(57)【要約】  本発明は、同期検波により、信号の基準レベルが良く分からず、大きい変動を受けやすい、弱い信号を測定するための電子回路に関する。  第１の相関二重サンプリングが、測定パルスの開始直前の時間Ｔ１と測定パルスの終了直前の時間Ｔ２との間に遂行され、その後、第２の相関二重サンプリングが、時間Ｔ２と測定パルスの終了後の時間Ｔ３との間に遂行される。最後に、２つの測定から生じた信号レベルの間の差がとられ、この差は、時間Ｔ１の基準レベルと時間Ｔ３の基準レベルの中間にある基準レベルに対して考えられる信号値Ｖｍの表示である。  適用形態。周囲照明に重ね合わされた光パルスの放出及び受信された光の同期検波による、光透過又は光が通過する媒体の反射係数の測定。【選択図】      図６
2007534952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定パルスとの同期を検出する測定方法であり、
有効信号の値を判断するために、測定すべき信号の一時的増加を引き起こす短い測定パルスとの同期の検出が行われる、測定方法であって、
前記測定すべき信号の基準レベルの、前記パルスの持続時間に渡る、ばらつきの影響を一部分相殺するために、サンプルホールド回路において、
前記測定パルスの開始直前の時間Ｔ１と前記測定パルスの終了直前の時間Ｔ２との間に第１の相関二重サンプリングを遂行するステップであって、該二重サンプリングで、前記パルスの開始前の基準レベルＶ１に対して考えられる信号測定値Ｖｍが供給される、ステップと、
時間Ｔ２と前記測定パルスの終了後の時間Ｔ３との間に第２の相関二重サンプリングを遂行するステップであって、該第２のサンプリングで、前記パルスの終了後に存在する基準レベルＶ３に対して考えられる前記信号測定値Ｖｍの表示が供給される、ステップと、
前記２つの測定から生じた信号レベルの間の差を確立するステップであって、該差が、時間Ｔ１の前記基準レベルと時間Ｔ３の前記基準レベルの中間にある基準レベルに対して考えられる前記信号値Ｖｍの表示である、ステップとを含むことを特徴とする測定方法。
【請求項２】
時間間隔Ｔ３−Ｔ２が、Ｔ２−Ｔ１に実質的に等しいことを特徴とする請求項１に記載の測定方法。
【請求項３】
時間間隔Ｔ３−Ｔ２が、前記測定パルスの持続時間に実質的に等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の測定方法。
【請求項４】
時間間隔Ｔ２−Ｔ１が、Ｔ１−Ｔ０に実質的に等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の測定方法。
【請求項５】
時間間隔Ｔ２−Ｔ１が、前記測定パルスの持続時間に実質的に等しいことを特徴とする請求項４に記載の測定方法。
【請求項６】
車両のフロントガラス上の雨の検出に適用され、前記測定パルスが、前記フロントガラスの方に放出され、かつ前記フロントガラス上の雨の有無に依存する反射係数で反射した光パルスであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の測定方法。
【請求項７】
少なくとも１つのサンプルホールドを備えた、測定すべき信号の一時的増加を引き起こす測定パルスとの同期を検出する測定装置であって、
前記サンプルホールドを用いて、
前記測定パルスの開始直前の時間Ｔ１と前記測定パルスの終了直前の時間Ｔ２との間の、第１の相関二重サンプリングであって、該第１の相関二重サンプリングで、前記パルスの開始前に基準レベルＶ１に対して考えられる信号測定値Ｖｍが供給される、第１の相関二重サンプリングと、
時間Ｔ２と前記測定パルスの終了後の時間Ｔ３との間の（好ましくはＴ３−Ｔ２＝Ｔ２−Ｔ１）、第２の相関二重サンプリングであって、該第２のサンプリングで、前記パルスの終了後に存在する基準レベルＶ３に対して考えられる前記信号測定値Ｖｍの表示が供給される、第２の相関二重サンプリングと、
を遂行するために、前記測定パルスと同期される切換手段を備え、
前記測定装置が、前記２つの測定から生じた信号レベルの間の差を確立する手段を備え、該差が、時間Ｔ１の前記基準レベルと時間Ｔ３の前記基準レベルの中間にある基準レベルに対して考えられる前記信号値Ｖｍの表示であることを特徴とする測定装置。
【請求項８】
前記電圧レベルＶ１−Ｖｍ及びＶｍ−Ｖ３を確立する２つのサンプルホールド（ＥＣＨ１、ＥＣＨ２）と、前記求められる差を遂行するために前記サンプリング回路の出力部に減算器とを備えることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記サンプルホールドが、異なっており、２つの入力部と２つの出力部とを有する差動増幅器（ＡＭＰａ、ＡＭＰｂ）を備え、それぞれの入力部が、該入力部の上流に置かれた第１の及び第２の入力コンデンサ（Ｃｅａ１、Ｃｅａ２；Ｃｅｂ１、Ｃｅｂ２）に関連付けられ、前記増幅器の入力部とこれに対応する出力部との間に接続された積分コンデンサ（Ｃｓａ、Ｃｓｂ）に関連付けられ、前記第１の入力コンデンサに接続された前記サンプリング回路の信号入力部が、前記第２の入力コンデンサに接続された信号入力部と交差し、前記切換手段が、
