency detection device of this aspect, the moving average unit can be configured as an analog circuit, and digitization of the analog signal can be omitted. Accordingly, a signal conversion unit such as an AD converter can be omitted, and generation of quantization noise can be avoided.
(6)上記形態の周波数検出装置において、前記移動平均部の移動平均タップ数が2であるとしても良い。この形態の周波数検出装置によれば、移動平均部を小型化でき、周波数検出装置自体を小型化することができる。 (6) In the frequency detection device of the above aspect, the moving average tap number of the moving average unit may be two. According to the frequency detection device of this aspect, the moving average unit can be reduced in size, and the frequency detection device itself can be reduced in size.
(7)本発明の他の形態によれば、周波数検知型センサが提供される。この周波数検知型センサは、検出量に応じて共振周波数が変化する発振素子を備え、前記発振素子の共振周波数を示すセンサ信号を出力するセンサ素子と、前記センサ信号を前記入力信号として受信する上記形態の周波数検出装置と、を備える。この形態の周波数検知型センサによれば、センサ素子が出力する共振周波数の変化量を、周波数検出装置によって高い精度で検出することができ、周波数検知型センサの検出性能を向上させることができる。 (7) According to another aspect of the present invention, a frequency detection type sensor is provided. The frequency detection type sensor includes an oscillation element whose resonance frequency changes according to a detection amount, a sensor element that outputs a sensor signal indicating the resonance frequency of the oscillation element, and the sensor signal that is received as the input signal. A frequency detection device of the form. According to the frequency detection sensor of this aspect, the amount of change in the resonance frequency output from the sensor element can be detected with high accuracy by the frequency detection device, and the detection performance of the frequency detection sensor can be improved.
(8)上記形態の周波数検知型センサは、前記検出信号が示す周波数αと前記センサ信号が示す周波数βとが、β/α<100の関係式を満たすとしてもよい。この形態の周波数検知型センサによれば、センサの大型化を抑制しつつ、その検出精度を確保することができる。 (8) In the frequency detection type sensor of the above aspect, the frequency α indicated by the detection signal and the frequency β indicated by the sensor signal may satisfy the relational expression β / α <100. According to the frequency detection type sensor of this embodiment, the detection accuracy can be ensured while suppressing an increase in size of the sensor.
(9)上記形態の周波数検知型センサにおいて、前記センサ素子は、前記センサ素子に付与される荷重に応じた前記センサ信号を出力する荷重センサ素子を含むとしても良い。この形態の周波数検知型センサによれば、荷重を高い精度で検出できる。 (9) In the frequency detection type sensor of the above aspect, the sensor element may include a load sensor element that outputs the sensor signal according to a load applied to the sensor element. According to the frequency detection type sensor of this embodiment, the load can be detected with high accuracy.
本発明は、装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、周波数検出装置の製造方法や周波数検出装置の制御方法、周波数の変化量の検出方法、その制御方法や検出方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した非一時的記録媒体等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms other than the apparatus. For example, a form of a frequency detection device manufacturing method, a frequency detection device control method, a frequency change amount detection method, a computer program for realizing the control method or detection method, a non-temporary recording medium on which the computer program is recorded, etc. Can be realized.
A.第1実施形態:
図1は、本発明の一実施形態としての周波数検知型センサである荷重検出センサ100の構成を示す概略図である。荷重検出センサ100は、荷重の大きさを、検出部が備える振動子の共振周波数の変化量として検出する、いわゆる共振型のセンサである。荷重検出センサ100は、センサ部10と、周波数検出装置20と、を備える。
