JP7111533B2 - Zero point detector - Google Patents
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Description
本発明は、大きさおよび向きが周期的に変化する電圧を入力電圧とし、この入力電圧の基準電圧からの立ち上がり時点および立ち下がり時点をゼロ点として検出するゼロ点検出装置に関し、特に超音波流量計に用いて好適なゼロ点検出装置に関する。 The present invention relates to a zero-point detection device that uses a voltage whose magnitude and direction periodically change as an input voltage and detects the rise and fall times of this input voltage from a reference voltage as zero points, and particularly relates to an ultrasonic flow rate. The present invention relates to a zero point detection device suitable for use in a meter.
超音波流量計では、2つの圧電素子を使って流体の流量を計測する。例えば、図13に示すように、送信回路(TX)103を使って圧電素子101から音波を流路107に伝播し、もう一方の圧電素子102でその音波を受信する。受信信号は、受信回路(RX)104により増幅,フィルタ処理された後、比較器105でゼロ点(基準電位とクロスした点(ゼロクロス点))の検出を行い、送信開始時間とゼロ点検出時間から時間デジタル変換回路(TDC)106を用いて伝播時間を計測する。図13に示した例において、音波の流れは流体の向きと順方向になるため、流速と音速が合わせた速度で時間計測される。
An ultrasonic flow meter uses two piezoelectric elements to measure the flow rate of a fluid. For example, as shown in FIG. 13, a transmission circuit (TX) 103 is used to propagate sound waves from a
同様に、図14に示すように、圧電素子102から音波を伝播し、圧電素子101でその音波を受信する。音波の流れは流体の向きと逆方向になるため、音速から流速を差し引いた速度で時間計測される。順方向と逆方向の時間計測の差(正確には逆数の差)と伝播距離から流速が求まり、配管径より流体の流量を求めることができる。なお、図13,図14では、圧電素子101が設置されている側をDOWN側、圧電素子102が設置されている側をUP側と定めている。
Similarly, as shown in FIG. 14, sound waves are propagated from the
図15に超音波流量計の送受信波形を示す。送信波形はバースト波になっており、数回パルスを送信している。圧電素子101(DOWN側)から音波を送信し、伝播時間(Tdelay)後、もう一方の圧電素子102(UP側)で信号を受信する。Tdelayは、伝播距離、音速、流体の速度で決まる。音速は、温度、ガス種などによって変動する。ある一定時間後(Talt)、もう一方の圧電素子102(UP側)から音波を送信し、反対の圧電素子101(DOWN側)で受信する。この動作をある間隔(Tint)で繰り返す。 FIG. 15 shows transmission/reception waveforms of the ultrasonic flowmeter. The transmission waveform is a burst wave, and pulses are transmitted several times. A sound wave is transmitted from the piezoelectric element 101 (DOWN side), and after a propagation time (Tdelay), the other piezoelectric element 102 (UP side) receives a signal. Tdelay is determined by propagation distance, sound velocity, and fluid velocity. The speed of sound varies depending on temperature, gas species, and the like. After a certain period of time (Talt), a sound wave is transmitted from the other piezoelectric element 102 (UP side) and received by the opposite piezoelectric element 101 (DOWN side). This operation is repeated at intervals (Tint).
上述したように、超音波流量計では、伝播時間を計測するにあたって、比較器でゼロ点検出を行っている。この比較器が本発明でいうゼロ点検出装置に相当する。比較器は、入力される波形のゼロ点で正確にパルス出力する必要がある。入力波形は、基準電位を中心としてその電圧の大きさおよび向きが周期的に変化する信号であり、この信号の立ち上がり・立ち下がり両方のゼロ点を検出する。 As described above, in the ultrasonic flowmeter, the zero point is detected by the comparator when measuring the propagation time. This comparator corresponds to the zero point detection device referred to in the present invention. The comparator must pulse out exactly at the zero point of the incoming waveform. The input waveform is a signal whose voltage magnitude and direction change periodically around the reference potential, and the zero points of both rising and falling edges of this signal are detected.
比較器は、ノイズによる誤動作を避けるためにヒステリシスを設ける必要があり、単純な比較器では、立ち上がりと立ち下がりの両方のゼロ点を検出することはできない。また、伝播時間計測では、ノイズによる誤検出を避けるために、信号がある閾値(ゼロ点検出開始電圧)を超えた時点からゼロ点の検出を開始するという仕組みが必要である。さらに、後段の信号処理の観点から、検出したゼロ点が立ち上がりのゼロ点であるかの、立ち下がりのゼロ点であるのかを判断し、その判断結果を合わせて出力する必要がある。 A comparator must have hysteresis to avoid malfunction due to noise, and a simple comparator cannot detect both the rising and falling zero points. Also, in propagation time measurement, in order to avoid erroneous detection due to noise, a mechanism is required to start zero point detection when the signal exceeds a certain threshold (zero point detection start voltage). Furthermore, from the viewpoint of signal processing in the subsequent stage, it is necessary to determine whether the detected zero point is the rising zero point or the trailing zero point, and output the determination results together.