最初に、前記第１の入力コンデンサにわたって、時間Ｔ１に前記基準信号Ｖ１を表す差動入力電圧Ｖ１ｐ−Ｖ１ｎを印加し、後に、時間Ｔ２に前記測定信号Ｖｍを表す差動入力電圧Ｖｍｐ−Ｖｍｎを印加することにより、前記積分コンデンサ及び前記第１の入力コンデンサを使用する相関二重サンプルホールドとして前記サンプルホールドを動作させる手段（Ｋ１ａ、Ｋ’１ａ、Ｋ１ｂ、Ｋ’１ｂ）と、
最初に、前記第２の入力コンデンサにわたって、時間Ｔ２に有効信号の逆数−Ｖｍを表す差動入力電圧Ｖｍｎ−Ｖｍｐを印加し、後に、時間Ｔ３に前記基準信号の逆数−Ｖ３を表す差動入力電圧Ｖ３ｎ−Ｖ３ｐを印加することにより、前記積分コンデンサ及び前記第２の入力コンデンサを使用する、相関二重サンプリング回路として前記差動サンプルホールドを動作させる手段（Ｋ２ａ、Ｋ’２ａ、Ｋ２ｂ、Ｋ’２ｂ）とを備えることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
演算増幅器に、前記積分コンデンサを周期的に放電するためのスイッチ（Ｋ”１ａ、Ｋ”１ｂ）が装備されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記差動サンプリング回路の前記出力信号の平均値の逆数を表す電圧をそれぞれの演算増幅器の１つの入力部に周期的に印加する手段（ＦＬ）が設けられることを特徴とする請求項１０に記載の装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号の基準レベルが良く分からず、大きい変動を受けやすい、弱い信号を測定するための電子回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
想定される代表的な適用形態には、発光セル及び感光セルを用いた、光透過又は光が通過する媒体の反射係数の測定、又はこのような透過又は反射係数のばらつきの測定がある。未知の可変発光体の周囲照明、又は発光セルによって作られる照明よりはるかに大きい輝度の周囲照明が存在する場合、測定が容易ではないことが理解されよう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この欠点を克服するために、同期測定が遂行される。即ち、発光セルが周期的な光パルスを放出し、感光セルによって受信された信号が放出時間中に観察され、さらに、２つの異なる時間に、即ちパルスの開始直前に及びパルスの終了直前に、示差測定が行われる。次いで、測定信号の差が、特に発光セルによって作られ、測定すべき媒体を通過してきた光による照明の増加を表す。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この示差測定は、信号がサンプルホールドを用いて測定される場合、「相関二重サンプリング」と呼ばれる。特に、アナログ形式で得られた、測定から生じた信号（これは感光セルの場合である）を、アナログ／ディジタル変換器によりディジタル値に変換しなければならない場合に、サンプルホールドが使用される。この場合、サンプルホールドは、示差測定を直接遂行するよう設計される。言い換えれば、照明のそれぞれの測定値ではなく、パルスの開始直前に行われた測定値とパルスの終了直前の測定値との間の差を表す電圧値を直接送る。
【０００５】
図１は、このような直接の示差測定を行うことができるサンプルホールドの概略回路図の一例を示している。入力部Ｅは、光パルスのないところに存在する、未知の、周囲照明を表す、基準レベルＶｒに等しい測定信号Ｖｅ（たとえば感光セルによって作られた信号）を受信する。入力部Ｅは、入力コンデンサＣｅ１の第１の端末に接続され、その第２の端末は、スイッチＫ１を介して地面に又はスイッチＫ’１を介して演算増幅器ＡＭＰの反転入力部（−）に接続される。高い利得及び高い入力インピーダンスを有する演算増幅器は、地面に接続された非反転入力部（＋）を有し、その２つの入力部は、実際には大地電位であると考えられる。積分コンデンサＣｓ１が、演算増幅器の反転入力部と出力部Ｓとの間に接続されている。周期的に放電するために、スイッチＫ”１で積分コンデンサＣｓ１を短絡させることができる。
【０００６】
スイッチＫ１及びＫ”１は、発光セルによって放出された光パルスの直前に終了するリセット段階Ｈ１中に、スイッチＫ’１が開放されると同時に閉じられる。したがって、入力コンデンサＣｅ１は、光パルスの直前に入力部に存在する基準電圧Ｖｅ＝Ｖｒまで充電し、積分コンデンサＣｓ１は完全に放電される。次いで、リセット段階後のサンプリング段階Ｈ２中に、スイッチＫ１及びＫ”１は開放され、スイッチＫ’１は閉じられる。この段階Ｈ２中に、光パルスが放出される。サンプリング段階は、光パルスの終了前に終了するが、光電セルからの信号が安定した時にのみである。次いで、入力部Ｅの電圧ＶｅはＶｍとなり、これは、光パルスによるＶｒとは異なる。