A. First embodiment:
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a
センサ部10は、検知部として機能し、外部から付与されている荷重の大きさに応じて周波数が変化する信号を周波数検出装置20に出力する。なお、後述するように、センサ部10の出力する信号の周波数は、センサ部10が備える振動子の共振周波数である。
The
周波数検出装置20は、センサ部10が出力する信号の周波数の変化量を表す信号を出力する。周波数検出装置20は、位相同期部30と、移動平均部40と、クロック信号生成部50と、を備える。
The
位相同期部30は、いわゆるPLL回路としての構成を有している。位相同期部30は、センサ部10の出力信号に同期する帰還信号(以下、「フィードバック信号」とも呼ぶ)を生成し、センサ部10の出力信号とフィードバック信号との位相差を表す信号を出力する。位相同期部30は、位相比較部31と、ループフィルタ部32と、電圧制御発振部33と、分周部34と、を備える。
The
位相比較部31は、センサ部10の出力信号と、分周部34が出力するフィードバック信号とが入力され、それら2つの信号の位相差を表す位相差信号を、ループフィルタ部32に出力する。ループフィルタ部32は、ローパスフィルタであり、位相比較部31が出力する位相差信号を平坦化して出力する。
The
ループフィルタ部32の出力信号は、位相同期部30の後段に設けられた移動平均部40に入力される。また、ループフィルタ部32の出力信号は、フィードバック信号を生成するために電圧制御発振部33に入力される。
The output signal of the
電圧制御発振部33は、電圧制御発振器(VCO:Voltage Controlled Oscillator)によって構成され、ループフィルタ部32が出力する位相差信号に応じた周波数の信号を出力する。分周部34は、電圧制御発振部33の出力信号を分周して、フィードバック信号として位相比較部31に出力する。
The voltage controlled
移動平均部40は、位相同期部30が出力する信号を、クロック信号生成部50が生成するクロック信号の周波数に基づくサンプリング周期で移動平均処理して出力する。クロック信号生成部50は、位相同期部30において分周部34が出力するフィードバック信号の周波数に応じたクロック信号を生成して移動平均部40へと出力する。
The moving
このように、本実施形態の周波数検出装置20は、位相同期部30のフィードバック制御によって生成された信号を、移動平均部40によって移動平均処理し、センサ部10の出力信号の周波数の変化量を表す信号として出力する。また、周波数検出装置20では、移動平均部40のサンプリング周期が、位相同期部30におけるフィードバック信号の周期に同期されている。従って、本実施形態の荷重検出センサ100では、そうした周波数検出装置20の構成によって、検出応答性が向上されるとともに、出力信号におけるノイズが低減され、その検出性能が向上されている。以下では、荷重検出センサ100の構成をさらに詳細に説明する。
As described above, the
図2は、本実施形態の荷重検出センサ100の構成をさらに詳細に示す概略図である。図2では図1に対応する構成部に同じ符号を付してある。センサ部10は発振素子11と、増幅器12と、を備える。センサ部10は、発振素子11を共振状態にして、発振素子11の共振周波数を有するパルス電流を出力信号として出力する。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the configuration of the
図3は、センサ部10の出力特性を説明するための説明図である。図3には、センサ部10の出力特性の一例を、縦軸をセンサ出力とし、横軸を発振素子11の周波数とするグラフによって図示してある。図3のグラフにはセンサ部10が荷重を受けていないときの出力特性を示すグラフを実線で示し、センサ部10が荷重を受けているときの出力特性を示すグラフを一点鎖線で示してある。
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the output characteristics of the
センサ部10の出力特性は、発振素子11の共振周波数のときを頂点とする急峻な凸状のグラフとして表される。センサ部10は、荷重が付与されると、当該荷重に応じて発振素子11の共振周波数が変化し、その特性が変化する。具体的には、センサ部10に荷重が付与されると、センサ部10の出力特性を示すグラフは、横軸方向に沿ってシフトする。従って、センサ部10の発振素子11の共振周波数の変化量ΔFを検出することによって、センサ部10に付与されている荷重を検出することができる。
The output characteristics of the
なお、本実施形態の荷重検出センサ100では、周波数検出装置20の出力する周波数αと、センサ部10が出力する周波数βとが下記の不等式(a)の関係を満たすように、センサ部10の出力特性が設定されている。
β/α<100 …(a)
これによって、本実施形態の荷重検出センサ100では、ループフィルタ部32を大型化することを抑制しつつ、検出信号におけるノイズを低減することができる。従って、荷重検出センサ100の大型化を抑制しつつ、その検出精度を確保することができる。
In the
β / α <100 (a)
Thereby, in the
図4は、位相比較部31の回路構成を示す概略図である。本実施形態の周波数検出装置20では、位相比較部31を、電流出力タイプの位相比較器によって構成している。位相比較部31は、主回路部311と、チャージポンプ回路部312と、を備える。主回路部311は、入力信号(センサ部10の出力信号)とフィードバック信号(分周部34の出力信号)の入力を受け付けるロジック部3111を備え、それら2つの信号に基づいて、チャージポンプ回路部312を駆動する駆動信号を出力する。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a circuit configuration of the
チャージポンプ回路部312は、プラス側スイッチ3121と、マイナス側スイッチ3122と、2つの定電流源3123,3124と、を備える。プラス側スイッチ3121およびマイナス側スイッチ3122は、ループフィルタ部32に対して互いに並列に接続されており、それぞれが各定電流源3123,3124に接続されている。チャージポンプ回路部312は、2つのスイッチ3121,3122が主回路部311からの駆動信号に応じて開閉することによって、各定電流源3123,3124の出力電流を位相比較部31の出力信号としてループフィルタ部32に出力する。
The charge
図5は、入力信号およびフィードバック信号に基づいて生成される位相比較部31の出力信号およびループフィルタ部32の出力信号を説明するための説明図である。図5には、入力信号およびフィードバック信号の一例と、それら2つの信号に対する2つのスイッチ3121,3122のON/OFFタイミングを示すタイミングチャートとを図示してある。また、図5には、2つのスイッチ3121,3122のON/OFFに応じた位相同期部30の出力電流の変化と、位相同期部30の出力電流の変化に対するループフィルタ部32の出力の変化とを図示してある。
