JP3876483B2 - 圧力センサ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力センサ回路からのアナログ量の検出信号をA/D変換回路によりデジタルデータに変換した後に信号処理することによって圧力を検出するようにした圧力センサ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、例えば半導体圧力センサ装置においては、半導体圧力センサより成る圧力センサ回路から出力された検出信号(電圧信号)をA/D変換回路によってデジタルデータに変換し、この変換後のデータをマイクロコンピュータにより演算処理することによって、圧力センサ回路による検出圧力に応じた検出値を得る構成が一般的になっている。
【0003】
このようなデータ処理を行う場合には、圧力センサ回路の温度に応じたレベルの温度信号(電圧信号)を発生する温度検出回路を設け、マイクロコンピュータによる圧力検出値の演算処理時においては、上記温度信号をA/D変換回路によりデジタルデータに変換し、この変換データに基づいて上記圧力検出値を温度補正する構成としている。また、回路素子の温度特性のばらつきなどに起因した圧力検出精度の低下を防止するために、圧力センサ回路に作用する圧力及び温度と無関係に一定の電圧レベルとなる基準信号を発生する基準電圧発生回路を設け、マイクロコンピュータによる圧力検出値の演算処理時には、上記基準信号をA/D変換回路により変換したデジタルデータに基づいた補正演算処理を行う構成とすることも行われている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
近年では、半導体圧力装置を、所謂マイコンガスメータなどを利用した家庭用保安システムや携帯用機器に使用するニーズが増えてきており、この場合には電源として電池を利用することになる。このような電池駆動を行う場合、電力消費量を小さくして電池の消耗を抑制するためには、前記検出信号、温度信号及び基準信号のデジタル変換データを利用した演算処理の速度を高めることによって、応答時間(圧力検出値を出力するまでの時間)を短縮することが望ましいものである。
【0005】
ところが、従来では、上記のような演算所要時間の短縮については深く考慮しておらず、これに起因した電池消耗については看過しているのが実情であった。尚、演算所要時間の短縮のためには、マイクロコンピュータのクロック周波数を高めることが考えられるが、これではコスト高になるという新たな問題点が出てくる。
【0006】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧力検出値の高精度化を実現できると共に、その圧力検出値の演算に必要な時間をハードウエア構成の変更に起因したコストの上昇を伴うことなく短縮できるようになる圧力センサ装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1記載の手段を採用することができる。この手段によれば、アナログマルチプレクサは、基準電圧発生回路からの基準信号及び検出回路からの温度信号を通過させた後に、圧力センサ回路からの検出信号を通過させるようになる。このようにアナログマルチプレクサを通過した各信号は、A/D変換回路によりデジタルデータに変換される。
【0008】
信号処理手段は、上記のようにA/D変換回路により変換されたデジタルデータに基づいた演算処理を行うことにより前記検出信号に応じた圧力検出値を算出するものである。具体的には、圧力センサ回路に対する印加圧力をP、検出信号、温度信号及び基準信号をA/D変換回路により変換した各デジタルデータをそれぞれ圧力情報D、温度情報T及び基準情報A、また、圧力センサ回路の感度の温度係数をc、圧力センサ回路の室温感度をd、圧力検出値のオフセットの温度係数をe、圧力検出値の室温オフセット値をf、温度検出値の温度係数をa、温度検出値の室温オフセット値をbとした場合に、
の演算処理を実行して印加圧力P、つまり圧力検出値を算出する。
【0009】
このような演算処理によれば、検出信号に応じた圧力情報Dが、温度信号に応じた温度情報T及び基準信号に応じた基準情報Aにより補正されることになり、結果的に圧力検出値の高精度化を実現できるようになる。
【0010】