【０００７】
コンデンサＣｅ１及びＣｓ１の結合され絶縁された電極の電荷（総電荷Ｃｅ１Ｖｒ）を保存することにより、電荷がコンデンサＣｅ１とコンデンサＣｓ１とに分割され、増幅器の反転入力部の電位を実質的に地面に保持することにより、出力部Ｓがとる電位は、Ｖｓ＝−Ｃｅ１（Ｖｍ−Ｖｒ）／Ｃｓ１となる。
【０００８】
したがって、この出力電位Ｖｓは、Ｃｅ１とＣｓ１とが等しい場合には、Ｖｍ−Ｖｒの逆数に等しい。等しくない場合には、−（Ｖｍ−Ｖｒ）に比例する。
【０００９】
出力電位Ｖｓは、その後、保持段階中（すべてのスイッチＫ１、Ｋ’１、Ｋ”１が開放されている場合は、サンプリング期間Ｈ２の終了後）維持される。次の期間Ｈ１までその値に保たれたこの電位は、Ｖｍ−Ｖｒに比例するので、アナログ／ディジタル変換に使用され得る。これは、周囲光のレベルに関係のない、まさに光パルスによる信号差を表している。
【００１０】
図２は、図１の回路のオペレーションに対応する信号タイミング図を示している。即ち、
ラインａは、周期的な光パルス放出時間間隔を表し、
ラインｂは、感光セルによって検波された信号を表し、光パルスの直前の周囲光による信号レベルは、Ｖｅ＝Ｖｒであり、光パルスの終了時に測定された信号Ｖｍは、周囲照明と光パルスによる照明との加算を表し、
ラインｃは、リセット段階Ｈ１に対応する、スイッチＫ１及びＫ”１の制御期間を表し、その持続時間は、たとえば、光パルスの持続時間と同じであるが、光パルスの開始前の時間にＴ０に開始し、光パルスの終了直前の時間Ｔ１に終了し、
ラインｄは、スイッチＫ’１を制御するサンプリング信号Ｈ２を表し、これは、リセット信号Ｈ１の終了直後に始まり、光パルスの終了直前の時間Ｔ２に終了し、その持続時間は、光パルスの持続時間であり、
最後に、ラインｅは、期間Ｈ１（リセット）中にゼロとなり、期間Ｈ２（サンプリング）中に値Ｖｍ−Ｖｒをとり、次いで、この後の測定までこの値を保つ（保持）、出力電圧Ｖｓの逆数−Ｖｓを表す。
【００１１】
このような、同期検波と合わせた相関二重サンプリング方法は、素晴らしい結果をもたらす。
【００１２】
やや複雑な他の種類のサンプリング回路もあり、相関二重サンプリングオペレーションを遂行することができる。図３は、先行技術による特に簡単なサンプリング回路を示しており、図４は、差動サンプルホールドを示している。これは、同じ相関二重サンプリング機能を達成するが、地面を基準にした２つの電圧ＶｅｐとＶｅｎとの差を表す、差動有効信号Ｖｅに対してである。
【００１３】
本発明は、適用形態によっては、同期検波及び相関二重サンプリングによるこの測定方法が満足できるものではないという観察に基づくものである。このような適用形態とは、測定信号の基準レベル（たとえば周囲照明を表すレベルＶｒ）が、十分に安定していない場合である。実際、この方法は、信号Ｈ２の開始時と終了時との間で基準レベルが変化しないと仮定している。
【００１４】
しかし、信号Ｈ２の持続時間は、最小時間より下には減少し得ない。持続時間は、少なくとも、測定信号が光パルスの開始後安定するための時間を有する程に十分長くなければならない。安定時間は、感光セルの及びすべての電子回路の反応時間に連携しており、これにより、電圧Ｖｅがサンプルホールドの入力部で確立することができる。
【００１５】
通常、Ｈ２の持続時間は、３０マイクロ秒である。しかし、基準レベルＶｒが、この期間中に大きく変わる時間を有する場合、示差測定は、誤差による影響を受ける。何故なら、同じ瞬間の差をとるのではなく、パルス中の時間Ｔ２に達したレベルＶｍと、パルスの開始前の時間Ｔ１で考えられる基準レベルＶ１との間の差をとるからである。
【００１６】
本明細書において想定される特に重要な適用形態においては、同期測定の短いパルスの持続時間に渡る周囲照明のばらつきにより、大きい測定誤差が生じ、このため、場合によっては、その適用形態が実施できなくなることが注目されている。この適用形態とは、フロントガラスワイパーによる自動掃引を起動するための、車両のフロントガラス上の雨の検出である。この検出は、雨の有無によりフロントガラスの反射係数の変化を検出する光電セル（可視光又は赤外光）によって行われる。反射の変化は、測定信号レベルの小さい変化を引き起こし、これらの変化は、周囲照明による信号より１０００分の１弱い。しかし、周囲照明は、（橋、木などの下を通る）車両が高速であればある程急速となるばらつきを受けやすい。３０マイクロ秒のばらつきは、非常に大きく、測定誤差を引き起こし、このため、測定したい反射係数のばらつきが隠される恐れがある。雨の存在が検出され得るが、これは、まさに測定誤差の結果に他ならない。
【００１７】