なお、特許文献1には、立ち上がり・立ち下がり両方のゼロ点を同じ極性で出力するコンパレータが示されている。この特許文献1に示されたコンパレータでは、エッジ検出器を用いることで、立ち上がりのゼロ点であるのか、立ち下がりのゼロ点であるのかを判断することができる。
Note that
しかし、この特許文献1に示されたコンパレータを超音波流量計における比較器(ゼロ点検出装置)として用いた場合、ゼロ点検出開始電圧を設定することができないために、比較器(ゼロ点検出装置)内に別途、ゼロ点検出開始判定のためのコンパレータを設ける必要がある。
However, when the comparator shown in
超音波流量計では、正確な時間計測を行うために、高速動作する比較器(ゼロ点検出装置)を必要とし、消費電力が大きくなる傾向がある。このような超音波流量計において、比較器(ゼロ点検出装置)内に複数のコンパレータを設けた場合、消費電力がさらに増大する。超音波流量計の消費電力の制約は厳しく、例えば電池駆動で10年保証が要求され、消費電力の増大は好ましくない。 Ultrasonic flowmeters require a high-speed comparator (zero-point detector) in order to accurately measure time, and tend to consume a large amount of power. In such an ultrasonic flowmeter, if a plurality of comparators are provided in a comparator (zero point detection device), power consumption will further increase. The power consumption of ultrasonic flowmeters is severely restricted, and for example, a 10-year warranty is required for battery-powered flowmeters, and an increase in power consumption is undesirable.
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、1つのコンパレータで、ゼロ点検出開始判定とゼロ点の検知を行い、立ち上がり・立ち下がり両方のゼロ点を同じ極性で出力することが可能な、消費電力の少ないゼロ点検出装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such problems, and its purpose is to perform zero point detection start determination and zero point detection with a single comparator, and to detect both rising and falling zero points. To provide a zero point detection device capable of outputting points with the same polarity and consuming less power.
このような目的を達成するために本発明は、大きさおよび向きが周期的に変化する電圧を入力電圧(VI)とし、この入力電圧の基準電圧(VREF)からの立ち上がり時点および立ち下がり時点をゼロ点として検出するゼロ点検出装置(100)において、基準電圧(VREF)と、基準電圧に対してプラス側に定められた第1の閾値電圧(VTHP)と、基準電圧に対してマイナス側に定められた第2の閾値電圧(VTHM)とを発生するように構成された基準電圧・閾値電圧発生回路(1)と、入力電圧(VI)、基準電圧(VREF)、第1の閾値電圧(VTHP)および第2の閾値電圧(VTHM)を入力とし、入力電圧が第1の閾値電圧を上回った後に基準電圧を下回った時点を立ち下がりのゼロ点として検出し、入力電圧が第2の閾値電圧を下回った後に基準電圧を上回った時点を立ち上がりのゼロ点として検出するように構成されたゼロ点検出部(2)とを備え、第1の閾値電圧(VTHP)は、立ち下がりのゼロ点から検出を開始する場合のゼロ点検出開始電圧(VTHSP)を兼ね、第2の閾値電圧(VTHM)は、立ち上がりのゼロ点から検出を開始する場合のゼロ点検出開始電圧(VTHSM)を兼ねていることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention uses a voltage whose magnitude and direction periodically change as an input voltage (VI), and defines the rising and falling times of this input voltage from a reference voltage (VREF). In a zero point detection device (100) for detecting as a zero point, a reference voltage (VREF), a first threshold voltage (VTHP) set on the positive side with respect to the reference voltage, and a voltage on the negative side with respect to the reference voltage. A reference voltage/threshold voltage generating circuit (1) configured to generate a predetermined second threshold voltage (VTHM), an input voltage (VI), a reference voltage (VREF), a first threshold voltage ( VTHP) and a second threshold voltage (VTHM) are input, and the point at which the input voltage falls below the reference voltage after exceeding the first threshold voltage is detected as the falling zero point. a zero point detection unit (2) configured to detect the point of time when the reference voltage is exceeded after falling below the voltage as the rising zero point, and the first threshold voltage (VTHP) is the falling zero point; The second threshold voltage (VTHM) also serves as the zero point detection start voltage (VTHSP) when starting detection from the rising zero point (VTHSM) when starting detection from the rising zero point. It is characterized by
本発明では、入力電圧が第1の閾値電圧を上回った後に基準電圧を下回った時点が立ち下がりのゼロ点として検出され、入力電圧が第2の閾値電圧を下回った後に基準電圧を上回った時点が立ち上がりのゼロ点として検出される。この場合、第1の閾値電圧は、立ち上がりのゼロ点を検出した後の次の立ち下がりのゼロ点を検出するまでの間に不感帯を作り、第2の閾値電圧は、立ち下がりのゼロ点を検出した後の次の立ち上がりのゼロ点を検出するまでの間に不感帯を作り、この不感帯がノイズによる誤動作を避けるためのヒステリシスとなる。また、第1の閾値電圧は、立ち下がりのゼロ点から検出を開始する場合のゼロ点検出開始電圧を兼ね、第2の閾値電圧は、立ち上がりのゼロ点から検出を開始する場合のゼロ点検出開始電圧を兼ねる。 In the present invention, the point at which the input voltage falls below the reference voltage after exceeding the first threshold voltage is detected as the falling zero point, and the point at which the input voltage exceeds the reference voltage after falling below the second threshold voltage. is detected as the rising zero point. In this case, the first threshold voltage creates a dead zone between the detection of the rising zero point and the detection of the next falling zero point, and the second threshold voltage detects the falling zero point. A dead zone is created until the next rising zero point is detected after detection, and this dead zone serves as hysteresis for avoiding malfunction due to noise. The first threshold voltage also serves as a zero point detection start voltage when detection is started from the zero point of falling edge, and the second threshold voltage is the zero point detection voltage when detection is started from zero point of rising edge. Also serves as the starting voltage.
