JP2011163928A - Hall electromotive force signal detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バイアス電流の方向を切替え可能なホール素子からの出力信号を受けて、磁界中における基準位置からの回転角変位等に応じた値の検出出力を得るホール起電力信号検出装置に関する。 The present invention relates to a Hall electromotive force signal detection apparatus that receives an output signal from a Hall element that can switch the direction of a bias current and obtains a detection output having a value corresponding to a rotational angular displacement from a reference position in a magnetic field.
モータの回転軸やサーボ機構中の回転体の回転角度を測定するための装置として、磁石とホール素子を用いて非接触で回転角度を検出する方式のものがある。これは、回転体の回転変位に同期して変位する磁石が作る磁界によって、ホール素子に生起するホール起電力の変化をΔΣ変調器を用いた量子化処理(AD変換)を適用して検出し、該検出値に基づいて磁石の(従って、当該回転体の)回転角度を求める(例えば、非特許文献1参照)。 As a device for measuring the rotation angle of a rotating shaft of a motor or a rotating body in a servo mechanism, there is a system that detects the rotation angle in a non-contact manner using a magnet and a Hall element. This is because a change in Hall electromotive force generated in the Hall element is detected by applying a quantization process (AD conversion) using a ΔΣ modulator by a magnetic field generated by a magnet that is displaced in synchronization with the rotational displacement of the rotating body. Based on the detected value, the rotation angle of the magnet (and hence the rotating body) is obtained (for example, see Non-Patent Document 1).
上述のようにAD変換にΔΣ変調器を用いるのは、周波数帯域を狭帯域に制限した場合に高いSNRが期待できるからである。
ホール素子に生起するホール起電力を検出する場合、ホール素子ごとに固有のオフセットをキャンセルするために、4つの端子を持つホール素子に対して、ホール素子のバイアスとして交番電流を用いる方法が採られる(例えば、非特許文献2参照)。
As described above, the ΔΣ modulator is used for AD conversion because a high SNR can be expected when the frequency band is limited to a narrow band.
When detecting the Hall electromotive force generated in the Hall element, a method of using an alternating current as a Hall element bias for the Hall element having four terminals is employed in order to cancel a unique offset for each Hall element. (For example, refer nonpatent literature 2).
上述のような交番電流を用いる方法によってオフセットをキャンセルして検出したホール起電力をΔΣ変調器に入力して、量子化(AD変換)する場合には、SNRに関する要求性能が許す限り、極力低次のΔΣ変調器を用いて回路を簡素化し、IC化に際してのコスト低減を図りたいという要請がある。
しかしながら、1次或いは2次といった低次のΔΣ変調器では、DC信号が入力された場合に、パターンノイズと呼ばれる周期的なノイズを生起し易いという問題があることが知られている(例えば、非特許文献3参照)。
When the Hall electromotive force detected by canceling the offset by the method using the alternating current as described above is input to the ΔΣ modulator and is quantized (AD conversion), it is as low as possible as long as the required performance regarding SNR permits. There is a demand to simplify the circuit by using the following ΔΣ modulator and to reduce the cost when making an IC.
However, it is known that a low-order ΔΣ modulator such as a primary or secondary has a problem that periodic noise called pattern noise is likely to occur when a DC signal is input (for example, Non-Patent Document 3).
また一方、本出願人は、ホール素子の駆動方向を縦方向と横方向の間でランダムな2値信号によって切替えて、そのホール起電力信号をランダムに変調してDC帯域を含む広い帯域にスペクトル拡散し、該拡散された信号を復調することによってホール素子のオフセットをキャンセルすると共に信号に混入する各種のノイズを効果的に除去するようにした技術を既に提案している(特許文献1参照)。 On the other hand, the present applicant switches the driving direction of the Hall element between the vertical direction and the horizontal direction by a random binary signal, modulates the Hall electromotive force signal randomly, and spreads the spectrum in a wide band including the DC band. There has already been proposed a technique that spreads and demodulates the spread signal to cancel the offset of the Hall element and effectively remove various noises mixed in the signal (see Patent Document 1). .
しかしながら、特許文献1に提案の技術は、ホール素子のオフセットやホール素子モータにおけるスイッチングノイズ等のような外乱ノイズの除去技術を提案するものであるが、ホール起電力の検出処理にΔΣ変調器を用いることを前提とするものではない。従って、低次のΔΣ変調器を用いる場合に特に問題となる非特許文献3に指摘のようなパターンノイズの対策には別段の視点が向けられていない。 However, the technique proposed in Patent Document 1 proposes a technique for removing disturbance noise such as Hall element offset and switching noise in a Hall element motor, but a ΔΣ modulator is used for Hall electromotive force detection processing. It is not assumed to be used. Accordingly, no other viewpoint is directed to countermeasures against pattern noise as pointed out in Non-Patent Document 3, which is particularly problematic when a low-order ΔΣ modulator is used.
また、非特許文献1には、磁石とホール素子を用いて非接触で回転角度を検出する装置においてΔΣ変調器を適用することが開示されているが、上述のようなパターンノイズの発生とその対策には何等言及されていない。
一方、非特許文献2には、ホール素子の構成やその挙動に関する現象について詳細に開示されているが、ΔΣ変調器を適用することに関する開示はない。
また、非特許文献3には、ΔΣ変調器について詳細に解説されているが、ΔΣ変調器をホール起電力の検出手段に適用するといった応用例については特段の論及がない。
Non-Patent Document 1 discloses that a ΔΣ modulator is applied to a device that detects a rotation angle in a non-contact manner using a magnet and a Hall element. No mention is made of measures.
On the other hand, Non-Patent
Non-Patent Document 3 describes the ΔΣ modulator in detail, but there is no particular discussion about an application example in which the ΔΣ modulator is applied to a means for detecting the Hall electromotive force.
次に図面を参照してホール起電力の検出に関する従来の技術について説明を加える。
図5は、ΔΣ変調器を適用した従来のホール起電力信号検出装置の構成を表す機能ブロック図である。
バイアス電流(即ち駆動電流)の供給とホール起電力の検出とに用い得る2対をなす4つの端子を有するホール素子501には、バイアス電流源502からスイッチ回路503によって経時的に電流の向きが切替えられるようにしてバイアス電流が供給されるように構成されている。
スイッチ回路503の後段に復調器504が設けられ、この復調器504の後段にΔΣ変調器510を構成する回路部が接続されている。
Next, a description will be given of a conventional technique related to detection of the hall electromotive force with reference to the drawings.