このため、本発明は、測定パルスとの同期を検出する測定方法及び装置を提供するものであり、この方法及びこの装置により、基準レベルのばらつきによる測定誤差を最小限に抑えることができる。この方法及びこの装置は、上記の適用形態において使用されるが、また、基準レベル（パルスのないところで生成される信号レベル）の大きくかつ急速なばらつきが発生し得る、他の適用形態においても使用されることがある。「同期検波を用いた測定方法」とは、測定すべきパラメータの値を判断するために、この信号の一時的な増加を引き起こす短い測定パルスと同期する、測定信号の値が検波される測定方法であると理解されたい。したがって、周囲光環境における光反射又は透過係数の測定については、短い光パルスが放出され、反射信号又は透過信号が、この放出中に測定される。
【００１８】
測定信号の基準レベルの、測定パルスの持続時間に渡る、ばらつきの影響を一部分相殺するために、本発明による同期検波を用いた測定方法は、サンプルホールド回路において、以下のステップを遂行することにある。即ち、
測定パルスの開始直前の時間Ｔ１と測定パルスの終了直前の時間Ｔ２との間に、第１の相関二重サンプリングを遂行し、この二重サンプリングで、パルスの開始前の基準レベルＶ１に対して考えられる信号測定値Ｖｍが供給され、
さらに、時間Ｔ２と測定パルスの終了後の時間Ｔ３との間に、第２の相関二重サンプリングを遂行し、この第２のサンプリングで、パルスの終了後に存在する基準レベルＶ３に対して考えられる信号測定値Ｖｍの表示が供給され、
２つの測定から生じた信号レベル間の差を確立するが、この差は、時間Ｔ１の基準レベルと時間Ｔ３の基準レベルとの中間にある基準レベルに対して考えられる信号値Ｖｍの表示である。
【００１９】
時間間隔Ｔ３−Ｔ２は、Ｔ２−Ｔ１に実質的に等しいことが好ましく、次いで、２つの測定によって作られた信号レベル間の差は、基準レベルＶ１とＶ３との間の平均値に対する信号値Ｖｍの表示である。
【００２０】
相関二重サンプリングのための２つのオペレーションが、同一の方法で（特に符号又は利得が変化することなく）遂行され、かつそれぞれ、レベル差Ｖｍ−Ｖ１、次いでＶ３−Ｖｍを表示した場合、これらの２つのサンプリング結果の間の差をとるだけで、［Ｖｍ−（Ｖ３＋１）／２］ではなく、２［Ｖｍ−（Ｖ３＋Ｖ１）／２］に等しい有効信号レベルが生じ、したがって、実際に求められる信号が、見つかった差の２分の１となることが理解されよう。サンプルホールド回路の出力信号は、基本的にディジタル化されているので、（所望の場合には、しかし必ずしも不可欠なものではないが）２で割ることにより、ディジタル化の後にも遂行され得る。しかし、所望の場合には、本発明の原理を変えることなく、目標値［Ｖｍ−（Ｖ３＋Ｖ１）／２］を直接取得するよう、アナログ回路のある機能、たとえば容量分圧を用いることもあれば、又は極めて簡単に、入力コンデンサなどの値の２倍を有する積分コンデンサを選択することもある。
【００２１】
測定すべき信号の一時的増加を引き起こす測定パルスとの同期を検出する、本発明による測定装置は、少なくとも１つのサンプルホールドと、サンプルホールドを用いて、以下の２つのサンプリングを遂行するよう測定パルスと同期される切換手段とを備える。即ち、
測定パルスの開始直前の時間Ｔ１と測定パルス終了直前の時間Ｔ２との間に、第１の相関二重サンプリングを遂行し、この二重サンプリングで、パルスの開始前の基準レベルＶ１に対して考えられる信号測定値Ｖｍが供給され、
時間Ｔ２と測定パルスの終了後の時間Ｔ３との間に（好ましくはＴ３−Ｔ２＝Ｔ２−Ｔ１）、第２の相関二重サンプリングを遂行し、この第２のサンプリングで、パルスの終了後に存在する基準レベルＶ３に対して考えられる信号測定値Ｖｍの表示が供給され、
この測定装置は、２つの測定から生じた信号レベル間の差を確立する手段を備え、この差は、時間Ｔ１の基準レベルと時間Ｔ３の基準レベルとの中間にある基準レベルに対して考えられる信号値Ｖｍの表示である。
【００２２】
一実施形態においては、電圧レベルＶ１−Ｖｍ及びＶｍ−Ｖ３を確立するために、２つのサンプルホールドが使用され、減算器が、求められる差を遂行するためにサンプリング回路の出力部に置かれる。
【００２３】
別の実施形態においては、測定信号が地面を基準にするのを回避するために、差動サンプルホールドが使用される。差動サンプルホールドは、本発明によれば、第１の演算増幅器と第２の演算増幅器とを備え、それぞれが、各増幅器の入力部の上流に置かれた第１の及び第２の入力コンデンサに関連付けられ、増幅器の入力部と出力部との間に接続された積分コンデンサにも関連付けられ、第１の入力コンデンサに接続されたサンプリング回路の信号入力部は、第２の入力コンデンサに接続された信号入力部と交差し、この切換手段は、
最初に、第１の入力コンデンサにわたって、時間Ｔ１に基準信号Ｖ１を表す差動入力電圧Ｖ１ｐ−Ｖ１ｎ、及びこの後、時間Ｔ２に測定信号Ｖｍを表す差動入力電圧Ｖｍｐ−Ｖｍｎを印加することにより、積分コンデンサと第１の入力コンデンサとを使用する相関二重サンプルホールドとしてそのサンプルホールドを動作させる手段と、