これにより、本発明では、1つのコンパレータで、ゼロ点検出開始判定とゼロ点の検知を行い、立ち上がり・立ち下がり両方のゼロ点を同じ極性で出力させるようにすることが可能となる。なお、本発明において、ゼロ点の検出を開始する場合、立ち下がりのゼロ点から検出を開始させるようにしてもよいし、立ち上がりのゼロ点から検出を開始させるようにしてもよい。例えば、リセット信号やセット信号を用い、立ち下がりのゼロ点から検出を開始させるのか、立ち上がりのゼロ点から検出を開始させるのかを選択・設定するようにする。 As a result, in the present invention, it is possible to perform zero point detection start determination and zero point detection with one comparator, and to output both rising and falling zero points with the same polarity. In the present invention, when starting the detection of the zero point, the detection may be started from the falling zero point or from the rising zero point. For example, a reset signal or a set signal is used to select and set whether to start detection from the zero point of falling edge or from the zero point of rising edge.
なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。 In the above description, as an example, constituent elements on the drawings corresponding to constituent elements of the invention are indicated by parenthesized reference numerals.
以上説明したように、本発明によれば、入力電圧が第1の閾値電圧を上回った後に基準電圧を下回った時点を立ち下がりのゼロ点として検出し、入力電圧が第2の閾値電圧を下回った後に基準電圧を上回った時点を立ち上がりのゼロ点として検出するようにし、第1の閾値電圧を立ち下がりのゼロ点から検出を開始する場合のゼロ点検出開始電圧を兼ねるものとし、第2の閾値電圧を立ち上がりのゼロ点から検出を開始する場合のゼロ点検出開始電圧を兼ねるものとしたので、1つのコンパレータで、ゼロ点検出開始判定とゼロ点の検知を行い、立ち上がり・立ち下がり両方のゼロ点を同じ極性で出力することが可能となり、消費電力を少なくすることができるようになる。 As described above, according to the present invention, the time when the input voltage falls below the reference voltage after exceeding the first threshold voltage is detected as the falling zero point, and the input voltage falls below the second threshold voltage. After that, the time when the reference voltage is exceeded is detected as the rising zero point, and the first threshold voltage is also used as the zero point detection start voltage when starting the detection from the falling zero point. Since the threshold voltage is also used as the zero point detection start voltage when detection is started from the rising zero point, one comparator performs zero point detection start determination and zero point detection, and detects both rising and falling edges. It becomes possible to output the zero point with the same polarity, and power consumption can be reduced.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明の実施の形態に係るゼロ点検出装置100(100A)の要部を示す回路図である。このゼロ点検出装置100Aは、図13に示した超音波流量計における比較器105として用いられる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing essential parts of a zero point detection device 100 (100A) according to an embodiment of the present invention. This zero
本実施の形態のゼロ点検出装置100Aは、基準電圧・閾値電圧発生回路1とゼロ点検出部2とを備えており、ゼロ点検出部2はスイッチ部3とコンパレータ(比較器用アンプ)4とスイッチ制御部5とを備えている。
