線型ディジタル出力機能を有するセンサインターフ ェイスに関する研究
著者 山田 光宏
雑誌名 静岡大学大学院電子科学研究科研究報告
巻 17
ページ 199‑201
発行年 1996‑03‑29
出版者 静岡大学大学院電子科学研究科
URL http://hdl.handle.net/10297/1220
氏名。
(本籍
)山
田
光
宏
(静岡県
)学 位 の 種 類
博
士 (工 学
)学 位 記 番 号
工博 甲第
116号 学位授与の日付
平 成 7年 3月 24日 学位授与の要件
学位規則第 4条 第 1項 該当
研究科導攻の名称
電子科学研究科
電子応用工学専攻
学位論文題目
線型デ ィジタル出力機能 を有するセンサインターフェイス に関する研究
論 文 審 査 委 員
(委
員長)教 授 篠 原 茂 信
教 授 市 川
朗
教 授 岡 村 静 致 教 授 渡 邊 健 蔵
論 文 内 の 要 旨
人間の感覚器官 を代替 し、その機能の拡張発展 を意図 して作 られたものがセンサであ り、計測や 自 動制御 システムにおいて、重要な役割 を果た している。近年、そのセンサ出力の情報処理 として、数 多 くの感覚情報 を用いて環境 を認識するという人間の認知機構 に学び、単一のセ ンサ出力だけではな く、多様かつ多数のセンサ情報 を統合するセンサ フュージョンが注 目されている。セ ンサ と、情報処 理装置であるコンピュータの間にはインターフェイスが必要 となるが、セ ンサ フュージョンに用いる 様 々なセンサに対 して、個別にインターフェイスを開発するのは効率が悪 く、汎用のインターフェイ スが望 まれている。 また、センサ出力が微弱であることを考慮すると、セ ンサ とインターフェイスの 集積化が望 ましい。従来開発 された汎用 インターフェイスは、基本的には、センサ出力を
AD変
換する 機能 しか有 していない。本論文では、アナログ回路部分がセンサ とオンチ ップで集積化可能であ り、線型化、オフセ ツ ト及びスパ ン調整等の諸機能 を有する汎用 インターフェイスについて、その構成及 び実際のセンサヘの適用について述べている。
第1章は序論で、本研究の背景 と目的を述べている。
第2章 では、スイッチ ドキャパシタ電荷平衡型
AD変
換器 を応用 したインターフェイス、及びそれに適 した2つの線型化手法を提案 している。電荷平衡型AD変
換器は、少ない素子数で構成 され、寄生容量、演算増幅器のオフセ ッ ト電圧及び有限開放利得に不感 な構成であるため、高精度である。線型化方式 の1つは、
ROMに
センサの特性関数を格納 してお き、AD変
換出力をROMの
ア ドレス入力 とし、ROMに
‑199‑
格納 されている線型化出力を読み出すテーブル参照方式である。他は、
AD変
換 に用いる基準電荷 を一 定値ではな く、センサ出力電圧に応 じて変化 させる非線型量子化方式である。本インターフェイスを 容量型圧カセ ンサに適用するため、容量 を電圧に変換するサ ンプルホール ド回路 を考案 し、AD変
換器 の前段 に用いた。 また、線型化機能のために、圧カセ ンサの特性関数を理論的に求め、これが測定値 と良 く一致することを確認 した。2つの線型化方式 によるインターフェイスを試作 した。測定結果は、測定範囲の上限を除 き、市販マノメータによる測定値 と極めて良 く一致 し、相対誤差は
1%FS以
内で あつた。本 インターフェイスは、cMosプ
ロセスでセ ンサ と集積化可能である。電荷平衡型
AD変
換器は、nビ ットの変換 に2nクロックサイクルを要するので、低速である。より高速 で線型化機能 を有する方式 として、第3章では、パルス幅変調(PWM)方
式 インターフェイスを提案 し た。本インターフェイスは、センサ出力を電圧に変換する回路、比較器、DA変
換器 より成ってお り、AD変
換 を行 うために最小限必要の部品 しか用いてお らず、簡単な回路構成でインターフェイスに必要 な諸機能を実現す ることを特徴 としている。本方式では、セ ンサ特性関数 を量子化 してROMに
格納し、データを順次読みだ して
DA変
換することによってPWMの
搬送波を発生 させる。搬送波をセンサ出 力信号 と比較 しパルス幅変調 を行い、パルス幅を計測することにより検出対象の線型化出力が得 られ る。また、干渉要因の除去、オフセット及びスパ ン調整 も、搬送波の発生に用いるDA変
換器の基準電 圧 を変化 させ ることにより可能である。本PWM方
式のインターフェイスを容量型圧カセンサお よび風 速ャンサに応用 し、市販マノメータとの相対誤差が1%FS以
内である測定結果が得 られた。PWMの
搬送波の発生には高分解能のDA変