この場合、信号処理手段は、上記のような印加圧力Pの算出時において、まず、検出信号に先立ってアナログマルチプレクサを通過する基準信号及び温度信号に対応したデジタルデータ(基準情報A及び温度情報T)に基づく演算処理、つまり、{(T/A−b)×(−e/a)−f}の演算、並びに{(T/A−b)×c/a+d}の演算をそれぞれ行うことができる。そして、この後に、上記演算処理結果並びに前記検出信号に対応したデジタルデータ(圧力情報D)に基づく演算処理、つまり、
の演算を行うことにより、前記印加圧力Pを算出することになる。
【0011】
ここで、上記▲1▼式に基づいて印加圧力Pの演算処理を行う際には、圧力情報Dを使用した演算(D/Aの演算、その演算結果の加算、並びに最後に行う割算)以外の演算、つまり演算回数が多くてその処理時間が比較的長くならざるを得ない演算処理であるところの、{(T/A−b)×(−e/a)−f}の演算と、{(T/A−b)×c/a+d}の演算については、先行して実行可能であることが分かる。
【0012】
一方、A/D変換回路は、その変換データを出力するまでに一定のサンプリング時間が必要になるという性質があるため、圧力情報Dのサンプリング時間中において、これより先にデジタルデータに変換されている基準情報A及び温度情報Tに基づく上記のような演算処理を先行して行うことが可能である。この場合、前記信号処理手段は、前記A/D変換回路により前記検出信号がデジタルデータに変換されるサンプリング時間中(つまり、圧力情報Dのサンプリング時間中)に、温度情報Tに基づく演算処理を行う構成となっており、このような順序で演算処理を行った場合には、圧力検出値の演算に要する時間を短縮できるようになる。しかも、上記のように圧力検出値の演算所要時間の短縮を実現するために、演算プログラムを動かすためのクロック周波数を高めるなどのハードウエア構成の変更を伴うことがないから、コストの上昇を未然に防止できるようになる。
【0013】
請求項2記載の手段によれば、アナログマルチプレクサは、前記基準信号、温度信号及び検出信号をこの順に通過させるようになり、このようにアナログマルチプレクサを通過した各信号は、A/D変換回路によりデジタルデータに変換される。信号処理手段は、このようにA/D変換回路により変換されたデジタルデータに基づいて前記▲1▼式の演算を行うことにより圧力検出値を算出する。
【0014】
この場合、デジタルデータの割算は加算器を利用して行うことが一般的となっており、T/Aの演算並びにD/Aの演算、つまり基準情報Aを除数とした割算を加算器を利用して行う際には、当該基準情報Aの補数を演算する必要がある。しかるに、信号処理手段には、まず基準情報Aが与えられるから、その基準情報Aの補数の演算を最初に行うことができる。この後に上記演算処理結果並びに温度信号に対応した温度情報Tに基づく演算処理、その演算処理結果並びに検出信号に対応した圧力情報Dに基づく演算処理を順次行うことができるものであり、これにより、圧力検出値の演算に要する時間をさらに短縮できるようになる。
【0015】
請求項3記載の手段によれば、圧力センサ回路からの検出信号、温度検出回路からの温度信号、基準電圧発生回路からの基準信号を、A/D変換回路内のリングゲート遅延回路に電源電圧として与えると、当該A/D変換回路は、このように電源電圧が与えられた各状態でリングゲート遅延回路にパルス信号が入力されたときのパルス信号周回数に基づいて上記検出信号、温度信号及び基準信号をデジタルデータに変換するようになる。
このようなリングゲート遅延回路を利用したA/D変換回路にあっては、変換速度の大幅な向上を実現できるという利点があるため、圧力検出値の算出のために必要な時間の大幅な短縮を実現できるようになる。
【0016】
請求項4記載の手段によれば、前記信号処理手段は、前記A/D変換回路により前記検出信号がデジタルデータに変換されるサンプリング時間中(つまり、圧力情報Dのサンプリング時間中)に、前記基準情報Aに基づく演算処理を行う構成となっている。この場合、前にも述べたように、A/D変換回路は、その変換データを出力するまでに一定のサンプリング時間が必要になるという性質があるため、圧力情報Dのサンプリング時間中において、これより先にデジタルデータに変換されている基準情報Aに基づく上記のような演算処理を先行して行うことが可能である。従って、このような順序で演算処理を行った場合には、圧力検出値の演算に要する時間を短縮できるようになる。しかも、上記のように圧力検出値の演算所要時間の短縮を実現するために、演算プログラムを動かすためのクロック周波数を高めるなどのハードウエア構成の変更を伴うことがないから、コストの上昇を未然に防止できるようになる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説明する。