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the output signal of the
位相比較部31では、入力信号およびフィードバック信号に対して、チャージポンプ回路部312の2つのスイッチ3121,3122は以下のようにON/OFFが制御される。
(1)フィードバック信号の立ち上がりエッジのタイミングで、プラス側スイッチ3121はONにされる。
(2)入力信号の立ち上がりエッジのタイミングで、マイナス側スイッチ3122はONにされる。
(3)2つのスイッチ3121,3122の両方がONになったときには、そのタイミングから一定の微小な遅延時間dt(例えば15ns程度の時間)の経過後に、2つのスイッチ3121,3122がともにOFFにされる。
In the
(1) At the timing of the rising edge of the feedback signal, the
(2) At the timing of the rising edge of the input signal, the
(3) When both of the two
なお、上記の遅延時間dtは、2つのスイッチ3121,3122のいずれか一方がOFFのままの時間が継続されてしまうことを抑制するために敢えて設けたタイムラグである。従って、本実施形態の位相比較部31では、この遅延時間dtによって生じる微小パルスによって、スイッチ3121,3122が正常な駆動状態であることを検出することができる。
Note that the delay time dt is a time lag that is provided in order to prevent the time during which one of the two
上記のようにチャージポンプ回路部312の2つのスイッチ3121,3122のON/OFFが制御されることによって、位相比較部31からは以下のように電流が出力される。
(1)フィードバック信号のみが立ち上がっている間にはプラスの定電流(例えば1mA程度としても良い)が出力される。
(2)入力信号のみが立ち上がっている間にはマイナスの定電流(例えば−1mA程度としても良い)が出力される。
(3)入力信号およびフィードバック信号の両方が立ち上がっている間、または、立ち下がっている間は、遅延時間dtの時間帯を除き、出力電流は0になる。
By controlling ON / OFF of the two
(1) While only the feedback signal rises, a positive constant current (for example, about 1 mA may be output) is output.
(2) While only the input signal is rising, a negative constant current (for example, about -1 mA may be output) is output.
(3) While both the input signal and the feedback signal are rising or falling, the output current becomes 0 except for the time zone of the delay time dt.
このように、位相比較部31は、入力信号とフィードバック信号の位相差に応じたプラスの定電流またはマイナスの定電流を出力する。ループフィルタ部32は、上記の位相比較部31の出力する電流をほぼ積分して、直流信号(DC信号)として出力する。なお、既に説明したように、ループフィルタ部32の出力信号は、電圧制御発振部33と移動平均部40とに入力される(図1,図2)。
Thus, the
図6は、電圧制御発振部33の出力特性の一例を示す説明図である。図6には、電圧制御発振部33に対して入力される電圧を横軸とし、電圧制御発振部33の発振周波数(出力周波数)を縦軸とするグラフの一例を図示してある。
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating an example of output characteristics of the voltage controlled
本実施形態の周波数検出装置20では、電圧制御発振部33は、ループフィルタ部32の出力する電圧に応じた発振周波数(例えば、1.2MHz〜2.0MHz程度)を出力する。電圧制御発振部33は、ループフィルタ部32の出力する電圧が高くなるほど、その発振周波数が線形的に高くなる特性を有している。これによって、フィードバック信号の周波数が入力信号の周波数に同期するように制御される。
In the
図7は、本実施形態の分周部34の出力周波数を説明するための説明図である。本実施形態の分周部34は、電圧制御発振部33の発振周波数を分周比0,1,2,3で分周する。即ち、電圧制御発振部33の発振周波数の1/20,1/21,1/22,1/23倍の周波数の分周信号を生成する。なお、分周比0の分周信号の周波数は、電圧制御発振部33の発振周波数に等しい。
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the output frequency of the
分周部34は、分周比3で分周した周波数の信号をフィードバック信号として位相比較部31に入力する。また、分周部34は、分周比0,1,2,3の分周信号をクロック信号生成部50に出力する。クロック信号生成部50は、分周部34からの入力信号に基づいて移動平均部40のサンプリング周期を制御するクロック信号を生成し、移動平均部40に出力する。
The
図8(A),(B)は、移動平均部40において実行される移動平均処理を説明するための説明図である。図8(A)には、一般的な移動平均回路の回路図と、その等価式とを図示してある。移動平均回路は、過去のM(Mは任意の自然数)個のデータを平均化したデータを出力する。より具体的には、移動平均回路は、1クロックごとに、前回のクロックまでに採取されたデータを隣のブロックに送信し、新たな1個のデータを採取して先頭のブロックに入力する。そして、全ブロックの出力を加算して出力する。
FIGS. 8A and 8B are explanatory diagrams for explaining the moving average process executed in the moving