FIG. 5 is a functional block diagram showing a configuration of a conventional Hall electromotive force signal detection apparatus to which a ΔΣ modulator is applied.
In the
A
ΔΣ変調器510は、その入力部の加算器511、その後段の積分器512、更にその後段のコンパレータ513、および、コンパレータ513から加算器511への帰還路に介挿された1ビットDA変換器514を含んで構成されている。
コンパレータ513の出力側にローパスフィルタ520が接続され、このローパスフィルタ520を介して、検出されたホール起電力が出力される。
一方、スイッチ回路503および復調器504には、変調クロック生成器530からの変調クロックが供給され、スイッチ回路503および復調器504は、この変調クロックに同期して作動する。
The ΔΣ modulator 510 includes an
A low-
On the other hand, the modulation clock from the
図6は、図5におけるようなホール素子の駆動方法とホール起電力およびオフセットの生起に関する現象を説明するための図である。
図6(A)はホール素子に対し或る基準方向(電流の方向が基準方向となす角度が0度)にバイアス電流を流した場合にホール起電力が生起する様子を表す図、図6(B)はホール素子に対し上述の基準方向と90度の角度をなす方向にバイアス電流を流した場合にホール起電力が生起する様子を表す図である。
FIG. 6 is a diagram for explaining a phenomenon related to the Hall element driving method and the generation of Hall electromotive force and offset as shown in FIG.
FIG. 6A is a diagram illustrating a state in which a Hall electromotive force is generated when a bias current is supplied to the Hall element in a certain reference direction (the angle between the current direction and the reference direction is 0 degree). FIG. 5B is a diagram illustrating a state in which a Hall electromotive force is generated when a bias current is supplied to the Hall element in a direction that forms an angle of 90 degrees with the reference direction.
図6において、ホール素子は4つの抵抗からなる4端子の素子としてモデル化して表記されている。そして、このホール素子が図6(A)における0度の方向と図6(B)における90度の方向とを切替えて定電流で駆動されるものと想定している。
図6(A)の状態において検出される電圧信号をV_Sig_0degとし、図6(B)の状態において検出される電圧信号をV_Sig_90degとすると、これらの電圧信号は、次の(1)式のようにホール起電力信号 V_HallとオフセットV_Offsetの和として表される。
In FIG. 6, the Hall element is modeled as a four-terminal element composed of four resistors. It is assumed that this Hall element is driven with a constant current by switching the direction of 0 degrees in FIG. 6A and the direction of 90 degrees in FIG.
When the voltage signal detected in the state of FIG. 6 (A) is V_Sig_0deg and the voltage signal detected in the state of FIG. 6 (B) is V_Sig_90deg, these voltage signals are expressed as It is expressed as the sum of Hall electromotive force signal V_Hall and offset V_Offset.
ここで、次の(2)式に示されたように、ホール素子のバイアス電流の方向を図6(A)における0度の方向と図6(B)における90度の方向とに切替えることによってホール起電力信号V_Hallを変調クロックによって変調することができる。 Here, as shown in the following equation (2), the direction of the bias current of the Hall element is switched between the direction of 0 degrees in FIG. 6A and the direction of 90 degrees in FIG. The Hall electromotive force signal V_Hall can be modulated by the modulation clock.
一方、オフセットV_Offsetに関しては、(3)式に示されたように、ホール素子のバイアス電流の方向を上述の0度の方向と90度の方向とに切替えても略一定の値となる。 On the other hand, the offset V_Offset has a substantially constant value even if the direction of the bias current of the Hall element is switched between the 0 degree direction and the 90 degree direction as shown in the equation (3).
上述した作用により、ホール素子のバイアス電流の方向を図6(A)における0度の方向と図6(B)における90度の方向とに切替える操作を周期T_Mod(周波数f_Mod = 1/T_Mod)で繰り返した場合、ホール素子から出力される信号(即ち、スイッチ回路の出力である変調ホール起電力信号)V_Sig_Modは、変調クロックによって変調されたホール起電力信号(即ち、復調ホール起電力信号)V_HallにオフセットV_Offsetが重畳されたものとなる。 With the above-described action, the operation of switching the direction of the bias current of the Hall element between the direction of 0 degrees in FIG. 6A and the direction of 90 degrees in FIG. 6B is performed with the period T_Mod (frequency f_Mod = 1 / T_Mod). When it is repeated, the signal output from the Hall element (that is, the modulated Hall electromotive force signal that is the output of the switch circuit) V_Sig_Mod becomes the Hall electromotive force signal (that is, the demodulated Hall electromotive force signal) V_Hall modulated by the modulation clock. The offset V_Offset is superimposed.
図7は、図5の装置における各部の信号波形図である。
図7では、変調クロック周期T_Modの2周期の期間について図示され、図7(A)は変調クロックの信号波形図、図7(B)はバイアス電流の向き、図7(C)はΔΣ変調器のサンプリングクロックの信号波形図、図7(D)はホール素子の出力信号(即ち、スイッチ回路の出力である変調ホール起電力信号)V_Sig_Modの信号波形図、図7(E)は復調器の出力(即ち、復調された復調ホール起電力信号)V_Sig_Dmodの信号波形図である。
FIG. 7 is a signal waveform diagram of each part in the apparatus of FIG.
7 illustrates a period of two periods of the modulation clock period T_Mod, FIG. 7A is a signal waveform diagram of the modulation clock, FIG. 7B is a direction of a bias current, and FIG. 7C is a ΔΣ modulator. 7D is a signal waveform diagram of the sampling clock, FIG. 7D is a signal waveform diagram of the output signal of the Hall element (that is, the modulated Hall electromotive force signal that is the output of the switch circuit) V_Sig_Mod, and FIG. (Ie, demodulated demodulated Hall electromotive force signal) V_Sig_Dmod signal waveform diagram.