A zero-
このゼロ点検出装置100Aにおいて、基準電圧・閾値電圧発生回路1は、基準電圧VREFと、基準電圧VREFに対してプラス側に定められた第1の閾値電圧(+側閾値電圧)VTHPと、基準電圧VREFに対してマイナス側に定められた第2の閾値電圧(-側閾値電圧)VTHMとを発生し、基準電圧VREFを端子1aより出力し、+側閾値電圧VTHPを端子1bより出力し、-側閾値電圧VTHMを端子1cより出力する。
In this zero
スイッチ部3は、スイッチSW1~SW6を備えており、スイッチSW1およびSW2の一端は入力端子PI1に接続されている。入力端子PI1には、図13に示した圧電素子102で受信された音波の受信波形が入力される。すなわち、大きさおよび向きが周期的に変化する電圧が入力電圧VIとして入力される。
The
スイッチ部3において、スイッチSW3の一端は基準電圧・閾値電圧発生回路1の+側閾値電圧VTHPが入力される端子1bに、スイッチSW4およびSW5の一端は基準電圧・閾値電圧発生回路1の基準電圧VREFが出力される端子1aに、スイッチSW6の一端は基準電圧・閾値電圧発生回路1の-側閾値電圧VTHMが入力される端子1cに接続されている。スイッチSW1およびSW5,SW6の他端はコンパレータ4の非反転入力端に接続され、スイッチSW2およびSW3,SW4の他端はコンパレータ4の反転入力端に接続されている。
In the
スイッチ制御部5は、インバータ回路6と、NOR回路7_1~7_4と、Dフリップフロップ回路8とを備えている。インバータ回路6の入力端はコンパレータ4の出力端に接続されており、インバータ回路6の出力端はDフリップフロップ回路8のクロック入力端子に接続されている。Dフリップフロップ回路8のQ出力端子は出力端子PO2に接続され、Dフリップフロップ回路8のQバー出力端子はDフリップフロップ回路8のD入力端子に接続され、Dフリップフロップ回路8のリセット端子は入力端子PI2に接続されている。また、インバータ回路6の出力端とDフリップフロップ回路8のクロック入力端子との接続ラインに、出力端子PO1が接続されている。
The
このスイッチ制御部5では、Dフリップフロップ回路8のQ出力が電圧VQとして出力端子PO2から出力される。また、インバータ回路6の出力端に生じる電圧が電圧VOとして出力端子PO1から出力される。なお、後述するが、出力端子PO1から出力される電圧VOはゼロ点を示す信号(ゼロ点検出信号)とされ、出力端子PO2から出力される電圧VQは、立ち下がりのゼロ点であるのか、立ち上がりのゼロ点であるのかを示す信号とされる。また、立ち下がりのゼロ点から検出を開始することを選択・設定する信号として、入力端子PI2からDフリップフロップ回路8へリセット信号RNが入力される。
In the
スイッチ制御部5において、NOR回路7_1は、コンパレータ4の出力電圧VOXと、Dフリップフロップ回路8のQ出力(電圧VQ)とを入力とし、論理電圧VOPXを出力する。NOR回路7_2は、インバータ回路6の出力電圧VOと、Dフリップフロップ回路8のQ出力(電圧VQ)とを入力とし、論理電圧VOPを出力する。NOR回路7_3は、インバータ回路6の出力電圧VOと、Dフリップフロップ回路8のQバー出力(電圧VQN)とを入力とし、論理電圧VOMを出力する。NOR回路7_4は、コンパレータ4の出力電圧VOXと、Dフリップフロップ回路8のQバー出力(電圧VQN)とを入力とし、論理電圧VOMXを出力する。
In the
スイッチ部3において、スイッチSW1は、Dフリップフロップ回路8のQバー出力(電圧VQN)が「H」レベルとなった場合にオンとされ、「L」レベルとなった場合にオフとされる。スイッチSW2は、Dフリップフロップ回路8のQ出力(電圧VQ)が「H」レベルとなった場合にオンとされ、「L」レベルとなった場合にオフとされる。スイッチSW3は、NOR回路7_1からの論理電圧VOPXが「H」レベルとなった場合にオンとされ、「L」レベルとなった場合にオフとされる。スイッチSW4は、NOR回路7_2からの論理電圧VOPが「H」レベルとなった場合にオンとされ、「L」レベルとなった場合にオフとされる。スイッチSW5は、NOR回路7_3からの論理電圧VOMが「H」レベルとなった場合にオンとされ、「L」レベルとなった場合にオフとされる。スイッチSW6は、NOR回路7_4からの論理電圧VOMXが「H」レベルとなった場合にオンとされ、「L」レベルとなった場合にオフとされる。
In the
図2に、このゼロ点検出装置100Aの入出力波形を示す。図2(a)は入力端子PI1に入力される入力電圧VIを示し、図2(b)は入力端子PI2に入力されるリセット信号RNを示し、図2(c)は出力端子PO2から出力される電圧VQ(Dフリップフロップ回路8のQ出力)を示し、図2(d)は出力端子PO1から出力される電圧VO(インバータ回路6の出力電圧)を示す。 FIG. 2 shows input and output waveforms of this zero point detection device 100A. 2(a) shows the input voltage VI inputted to the input terminal PI1, FIG. 2(b) shows the reset signal RN inputted to the input terminal PI2, and FIG. 2(c) shows the reset signal RN outputted from the output terminal PO2. FIG. 2D shows the voltage VQ (the Q output of the D flip-flop circuit 8) which is output from the output terminal PO1 (the output voltage of the inverter circuit 6).