全体の電気的構成を示す図1において、本実施例による半導体圧力センサ装置は、圧力検出用のセンサ部1と、このセンサ部1からの出力を処理するための信号処理部2とを備えた構成となっており、これらセンサ部1及び信号処理部2は、異なる半導体チップ上に分離した状態で形成されている。
【0018】
センサ部1は、ピエゾ抵抗係数が大きな半導体チップ(例えばシリコン単結晶基板)を利用して形成されたもので、圧力検出用ブリッジ回路3(本発明でいう圧力センサ回路に相当)と、この圧力検出用ブリッジ回路3の温度を検出するための温度検出用ブリッジ回路4(本発明でいう温度検出回路に相当)とにより構成されている。
【0019】
これらのうち、圧力検出用ブリッジ回路3は、半導体チップに設けたダイヤフラム上に拡散抵抗により形成した抵抗素子Rd1、Rd2、Rd3、Rd4を図示のようにフルブリッジ接続して成るもので、印加圧力の増大に応じて各抵抗素子Rd1、Rd2、Rd3、Rd4の抵抗値が図1に矢印で示す態様(上向きの矢印は抵抗値が増加することを示し、下向きの矢印は抵抗値が減少することを示す)で変化する構成となっている。また、圧力検出用ブリッジ回路3の入力端子P1及びP2間には、定電圧電源端子+Vccから一定電圧が印加されるようになっている。
【0020】
従って、圧力検出用ブリッジ回路3の一方の出力端子Q1(抵抗素子Rd1及びRd2の共通接続点)の電位は印加圧力の増大に応じて上昇し、また、他方の出力端子Q2(抵抗素子Rd3及びRd4の共通接続点)の電位は印加圧力の増大に応じて低下するものであり、出力端子Q1及びQ2間からは、印加圧力に応じた電圧レベルの検出信号Sdが出力されることになる。尚、上記検出信号Sdは、圧力検出用ブリッジ回路3の温度にも依存して変動するものであり、斯様な温度ドリフト除去用のデータを得るために前記温度検出用ブリッジ回路4が設けられている。
【0021】
この温度検出用ブリッジ回路4は、拡散抵抗(温度係数は1500〜1700ppm/℃程度)により形成された感温抵抗素子Rt1、Rt2と、温度係数が零に近い材料である例えばCrSiにより形成された抵抗素子Rc1、Rc2とを図示のようにフルブリッジ接続することにより構成されている。また、温度検出用ブリッジ回路4の入力端子P3及びP4間にも、定電圧電源端子+Vccから一定電圧が印加されるようになっている。
【0022】
従って、温度検出用ブリッジ回路4の一方の出力端子Q3(感温抵抗素子Rt1及び抵抗素子Rc1の共通接続点)の電位は検出温度の上昇に応じて上昇し、また、他方の出力端子Q4(感温抵抗素子Rt2及び抵抗素子Rc2の共通接続点)の電位は検出温度の低下に応じて低下するものであり、出力端子Q3及びQ4間からは、圧力検出用ブリッジ回路3の温度に応じた電圧レベルの温度信号Stが出力されることになる。
【0023】
一方、前記信号処理部2は、半導体チップ上に以下に述べるような各回路要素を形成した構成となっている。
基準電圧発生回路5は、拡散抵抗により形成した抵抗素子Ra1及びRa2を備えたもので、それら抵抗素子Ra1及びRa2の直列回路を定電圧電源端子+Vcc及びグランド端子間に接続した構成となっている。この場合、抵抗素子Ra1及びRa2の温度係数は厳密に一致するものであり、従って、基準電圧発生回路5の出力端子Q5(抵抗素子Ra1及びRa2の共通接続点)からは、前記圧力検出用ブリッジ回路3に作用する圧力(被検出圧力)及び当該ブリッジ回路3の温度と無関係に一定の電圧レベルとなる基準信号Saが出力されることになる。尚、この基準電圧発生回路5は、前記センサ部1側の半導体チップ上に形成することも可能である。
【0024】
アナログマルチプレクサ6は、上記圧力検出用ブリッジ回路3からの検出信号Sd、温度検出用ブリッジ回路4からの温度信号St、基準電圧発生回路5からの基準信号Saを、後述する制御ブロック7から与えられるセレクト信号に基づいて選択出力するためのものである。
【0025】
高入力インピーダンス差動増幅回路8は、オペアンプ8a、8b及び抵抗8c、8d、8eを組み合わせて成る周知構成のもので、前記アナログマルチプレクサ6から出力される信号を増幅してA/D変換回路9に与えるようになっている。尚、差動増幅回路8の電源は、前記定電圧電源端子+Vccから与えられるようになっている。
【0026】