上述の変調ホール起電力信号V_Sig_Modは、図7(D)に示されたように時間周期T_Modで繰返す信号波形を呈する。
図1の装置において、信号V_Sig_Modは、復調器504に入力され、ホール素子のバイアス電流の向きを切替える図7(A)の変調クロックで復調されて、図7(E)に示された信号V_Sig_Dmodとなる。
復調器504における復調処理は、次の(4)式に示されたように、図7(A)の変調クロックの位相に従って図7(D)の信号V_Sig_Modの符号を変える操作である。
The modulated Hall electromotive force signal V_Sig_Mod described above exhibits a signal waveform that repeats with a time period T_Mod as shown in FIG.
In the apparatus of FIG. 1, the signal V_Sig_Mod is input to the
Demodulation processing in the
この信号V_Sig_Dmodにおいて、ホール起電力信号成分V_HallはDCに復調されており、一方、オフセット成分V_Offsetは、変調クロックで変調されている。
尚、図5では、信号V_Sig_Modを増幅するプリアンプを省略しているが、図5におけるスイッチ回路503と復調器504との間にプリアンプを設けた構成をとることもある。
また、図6においては、ホール素子のバイアス電流の向きを0度と90度との間で切替えるものとして説明した。しかしながら、切替えの態様はこれに限られず、ホール素子のホール起電力信号V_Sig_Modが変調クロックによって変調されるようにすればよく、例えば、180度、或いは、270度といった角度の開きを持ってホール素子のバイアス電流の向きを切替えてホール起電力を検出するように構成することができる。
In this signal V_Sig_Dmod, the Hall electromotive force signal component V_Hall is demodulated to DC, while the offset component V_Offset is modulated by a modulation clock.
In FIG. 5, a preamplifier for amplifying the signal V_Sig_Mod is omitted, but a configuration in which a preamplifier is provided between the
In FIG. 6, the explanation has been made assuming that the direction of the bias current of the Hall element is switched between 0 degree and 90 degrees. However, the mode of switching is not limited to this, and the Hall electromotive force signal V_Sig_Mod of the Hall element may be modulated by the modulation clock. For example, the Hall element has an angular opening of 180 degrees or 270 degrees. The direction of the bias current can be switched to detect the Hall electromotive force.
図8は、図5の装置における変調ホール起電力信号V_Sig_Modおよび復調ホール起電力信号V_Sig_Dmodの周波数スペクトラムを表す図である。
図8(A)は信号V_Sig_Modの周波数スペクトラムを表す図、図8(B)は信号V_Sig_Dmodの周波数スペクトラムを表す図である。
図8(A)の信号V_Sig_Modにおいては、ホール起電力信号は、変調周波数f_Modに変調されており、DC信号であるオフセットV_Offsetが重畳している。
図8(B)の信号V_Sig_Dmodは図5の復調器504の出力であり、ホール起電力信号V_HallがDCに復調される一方で、オフセットV_Offsetは変調周波数f_Modに変調されている。
FIG. 8 is a diagram illustrating frequency spectra of the modulated Hall electromotive force signal V_Sig_Mod and the demodulated Hall electromotive force signal V_Sig_Dmod in the apparatus of FIG.
FIG. 8A shows the frequency spectrum of the signal V_Sig_Mod, and FIG. 8B shows the frequency spectrum of the signal V_Sig_Dmod.
In the signal V_Sig_Mod in FIG. 8A, the Hall electromotive force signal is modulated to the modulation frequency f_Mod, and an offset V_Offset that is a DC signal is superimposed.
The signal V_Sig_Dmod in FIG. 8B is the output of the
図8を参照して説明したような信号V_Sig_Dmodを、それに含まれているオフセット成分である周波数f_Modの成分を除去するためにカットオフ周波数f_LPFを持つローパスフィルタを通過させると、ホール素子のオフセットがキャンセルできる。これは、例えば、上掲の非特許文献2などにも“Connection commutation method”として開示されており、ホール素子に関する信号処理の手法として広く実施されている。
When the signal V_Sig_Dmod as described with reference to FIG. 8 is passed through a low-pass filter having a cutoff frequency f_LPF to remove the component of the frequency f_Mod that is an offset component included in the signal V_Sig_Dmod, the offset of the Hall element is Can be canceled. This is disclosed, for example, in the above-mentioned
尚、図8の周波数スペクトラム図において、ΔΣ変調器のサンプリングクロックのサンプリング周波数f_SAMPは、変調周波数f_Modに対して、充分高い周波数となっているので、ノイズの折り返し(エイリアシング)は発生しない。
図8の周波数スペクトラムを有する信号V_Sig_DmodをΔΣ変調器に入力する場合、ΔΣ変調器に入力される信号は、変調周波数f_Modで変調されたオフセット信号を含んでいる。
In the frequency spectrum diagram of FIG. 8, the sampling frequency f_SAMP of the sampling clock of the ΔΣ modulator is sufficiently higher than the modulation frequency f_Mod, so that noise aliasing does not occur.
When the signal V_Sig_Dmod having the frequency spectrum of FIG. 8 is input to the ΔΣ modulator, the signal input to the ΔΣ modulator includes an offset signal modulated at the modulation frequency f_Mod.
このため、低次のΔΣ変調器にDC信号が入力された場合と比較すると、パターンノイズの発生は少なくなるが、変調周波数f_Modよりも高周波のパターンノイズは発生し得る。こうした変調周波数f_Modよりも高周波のパターンノイズは、その大半が、ΔΣ変調器の後段に配置されるローパスフィルターによって除去されるので、ローパスフィルターの出力信号V_Detにおいて問題とならないが、そのパターンノイズの一部はΔΣ変調器の中で、変調周波数f_Modによって復調される。 For this reason, pattern noise is less generated than when a DC signal is input to a low-order ΔΣ modulator, but pattern noise at a frequency higher than the modulation frequency f_Mod may be generated. Most of the pattern noise at a frequency higher than the modulation frequency f_Mod is removed by the low-pass filter arranged after the ΔΣ modulator, so there is no problem in the output signal V_Det of the low-pass filter. The part is demodulated by the modulation frequency f_Mod in the ΔΣ modulator.