図8(B)は、タップ数が4の移動平均回路における移動平均処理を説明するための説明図である。図8(B)には、横軸を時間とし、縦軸を入力信号の信号値として、移動平均回路に入力される信号値の時間変化を実線グラフで図示してある。また、図8(B)では、移動平均回路においてサンプリングされるデータを白丸のプロットで図示し、サンプリングデータに基づく移動平均処理の処理結果を黒丸のプロットで図示してある。移動平均処理では、過去に採取されたデータの履歴が反映された信号値が離散的に出力されるため、入力信号の変化の傾向を高い精度で検出することができる。 FIG. 8B is an explanatory diagram for explaining the moving average process in the moving average circuit having four taps. In FIG. 8B, the horizontal axis represents time, the vertical axis represents the signal value of the input signal, and the time change of the signal value input to the moving average circuit is illustrated by a solid line graph. Further, in FIG. 8B, data sampled in the moving average circuit is shown by a white circle plot, and the processing result of the moving average processing based on the sampling data is shown by a black circle plot. In the moving average process, since signal values reflecting the history of data collected in the past are output discretely, the tendency of changes in input signals can be detected with high accuracy.
本実施形態の移動平均部40(図2)は、タップ数が2の移動平均回路として構成されている。移動平均部40は、第1と第2のサンプルアンドホールド回路41a,41bと、加算回路42と、を備える。各サンプルアンドホールド回路41a,41bは、ループフィルタ部32に対して並列に接続されており、それぞれがループフィルタ部32からの出力信号の入力を受け付ける。また、各サンプルアンドホールド回路41a,41bは、加算回路42に対して並列に接続されており、それぞれの出力信号を加算回路42に入力する。
The moving average unit 40 (FIG. 2) of the present embodiment is configured as a moving average circuit having two taps. The moving
各サンプルアンドホールド回路41a,41bは、サンプリングの実行タイミングを制御するための開閉スイッチ411を備えている。各サンプルアンドホールド回路41a,41bの開閉スイッチ411は、クロック信号生成部50からのクロック信号がLowのときに開いた状態(OFF)であり、Highのときに閉じた状態(ON)になる。
Each sample and hold
各サンプルアンドホールド回路41a,41bでは、開閉スイッチ411がONのときに、入力電圧に応じた電荷量がコンデンサに蓄積され(サンプル)、開閉スイッチ411がOFFのときには、その蓄積された電荷量が保持される(ホールド)。加算回路42は、各サンプルアンドホールド回路41a,41bの出力信号を乗算するとともに加算した信号を出力する。なお、加算回路42は、所定の低周波数成分(例えば、10kHz以下の周波数成分)を遮断するローパスフィルタとしても機能する。
In each of the sample-and-
ところで、本実施形態の周波数検出装置20では、クロック信号生成部50の生成したクロック信号に基づいたサンプリング周期によって移動平均部40が移動平均処理を実行する。これによって、位相同期部30から漏れる高周波成分(高周波ノイズ)を、移動平均部40における移動平均処理によって確実に除去することができる。
By the way, in the
図9〜図11は、本実施形態の移動平均部40が有する高周波成分の除去機能を説明するための説明図である。図9は、位相同期部30における入力周波数成分の信号漏れを説明するための説明図である。図9には、位相同期部30における信号特性の例を、横軸を周波数(対数表示)とし、縦軸を利得として図示してある。
9-11 is explanatory drawing for demonstrating the removal function of the high frequency component which the moving
一般に、PLL回路では、入力周波数の整数倍の周波数において高周波成分が漏れてしまうことが知られている。そのため、PLL回路として構成されている本実施形態の位相同期部30の出力信号には、入力周波数Fの整数倍の周波数(F×1,F×2,F×3,F×4,…)において高周波成分がノイズとして含まれてしまう可能性がある。そこで、本実施形態の周波数検出装置20では、位相同期部30の後段側に設けられている移動平均部40において、位相同期部30から漏れてくる高周波成分を適切に除去する。
In general, in a PLL circuit, it is known that a high frequency component leaks at a frequency that is an integral multiple of the input frequency. Therefore, the output signal of the
図10は、移動平均回路における信号のノッチ効果を説明するための説明図である。図10には、タップ数nが2,3,5のそれぞれの移動平均回路についての周波数特性を示すゲイン線図を図示してある。このゲイン線図に示されているとおり、タップ数nの移動平均回路では、通常、1/nの整数倍の周波数においてノッチが発生する。即ち、移動平均回路では、サンプリング周期を、入力周波数の周波数およびタップ数と所定の関係を満たすように適切に設定することによって、信号のノッチ効果によって、ノイズ成分を確実に除去することができる。 FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining a notch effect of a signal in the moving average circuit. FIG. 10 is a gain diagram showing the frequency characteristics of the moving average circuits with tap numbers n of 2, 3, and 5. As shown in the gain diagram, in a moving average circuit with n taps, a notch is usually generated at a frequency that is an integer multiple of 1 / n. That is, in the moving average circuit, the noise component can be reliably removed by the notch effect of the signal by appropriately setting the sampling period so as to satisfy the predetermined relationship with the frequency of the input frequency and the number of taps.