上記A/D変換回路9は、基本的には特開平5−259907号公報に記載されたA/D変換回路と同様構成のものであり、詳細には図示しないが、反転動作時間が電源電圧に応じて変化するNANDゲート10a(本発明でいう反転回路に相当)と、同じく反転動作時間が電源電圧に応じて変化する偶数個のインバータ10b(同じく本発明でいう反転回路に相当)とをリング状に連結して成るリングゲート遅延回路10(以下の説明では、リングゲート遅延回路をRGD(Ring Gate Delay )と略称する)、このRGD10内でのパルス信号の周回数をカウントするための周回数カウンタ11、この周回数カウンタ11の計数値を上位ビットとし、且つRGD10内の各インバータ10bの出力を下位ビットとして格納するためのスタックメモリ12などを含んで構成されている。
【0027】
このような構成のA/D変換回路9による変換原理の大略は以下の通りである。即ち、RGD10内のNANDゲート10aに対し、図2に示すようなパルス信号PAを与えると、NANDゲート10a及び各インバータ10bがその電源電圧に応じた速度で逐次的に反転動作を開始して、そのパルス信号PAの入力期間中は信号周回動作が継続して行われるものであり、斯様なパルス信号周回数を示す二進数のデジタルデータが、スタックメモリ12に対しリアルタイムで与えられることになる。この後、図2に示すように、一定のサンプリング周期Δt(例えば〜100μ秒)を得るためのパルス信号PBの立上がり毎にスタックメモリ12をラッチすれば、そのスタックメモリ12内の各ラッチデータの差に基づいて、インバータ10bに与えられている電源電圧を二進数のデジタルデータに変換した値が得られるようになる。
【0028】
この場合、RGD10内のNANDゲート10a及びインバータ10bには、前記差動増幅回路8から電源電圧が与えられる構成となっている。従って、A/D変換回路9にあっては、差動増幅回路8からの出力信号、つまり、アナログマルチプレクサ6を通じて選択出力される検出信号Sd、温度信号St及び基準信号Saをデジタルデータに変換することになる。
【0029】
尚、以下においては、A/D変換回路9による変換データのうち、検出信号Sdに対応したデジタルデータを圧力情報D、温度信号Stに対応したデジタルデータを温度情報T、基準信号Saに対応したデジタルデータを基準情報Aと呼ぶことにする。
【0030】
ここで、圧力情報Dと圧力検出用ブリッジ回路3に対する印加圧力Pとの間には次式▲2▼のような関係がある。
D={(ct+d)×P+et+f}×β(t) ……▲2▼
但し、t:圧力検出用ブリッジ回路3の温度
c:圧力検出用ブリッジ回路3の感度の温度係数
d:圧力検出用ブリッジ回路3の室温感度
e:圧力検出値のオフセットの温度係数
f:圧力検出値の室温オフセット値
また、β(t)は、差動増幅回路8の温度特性やRGD10の遅延時間の温度特性などに依存した非線形項であり、これが圧力検出値の精度劣化の要因となるものである。
【0031】
上記▲2▼式からPの解を得るためには、tが必要であり、また、非線形の係数であるβ(t)を除去する必要がある。このため、温度検出用ブリッジ回路4を通じて温度情報Tを得ると共に、基準電圧発生回路5を通じて基準情報Aを得るようにしている。
【0032】
この場合、温度情報Tと圧力検出用ブリッジ回路3の温度tとの間には次式▲3▼のような関係が存在するものである。
T=(at+b)×β(t) ……▲3▼
但し、a:温度検出値の温度係数
b:温度検出値の室温オフセット値
【0033】
また、基準情報Aは、圧力検出用ブリッジ回路3に作用する圧力及び温度と無関係に一定の電圧レベルとなる基準信号Saを、差動増幅回路8により増幅し且つA/D変換回路9によりデジタル変換したデータであるから、次式▲4▼が成立することになる。
【0034】
A=β(t) ……▲4▼
【0035】
上記▲3▼、▲4▼の式を用いてPについて解くと、非線形項β(t)が削除された状態の次式▲1▼が得られる。
【0036】
EPROM13には、▲1▼式に基づいた圧力Pの演算に必要な係数a、b、c、d、e、fが補正係数として予め記憶されている。
【0037】
補正演算回路14(本発明でいう信号処理手段に相当)は、上記▲1▼式を利用した圧力Pの演算を、制御ブロック7からの指令を受けて行うものであり、その演算時には、スタックメモリ12から読み出した圧力情報D、温度情報T及び基準情報A、並びにEPROM13から読み出した補正係数(a、b、c、d、e、f)を使用する構成となっている。そして、補正演算回路14による演算結果は、センサ部1による検出圧力を示す圧力データとしてI/Oブロック15から出力される。