図9は、復調器504の出力信号V_Sig_Dmodについて発生する周波数シフトの様子を示す周波数スペクトラム図である。
図9に示されたように、ΔΣ変調器の中で、変調周波数f_Modによって復調される一部のパターンノイズは、ローパスフィルタの通過帯域となる低周波領域に周波数シフトして現われる。この周波数シフトによって、ΔΣ変調器の後段に配置されるローパスフィルタではこのパターンノイズを除去することが出来ず、検出されたホール起電力信号V_DetのSNRを低下させる原因となる。
FIG. 9 is a frequency spectrum diagram showing a state of frequency shift that occurs for the output signal V_Sig_Dmod of the
As shown in FIG. 9, in the ΔΣ modulator, a part of pattern noise demodulated by the modulation frequency f_Mod appears with a frequency shift in a low frequency region which is a pass band of the low pass filter. Due to this frequency shift, the pattern noise cannot be removed by the low-pass filter disposed at the subsequent stage of the ΔΣ modulator, which causes the SNR of the detected Hall electromotive force signal V_Det to be reduced.
以上のように、高周波領域で発生するパターンノイズが、変調周波数f_Modによって復調されることに起因して低周波側に周波数シフトし、ローパスフィルタの通過帯域に入り込むため、ホール起電力信号V_Detの検出におけるSNRが低下する。そして、上掲の何れの文献も、特にこのような問題には視点が向けられておらず、当然ながら、この問題に対処する方途を開示せず、また、示唆するところもない。
本発明は上述のような状況に鑑みてなされたものであり、ホール素子によるホール起電力信号の検出に適用するΔΣ変調器に生起するパターンノイズを効果的に抑制可能なホール起電力信号検出装置を提供することを目的とする。
As described above, the pattern noise generated in the high frequency region is shifted to the low frequency side due to being demodulated by the modulation frequency f_Mod, and enters the pass band of the low-pass filter, so that the Hall electromotive force signal V_Det is detected. The SNR at decreases. None of the above-mentioned documents is particularly directed to such a problem, and of course, no way to deal with this problem is disclosed or suggested.
The present invention has been made in view of the above situation, and a Hall electromotive force signal detection device capable of effectively suppressing pattern noise generated in a ΔΣ modulator applied to detection of a Hall electromotive force signal by a Hall element. The purpose is to provide.
上記目的を達成するべく、以下に列挙するような技術を提案する。
(1)バイアス電流が経時的に向きを切替えて供給され同時にホール起電力の検出を可能にする複数対の接続端を有するホール素子にバイアス電流を供給し当該ホール素子からのホール起電力を検出するホール起電力信号検出装置であって、
バイアス電流を生成するバイアス電流源と、当該ホール素子におけるバイアス電流の向きが経時的に切替わるように前記バイアス電流源と当該ホール素子の複数対の接続端との接続関係を切替えて供給すると共に該接続関係の切替えに同期した極性の切替えを行って当該ホール素子のホール起電力が変調された変調ホール起電力信号を出力するスイッチ回路と、前記変調ホール起電力信号に対し復調を施して復調ホール起電力信号を得る復調器と、前記復調ホール起電力信号に対しΔΣ変調をかけるΔΣ変調器と、前記スイッチ回路における接続関係の切替え動作のタイミングおよび前記復調器における復調動作のタイミングを経時的にランダム化されたタイミングとするタイミング制御信号を生成して前記スイッチ回路および復調器に供給するタイミング制御回路と、を備えたことを特徴とするホール起電力信号検出装置。
In order to achieve the above object, the following technologies are proposed.
(1) A bias current is supplied by switching the direction over time, and a Hall current having a plurality of pairs of connection ends that enables detection of Hall electromotive force is simultaneously supplied to detect a Hall electromotive force from the Hall element. Hall electromotive force signal detecting device,
The bias current source that generates the bias current and the connection relationship between the bias current source and the plurality of pairs of connection ends of the Hall element are switched and supplied so that the direction of the bias current in the Hall element is switched over time. A switch circuit that outputs a modulated Hall electromotive force signal in which the Hall electromotive force of the Hall element is modulated by switching the polarity in synchronization with the switching of the connection relationship, and demodulates and demodulates the modulated Hall electromotive force signal The demodulator that obtains the Hall electromotive force signal, the ΔΣ modulator that applies ΔΣ modulation to the demodulated Hall electromotive force signal, the timing of the switching operation of the connection relationship in the switch circuit, and the timing of the demodulation operation in the demodulator over time A timing control signal having a randomized timing is generated and supplied to the switch circuit and the demodulator Hall electromotive force signal detecting apparatus characterized by comprising: a timing control circuit.
上記(1)のホール起電力信号検出装置では、バイアス電流が経時的に向きを切替えて供給され同時にホール起電力の検出を可能にする複数対の接続端を有するホール素子にバイアス電流を供給し当該ホール素子からのホール起電力を検出する。そして、そのバイアス電流源でバイアス電流を生成する。また、そのスイッチ回路で当該ホール素子におけるバイアス電流の向きが経時的に切替わるように前記バイアス電流源と当該ホール素子の複数対の接続端との接続関係を切替えて供給すると共に該接続関係の切替えに同期した極性の切替えを行って当該ホール素子のホール起電力が変調された変調ホール起電力信号を出力する。 In the Hall electromotive force signal detection device of the above (1), a bias current is supplied to a Hall element having a plurality of pairs of connection ends that are supplied by switching the direction with time and simultaneously enable detection of the Hall electromotive force. The Hall electromotive force from the Hall element is detected. Then, a bias current is generated by the bias current source. In addition, the switching circuit supplies the switching relationship between the bias current source and a plurality of pairs of connection ends of the Hall element so that the direction of the bias current in the Hall element is switched over time. The polarity is switched in synchronization with the switching, and a modulated Hall electromotive force signal in which the Hall electromotive force of the Hall element is modulated is output.
更に、その復調器で前記変調ホール起電力信号に対し復調を施して復調ホール起電力信号を得る。また、そのΔΣ変調器で前記復調ホール起電力信号に対しΔΣ変調をかける。そして、そのタイミング制御回路によって前記スイッチ回路における接続関係の切替え動作のタイミングおよび前記復調器における復調動作のタイミングを経時的にランダム化されたタイミングとするタイミング制御信号を生成して前記スイッチ回路および復調器に供給する。 Further, the demodulator demodulates the modulated Hall electromotive force signal to obtain a demodulated Hall electromotive force signal. The ΔΣ modulator applies ΔΣ modulation to the demodulated Hall electromotive force signal. Then, the timing control circuit generates a timing control signal having the timing of the switching operation of the connection relationship in the switch circuit and the timing of the demodulation operation in the demodulator randomized over time, and generates the timing control signal. Supply to the vessel.