図11は、移動平均回路においてノイズを除去するためのサンプリング周期を説明するための説明図である。図11には、ノイズ信号の一例を示す波形グラフを図示してある。また、図11では、移動平均処理においてサンプリングされるポイントを黒丸のプロットによって示してある。なお、図11には、タップ数が4の移動平均回路の場合の移動平均の時間幅を示す矢印を図示してある。 FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining a sampling period for removing noise in the moving average circuit. FIG. 11 shows a waveform graph showing an example of a noise signal. Further, in FIG. 11, points sampled in the moving average process are indicated by black circle plots. FIG. 11 shows an arrow indicating the time width of the moving average in the case of a moving average circuit having 4 taps.
移動平均処理では、その時間幅(サンプリング周期×タップ数)を、ノイズ信号の周期とサンプリング周期との公倍数とすれば、1回の移動平均処理に用いられるデータの総和が0になる(x1+x2+x3+x4=0)。従って、上記の関係を満たすサンプリング周期で移動平均処理を実行すれば、ノイズ信号をキャンセルすることができる。 In the moving average process, if the time width (sampling period × number of taps) is a common multiple of the period of the noise signal and the sampling period, the sum of data used for one moving average process becomes 0 (x1 + x2 + x3 + x4 = 0). Therefore, the noise signal can be canceled if the moving average process is executed at a sampling period that satisfies the above relationship.
ここで、図9で説明したように、位相同期部30から入力される信号の周期とノイズ信号の周期とは等しい。従って、移動平均部40において、移動平均の時間幅が、入力信号の周期(フィードバック信号の周期)とサンプリング周期の公倍数となるように調整することによって、入力周波数成分をノッチすることができる。
Here, as described with reference to FIG. 9, the period of the signal input from the
即ち、フィードバック信号の周波数がFdであるときに、下記の関係式(b)を満たすサンプリング周波数Fsで移動平均部40に移動平均処理を実行させることによって、位相同期部30から漏れる高周波成分を確実に除去することができる。
(Fd/Fs)×n=N(Nは任意の整数)…(b)
That is, when the frequency of the feedback signal is Fd, the moving
(Fd / Fs) × n = N (N is an arbitrary integer) (b)
上述したとおり、本実施形態の移動平均部40のタップ数は2である。そこで、本実施形態のクロック信号生成部50は、移動平均部において、フィードバック信号の周波数の2倍の周波数でサンプリングが実行されるようにクロック信号を生成する。具体的には、以下の通りである。
As described above, the number of taps of the moving
図12は、クロック信号生成部50が生成するクロック信号を説明するための模式図である。図12の上段には、図7と同じ分周部34の出力信号を図示してあり、下段には、クロック信号生成部50が出力する2つのクロック信号CS1,CS2を、紙面上段の分周部34の出力信号に対応させて図示してある。
FIG. 12 is a schematic diagram for explaining a clock signal generated by the clock
第1のクロック信号CS1は、分周部34の出力信号のうちで、分周比0,1,3の分周信号がHighであり、分周比2の分周信号がLowであるときにHighになるように生成される。第2のクロック信号CS2は、分周部34の出力信号のうちで、分周比0,1の分周信号がHighであり、分周比2,3の分周信号がLowであるときにHighになるように生成される。
The first clock signal CS1 is output when the divided signals with the
ところで、本実施形態の周波数検出装置20では、上記のように第1と第2のクロック信号CS1,CS2を生成することによって、各クロック信号CS1,CS2の立ち上がりのタイミングを、フィードバック信号(分周比3の分周信号)の立ち上がりのタイミングと一致しないようにしている。これは、位相比較部31に電流が入力されるタイミングでは、グランド(GND)が揺れて回路全体が不安定になりやすいため、そのタイミングでのサンプリングを回避するためである。
By the way, in the
図13は、第1と第2のクロック信号CS1,CS2に基づいて生成される移動平均部40の出力信号を説明するための説明図である。図13の上段には、図12の下段と同じ第1と第2のクロック信号CS1,CS2を図示してある。
FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining an output signal of the moving
図13の中段には、移動平均部40の出力信号の時間変化の一例を示すグラフを、上段の第1と第2のクロック信号CS1,CS2に対応させて図示してある。なお、図13の中段には、移動平均部40の入力信号の時間変化の一例を示すグラフを破線で図示してある。また、図13の中段には、第1と第2のサンプルアンドホールド回路41a,41bの出力信号の時間変化を示すグラフをそれぞれ一点鎖線と二点鎖線とで図示してある。