【0038】
上記▲1▼式の演算において重要なことは、非線形項β(t)が消去されている点であるが、このような非線形項β(t)の消去は、前記▲2▼〜▲4▼式中の各非線形項β(t)が同じであるという条件が成立して初めて可能になるものである。このような消去条件が成立するためには、圧力情報D、温度情報T及び基準情報Aの動作点を同じ状態にする必要がある。
【0039】
しかしながら、実際の回路構成上においては、圧力情報D、温度情報T及び基準情報Aの発生源である圧力検出用ブリッジ回路3、温度検出用ブリッジ回路4及び基準電圧発生回路5内における抵抗値のばらつきなどに起因したオフセットが避けられないため、それら圧力情報D、温度情報T及び基準情報Aが、要求される設計値と異なってくるという事情がある。このため、上記のような非線形項β(t)の消去条件が成立しなくなる場合があり、このような場合には、▲1▼式の演算で得られる圧力データ中に非線形成分による誤差が残ることになって、圧力検出精度が劣化するという問題点が出てくる。
【0040】
このような問題点を解決するために、本実施例では、信号処理部2内に補正回路16を設ける構成としている。
この補正回路16において、EPROM17、18及び19には、圧力センサ装置の製造工程上における調整段階で以下に述べるような補正用の電圧データが記憶されるようになっている。
【0041】
即ち、EPROM17には、圧力検出用ブリッジ回路3に対して標準的な圧力を加えたときに出力される検出信号Sdを差動増幅回路8により増幅した後の電圧レベルと、予め設定された圧力検出用標準電圧レベルとの差に対応した補正電圧データVdが量子化された状態で記憶されている。また、EPROM18には、温度検出用ブリッジ回路4に対して標準的な温度を加えたときに出力される温度信号Stを差動増幅回路8により増幅した後の電圧レベルと、予め設定された温度検出用標準電圧レベルとの差に対応した補正電圧データVtが量子化された状態で記憶されている。さらに、EPROM19には、基準電圧発生回路から出力される基準信号Saを差動増幅回路8により増幅した後の電圧レベルと、予め設定された標準的な基準電圧レベルとの差に対応した補正電圧データVaが量子化された状態で記憶されている。
【0042】
補正回路16において、セレクタ20は、上記EPROM17、18及び19の記憶データを、制御ブロック7からのセレクト信号に基づいて選択的に出力するために設けられており、また、D/A変換回路21は、このセレクタ20を通じて出力される補正電圧データをアナログ値の電圧信号に変換するために設けられている。そして、D/A変換回路21からの電圧信号は、インピーダンス整合用のバッファ22及び抵抗23を介して前記差動増幅回路8の出力信号に重畳される構成となっている。
【0043】
さて、図3には、制御ブロック7による制御内容が概略的に示されており、以下これについて図2も参照しながら説明する。尚、図2は、アナログマルチプレクサ6からの信号出力タイミング、前記パルス信号PA及びPBの出力タイミング、補正演算回路14での演算タイミング及び演算内容(これは符号(1)〜(10)で表されている)を示すものである。
【0044】
即ち、制御ブロック7は、まず、アナログマルチプレクサ6に対して、基準電圧発生回路5からの基準信号Saを選択するためのセレクト信号を出力すると共に、補正回路16内のセレクタ20に対して、EPROM19に記憶された補正電圧データVaを選択するためのセレクト信号を出力する(ステップS1、S2)。
【0045】
すると、差動増幅回路8から上記基準信号Saを増幅した電圧信号が出力されると共に、D/A変換回路21から上記補正電圧データVaをアナログ変換した電圧信号が出力されて上記差動増幅回路8からの電圧信号に重畳されるようになり、このように補正電圧データVaの成分が重畳された状態の電圧信号が、A/D変換回路9内のRGD10に対しA/D変換対象信号として印加されるようになる。
【0046】
この後、制御ブロック7は、パルス信号PA及びPBの出力制御ルーチンS3を実行する。このルーチンS3では、図2に示す時刻t1〜t2の期間中においてパルス信号PAを出力すると共に、その時刻t1後においてパルス信号PBを図2に示すようなタイミング(具体的には、時刻t1〜t2の期間において4回立ち上がる状態)で出力する。
【0047】