(2)前記タイミング制御回路は、周波数が経時的にランダムに切替わる前記タイミング制御信号を生成して前記スイッチ回路および復調器に供給することを特徴とする(1)のホール起電力信号検出装置。
上記(2)のホール起電力信号検出装置では、(1)のホール起電力信号検出装置において特に、前記タイミング制御回路は、周波数が経時的にランダムに切替わる前記タイミング制御信号を生成して前記スイッチ回路および復調器に供給する。
(2) The Hall electromotive force signal detection device according to (1), wherein the timing control circuit generates the timing control signal whose frequency is randomly switched over time and supplies the timing control signal to the switch circuit and the demodulator. .
In the Hall electromotive force signal detection device according to (2), particularly in the Hall electromotive force signal detection device according to (1), the timing control circuit generates the timing control signal whose frequency is randomly switched over time to generate the timing control signal. Supply to switch circuit and demodulator.
(3)前記タイミング制御回路は、位相が経時的にランダムに切替わる前記タイミング制御信号を生成して前記スイッチ回路および復調器に供給することを特徴とする(1)のホール起電力信号検出装置。
上記(3)のホール起電力信号検出装置では、(1)のホール起電力信号検出装置において特に、前記タイミング制御回路は、位相が経時的にランダムに切替わる前記タイミング制御信号を生成して前記スイッチ回路および復調器に供給する。
(3) The Hall electromotive force signal detection device according to (1), wherein the timing control circuit generates the timing control signal whose phase is randomly switched over time and supplies the timing control signal to the switch circuit and the demodulator. .
In the Hall electromotive force signal detection device of (3) above, particularly in the Hall electromotive force signal detection device of (1), the timing control circuit generates the timing control signal whose phase is randomly switched over time, and Supply to switch circuit and demodulator.
(4)前記タイミング制御回路は、擬似ランダム符号を生成するPN符号発生器と、前記PN符号発生器から出力される擬似ランダム符号によって複数種類の周波数の信号を経時的にランダムに切替えて周波数が経時的にランダムに切替わる前記タイミング制御信号を生成して出力する変調クロック周波数選択回路とを備えていることを特徴とする(1)のホール起電力信号検出装置。 (4) The timing control circuit includes a PN code generator that generates a pseudo-random code, and a plurality of types of frequency signals that are randomly switched over time by a pseudo-random code output from the PN code generator. The Hall electromotive force signal detection device according to (1), further comprising a modulation clock frequency selection circuit that generates and outputs the timing control signal that is randomly switched over time.
上記(4)のホール起電力信号検出装置では、(1)のホール起電力信号検出装置において特に、前記タイミング制御回路は、PN符号発生器と、変調クロック周波数選択回路とを備えている。そして、そのPN符号発生器は擬似ランダム符号を生成する。また、その変調クロック周波数選択回路は前記PN符号発生器から出力される擬似ランダム符号によって複数種類の周波数の信号を経時的にランダムに切替えて周波数が経時的にランダムに切替わる前記タイミング制御信号を生成して出力する。 In the Hall electromotive force signal detection device of (4), particularly in the Hall electromotive force signal detection device of (1), the timing control circuit includes a PN code generator and a modulation clock frequency selection circuit. Then, the PN code generator generates a pseudo random code. In addition, the modulation clock frequency selection circuit is configured to switch the timing control signal in which a frequency is randomly switched over time by switching a plurality of types of frequency signals randomly over time using a pseudo-random code output from the PN code generator. Generate and output.
(5)前記タイミング制御回路は、周波数および位相が一定であるクロック信号を生成する変調クロック生成器と、前記変調クロック生成器の出力に擬似ランダム化を施して位相が経時的にランダムに切替わる前記タイミング制御信号を生成して出力するPN符号発生器とを備えていることを特徴とする(1)のホール起電力信号検出装置。
上記(5)のホール起電力信号検出装置では、(1)のホール起電力信号検出装置において特に、変調クロック生成器と、PN符号発生器とを備えている。そして、その変調クロック生成器は周波数および位相が一定であるクロック信号を生成する。また、そのPN符号発生器は前記変調クロック生成器の出力に擬似ランダム化を施して位相が経時的にランダムに切替わる前記タイミング制御信号を生成して出力する。
(5) The timing control circuit generates a clock signal having a constant frequency and phase, and performs pseudo-randomization on the output of the modulation clock generator so that the phase is randomly switched over time. The Hall electromotive force signal detection device according to (1), further comprising a PN code generator that generates and outputs the timing control signal.
In the Hall electromotive force signal detection device of (5) above, the Hall electromotive force signal detection device of (1) is particularly provided with a modulation clock generator and a PN code generator. The modulation clock generator generates a clock signal having a constant frequency and phase. The PN code generator performs pseudo-randomization on the output of the modulation clock generator to generate and output the timing control signal whose phase is randomly switched over time.