最初に、第２の入力コンデンサにわたって、時間Ｔ２に有効信号の逆数−Ｖｍを表す差動入力電圧Ｖｍｎ−Ｖｍｐ、及びこの後、時間Ｔ３に基準信号の逆数−Ｖ３を表す差動入力電圧Ｖ３ｎ−Ｖ３ｐを印加することにより、積分コンデンサと第２の入力コンデンサとを使用する相関二重サンプリング回路として差動サンプルホールドを動作させる手段とを備える。
【００２４】
このように形成された差動サンプルホールド回路は、有効信号測定レベル及びそれぞれ測定パルスの前後にとられた２つの基準レベルと相関する三重サンプリング回路として動作し、差Ｖｍ−（Ｖ３＋Ｖ１）／２を直接遂行し、差動形式でこの差自体を送る（したがって、地面を基準としない）。差動サンプルホールドの演算増幅器に、積分コンデンサを周期的に放電するためのスイッチが装備される場合もあれば装備されない場合もあることに気づかれるであろう。装備される場合には、このスイッチは、コンデンサの電荷がゼロにリセットされることを確実にするために時間間隔Ｔ１〜Ｔ２中に閉じられる。装備されない場合には、（短絡により積分コンデンサがゼロにリセットされない場合には）、積分コンデンサに有効出力信号の平均値の逆数を表す電荷を周期的に印加するための別の手段が設けられる。この最後の解決方法は、有効出力信号がいかなる場合においても使用前に低域フィルタでろ過される場合に特に使用され、次いで、この平均値（フィルタ出力）が利用可能となる。
【００２５】
２つの演算増幅器の代わりに、２つの差動入力部と２つの差動出力部とを有する、１つの差動増幅器を用いてもよい。この場合、回路の構造は、以下の方法で再構築され得る。即ち、差動サンプルホールド回路は、２つの入力部及び２つの出力部を有する差動増幅器を備え、それぞれの入力部は、この入力部の上流に置かれた第１の及び第２の入力コンデンサに関連付けられ、増幅器の入力部とこれに対応する出力部との間に接続された積分コンデンサにも関連付けられ、第１の入力コンデンサに接続されたサンプリング回路の信号入力部は、第２の入力コンデンサに接続された信号入力部と交差し、この切換手段は、
最初に、第１の入力コンデンサにわたって、時間Ｔ１に基準信号Ｖ１を表す差動入力電圧Ｖ１ｐ−Ｖ１ｎ、及びこの後、時間Ｔ２に測定信号Ｖｍを表す差動入力電圧Ｖｍｐ−Ｖｍｎを印加することにより、積分コンデンサと第１の入力コンデンサとを使用する相関二重サンプルホールドとしてそのサンプルホールドを動作させる手段と、
最初に、第２の入力コンデンサにわたって、時間Ｔ２に有効信号の逆数−Ｖｍを表す差動入力電圧Ｖｍｎ−Ｖｍｐ、及びこの後、時間Ｔ３に基準信号の逆数−Ｖ３を表す差動入力電圧Ｖ３ｎ−Ｖ３ｐを印加することにより、積分コンデンサと第２の入力コンデンサとを使用する相関二重サンプリング回路として差動サンプルホールドを動作させる手段とを備える。
【００２６】
この定義は、２つの別個の演算増幅器を使用する場合の定義と等価であると考えるべきである。
【００２７】
添付図面を参照しながら提示されている、以下の詳細な記述を読むことにより、本発明の他の特徴及び利点が明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図５には、全く同一の入力信号Ｖｅを受信する、２つのサンプルホールド回路ＥＣＨ１及びＥＣＨ２がある。入力信号は、同期検波モードでの測定から生じた信号、言い換えれば、上記に説明したような、有効測定信号を未知の基準レベルに重ね合わせることができる測定パルスから生じる信号である。２つのサンプルホールド回路は、相関二重サンプリングモードで動作するが、異なる時間間隔である。
【００２９】
第１のサンプリング回路ＥＣＨ１は、時間Ｔ０に開始して測定パルスの開始直前の時間Ｔ１に終了するリセット段階Ｈ１で、時間Ｔ１に開始して測定パルスの終了直前の時間Ｔ２に終了するサンプリング段階Ｈ２で、サンプリング段階の後の保持段階で動作する。この第１のサンプリング回路は、−（Ｖｍ−Ｖ１）に比例する出力電圧Ｖｓを送る（ここで、Ｖ１とは、時間Ｔ１のＶｅの値（パルス前の基準値）であり、Ｖｍとは、時間Ｔ２のＶｅの値（パルス中の測定値）である）。時間Ｔ１−Ｔ０は、時間Ｔ２−Ｔ１と同様に、測定パルスの持続時間と同じであることが好ましい。
【００３０】
第２のサンプリング回路ＥＣＨ２は、測定パルスの終了直前に終了するリセット段階で、リセット段階の終了時に始まって測定パルスの終了後の時間Ｔ３に終了するサンプリング段階で動作する。リセット段階は、（Ｔ１で開始し、Ｔ２で終了する）段階Ｈ２と合致することが好ましく、サンプリング段階Ｈ３は、時間Ｔ２に始まり、段階Ｈ３の持続時間が段階Ｈ２の持続時間と同じであることが好ましい時間Ｔ３に終了する。サンプリング段階Ｈ３の終了の後に、保持段階が続く。この保持段階は、第１のサンプリング回路の保持段階と同時の、少なくともある持続時間を有する。共通部分は、時間Ｔ３から次のリセット段階（時間Ｔ’０）までである。この段階中に、第２のサンプリング回路は、Ｖｍ−Ｖ３に比例する電圧を送る（ここで、Ｖ３とは、時間Ｔ３のＶｅの値、言い換えれば、測定パルスの後の基準値である）。