これにより、パルス信号PAの出力期間中において、RGD10内で信号周回動作が継続して行われると共に、パルス信号PBの立上がり毎にスタックメモリ12がラッチされるものであり、そのラッチデータの差(例えば3回目の立ち上がりと4回目の立ち上がりにおける各ラッチデータの差)に基づいて、差動増幅回路8からの電圧信号(基準信号Saを増幅した電圧信号に対し補正電圧データVaの成分が重畳された状態の電圧信号)に応じたデジタルデータが基準情報Aとして得られるようになる。
【0048】
制御ブロック7は、上記出力制御ルーチンS3の実行に応じて基準情報Aを取り込んだ後には、当該基準情報Aの補数を得るための演算(1)を補正演算回路14により実行させる(ルーチンS4)。ここで、前記▲1▼式中の「T/A」の演算、つまり二進数の基準情報Aを除数とした演算を、例えば加算器を用いた割り算により実行する場合にはAについての2の補数を得る必要があるものであり、このために上記演算ルーチンS4においては、Aの各桁の1と0を入れ替えることにより1の補数を得ると共に、この1の補数に1を加えてAについての2の補数を得る演算を行うようにしている。
【0049】
制御ブロック7は、上記演算ルーチンS4の実行後には、アナログマルチプレクサ6に対して、基準電圧発生回路5からの温度信号Stを選択するためのセレクト信号を出力すると共に、補正回路16内のセレクタ20に対して、EPROM18に記憶された補正電圧データVtを選択するためのセレクト信号を出力する(ステップS5、S6)。
【0050】
すると、差動増幅回路8から上記温度信号Stを増幅した電圧信号が出力されると共に、D/A変換回路21から上記補正電圧データVtをアナログ変換した電圧信号が出力されて上記差動増幅回路8からの電圧信号に重畳されるようになり、このように補正電圧データVtの成分が重畳された状態の電圧信号が、A/D変換回路9内のRGD10に対しA/D変換対象信号として印加されるようになる。
【0051】
この後、制御ブロック7は、パルス信号PA及びPBの出力制御ルーチンS7を実行する。このルーチンS7では、図2に示す時刻t3〜t4の期間中においてパルス信号PAを出力すると共に、その時刻t3後においてパルス信号PBを図2に示すようなタイミングで出力する。
【0052】
これにより、パルス信号PAの出力期間中において、RGD10内で信号周回動作が継続して行われると共に、パルス信号PBの立上がり毎にスタックメモリ12がラッチされるものであり、そのラッチデータの差に基づいて、差動増幅回路8からの電圧信号(温度信号Stを増幅した電圧信号に対し補正電圧データVtの成分が重畳された状態の電圧信号)に応じたデジタルデータが温度情報Tとして得られるようになる。
【0053】
制御ブロック7は、上記出力制御ルーチンS7の実行に応じて温度情報Tを取り込んだ後には、前記▲1▼式中の演算項目のうち、圧力情報Dが不必要な下記の演算(2)〜(7)を補正演算回路14に実行させる(ルーチンS8)。尚、この演算時には、上記温度情報Tの他に、前記演算ルーチンS4で演算した基準情報Aの補数並びにEPROM13から読み出した補正係数(a、b、c、d、e、f)が使用される。
【0054】
演算(2)…T/A=δ1
演算(3)…T/A−b=δ1−b=δ2
演算(4)…(T/A−b)×(−e/a)=δ2×(−e/a)=δ3
演算(5)…(T/A−b)×(−e/a)−f=δ3−f=δ4
演算(6)…(T/A−b)×c/a=δ2×c/a=δ5
演算(7)…(T/A−b)×c/a+d=δ5+d=δ6
【0055】
制御ブロック7は、上記演算ルーチンS8の実行後には、アナログマルチプレクサ6に対して、基準電圧発生回路5からの検出信号Sdを選択するためのセレクト信号を出力すると共に、補正回路16内のセレクタ20に対して、EPROM17に記憶された補正電圧データVdを選択するためのセレクト信号を出力する(ステップS9、S10)。
【0056】
すると、差動増幅回路8から上記検出信号Sdを増幅した電圧信号が出力されると共に、D/A変換回路21から上記補正電圧データVdをアナログ変換した電圧信号が出力されて上記差動増幅回路8からの電圧信号に重畳されるようになり、このように補正電圧データVdの成分が重畳された状態の電圧信号が、A/D変換回路9内のRGD10に対しA/D変換対象信号として印加されるようになる。
【0057】
この後、制御ブロック7は、パルス信号PA及びPBの出力制御ルーチンS11を実行する。このルーチンS11では、図2に示す時刻t5〜t6の期間中においてパルス信号PAを出力すると共に、その時刻t5後においてパルス信号PBを図2に示すようなタイミングで出力する。
【0058】