ホール素子によるホール起電力信号の検出に適用するΔΣ変調器に生起するパターンノイズを効果的に抑制可能なホール起電力信号検出装置を実現することができる。 It is possible to realize a Hall electromotive force signal detection device capable of effectively suppressing pattern noise generated in a ΔΣ modulator applied to detection of a Hall electromotive force signal by a Hall element.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態につき詳述することにより本発明を明らかにする。
図1は、本発明の一つの実施の形態であるホール起電力信号検出装置を表す機能ブロック図である。
このホール起電力信号検出装置を用いる対象とされるホール素子101は、バイアス電流が経時的に向きを切替えて供給され同時にホール起電力の検出を可能にする複数対の接続端を有する。
このホール素子101は、より具体的には、バイアス電流の供給とホール起電力の検出に用い得る2対をなす4つの端子を有する。そして、このホール素子101には、バイアス電流源102からスイッチ回路103によって経時的に電流の向きが切替えられるようにしてバイアス電流が供給されるように構成されている。
Hereinafter, the present invention will be clarified by describing embodiments of the present invention in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a functional block diagram showing a Hall electromotive force signal detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
The
More specifically, the
即ち、スイッチ回路103は、ホール素子101におけるバイアス電流の向きが経時的に切替わるようにバイアス電流源102とホール素子101の複数対の接続端(本例では、上述の2対で4つの端子)との接続関係を切替えて電流の方向が切替わるようにしてバイアス電流を供給する。また、スイッチ回路103は、このようなバイアス電流の方向の切替えと共に該接続関係の切替えに同期した極性の切替えを行ってホール素子101のホール起電力が変調された変調ホール起電力信号を出力する。
That is, the
スイッチ回路103の後段に変調ホール起電力信号に復調をかけて復調ホール起電力信号を得る復調器104が設けられ、この復調器104の後段に復調ホール起電力信号にでΔΣ変調を施すΔΣ変調器110を構成する回路部が接続されている。
ΔΣ変調器110は、その入力部の加算器111、この加算器111の後段に設けられた積分器112、この積分器112に設けられたコンパレータ113、および、コンパレータ113から加算器111への帰還路に介挿された1ビットDA変換器114を含んで構成されている。
コンパレータ113の出力側にローパスフィルタ120が接続され、このローパスフィルタ120を介して、検出されたホール起電力が出力される。
A
The ΔΣ modulator 110 includes an
A low-
一方、スイッチ回路103および復調器104には、変調クロック周波数選択回路130からの変調クロックが供給される。この変調クロックは、スイッチ回路103における接続関係の切替え動作(バイアス電流の向きの切替え動作)のタイミングおよび復調器104における復調動作のタイミングを経時的にランダム化されたタイミングとするタイミング制御信号である。
即ち、スイッチ回路103および復調器104は、このタイミング制御信号たる変調クロックに同期して作動する。
図1の実施の形態では、上述のタイミング制御信号(変調クロック)は、変調クロック周波数選択回路130とPN符号発生器140とを含んで構成されるタイミング制御回路150で生成される。
On the other hand, the modulation clock from the modulation clock
That is, the
In the embodiment of FIG. 1, the timing control signal (modulation clock) described above is generated by a timing control circuit 150 that includes a modulation clock
この変調クロック周波数選択回路130はPN符号発生器140からのPN符号を受けて外部から供給されるシステムクロックMCLKのうち異なる周波数のクロック信号を経時的に切替えて出力することにより周波数が経時的にランダムに切替わるタイミング制御信号たる変調クロックを生成する。
PN符号発生器140としては、例えば、長さ16のM系列の符号を得る4段のセル(遅延素子)からなる信号転送部(シフトレジスタ等)と1個の加算器等を含む簡単な構成のものが適用され、変調クロックの単位周期毎に0または1の値をとる2値のPN符号(擬似ランダム符号)を発生する。
The modulation clock
The
既述のように、PN符号発生器140から出力されるPN符号は、変調クロック周波数選択回路130に入力される。この変調クロック周波数選択回路130は、例えば、変調クロック周波数よりも高い周波数のシステムクロックMCLKでカウンタ動作を行うカウンタ回路(システムクロックMCLKを分周して変調クロックを生成するためのカウンタ動作)として容易に実現できる。
変調クロック周波数選択回路130は、f_Mod_1、f_Mod_2という2つの異なる周波数の中から、PN符号発生器140から出力されるPN符号に従って、変調クロック周波数を選択するように作動する。
As described above, the PN code output from the
The modulation clock
図2は、図1の装置における各部の信号波形図である。
図2では、変調クロック周期T_Modの2周期の期間について図示され、この2周期のうち、先行する第1周期はPN符号の値が0である期間に対応し、後続する第2周期はPN符号の値が1である期間に対応している。
FIG. 2 is a signal waveform diagram of each part in the apparatus of FIG.
In FIG. 2, two periods of the modulation clock period T_Mod are illustrated. Of these two periods, the preceding first period corresponds to a period in which the value of the PN code is 0, and the subsequent second period is the PN code. Corresponds to a period in which the value of 1 is 1.
図2(A)は変調クロックの信号波形図、図2(B)はバイアス電流の向き、図2(C)はΔΣ変調器のサンプリングクロックの信号波形図、図2(D)はホール素子の出力信号(スイッチ回路の出力である変調ホール起電力信号)V_Sig_Modの信号波形図、図2(E)は復調器の出力(復調ホール起電力信号)V_Sig_Dmodの信号波形図である。
図1の本発明の実施の形態としての装置における信号波形図である図2は、既述の図5の従来の装置における信号波形図である図7との比較において、第1周期および2周期の変調クロックの周期に注目すると両者の相違が顕著である。
2A is a signal waveform diagram of the modulation clock, FIG. 2B is the direction of the bias current, FIG. 2C is a signal waveform diagram of the sampling clock of the ΔΣ modulator, and FIG. FIG. 2E is a signal waveform diagram of an output signal (modulated Hall electromotive force signal that is an output of the switch circuit) V_Sig_Mod, and FIG. 2E is a signal waveform diagram of an output (demodulated Hall electromotive force signal) V_Sig_Dmod of the demodulator.
FIG. 2 which is a signal waveform diagram in the apparatus as an embodiment of the present invention in FIG. 1 is a first period and two periods in comparison with FIG. 7 which is a signal waveform diagram in the conventional apparatus in FIG. When attention is paid to the period of the modulation clock, the difference between the two is remarkable.
即ち、変調クロック周波数選択回路130の出力である変調クロックは、2つの周波数f_Mod_1とf_Mod_2からランダムに周波数を選択しているため、2つの周波数f_Mod_1とf_Mod_2の間で、いわゆる周波数ホッピング動作を行っている。その結果、信号V_Sig_Modの周波数スペクトラムは、ホール起電力信号が2つの周波数f_Mod_1とf_Mod_2との間でスペクトル拡散されたものとなる。
また、このようにスペクトル拡散された信号V_Sig_Dmodを復調器で復調すると、信号V_Sig_Dmodが得られる。
That is, since the modulation clock output from the modulation clock
Further, the signal V_Sig_Dmod is obtained by demodulating the spectrum-spread signal V_Sig_Dmod by the demodulator.