このゼロ点検出装置100Aでは、先ず、Dフリップフロップ回路8へリセット信号RNを与える。すなわち、Dフリップフロップ回路8へのリセット信号RNを「H」レベルとする(図2:t0点)。これにより、Dフリップフロップ回路8がリセット状態とされ、Dフリップフロップ回路8のQ出力(電圧VQ)が「L」レベル、Qバー出力(電圧VQN)が「H」レベルとなる。また、NOR回路7_1が出力する論理電圧VOPXが「H」レベルとなる(図3参照)。なお、この例では、Dフリップフロップ回路8へリセット信号RNを与える前の状態として、電圧VQは「L」レベル、電圧VOは「H」レベルとなっているものとする。
In this zero
これにより、スイッチ部3において、スイッチSW1とSW3がオンとされ、コンパレータ4の非反転入力端に入力電圧VIが入力されるようになり、コンパレータ4の反転入力端に+側閾値電圧VTHPが設定されるものとなる。このスイッチSW1とSW3をオンとするスイッチ制御部5によるスイッチ部3の動作の制御状態を第1の制御モードM1と呼ぶ。
As a result, the switches SW1 and SW3 in the
この第1の制御モードM1では、コンパレータ4の反転入力端に+側閾値電圧VTHPが設定される。これにより、後述するように、立ち下がりのゼロ点から検出が開始されるものとなる。本実施の形態では、ゼロ点の検出を開始するにあたって、リセット信号RNを使用してDフリップフロップ回路8をリセット状態とし、立ち下がりのゼロ点から検出を開始することを選択・設定している。
In this first control mode M1, the positive side threshold voltage VTHP is set to the inverting input terminal of the
この第1の制御モードM1では、入力電圧VIが+側閾値電圧VTHPを超えるまで(図2:t0~t1点)、コンパレータ4の出力電圧VOXは「L」レベルを維持する。入力電圧VIが+側閾値電圧VTHPを超えると(図2:t1点)、コンパレータ4の出力電圧VOXが「H」レベルとなり、インバータ回路6の出力電圧VOが「L」レベルとなる(図4参照)。このため、NOR回路7_1が出力する論理電圧VOPXが「L」レベルとなり、NOR回路7_2が出力する論理電圧VOPが「H」レベルとなる。
In this first control mode M1, the output voltage VOX of the
これにより、スイッチ部3において、スイッチSW3がオフとされ、スイッチSW4がオンとされ、コンパレータ4の反転入力端へ設定される電圧が+側閾値電圧VTHPから基準電圧VREFに切り替えられる。なお、スイッチSW1は、電圧VQNが「H」レベルの状態を維持しているので、オンの状態を保ち、コンパレータ4の非反転入力端には入力電圧VIが入力され続ける。このスイッチSW1とSW4をオンとするスイッチ制御部5によるスイッチ部3の動作の制御状態を第2の制御モードM2と呼ぶ。
As a result, in the
この第2の制御モードM2では、入力電圧VIが基準電圧VREFを下回るまで(図2:t1~t2点)、コンパレータ4の出力電圧VOXが「H」レベルを保ち、インバータ回路6の出力電圧VOが「L」レベルを保つ。入力電圧VIが基準電圧VREFを下回ると(図2:t2点)、コンパレータ4の出力電圧VOXが「L」レベルとなり、インバータ回路6の出力電圧VOが「H」レベルとなる(図5参照)。
In this second control mode M2, until the input voltage VI falls below the reference voltage VREF (FIG. 2: points t1 to t2), the output voltage VOX of the
インバータ回路6の出力電圧VOが「H」レベルとなると、Dフリップフロップ回路8のQ出力(電圧VQ)が「H」レベル、Qバー出力(電圧VQN)が「L」レベルとなり、NOR回路7_2が出力する論理電圧VOPが「L」レベル、NOR回路7_4が出力する論理電圧VOMXが「H」レベルとなる。
When the output voltage VO of the
これにより、スイッチ部3において、スイッチSW1,SW4がオフとされ、スイッチSW2,SW6がオンとされ、コンパレータ4の反転入力端に入力電圧VIが入力されるようになり、コンパレータ4の非反転入力端に-側閾値電圧VTHMが設定されるものとなる。このスイッチSW2とSW6をオンとするスイッチ制御部5によるスイッチ部3の動作の制御状態を第3の制御モードM3と呼ぶ。
As a result, in the
この第3の制御モードM3では、入力電圧VIが-側閾値電圧VTHMを下回るまで(図2:t2~t3点)、コンパレータ4の出力電圧VOXが「L」レベルとなり、インバータ回路6の出力電圧VOが「H」レベルを保つ。入力電圧VIが-側閾値電圧VTHMを下回ると(図2:t3点)、コンパレータ4の出力電圧VOXが「H」レベルとなり、インバータ回路6の出力電圧VOが「L」レベルとなる(図6参照)。このため、NOR回路7_4が出力する論理電圧VOMXが「L」レベルとなり、NOR回路7_3が出力する論理電圧VOMが「H」レベルとなる。
In the third control mode M3, the output voltage VOX of the