これにより、パルス信号PAの出力期間中において、RGD10内で信号周回動作が継続して行われると共に、パルス信号PBの立上がり毎にスタックメモリ12がラッチされるものであり、そのラッチデータの差に基づいて、差動増幅回路8からの電圧信号(検出信号Sdを増幅した電圧信号に対し補正電圧データVdの成分が重畳された状態の電圧信号)に応じたデジタルデータが圧力情報Dとして得られるようになる。
【0059】
尚、本実施例の場合、上述した出力制御ルーチンS3、S7、S11の実行時において、スタックメモリ12からラッチデータの差に基づいたデジタルデータを3回取り込むことができるから、それらを平均化した値をデジタルデータ(基準情報A、温度情報T及び圧力情報D)として得る構成とすることもできる。
【0060】
制御ブロック7は、上記出力制御ルーチンS11の実行に応じて圧力情報Dを取り込んだ後には、下記の演算(8)〜(10)を補正演算回路14に実行させる(ルーチンS12)。尚、この演算時には、上記圧力情報Dの他に、前記演算ルーチンS4及びS8での演算結果が使用されるものであり、特に、演算(10)は、前記▲1▼式に基づいて印加圧力Pを得るための演算である。
【0061】
【0062】
制御ブロック7は、上記演算ルーチンS12の実行後には、最終的な演算結果(つまり印加圧力Pを示す情報)を、センサ部1による検出圧力を示す圧力データとしてI/Oブロック15から出力するようになる。
【0063】
この後、制御ブロック7は、所定の待機時間が経過するまで待機し(ステップS14)、当該待機時間が経過したときにステップS1へ戻るようになる。従って、一連の圧力検出動作(S1〜S13)は、上記待機時間が経過する毎に周期的に行われることになる。
【0064】
要するに上記した本実施例によれば、補正演算回路14は、印加圧力Pの算出時において、まず、検出信号Sd及び温度信号Stに先立ってアナログマルチプレクサ6を通過する基準信号Saに対応したデジタルデータ(基準情報A)についての補数の演算(1)を行った後に、検出信号Sdに先立ってアナログマルチプレクサ6を通過する温度信号Stに対応したデジタルデータ(温度情報T)に基づく演算(2)〜(7)、つまり、{(T/A−b)×(−e/a)−f}の演算、並びに{(T/A−b)×c/a+d}の演算をそれぞれ行うものである。そして、この後に、上記演算処理結果並びに前記検出信号Sdに対応したデジタルデータ(圧力情報D)に基づく演算(8)〜(10)、つまり、
の演算を行うことにより、前記印加圧力Pを算出するものである。
【0065】
ここで、上記のように印加圧力Pの演算処理を行う際には、圧力情報Dを使用した演算(D/Aの演算、その演算結果の加算、並びに最後に行う割算)以外の演算、つまり演算回数が多くてその処理時間が比較的長くならざるを得ない演算処理である{(T/A−b)×(−e/a)−f}の演算、並びに{(T/A−b)×c/a+d}の演算については、先行して実行可能である。一方、A/D変換回路9は、その変換データを出力するまでにある程度のサンプリング時間(〜100μ秒)が必要になるという性質があるため、圧力情報Dのサンプリング時間中(A/D変換回路9により前記検出信号Sdがデジタルデータに変換されるサンプリング時間中)において、これより先にデジタルデータに変換されている基準情報Aに基づく演算(1)、及び温度情報Tに基づく演算(2)〜(7)をこの順で先行して行った後に、圧力情報Dが必要な演算(7)〜(10)を行うことが可能であり、このような順序で演算処理を行うことにより、印加圧力P(圧力検出値)の演算に要する時間を短縮できるようになる。
【0066】
従って、演算処理時間が長引くことに起因した消費電力の増大を未然に防止できるようになり、特に、電池駆動とする場合には、その電池の消耗を抑制できることになる。また、圧力検出値の演算所要時間の短縮を実現するために、演算プログラムを動かすためのクロック周波数を高めるなどのハードウエア構成の変更を伴うことがないから、コストの上昇も未然に防止できるようになる。
【0067】
しかも、上記のような演算処理によれば、検出信号Sdに応じた圧力情報Dが、温度信号Stに応じた温度情報T及び基準信号Saに応じた基準情報Aにより補正されることになり、結果的に斯様な演算処理により得られる圧力検出値の高精度化を実現できるようになる。
【0068】
本実施例のように、RGD10を利用したA/D変換回路9にあっては、変換速度の大幅な向上(つまりサンプリング時間の大幅な短縮)を実現できるという利点があるため、圧力検出値の算出に必要な時間をさらに短縮できるようになり、この面からも消費電力を抑制できるようになる。