図3は、図1における変調ホール起電力信号V_Sig_Modおよび復調器から出力される信号V_Sig_Dmodの周波数スペクトラムを表す図である。
尚、後述するように、図4における変調ホール起電力信号V_Sig_Modおよび復調器から出力される信号V_Sig_Dmodの周波数スペクトラムについてもこの図3と同様である。
図3(A)は変調ホール起電力信号V_Sig_Modの周波数スペクトラムを表す図、図3(B)は復調ホール起電力信号V_Sig_Dmodの周波数スペクトラムを表す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating the frequency spectrum of the modulated Hall electromotive force signal V_Sig_Mod and the signal V_Sig_Dmod output from the demodulator in FIG.
As will be described later, the frequency spectrum of the modulated Hall electromotive force signal V_Sig_Mod and the signal V_Sig_Dmod output from the demodulator in FIG. 4 is the same as in FIG.
3A is a diagram illustrating the frequency spectrum of the modulated Hall electromotive force signal V_Sig_Mod, and FIG. 3B is a diagram illustrating the frequency spectrum of the demodulated Hall electromotive force signal V_Sig_Dmod.
本発明の装置における信号の周波数スペクトラムを表す図3を既述の従来例における周波数スペクトラムを表す図8と対比して容易に理解されるとおり、本発明においては、ΔΣ変調器に入力される信号V_Sig_Dmodが、従来技術と比較して、ランダム化されている。
尚、ΔΣ変調器においてパターンノイズの発生を抑制して、高いSNRを達成するためには、ΔΣ変調器への入力信号をランダム化することが望ましい(例えば非特許文献3等参照)。
As can be easily understood by comparing FIG. 3 showing the frequency spectrum of the signal in the apparatus of the present invention with FIG. 8 showing the frequency spectrum in the above-described conventional example, in the present invention, the signal input to the ΔΣ modulator. V_Sig_Dmod is randomized compared to the prior art.
In order to suppress the occurrence of pattern noise in the ΔΣ modulator and achieve a high SNR, it is desirable to randomize the input signal to the ΔΣ modulator (see, for example, Non-Patent Document 3).
以上のように、図1の本発明の実施の形態では、ホール素子のバイアス電流の方向を切替えるタイミング制御信号たる変調クロックの周波数をランダムに変調することにより、ホール素子が持つオフセットをランダムに変調することができるため、ΔΣ変調器を使用してホール起電力信号を検出する場合において、ΔΣ変調器におけるパターンノイズの発生を抑制することが可能になる。
即ち、本発明の実施の形態では、一般にパターンノイズが問題となりやすい低次のΔΣ変調器回路を利用して、高いSNRでのホール起電力信号の検出が可能となるので、ホール素子を利用した非接触センサを低コストで製造することが可能になる。
As described above, in the embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the offset of the Hall element is randomly modulated by randomly modulating the frequency of the modulation clock that is the timing control signal for switching the direction of the bias current of the Hall element. Therefore, when the Hall electromotive force signal is detected using the ΔΣ modulator, it is possible to suppress the generation of pattern noise in the ΔΣ modulator.
That is, in the embodiment of the present invention, the Hall electromotive force signal can be detected at a high SNR by using a low-order ΔΣ modulator circuit, in which pattern noise is likely to be a problem. A non-contact sensor can be manufactured at low cost.
図4は、本発明の他の実施の形態であるホール起電力信号検出装置を表す機能ブロック図である。
バイアス電流の供給とホール起電力の検出に用い得る2対をなす4つの端子を有するホール素子101には、バイアス電流源102からスイッチ回路103によって経時的に電流の向きが切替えられるようにしてバイアス電流が供給されるように構成されている。
スイッチ回路103の後段に復調器104が設けられ、この復調器104の後段にΔΣ変調器110を構成する回路部が接続されている。
FIG. 4 is a functional block diagram showing a Hall electromotive force signal detection apparatus according to another embodiment of the present invention.
A
A
ΔΣ変調器110は、その入力部の加算器111、この加算器111の後段に設けられた積分器112、この積分器112に設けられたコンパレータ113、および、コンパレータ113から加算器111への帰還路に介挿された1ビットDA変換器114を含んで構成されている。
コンパレータ113の出力側にローパスフィルタ120が接続され、このローパスフィルタ120を介して、検出されたホール起電力が出力される。
The ΔΣ modulator 110 includes an
A low-
以上の点は図1の実施の形態と同様であり、図1との対応部には同一の参照符号を附して示し、詳細な点は図1における説明を援用する。
一方、スイッチ回路103および復調器104には、PN符号発生器140からの0または1の値をとるタイミング制御信号としての2値のPN符号(擬似ランダム符号)が供給される。スイッチ回路103および復調器104は、このタイミング制御信号たるPN符号に同期して作動する。
The above points are the same as those of the embodiment of FIG. 1, the same reference numerals are given to the corresponding parts with FIG. 1, and the description of FIG.
On the other hand, the
このPN符号発生器140は変調クロック生成器430の出力に擬似ランダム化を施して位相が経時的にランダムに切替わるタイミング制御信号を生成して出力する。
PN符号発生器140としては、例えば、長さ16のM系列の符号を得る4段のセル(遅延素子)からなる信号転送部(シフトレジスタ等)と1個の加算器等を含む簡単な構成のものが適用され得る。そして、変調クロック周波数選択回路430から供給される周波数f_Modの変調クロックの単位周期毎に0または1の値をとる2値のPN符号(擬似ランダム符号)を発生する。
このPN符号としては、0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0という長さ16の数列を繰り返す形態を呈する。
The
The
This PN code has a form in which a sequence of 16 lengths of 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0 is repeated.
尚、図示の例は、説明の便宜上4ビットのシフトレジスタと加算器という簡単な回路で実現できるPN符号発生器140を用いているが、PN符号発生器として、より周期の長いPN符号系列を発生させるものを用いれば、PN符号発生器から生成されるPN符号において、より高いランダム性を得ることが可能になる。
PN符号発生器140から出力されるPN符号の値にしたがって、スイッチ回路103においては、ホール素子101のバイアス電流の向きが制御され、復調器104においては、変調ホール起電力信号V_Sig_Modを反転する操作が制御される。このような、スイッチ回路と復調器の動作は次の表2に集約されるとおりである。
The illustrated example uses a
In accordance with the value of the PN code output from the
そこで0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0という長さ16の数列を繰り返すPN符号に対して、ホール素子のバイアス電流の向きの経時的変化をみると、次の表3に集約されるとおりである。 Therefore, the bias of the Hall element is applied to a PN code that repeats a sequence of 16 lengths of 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0. The changes in the direction of current over time are summarized in Table 3 below.