これにより、スイッチ部3において、スイッチSW6がオフとされ、スイッチSW5がオンとされ、コンパレータ4の非反転入力端へ設定される電圧が-側閾値電圧VTHMから基準電圧VREFに切り替えられる。なお、スイッチSW2は、電圧VQが「H」レベルの状態を維持しているので、オンの状態を保ち、コンパレータ4の反転入力端には入力電圧VIが入力され続ける。このスイッチSW2とSW5をオンとするスイッチ制御部5によるスイッチ部3の動作の制御状態を第4の制御モードM4と呼ぶ。
As a result, in the
この第4の制御モードM4では、入力電圧VIが基準電圧VREFを上回るまで(図2:t3~t4点)、コンパレータ4の出力電圧VOXが「H」レベルを保ち、インバータ回路6の出力電圧VOが「L」レベルを保つ。入力電圧VIが基準電圧VREFを上回ると(図2:t4点)、コンパレータ4の出力電圧VOXが「L」レベルとなり、インバータ回路6の出力電圧VOが「H」レベルとなる(図7参照)。
In the fourth control mode M4, until the input voltage VI exceeds the reference voltage VREF (Fig. 2: points t3 to t4), the output voltage VOX of the
インバータ回路6の出力電圧VOが「H」レベルとなると、Dフリップフロップ回路8のQ出力(電圧VQ)が「L」レベル、Qバー出力(電圧VQN)が「H」レベルとなり、NOR回路7_1が出力する論理電圧VOPXが「H」レベル、NOR回路7_3が出力する論理電圧VOMが「L」レベルとなる。
When the output voltage VO of the
これにより、スイッチ部3において、スイッチSW2,SW5がオフとされ、スイッチSW1,SW3がオンとされ、コンパレータ4の非反転入力端に入力電圧VIが入力されるようになり、コンパレータ4の反転入力端に+側閾値電圧VTHPが設定されるようになる。すなわち、スイッチ制御部5によるスイッチ部3の動作の制御状態が第1の制御モードM1に戻るものとなる。以下同様にして、スイッチ制御部5は、第1の制御モードM1、第2の制御モードM2、第3の制御モードM3、第4の制御モードM4の順でスイッチ部3の動作の制御を繰り返す。
As a result, in the
このようにして、本実施の形態のゼロ点検出装置100Aでは、入力電圧VIの波形が基準電圧VREFとクロスする毎に電圧VOが「H」レベルとなり、この立ち上がり、立ち下がりともに同じ極性で変化する電圧VOがゼロ点検出信号として、出力端子PO1より得られるものとなる。また、立ち下がりのゼロ点検出時は電圧VQが「H」レベルへと変化し、立ち上がりのゼロ点検出時は電圧VQが「L」レベルへと変化し、このゼロ点検出時にレベルが変化する電圧VQが、検出されたゼロ点が立ち下がりのゼロ点であるのか、立ち上がりのゼロ点であるのかを示す信号として、出力端子PO2より得られるものとなる。
In this manner, in the zero-
このゼロ点検出装置100Aでは、入力電圧VIが+側閾値電圧VTHPを上回った後に基準電圧VREFを下回った時点が立ち下がりのゼロ点ZPDとして検出され、入力電圧VIが-側閾値電圧VTHMを下回った後に基準電圧VREFを上回った時点が立ち上がりのゼロ点ZPUとして検出される。この場合、+側閾値電圧VTHPは、立ち上がりのゼロ点ZPUを検出した後の次の立ち下がりのゼロ点ZPDを検出するまでの間に不感帯αを作り、-側閾値電圧VTHMは、立ち下がりのゼロ点ZPDを検出した後の次の立ち上がりのゼロ点ZPUを検出するまでの間に不感帯βを作り、この不感帯α,βがノイズによる誤動作を避けるためのヒステリシスとなる。また、このゼロ点検出装置100Aにおいて、+側閾値電圧VTHPは、立ち下がりのゼロ点ZPDから検出を開始する場合のゼロ点検出開始電圧VTHSPを兼ねている。これにより、ノイズの影響を削減し、正確な時間計測を行うことが可能となる。
In this zero
このようにして、本実施の形態のゼロ点検出装置100Aによれば、1つのコンパレータ(比較器用アンプ)4で、ゼロ点検出開始判定とゼロ点の検知を行い、立ち上がり・立ち下がり両方のゼロ点を同じ極性で出力することができ、消費電力を少なくすることができるようになる。
In this way, according to the zero
なお、上述した実施の形態では、リセット信号RNを使用してDフリップフロップ回路8をリセット状態とし、立ち下がりのゼロ点から検出を開始することを選択・設定するようにしたが、Dフリップフロップ回路8へのセット信号(図示せず)を使用してDフリップフロップ回路8をセット状態とし、立ち上がりのゼロ点から検出を開始することを選択・設定するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the reset signal RN is used to reset the D flip-
この場合、図8に示すように、第3の制御モードM3、第4の制御モードM4、第1の制御モードM1、第2の制御モードM2の順で、スイッチ部3の動作の制御を繰り返すようにする。この場合、-側閾値電圧VTHMが立ち上がりのゼロ点から検出を開始する場合のゼロ点検出開始電圧VTHSMを兼ねるものとなる。
In this case, as shown in FIG. 8, control of the operation of the
また、図9に示すゼロ点検出装置100(100B)のように、コンパレータ4の非反転入力端への電圧の入力ラインにコンデンサCを接続し、コンパレータ4の非反転入力端に生じるオフセット電圧をキャンセルするようにしてもよい。 Further, like the zero point detection device 100 (100B) shown in FIG. You may make it cancel.