換器が必要であるが、インターフェイスのアナログ回路部 分 をセンサ と同一チ ップ上に集積化する際には高精度な素子 を用いることがで きず、問題 を生 じる。第4章では、
DA変
換器 として、高精度な素子 を必要 とせずに高分解能のDA変
換が可能なMASH(Multi―stage noise shaping)方 式2次 △―Σ復調器 を用いた汎用インターフェイスを提案 している。インターフェ
イスのアナログ回路は単純化 し、また、ディジタル回路 との接続 も3線のみで行えることを示 した。こ の汎用 インターフェイスによれば、様々なセンサ とのオンチ ップでのアナログ回路の集積化が容易に なる。 △̲Σ復調器 を用いるためには、搬送波は、高い周波数成分のない周期波形でなければならな い。本論文では、線型計画法を用いることにより、センサ特性関数からそのような搬送波が得 られる ことを示 した。本汎用 インターフェイスの妥当性 を確認するため、容量型圧カセンサに適用 し、市販 マノメータとの相対誤差が1%FS以内の測定結果 を得た。 この誤差は、第3章で述べたマルチ ビッ トの
DA変
換器 を用いたインターフェイスによる測定結果 と同等であ り、マルチビットのDA変
換器の代わ り に△―Σ復調器 を用いることの妥当性 を示 している。本汎用 インターフェイスは、アロナグ回路のセン サ とオンチ ップでの集積化に適 してお り、広 く実用に供 されるであろう。‑200‑
論 文 審 査 結 果 の 要 旨
シリコンのマイクロマシーニング技術の発達に伴い、センサ と同一チ ップ上に集積可能なインター フェイスが広 く要望 されている。 このオンチ ップインターフェイスには、高感度、デ イジタルコー ド 化、線型化等の機能が要求 されている。本論文はこれら諸機能 を有するインターフェイスに関する研 究成果 をまとめたものであ り、全5章 で構成 されている。
第1章は序論で、研究の背景を述べ、 目的を明 らかにしている。デイジタルコー ド化 にはアナログ・
デ ィジタル(AD)変換器が必要である。集積セ ンサ と同―プロセスで
AD変
換器 を構築で きる技術 にス イッチ ドキャパシタ(SC)技術がある。 このSC技術 を用いたインターフェイスを第2章 で述べている。AD変
換 には電荷平衡方式 を、線型化にはテーブル参照 と非線型量子化の2方式を提案 している。本方式 を容量型圧カセンサに適用 し、いずれの線型化方式で も誤差が1%FS(Full Scde)以 内の線型デイジタル 出力が得 られることを明 らかにしている。第3章 では、デイジタルコー ド化のためにパルス幅変調
(PWM)方
式AD変
換 を用いるインターフェイ スを述べている。PWMの
搬送波は、センサの特性関数 をROMに
テーブルとして格納 し、そのデータを ディジタル・アナログ(DA)変換することによって発生 してお り、これによってデ イジタルコー ド化 と 同時に線型化 も行っている。又、本方式は、特性関数 をプログラムすることによって殆 ど全てのセン サに適用で きる、DA変
換器の基準電圧 を変えることによってオフセ ット及びスパ ン調整ができる等、汎用 インターフェイスに要求 される全ての機能 を有 している。 このインターフェイスを容量型圧カセ ンサ と定温風速センサに適用 し、その有用性 を確認 している。
上詢
M方
式では搬送波の発生に高い分解能を有するDA変
換器が必要であ り、これが高い歩留 りで 集積化する上での障害 となる。この問題 を解消 した汎用インターフェイスを第4章 で述べている。ここ では、ROMに
格納 されたセンサの特性関数をオーバーサ ンプリング△̲Σ復調器 と1ビツ トDA変
調器で アナログ信号に変換することによってPWMの
搬送波 を発生 している。この復調技術が高分解能のDA変
換器のそれ と等価であるためには、搬送波に含 まれる最高周波数力浪
OMの
読み出 しロック周波数 より も充分低い必要がある。与 えられた特性関数か らこの条件 を満たす搬送波 を生成するために線型計画 法 を用い、r「1解析によつて本手法の有効性 を立証 している。本インターフェイスを容量型圧カセンサ に適用 し、高分解能のDA変
換器 を用いた場合 と同等の性能が得 られることを明 らかにしている。第5章 は結論で、以上の研究成果 をまとめると共 に、今後の展望 にふれている。以上述べたように、本研究成果は集積センサのインターフェイスを構築する上で極めて有用であ り、
博士(工学)の学位 を授与するにふ さわ しい内容であると認める。
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