即ち、ホール素子のバイアス電流の向きの経時的変化はランダムなものとなっている。
以上のように、図4の実施の形態では、タイミング制御信号としてのPN符号によってホール素子を駆動するバイアス電流の向きの切り替えがランダムに行われるために、変調ホール起電力信号V_Sig_Modの中のホール起電力信号成分はスペクトラム拡散を受ける。
その結果、図4の実施の形態における変調ホール起電力信号V_Sig_Modの信号スペクトルおよび復調ホール起電力信号V_Sig_Dmodの信号スペクトルは、図8の従来例におけるものとは異なり、図3のような形態を呈する。
That is, the temporal change in the direction of the bias current of the Hall element is random.
As described above, in the embodiment of FIG. 4, since the direction of the bias current for driving the Hall element is randomly switched by the PN code as the timing control signal, the Hall in the modulated Hall electromotive force signal V_Sig_Mod is changed. The electromotive force signal component undergoes spread spectrum.
As a result, the signal spectrum of the modulated Hall electromotive force signal V_Sig_Mod and the signal spectrum of the demodulated Hall electromotive force signal V_Sig_Dmod in the embodiment of FIG. 4 are different from those in the conventional example of FIG. .
このようにスペクトル拡散された変調ホール起電力信号V_Sig_Dmodを復調器で復調すると、復調ホール起電力信号V_Sig_Dmodが得られるが、このとき、図3を図8と対比して容易に理解されるとおり、図4の実施の形態では、ΔΣ変調器に入力される復調ホール起電力信号V_Sig_Dmodが、従来技術と比較して、ランダム化されている。
既述のように、ΔΣ変調器においてパターンノイズの発生を抑制して、高いSNRを達成するためには、ΔΣ変調器への入力信号をランダム化することが望ましい。
The demodulated Hall electromotive force signal V_Sig_Dmod is obtained by demodulating the modulated Hall electromotive force signal V_Sig_Dmod thus spread in the spectrum. As shown in FIG. 3 and FIG. In the embodiment of FIG. 4, the demodulated Hall electromotive force signal V_Sig_Dmod input to the ΔΣ modulator is randomized as compared with the conventional technique.
As described above, in order to suppress the occurrence of pattern noise in the ΔΣ modulator and achieve a high SNR, it is desirable to randomize the input signal to the ΔΣ modulator.
図4の実施の形態では、ホール素子のバイアス電流の方向を切替えるタイミング制御信号としての変調クロックの位相をランダムに変調することにより、ホール素子が持つオフセットをランダムに変調することができる。従って、ΔΣ変調器を使用してホール起電力信号を検出する場合において、ΔΣ変調器におけるパターンノイズの発生を効果的に抑制することが出来る。
図4の実施の形態では、更に、一般にパターンノイズが問題となりやすい低次のΔΣ変調器回路を利用して、高いSNRでのホール起電力信号の検出が可能となるので、ホール素子を利用した非接触センサを低コストで製造することが可能になる。
In the embodiment of FIG. 4, the offset of the Hall element can be modulated at random by modulating the phase of the modulation clock as a timing control signal for switching the direction of the bias current of the Hall element. Therefore, when the Hall electromotive force signal is detected using the ΔΣ modulator, the generation of pattern noise in the ΔΣ modulator can be effectively suppressed.
In the embodiment of FIG. 4, the Hall electromotive force signal can be detected at a high SNR by using a low-order ΔΣ modulator circuit, in which pattern noise is generally problematic. A non-contact sensor can be manufactured at low cost.
101、501…………………ホール素子
102、502…………………バイアス電流源
103、503…………………スイッチ回路
104、504…………………復調器
110、510…………………ΔΣ変調器
111、511…………………加算器
112、512…………………積分器
113、513…………………コンパレータ
114、514…………………1ビットDA変換器
120、520…………………ローパスフィルタ
130……………………………変調クロック周波数選択回路
140……………………………PN符号発生器
430、530…………………変調クロック生成器
101, 501, ...
Claims (5)
バイアス電流を生成するバイアス電流源と、当該ホール素子におけるバイアス電流の向きが経時的に切替わるように前記バイアス電流源と当該ホール素子の複数対の接続端との接続関係を切替えて供給すると共に該接続関係の切替えに同期した極性の切替えを行って当該ホール素子のホール起電力が変調された変調ホール起電力信号を出力するスイッチ回路と、前記変調ホール起電力信号に対し復調を施して復調ホール起電力信号を得る復調器と、前記復調ホール起電力信号に対しΔΣ変調をかけるΔΣ変調器と、前記スイッチ回路における接続関係の切替え動作のタイミングおよび前記復調器における復調動作のタイミングを経時的にランダム化されたタイミングとするタイミング制御信号を生成して前記スイッチ回路および復調器に供給するタイミング制御回路と、を備えたことを特徴とするホール起電力信号検出装置。 A bias current is supplied by switching the direction over time, and simultaneously, a Hall current having a plurality of pairs of connection ends that enables detection of the Hall electromotive force is supplied to the Hall element to detect the Hall electromotive force from the Hall element. A power signal detection device comprising:
The bias current source that generates the bias current and the connection relationship between the bias current source and the plurality of pairs of connection ends of the Hall element are switched and supplied so that the direction of the bias current in the Hall element is switched over time. A switch circuit that outputs a modulated Hall electromotive force signal in which the Hall electromotive force of the Hall element is modulated by switching the polarity in synchronization with the switching of the connection relationship, and demodulates and demodulates the modulated Hall electromotive force signal The demodulator that obtains the Hall electromotive force signal, the ΔΣ modulator that applies ΔΣ modulation to the demodulated Hall electromotive force signal, the timing of the switching operation of the connection relationship in the switch circuit, and the timing of the demodulation operation in the demodulator over time A timing control signal having a randomized timing is generated and supplied to the switch circuit and the demodulator Hall electromotive force signal detecting apparatus characterized by comprising: a timing control circuit.
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