このゼロ点検出装置100Bでは、スイッチSWA1,SWA2,SWA3とスイッチSWB1,SWB2とを設け、クロック(オフセットキャンセル機能のクロック)CLK_CMPを反転した信号をSELとし、このSELをさらに反転した信号をSELBとして、SELが「H」レベルの場合にスイッチSWA1,SWA2,SWA3をオンとし、SELBが「H」レベルの場合にスイッチSWB1,SWB2をオンとするようにして、コンデンサCにオフセット電圧を記憶させ、オフセットキャンセル機能を得るようにしている。
In this zero
図10に、コンパレータ(アンプ)4を中心とする周辺の回路を抜粋して示す。クロックCLK_CMPを「L」レベルとすると(図11参照)、スイッチSWA1,SWA2,SWA3がオンとなる。この時、コンパレータ4はボルテージフォロワ回路になり、Vo=A・(VR+Vos-Vo)として与えられる。なお、Voはコンパレータ4の出力(アンプ出力)、VRは端子1aの電圧、Vosはコンパレータ4の非反転入力端に生じるオフセット電圧、Aはコンパレータ(アンプ)4の増幅率である。
FIG. 10 shows an excerpt from a peripheral circuit centered on the comparator (amplifier) 4 . When the clock CLK_CMP is set to "L" level (see FIG. 11), the switches SWA1, SWA2 and SWA3 are turned on. At this time, the
この場合、コンデンサCの電荷保存により、C・(VR-(A/(A+1))・(VR+Vos))=C・(VA-VIN)となる。なお、VAはコンデンサCのコンパレータ4の非反転入力端側の電圧であり、VINは端子PI1の電圧である。
In this case, due to the conservation of charge in the capacitor C, C·(V R −(A/(A+1))·(V R +V os ))=C·(V A −V IN ). VA is the voltage at the non-inverting input terminal of the
クロックCLK_CMPを「H」レベルとすると(図12参照)、スイッチSWB1,SWB2がオンとなる。この場合、VA=VIN+(1/(1+A))・VR-(A/(1+A))・Vos≒VIN-Vosとなる。これにより、コンパレータ4の非反転入力端には、オフセット電圧Vosがキャンセルされた電圧VINが入力されるものとなる。
When the clock CLK_CMP is set to "H" level (see FIG. 12), the switches SWB1 and SWB2 are turned on. In this case, V A =V IN +(1/(1+A)).V R -(A/(1+A)).V os ≈V IN -V os . As a result, the non-inverting input terminal of the
上述した実施の形態では、本発明に係るゼロ点検出装置を超音波流量計に利用した例として説明したが、音波,光などの時間計測を行うアプリケーション全般に利用することができる。また、時間計測に限られるものでなく、大きさおよび向きが周期的に変化する電圧を入力電圧とする各種の信号処理に用いることも可能である。 In the above-described embodiment, the zero-point detection device according to the present invention has been described as an example of using it in an ultrasonic flowmeter, but it can be used in general applications for time measurement of sound waves, light, and the like. In addition, the present invention is not limited to time measurement, and can be used for various kinds of signal processing using a voltage whose magnitude and direction change periodically as an input voltage.
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
[Expansion of Embodiment]
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the technical idea of the present invention.
1…基準電圧・閾値電圧発生回路、2…ゼロ点検出部、3…スイッチ部、4…コンパレータ、5…スイッチ制御部、6…インバータ回路、7_1~7_4…NOR回路、8…Dフリップフロップ回路、M1…第1の制御モード、M2…第2の制御モード、M3…第3の制御モード、M4…第4の制御モード、VREF…基準電圧、VTHP…第1の閾値電圧(+側閾値電圧)、VTHM…第2の閾値電圧(-側閾値電圧)、VTHSP,VTHSM…ゼロ点検出開始電圧、ZPD…立ち下がりのゼロ点、ZPU…立ち上がりのゼロ点、α,β…不感帯、C…コンデンサ、100(100A,100B)…ゼロ点検出装置。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記基準電圧と、前記基準電圧に対してプラス側に定められた第1の閾値電圧と、前記基準電圧に対してマイナス側に定められた第2の閾値電圧とを発生するように構成された基準電圧・閾値電圧発生回路と、
前記入力電圧、前記基準電圧、前記第1の閾値電圧および前記第2の閾値電圧を入力とし、前記入力電圧が前記第1の閾値電圧を上回った後に前記基準電圧を下回った時点を立ち下がりのゼロ点として検出し、前記入力電圧が前記第2の閾値電圧を下回った後に前記基準電圧を上回った時点を立ち上がりのゼロ点として検出するように構成されたゼロ点検出部とを備え、
前記第1の閾値電圧は、
前記立ち下がりのゼロ点から検出を開始する場合のゼロ点検出開始電圧を兼ね、
前記第2の閾値電圧は、
前記立ち上がりのゼロ点から検出を開始する場合のゼロ点検出開始電圧を兼ね、
前記ゼロ点検出部は、
前記入力電圧、前記基準電圧、前記第1の閾値電圧および前記第2の閾値電圧を入力とするスイッチ部と、
前記スイッチ部の動作を制御するスイッチ制御部と、
前記スイッチ部と前記スイッチ制御部との間に設けられた唯一のコンパレータとを備え、
前記スイッチ制御部は、
前記コンパレータの非反転入力端に前記入力電圧を与え、前記コンパレータの反転入力端に前記第1の閾値電圧を与えるように前記スイッチ部の動作を制御する第1の制御モードと、
前記第1の制御モードによって前記スイッチ部の動作を制御した後、前記コンパレータの出力が「H」レベルとなった場合、前記コンパレータの非反転入力端に前記入力電圧を与えるようにしたままの状態で、前記コンパレータの反転入力端に前記基準電圧を与えるように前記スイッチ部の動作を制御する第2の制御モードと、
前記コンパレータの反転入力端に前記入力電圧を与え、前記コンパレータの非反転入力端に前記第2の閾値電圧を与えるように前記スイッチ部の動作を制御する第3の制御モードと、
前記第3の制御モードによって前記スイッチ部の動作を制御した後、前記コンパレータの出力が「H」レベルとなった場合、前記コンパレータの反転入力端に前記入力電圧を与えるようにしたままの状態で、前記コンパレータの非反転入力端に前記基準電圧を与えるように前記スイッチ部の動作を制御する第4の制御モードとを備え、
前記第2の制御モードによって前記スイッチ部の動作を制御した後、前記コンパレータの出力が「L」レベルとなった場合、その点を前記立ち下がりのゼロ点として検出し、
前記第4の制御モードによって前記スイッチ部の動作を制御した後、前記コンパレータの出力が「L」レベルとなった場合、その点を前記立ち上がりのゼロ点として検出する
ことを特徴とするゼロ点検出装置。 A zero-point detection device that receives a voltage whose magnitude and direction periodically change as an input voltage and detects the rising and falling times of the input voltage from a reference voltage as zero points,