In the middle part of FIG. 13, a graph showing an example of the time change of the output signal of the moving
図13の下段には、ノイズ成分に着目したときの移動平均部40の出力信号の時間変化の一例を示すグラフを図示してある。なお、図13の下段のグラフには、移動平均部40の入力信号に含まれるノイズ成分の時間変化を示す波形グラフを破線で図示してある。また、図13の下段のグラフには、当該ノイズ成分に対する第1と第2のサンプルアンドホールド回路41a,41bの出力の時間変化を示すグラフをそれぞれ一点鎖線と二点鎖線とで示してある。
In the lower part of FIG. 13, a graph showing an example of the time change of the output signal of the moving
上述したとおり、移動平均部40では、第1のクロック信号CS1がHighのときに第1のサンプルアンドホールド回路41aにおいてデータが採取される。また、第2のクロック信号CS2がHighのときに第2のサンプルアンドホールド回路41bにおいてデータが採取される。移動平均部40は、図13の中段に示すように、第1と第2のサンプルアンドホールド回路41a,41bの出力の平均の信号値を出力し、入力信号の時間変化に追従して階段状に変化する出力信号を出力する。
As described above, in the moving
また、第1と第2のクロック信号CS1,CS2によって、移動平均部40のサンプリング周波数は、フィードバック信号、即ち、ノイズ信号の2倍の周波数になる。従って、図13の下段に示すように、第1と第2のサンプルアンドホールド回路41a,41bはそれぞれに正負が逆のノイズ成分を採取することになり、移動平均部40において、入力信号のノイズ成分がキャンセルされる。
In addition, the sampling frequency of the moving
以上のように、本実施形態の荷重検出センサ100では、周波数検出装置20において、PLL回路として構成されている位相同期部30の後段側に移動平均部40が設けられている。移動平均部40による出力結果には信号変化の傾向が適切に反映されるため、センサ部10が出力する共振周波数の変化量を適切に検出することができ、荷重検出センサ100の検出精度が向上する。なお、本実施形態の周波数検出装置20では、帰還ループ内に移動平均回路が設けられていないため、移動平均処理による遅延の発生が抑制されており、荷重検出センサ100の応答性が向上している。また、本実施形態の周波数検出装置20では、移動平均部40のサンプリング周期が位相同期部30におけるフィードバック信号の周期に応じて制御されている。従って、位相同期部30から漏れる高周波成分が移動平均部40において確実に除去される。
As described above, in the
B.第2実施形態:
図14は、第2実施形態としての荷重検出センサが備える周波数検出装置の移動平均部40Aの構成を示す概略図である。なお、第2実施形態の荷重検出センサの構成は、周波数検出装置の移動平均部40Aの構成が異なる点以外は、上記第1実施形態とほぼ同じである。そのため、以下の説明では、移動平均部40A以外の他の構成部についての図示および説明は省略する。
B. Second embodiment:
FIG. 14 is a schematic diagram illustrating a configuration of the moving
上記第1実施形態の周波数検出装置20では、移動平均部40はタップ数が2の移動平均回路として構成されていた。これに対して、第2実施形態の周波数検出装置20では、移動平均部40Aは、n(nは3以上の自然数)個のサンプルアンドホールド回路411〜41nを有する、タップ数がnの移動平均回路として構成されている。
In the
図15は、移動平均部40Aを駆動するためのクロック信号の例を示す概略図である。第2実施形態におけるクロック信号生成部50は、移動平均部40Aのサンプリング周波数を制御するためのクロック信号として、各サンプルアンドホールド回路411〜41nに対応するn個のクロック信号CS1〜CSnを生成する。なお、各クロック信号CS1〜CSnは、位相比較部31におけるフィードバック信号と同周波数を有するとともに、互いに位相が異なるように生成されている。
FIG. 15 is a schematic diagram illustrating an example of a clock signal for driving the moving
このように、第2実施形態の移動平均部40Aのタップ数は、第1実施形態の移動平均部40のタップ数よりも多い。従って、第2実施形態の荷重検出センサであれば、第1実施形態の荷重検出センサ100よりも検出精度が向上される。ただし、第1実施形態の荷重検出センサ100のように、移動平均部100のタップ数が2であれば、移動平均部40の構成を最小限にすることができるため装置構成の小型化が可能である。
As described above, the number of taps of the moving
C.変形例:
C1.変形例1:
上記各実施形態の周波数検出装置20では、クロック信号生成部50によって、位相同期部30におけるフィードバック信号の周波数に応じて、移動平均部40のサンプリング周波数を制御していた。しかし、周波数検出装置20では、クロック信号生成部50は省略されても良いし、位相同期部30におけるフィードバック信号の周波数に応じて、移動平均部40のサンプリング周波数が制御されていなくても良い。ただし、上記実施形態において説明したように、フィードバック信号の周波数に応じて移動平均部40のサンプリング周波数を制御することによって、位相同期部30から漏れる高周波成分を、移動平均部40において、より確実に除去することができる。
C. Variations:
C1. Modification 1:
In the
C2.変形例2:
上記実施形態では、荷重検出センサ100は、センサ部10の出力周波数βと、周波数検出装置20の出力周波数αとが、β/α<100の関係を満たすように、センサ部10の出力特性が設定されていた。しかし、センサ部10の出力周波数βと、周波数検出装置20の出力周波数αとが、β/α<100の関係を満たしていなくても良い。
C2. Modification 2:
In the above-described embodiment, the
C3.変形例3:
上記実施形態では、クロック信号生成部50は、移動平均部40のサンプリングのタイミングが、位相比較部31に電流が流れるタイミングと一致しないように、クロック信号CS1,CS2の立ち上がりのタイミングと、フィードバック信号の立ち上がりのタイミングとが異なるように、クロック信号CS1,CS2を生成していた。しかし、クロック信号生成部50は、クロック信号CS1,CS2の立ち上がり、または、立ち下がりのタイミングを、フィードバック信号の立ち上がり、または、立ち下がりのタイミングと異ならせなくても良い。ただし、クロック信号CS1,CS2の立ち上がり、または、立ち下がりのタイミングを、フィードバック信号の立ち上がり、または、立ち下がりのタイミングと異ならせておくことによって、回路が不安定な状態の時に、移動平均部40がサンプリングしてしまうことを抑制できるため、周波数検出装置20の検出精度を確保することができる。
C3. Modification 3:
In the above-described embodiment, the clock
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、荷重以外のパラメータを検出する共振型の検出センサに、本願発明を適用することも可能である。また、上記実施形態や実施例、変形例においてアナログ回路で構成されていた各構成部をデジタル回路に置換して構成しても良い。さらに、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。さらに、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the present invention can be applied to a resonance type detection sensor that detects parameters other than the load. In addition, each component configured with an analog circuit in the above-described embodiments, examples, and modifications may be replaced with a digital circuit. Further, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Furthermore, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
10…センサ部
11…振動子
12…増幅器
20…周波数検出装置
30…位相同期部
31…位相比較部
32…ループフィルタ部
33…電圧制御発振部
34…分周部
40,40A…移動平均部
41a…第1のサンプルアンドホールド回路
41b…第2のサンプルアンドホールド回路
411〜41n…n個のサンプルアンドホールド回路
42…加算回路
50…クロック信号生成部
100…荷重検出センサ
311…主回路部
3111…ロジック部
312…チャージポンプ回路部
3121…プラス側スイッチ
3122…マイナス側スイッチ
3123,3124…定電流源
411…開閉スイッチ
CS1…第1のクロック信号
CS2…第2のクロック信号
CS1〜CSn…n個のクロック信号
DESCRIPTION OF
Claims (9)
位相同期部であって、
入力信号とフィードバック信号との位相差を表す位相差信号に基づいて、前記入力信号と同期するフィードバック信号を生成するフィードバック制御部と、
前記入力信号と前記フィードバック信号とを用いて前記位相差信号を生成する位相比較部と、
を有し、前記位相差信号に基づく出力信号を出力する位相同期部と、
前記位相同期部の前記出力信号を移動平均処理して前記検出信号として出力する移動平均部と、
を備えることを特徴とする、周波数検出装置。 In a frequency detection device that outputs a detection signal for detecting a change in frequency of an input signal,
A phase synchronization unit,
A feedback control unit that generates a feedback signal synchronized with the input signal based on a phase difference signal that represents a phase difference between the input signal and the feedback signal;
A phase comparison unit that generates the phase difference signal using the input signal and the feedback signal;
And a phase synchronization unit that outputs an output signal based on the phase difference signal,
A moving average unit that performs a moving average process on the output signal of the phase synchronization unit and outputs it as the detection signal; and
A frequency detection apparatus comprising:
前記位相同期部における前記フィードバック信号の周波数に応じたクロック信号を生成するクロック信号生成部を備え、
前記移動平均部は、前記クロック信号生成部が出力するクロック信号の周波数に基づくサンプリング周波数によって前記移動平均処理を実行する、周波数検出装置。 The frequency detection device according to claim 1, further comprising:
A clock signal generation unit that generates a clock signal according to the frequency of the feedback signal in the phase synchronization unit;
The frequency detecting device, wherein the moving average unit performs the moving average process at a sampling frequency based on a frequency of a clock signal output from the clock signal generation unit.