【００３１】
減算器が２つのサンプリング回路から出力を受信することにより、Ｔ３からＴ’０までの期間Ｈ４によって規定され得る時間間隔中に又はこの間隔内の時間間隔中に、２つのサンプリング回路の出力部で時間Ｔ３後に得られる保持された電圧レベルの間の差が得られる。
【００３２】
図６は、図５の測定回路の動作信号を示すタイミング図である。即ち、
ラインａは、同期検波のための周期的な測定パルスである。
ラインｂは、測定回路によって検波された信号Ｖｅであり、パルスのないところの基準信号レベルはＶｒであるが、Ｖｒは時間の経過と共に変わり、Ｖｒは、測定パルスの直前のＶ１に等しく、時間Ｔ２のＶ２に等しく、時間Ｔ３のＶ３に等しいが、これらの時間のレベルは正確に知られていない。しかし、時間Ｔ２に検波された入力信号ＶｅはＶｍであり、基準レベルＶ２と測定パルスによる有効レベルとの加算を表す。
ラインｃは、第１のサンプリング回路のリセット段階Ｈ１に対応する期間であり、その持続時間は、測定パルスの持続時間と同じであることが好ましく、測定パルスの開始直前の時間Ｔ１に終了し、時間Ｔ０に始まり、Ｔ１−Ｔ０が測定パルスの持続時間に等しくなることが好ましい。
ラインｄは、サンプリング信号Ｈ２であり、リセット信号Ｈ１の終了直後に始まり、測定パルスの終了直前の時間Ｔ２に終了し、その持続時間は、測定パルスの持続時間であり、また、第２のサンプリング回路のためのリセット信号である。
ラインｅは、第２のサンプリング回路のサンプリング信号Ｈ３であり、Ｔ２からＴ３まで継続し、時間Ｔ３−Ｔ２は、Ｔ２−Ｔ１及びＴ１−Ｔ０に等しいことが好ましい。
ラインｆは、２つのサンプリング回路に共通の保持段階中にのみ、言い換えれば、時間Ｔ３の後かつ次の測定の前に、減算器を稼動することができる期間Ｈ４（任意選択）である。
ラインｇは、減算器からの出力Ｖｓであり、時間間隔Ｈ４中に［Ｖｍ−（Ｖ３＋Ｖ１）／２］に比例する値を有し、ゼロ又はこれらの間隔外の以前の値に等しい場合もあれば、そうでない場合もある。
【００３３】
次いで、（Ｖ１＋Ｖ３）／２がＶ２に際めて近いと考えられる場合、（これは、一般にＴ３−Ｔ２がＴ２−Ｔ１に等しい場合であるが、）値Ｖｓは、求められる理論上の値に極めて近い値、Ｖｍ−Ｖ２となる（２又は−２倍以内）。これは、Ｖｒの行動が、時間帯Ｔ１、Ｔ３に渡ってほぼ線形であると考えられる場合であり、この仮定は、多くの適用形態において合理的なものである。
【００３４】
図７は、使用されるサンプルホールド回路が、図４から示唆される差動サンプルホールド回路である、実際的な実施形態を示している。この場合、本発明を実施するために、２つの差動サンプリング回路及び減算器を設ける必要はない。同じ相関三重サンプリング機能は、実際には、他のスイッチコンデンサを追加するだけで、１対の演算増幅器、又は（同様に）２つの差動入力部及び２つの差動出力部を有する差動増幅器を用いて達成され得る。したがって、図７の回路図は、図４の回路図から、又は２つの演算増幅器ＡＭＰａ及びＡＭＰｂを備えた差動サンプリング回路の別の回路図から開始し、２つの演算増幅器のそれぞれ１つが、入力コンデンサＣｅ１ａ及びＣｅ１ｂと積分コンデンサＣｓａ及びＣｓｂと、相関二重サンプリングモードでのオペレーションを可能にするスイッチとを備える。その上、１対の第２のスイッチ入力コンデンサＣｅ２ａ及びＣｅ２ｂがこの回路に追加される。測定すべき信号を表す、差動入力電圧Ｖｅは、１対の第１の入力コンデンサＣｅ１ａ及びＣｅ１ｂに印加される。この電圧Ｖｅの逆数−Ｖｅは、１対の第２の入力コンデンサに印加される。つまり、入力部から２つのコンデンサへの接続が交差し合う。
【００３５】
より正確には、測定すべき差動電圧Ｖｅは、回路の電気接地を基準とする２つの電圧Ｖｅｐ及びＶｅｎから形成される。電圧Ｖｅｐは、第１の演算増幅器ＡＭＰａに関連付けられた第１の入力コンデンサＣｅ１ａに印加され、第２の演算増幅器ＡＭＰｂに関連付けられた第２の入力コンデンサＣｅ２ｂにも印加され、同様に、電圧Ｖｅｎは、第２の増幅器ＡＭＰｂの第１の入力コンデンサＣｅ１ｂに、及び第１の増幅器ＡＭＰａの第２の入力コンデンサＣｅ２ａに印加される。
【００３６】
積分コンデンサはそれぞれ、それぞれ関連付けられている（ＡＭＰａにはＣｓａ及びＡＭＰｂにはＣｓｂ）増幅器の出力部と反転入力部との間で平行に接続される。増幅器の非反転入力部は、接地される。出力部Ｖｓｐは、増幅器ＡＭＰｂの出力部であり、出力部Ｖｓｎは、増幅器ＡＭＰａの出力部であり、差動出力電圧は、Ｖｓ＝Ｖｓｐ−Ｖｓｎである。
【００３７】
図７の点線は、１つの差動増幅器を表すフレームＡＭＰを示しており、２つのシングルエンド増幅器又は１つの差動増幅器を使用することが等価であることを示している。
【００３８】