configured to generate the reference voltage, a first threshold voltage determined on the positive side with respect to the reference voltage, and a second threshold voltage determined on the negative side with respect to the reference voltage a reference voltage/threshold voltage generating circuit;
The input voltage, the reference voltage, the first threshold voltage, and the second threshold voltage are used as inputs, and the fall occurs at the time when the input voltage exceeds the first threshold voltage and then falls below the reference voltage. A zero point detection unit configured to detect as a zero point and detect a time point when the input voltage exceeds the reference voltage after falling below the second threshold voltage as a rising zero point,
The first threshold voltage is
Also serves as a zero point detection start voltage when detection is started from the zero point of the falling edge,
The second threshold voltage is
Also serves as a zero point detection start voltage when starting detection from the zero point of the rise ,
The zero point detection unit is
a switch unit that receives the input voltage, the reference voltage, the first threshold voltage, and the second threshold voltage;
a switch control unit that controls the operation of the switch unit;
A sole comparator provided between the switch unit and the switch control unit,
The switch control unit
a first control mode for controlling the operation of the switch unit so that the input voltage is applied to the non-inverting input terminal of the comparator and the first threshold voltage is applied to the inverting input terminal of the comparator;
A state in which the input voltage is applied to the non-inverting input terminal of the comparator when the output of the comparator becomes "H" level after the operation of the switch section is controlled by the first control mode. a second control mode for controlling the operation of the switch section so as to apply the reference voltage to the inverting input terminal of the comparator;
a third control mode for controlling the operation of the switch unit so that the input voltage is applied to the inverting input terminal of the comparator and the second threshold voltage is applied to the non-inverting input terminal of the comparator;
When the output of the comparator becomes "H" level after the operation of the switch section is controlled by the third control mode, the input voltage is applied to the inverting input terminal of the comparator. and a fourth control mode for controlling the operation of the switch unit so as to apply the reference voltage to the non-inverting input terminal of the comparator,
After controlling the operation of the switch section in the second control mode, when the output of the comparator becomes "L" level, detecting that point as the falling zero point,
After the operation of the switch section is controlled by the fourth control mode, when the output of the comparator becomes "L" level, that point is detected as the zero point of the rise.
A zero point detection device characterized by:
前記コンパレータの非反転入力端への電圧の入力ラインに、前記コンパレータの非反転入力端に生じるオフセット電圧をキャンセルするコンデンサが接続されている
ことを特徴とするゼロ点検出装置。 In the zero point detection device according to claim 1 ,
A zero point detection device, wherein a capacitor for canceling an offset voltage generated at the non-inverting input terminal of the comparator is connected to a voltage input line to the non-inverting input terminal of the comparator.
前記ゼロ点検出部は、
前記立ち下がりのゼロ点から検出を開始するのか、前記立ち上がりのゼロ点から検出する開始するのかの選択・設定部を備えている
ことを特徴とするゼロ点検出装置。 In the zero point detection device according to claim 1 or claim 2 ,
The zero point detection unit is
A zero-point detection device comprising a selection/setting unit for starting detection from the zero point of the trailing edge or from the zero point of the rising edge.
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