前記移動平均部の移動平均タップ数はn(nは2以上の自然数)であり、
前記移動平均部は、前記フィードバック信号の周波数がFdであるときに、
(Fd/Fs)×n=N(Nは任意の整数)
の関係式を満たすサンプリング周波数Fsによって移動平均を実行する、周波数検出装置。 The frequency detection device according to claim 2,
The moving average tap number of the moving average part is n (n is a natural number of 2 or more),
The moving average unit, when the frequency of the feedback signal is Fd,
(Fd / Fs) × n = N (N is an arbitrary integer)
A frequency detection apparatus that performs a moving average with a sampling frequency Fs that satisfies the relational expression:
前記移動平均部は、前記クロック信号の立ち上がり、または、立ち下がりのタイミングに基づいてサンプリングを実行し、
前記クロック信号は、前記フィードバック信号の周期に応じた周期を有しつつ、前記フィードバック信号とは信号の立ち上がり、または、立ち下がりのタイミングが異なる、周波数検出装置。 The frequency detection device according to claim 2 or 3,
The moving average unit performs sampling based on the rise or fall timing of the clock signal,
The frequency detection device, wherein the clock signal has a period corresponding to the period of the feedback signal, and the timing of rising or falling of the signal is different from that of the feedback signal.
前記移動平均部は、
並列に接続され、サンプリング信号に応じて順番に駆動し、それぞれのタイミングで前記出力信号をサンプリングする複数のサンプルアンドホールド部と、
前記複数のサンプルアンドホールド部のそれぞれの出力を加算する加算部と、
を備える、周波数検出装置。 The frequency detection device according to any one of claims 1 to 4,
The moving average part is:
A plurality of sample-and-hold units connected in parallel and sequentially driven according to the sampling signal, and sampling the output signal at each timing;
An adder for adding the outputs of the plurality of sample and hold units;
A frequency detection device comprising:
前記移動平均部の移動平均タップ数が2である、周波数検出装置。 The frequency detection device according to any one of claims 1 to 5,
The frequency detection device, wherein the moving average tap number of the moving average unit is two.
検出量に応じて共振周波数が変化する発振素子を備え、前記発振素子の共振周波数を示すセンサ信号を出力するセンサ素子と、
前記センサ信号を前記入力信号として受信する、請求項1から6のいずれか一項に記載の周波数検出装置と、
を備える、周波数検知型センサ。 A frequency sensing sensor,
A sensor element including an oscillation element whose resonance frequency changes according to a detection amount, and outputting a sensor signal indicating the resonance frequency of the oscillation element;
The frequency detection device according to any one of claims 1 to 6, wherein the sensor signal is received as the input signal;
A frequency detection type sensor comprising:
前記検出信号が示す周波数αと前記センサ信号が示す周波数βとが、
β/α<100
の関係式を満たす、周波数検知型センサ。 The frequency detection type sensor according to claim 7,
The frequency α indicated by the detection signal and the frequency β indicated by the sensor signal are:
β / α <100
A frequency detection sensor that satisfies
前記センサ素子は、前記センサ素子に付与される荷重に応じた前記センサ信号を出力する荷重センサ素子を含む、周波数検知型センサ。 The frequency detection type sensor according to claim 7 or 8,
The sensor element includes a load sensor element that outputs the sensor signal corresponding to a load applied to the sensor element.
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