【0069】
尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
差動増幅回路8は必要に応じて設ければ良い。但し、差動増幅回路8を設けない場合には、これに代わるインピーダンス変換回路を設けることが望ましい。A/D変換回路9内のRGD10は、基本的な構成例を示したものであり、これと異なる構成のRGDを設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す全体の電気的構成図
【図2】作用説明用のタイミングチャート
【図3】制御ブロックによる制御内容を示すフローチャート
【符号の説明】
1はセンサ部、2は信号処理部、3は圧力検出用ブリッジ回路(圧力センサ回路)、4は温度検出用ブリッジ回路(温度検出回路)、5は基準電圧発生回路、6はアナログマルチプレクサ、7は制御ブロック、8は差動増幅回路、9はA/D変換回路、10はリングゲート遅延回路、10aはNANDゲート(反転回路)、10bはインバータ(反転回路)、11は周回数カウンタ、12はスタックメモリ、14は補正演算回路(信号処理手段)、16は補正回路、17、18、19はEPROM、20はセレクタ、21はD/A変換回路を示す。
Claims (4)
- 被検出圧力に応じた電圧レベルの検出信号を発生する圧力センサ回路と、
この圧力センサ回路の温度に応じた電圧レベルの温度信号を発生する温度検出回路と、
前記被検出圧力及び圧力センサ回路の温度と無関係に一定の電圧レベルとなる基準信号を発生する基準電圧発生回路と、
前記検出信号、温度信号及び基準信号をデジタルデータに変換するためのA/D変換回路と、
前記検出信号、温度信号及び基準信号を選択的に通過させて前記A/D変換回路に変換対象信号として与えるアナログマルチプレクサと、
前記圧力センサ回路に対する印加圧力をP、前記検出信号、温度信号及び基準信号を前記A/D変換回路により変換した各デジタルデータをそれぞれ圧力情報D、温度情報T及び基準情報A、また、圧力センサ回路の感度の温度係数をc、圧力センサ回路の室温感度をd、圧力検出値のオフセットの温度係数をe、圧力検出値の室温オフセット値をf、温度検出値の温度係数をa、温度検出値の室温オフセット値をbとした場合に、
P={(T/A−b)×(−e/a)+D/A−f}
/{(T/A−b)×c/a+d}
の演算処理を実行して印加圧力Pを算出する信号処理手段とを備え、
前記アナログマルチプレクサは、前記基準信号及び温度信号を前記検出信号に先立って通過させるように構成され、
前記信号処理手段は、前記A/D変換回路により前記検出信号がデジタルデータに変換されるサンプリング時間中に、温度情報Tに基づく演算処理を行うと共に、前記基準信号及び温度信号に対応した基準情報A及び温度情報Tに基づく演算処理を行った後に、その演算処理結果並びに前記検出信号に対応した圧力情報Dに基づく演算処理を行うことによって、印加圧力Pを算出するように構成されていることを特徴とする圧力センサ装置。 - 前記アナログマルチプレクサは、前記基準信号、温度信号及び検出信号をこの順に通過させるように構成され、
前記信号処理手段は、前記基準信号に対応した基準情報Aに基づく演算処理、その演算処理結果並びに前記温度信号に対応した温度情報Tに基づく演算処理、その演算処理結果並びに前記検出信号に対応した圧力情報Dに基づく演算処理を順次行うことによって、印加圧力Pを算出するように構成されていることを特徴とする請求項1記載の圧力センサ装置。 - 前記A/D変換回路は、反転動作時間が電源電圧に応じて変化する複数個の反転回路をリング状に連結して成るリングゲート遅延回路を含んで成り、前記検出信号、温度信号及び基準信号が上記リングゲート遅延回路に電源電圧として与えられた各状態で当該リングゲート遅延回路にパルス信号が入力されたときのパルス信号周回数に基づいて上記検出信号、温度信号及び基準信号をデジタルデータに変換する構成のものであることを特徴とする請求項1または2記載の圧力センサ装置。
- 前記信号処理手段は、前記A/D変換回路により前記温度信号がデジタルデータに変換されるサンプリング時間中に、前記基準情報Aに基づく演算処理を行うことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の圧力センサ装置。
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