入力コンデンサは、すべて同等のものである。積分コンデンサは、互いに同等のものであり、入力コンデンサとの比例率はｋであり（ここで、ｋは、出力部で取得したい電圧レベルに依存する）、ｋ＝２の場合は、保持段階中の増幅器の出力部の間の差動出力電圧はＶｓ＝Ｖｓｐ−Ｖｓｎであり、すべてのスイッチが開放されている場合は、［Ｖｅ−（Ｖ３＋Ｖ１）／２］に等しい（ここで、Ｖ３及びＶ１は、以前のものと同じ意味を有する）。即ち、測定パルス前の時間Ｔ１の及び測定パルス後の時間Ｔ３の（差動）基準電圧値である。ｋが２でない場合、出力電圧は、ｋ／２で除算される。
【００３９】
スイッチ制御信号タイミング図は、図７の実施形態に不要な信号Ｈ４を除き、図６と同じである。
【００４０】
図５及び図６を参照しながら説明した時間Ｔ１とＴ３との間の二重サンプリングが後に続く時間Ｔ０とＴ２との間の二重サンプリングの形態の、相関三重サンプリングを遂行するために、図７の回路図において、
電圧Ｖ１ｐ（時間Ｔ１の入力信号Ｖｅｐ）でコンデンサＣｅ１ａを及び電圧Ｖ１ｎ（時間Ｔ１の入力信号Ｖｅｎ）でコンデンサＣｅ１ｂを充電できるようにするために、第１の二重サンプリングオペレーションのリセット期間Ｈ１（Ｔ０〜Ｔ１）中に閉じられる、それぞれ入力コンデンサＣｅ１ａ又はＣｅ１ｂと地面との間に接続されたスイッチＫ１ａ及びＫ１ｂと、
それぞれコンデンサＣｅ１ａ又はＣｅ１ｂと関連付けられた増幅器（それぞれＡＭＰａ又はＡＭＰｂ）の反転入力部との間に接続されたスイッチＫ’１ａ及びＫ’１ｂとが設けられ、これらのスイッチは、時間間隔Ｔ１、Ｔ２中に、入力部Ｖｅｐと増幅器ＡＭＰａとの間のコンデンサＣｅ１ａと、入力部Ｖｅｎと増幅器ＡＭＰｂとの間のコンデンサＣｅ１ｂとを接続するよう、期間Ｈ２中に（Ｔ１とＴ２との間に）閉じられ、
さらに、それぞれ積分コンデンサＣｓａ及び積分コンデンサＣｓｂに平行なスイッチＫ”１ａ及びＫ”１ｂと、
それぞれコンデンサＣｅ２ａ及びＣｅ２ｂに対して構成されたスイッチＫ２ａ及びＫ２ｂとが設けられ、同様に、スイッチＫ１ａ及びＫ１ｂは、それぞれコンデンサＣｅ１ａ及びＣｅ１ｂに対して構成され、コンデンサＣｅ１ａは電圧Ｖｅｐを受信し、コンデンサＣｅ１ｂは電圧Ｖｅｎを受信すると考えられ、逆に、Ｖｅｐを受信するのはコンデンサＣｅ２ｂであり、Ｖｅｎを受信するのはコンデンサＣｅ２ａであり、スイッチＫ２ａ及びＫ２ｂは、第１の二重サンプリングオペレーションのためのサンプリング段階及び第２の二重サンプリングオペレーションのためのリセット段階である段階Ｈ２中に閉じられ、
さらに、それぞれスイッチＫ’１ａ及びＫ’１ｂと同様に、それぞれ増幅器ＡＭＰａ及びＡＭＰｂに対して及びそれぞれコンデンサＣｅ２ａ及びＣｅ２ｂに対して構成されたスイッチＫ２’ａ及びＫ２’ｂが設けられ、スイッチＫ’２ａ及びＫ’２ｂは、第２の相関関係オペレーションのサンプリング段階である段階Ｈ３中に閉じられる。
【００４１】
スイッチはすべて、時間Ｔ’０に開始する次の測定ステップまで継続する、段階Ｈ３の後の保持段階中に開放される。
【００４２】
Ｔ０からＴ２までの第１の相関二重サンプリングオペレーション中に、リセット段階（Ｈ１）で、積分コンデンサＣｓａ及びＣｓｂの電荷をゼロにリセットし、それぞれＣｅ１ａ及びＣｅ１ｂに入力電圧Ｖｅｐ及びＶｅｎを印加する。次いで、電圧は、それぞれレベルＶ１ｐ及びＶ１ｎの基準に等しくなり、初期の差動レベルはＶ１＝Ｖ１ｐ−Ｖ１ｎである。値Ｖ１ｐ、Ｖ１ｎ、及びそれらの差Ｖ１は、測定パルス前の基準電圧レベルを表す。その後、Ｔ２で、サンプリング段階が分割され、測定すべき有効信号から生じた測定電圧Ｖｅｐと同時に、Ｃｅ１ａとＣｓａとの間のＣｅ１ａの、このようにリセットされた電荷が、Ｃｅ１ａの入力部に印加され、積分コンデンサが入力コンデンサの２倍の値を有すると仮定した場合、増幅器ＡＭＰａの出力部で、出力電圧Ｖｓｎ＝−（Ｖｅｐ−Ｖ１ｐ）／２が確立される。
【００４３】
同様に、電圧Ｖｓｐ＝−（Ｖｅｎ−Ｖ１ｎ）／２が、ＡＭＰｂの出力部で確立される。
【００４４】
同時に（時間Ｔ２に）、段階Ｈ２は第２の相関二重サンプリングオペレーションのリセット段階であるので、初期電荷がコンデンサＣｅ２ａ及びＣｅ２ｂ内に蓄えられる。これらの電荷とは、即ち、
Ｃｅ２ａ上では、電圧Ｖｅｎに対応する電荷であり、
Ｃｅ２ｂ上では、電圧Ｖｅｐに対応する電荷である。
【００４５】
第２の相関二重サンプリングオペレーションのサンプリング段階である段階Ｈ３中に、Ｃｅ２ａの電荷が、コンデンサＣｅ２ａとコンデンサＣｓａとに分割され、コンデンサＣｅ２ｂの電荷が、コンデンサＣｅ２ｂとコンデンサＣｓｂとに分割される。同時に、時間Ｔ３で、Ｃｅ２ａの入力端末に印加された電圧は、Ｖｅｎ＝Ｖ３ｎであり、Ｃｅ２ｂの入力部に印加された電圧は、Ｖｅｐ＝Ｖ３ｐである。
【００４６】
Ｖ３ｎ及びＶ３ｐは、時間Ｔ３の入力電圧であり、このパルス後の測定パルス外の基準レベルに対応する。Ｖ３＝Ｖ３ｐ−Ｖ３ｎは、この時間Ｔ３の差動基準電圧である。
【００４７】
この結果、増幅器ＡＭＰａの出力部では、
電圧、Ｖｓｎ＝−（Ｖｅｐ−Ｖ１ｐ）／２−（Ｖ３ｎ−Ｖｅｎ）／２であり、
増幅器ＡＭＰｂの出力部では、
電圧、Ｖｓｐ＝−（Ｖｅｎ−Ｖ１ｎ）／２−（Ｖ３ｐ−Ｖｅｐ）／２である。
【００４８】
次いで、ＡＭＰｂとＡＭＰａとの間の出力部の差動出力電圧は、
Ｖｓ＝Ｖｓｐ−Ｖｓｎ＝（Ｖｅｐ−Ｖｅｎ）−（Ｖ１ｐ−Ｖ１ｎ）／２−（Ｖ３ｐ−Ｖ３ｎ）／２
又は
Ｖｓ＝Ｖｅ−（Ｖ１＋Ｖ３）／２である。
【００４９】
したがって、Ｖ１（測定パルス前の基準）とＶ３（パルス後の基準）との中間である基準レベル（Ｖ１＋Ｖ３）／２に対して、有効信号Ｖｅの測定値が得られる。この中間基準レベルは、Ｖ１とＶ３の平均であり、このレベルが測定可能でない時間Ｔ２に存在する蓋然的な基準レベルの非常に良い近似値を表す。これは、基準レベルのばらつきが線形であると考えられると仮定し、かつＴ２がＴ１及びＴ３から等距離であると仮定している。
【００５０】
図７の回路図においては、サンプリング段階Ｈ２前に、積分コンデンサＣｓａ及びＣｓｂの電荷を周期的にゼロにリセットするための、スイッチＫ”１ａ及びＫ”１ｂが設けられる。しかし、これらのスイッチは、任意である。即ち、実際には、サンプルホールド回路をリセットするための別の手段が設けられ得る。この手段とは、スイッチコンデンサを用いて、それぞれの演算増幅器の負の入力部に、差動サンプリング回路からの出力信号の平均値の逆数に等しい電圧を周期的に再注入することである。
【００５１】
この場合、図８に示されているように、演算増幅器の出力部に、サンプルホールド回路から差動出力を受信し、かつこの出力の平均値を確立する積分フィルタＦＬが置かれている。この平均値ＶＭは、段階Ｈ１及びＨ２中に、スイッチコンデンサシステムを用いて、増幅器ＡＭＰａの反転入力部に及び増幅器ＡＭＰｂの反転入力部に再注入される。
【００５２】
検波された信号の平均値を測定するために、同期検波モードで遂行される測定をフィルタリングすることがいかなる場合においても必要である場合に、この解決方法の利点が明らかとなる。この場合、積分フィルタは、いかなる場合においても利用可能であり、したがって、スイッチＫ”１ａ及びＫ”１ｂを設けるのではなく、これを使用することが好ましい。
【００５３】
図９は、本発明が特に適切である例示的適用形態を示している。これは、フロントガラスワイパーの動きを起動するための、車両のフロントガラスＰＢ上の雨の検出である。たとえば発光ダイオードＤ１と光ダイオードＤ２とを有する、光電セルが使用される。
【００５４】
発光ダイオードＤ１が、回路Ｃ１の制御下で光パルスを周期的に放出する。検波光ダイオードＤ２が、フロントガラス上に反射した後のこれらのパルスを受信するが、周囲光も受信する。フロントガラスの反射係数は、フロントガラスが雨を受けるかどうかに依存する。光ダイオードＤ２により測定回路Ｃ２に送られた信号は、周囲照明の測定値であるが、光パルス中に増加する。何故なら、周囲照明の追加、及び発光ダイオードＤ１からの放出がフロントガラスに反射したことによって供給された追加照明に対応するからである。
【００５５】
回路Ｃ２は、上記に記述したものなどの、本発明による回路である。回路Ｃ１（又は別の順序付け回路）は、上記に説明した図に従って、回路Ｃ２に制御信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を供給する。したがって、回路Ｃ２は、回路Ｃ１と同期して動作する。
【００５６】
回路Ｃ２は、必要な場合にはろ過される、有効信号値を送り、これが決定回路Ｃ３に供給される。決定回路は、信号値を評価し、これらを１つ以上の閾値と比較して、雨の有無を判断し、雨が検出された場合には、フロントガラスワイパー駆動モータＭの稼動を制御する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】同期検波及び相関二重サンプリングによる、未知の基準レベルが存在する場合の、従来の有効信号測定を示す図である。
【図２】同期検波及び相関二重サンプリングによる、未知の基準レベルが存在する場合の、従来の有効信号測定を示す図である。
【図３】同期検波及び相関二重サンプリングによる、未知の基準レベルが存在する場合の、従来の有効信号測定を示す図である。
【図４】同期検波及び相関二重サンプリングによる、未知の基準レベルが存在する場合の、従来の有効信号測定を示す図である。
【図５】本発明を示す概略回路図である。
【図６】図５に対応するタイミング図である。
【図７】２つのサンプルホールド回路に共通の２つの演算増幅器を備えた、本発明の異なる実施形態を示す図である。
【図８】積分コンデンサのゼロリセット用スイッチのない、別の異なる実施形態を示す図である。
【図９】フロントガラス上の雨を検出するための、本発明の適用形態を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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