(57)【要約】      （修正有）【課題】高次高調波による雑音の発生しない振幅復調器を提供する。【解決手段】搬送波周波数Ｆcにおける振幅変調されたアナログ信号を処理する方法は、アナログ信号の振幅を表す入力ビットストリームを生成するように、アナログ信号をデジタル化することと、搬送波周波数Ｆcに同期し、実質的にサインおよび／またはコサイン波の形態の同相デジタル参照信号を表す、同相参照ビットストリームを生成することと、アナログ信号の振幅変調を表す出力ビットストリームを生成するように、入力ビットストリームを同相参照ビットストリームで乗算することと、を含む。【選択図】図５
2015027087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
搬送波周波数Ｆcにおける振幅変調されたアナログ信号を処理する方法であって、
前記アナログ信号の振幅を表す入力ビットストリームを生成するように、前記アナログ信号をデジタル化することと、
前記搬送波周波数Ｆcに同期し、実質的にサインおよび／またはコサイン波の形態の同相デジタル参照信号を表す、同相参照ビットストリームを生成することと、
前記アナログ信号の振幅変調を表す出力ビットストリームを生成するように、前記入力ビットストリームを前記同相参照ビットストリームで乗算することと、を含む、方法。
【請求項２】
Ｒ＝２＊（１＊３＊５．．．Ｎ）＊ＦcまたはＲ＝４＊（１＊３＊５．．．Ｎ）＊Ｆc（式中、Ｎ＞１は、アナログ信号内の奇数高調波を表す奇数である）に従って、前記搬送波周波数Ｆcに同期するサンプリング速度Ｒにおいて、前記アナログ信号をデジタル化することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
サンプリング速度Ｒ＝４＊３＊Ｆc＝１２ＦcまたはＲ＝４＊３＊５＊Ｆc＝６０Ｆcにおいて、前記アナログ信号をデジタル化することを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
パルス−密度変調（ＰＤＭ）またはパルス−幅変調（ＰＷＭ）を使用して、前記アナログ信号をデジタル化することであって、任意に、１ビット入力ビットストリームを生成するように、デルタ−シグマ変調を行うことを含む、前記アナログ信号をデジタル化すること、または
パルス−コード変調（ＰＣＭ）を使用して、前記アナログ信号をデジタル化することであって、任意に、マルチビット入力ビットストリームを生成するように、マルチビット変換を行うことを含む、前記アナログ信号をデジタル化することを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記搬送波周波数Ｆcに同期する、マルチビット同相参照ビットストリームを生成することを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記搬送波周波数Ｆcに同期し、実質的にコサインおよび／またはサイン波の形態の直交デジタル参照信号を表す、直交参照ビットストリームを生成することと、
前記アナログ信号の直交コンポーネントを表す出力ビットストリームを生成するように、前記入力ビットストリームを前記直交参照ビットストリームで乗算することと、をさらに含む、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
一対の同期同相および直交参照ビットストリームを生成することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記搬送波周波数Ｆcに同期する、同相参照ビットストリームを生成することは、タイミングをスキューして、位相精度を達成するように、クロックを制御することを含む、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
移動感知構造を備えるセンサのためのピックオフ信号処理システムであって、
搬送波周波数Ｆcである前記感知構造の移動を表す、振幅変調されたアナログピックオフ信号をデジタル化し、かつ前記アナログピックオフ信号の振幅を表す入力ビットストリームを生成するように配設される、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）と、
搬送波周波数Ｆcに同期し、実質的にサインおよび／またはコサイン波の形態の同相デジタル参照信号を表す、同相参照ビットストリームを生成するように配設される、同期変調器またはルックアップテーブルと、
前記入力ビットストリームを前記同相参照ビットストリームで乗算し、前記アナログピックオフ信号の振幅変調を表す、出力ビットストリームを生成するように配設される、論理手段と、を備える、システム。
【請求項１０】
前記ＡＤＣは、Ｒ＝２＊（１＊３＊５．．．Ｎ）＊ＦcまたはＲ＝４＊（１＊３＊５．．．Ｎ）＊Ｆc（式中、Ｎ＞１は、前記アナログ信号内の奇数高調波を表す奇数である）に従って、前記搬送波周波数Ｆcに同期するサンプリング速度Ｒにおいて、前記アナログピックオフ信号をデジタル化するように配設される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ＡＤＣは、サンプリング速度Ｒ＝４＊３＊Ｆc＝１２ＦcまたはＲ＝４＊３＊５＊Ｆc＝６０Ｆcにおいて、前記アナログピックオフ信号をデジタル化するように配設される、請求項９または１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ＡＤＣは、パルス−密度変調（ＰＤＭ）もしくはパルス−幅変調（ＰＷＭ）を使用して、前記アナログピックオフ信号をデジタル化するように配設され、前記ＡＤＣは、任意に、１ビット入力ビットストリームを生成するように、デルタ−シグマ変調を行うように配設されるか、または
前記ＡＤＣは、パルス−コード変調（ＰＣＭ）を使用して、前記アナログピックオフ信号をデジタル化するように配設され、前記ＡＤＣは、任意に、マルチビット入力ビットストリームを生成するように、マルチビット変換を行うように配設される、請求項９〜１１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３】
前記同期変調器またはルックアップテーブルは、前記搬送波周波数Ｆcに同期し、実質的にコサインおよび／またはサイン波の形態の直交デジタル参照信号を表す、直交参照ビットストリームを生成するように配設され、
前記論理手段は、前記アナログ信号の直交コンポーネントを表す出力ビットストリームを生成するように、前記入力ビットストリームを前記直交参照ビットストリームで乗算するように配設される、請求項９〜１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
前記同期変調器またはルックアップテーブルは、同期対の同相および直交参照ビットストリームを生成するように配設される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記同期変調器またはルックアップテーブルは、タイミングをスキューして、位相精度を達成するように、前記ＡＤＣに対して制御されるクロックを利用する、請求項９〜１４のいずれかに記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、振幅変調されたアナログ信号を処理する方法、ならびに関連するピックオフ信号処理システムおよびセンサに関する。これらの方法は、例えば、コリオリタイプのジャイロスコープといった振動構造ジャイロスコープを備え、環状速度センサとして使用することができるセンサとの併用を見出し得る。これらの方法は、それらが標準的なＡＳＩＣプロセス内に実装されることが可能であるため、ＭＥＭＳセンサに特に適用可能であり得る。
【背景技術】
【０００２】
振動構造ジャイロスコープおよび他のセンサは、半導体、例えば、シリコン基板から、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を使用して、製作され得る。ＭＥＭＳ製造プロセスは、しばしば、小さい機械的構造を（従来の製造方法に対して）低い費用で作製するために使用される。それらの低い費用、小さいサイズ、および本質的に堅牢な性質により、様々なガイダンス、ナビゲーション、およびプラットフォーム安定化用途において、ＭＥＭＳジャイロスコープを利用することにかなりの関心が寄せられている。ＭＥＭＳジャイロスコープは、電子システムによって励起および制御される機械的構造を使用して動作する。これらの感知構造は、一般的に、約１４ＫＨｚの搬送波周波数Ｆcで振動し、搬送波周波数のいずれの側の０Ｈｚから数百ＨｚでＤＣコンポーネントから延在するサイドバンド内に含有される有用な情報を有する。ＭＥＭＳ構造は、一般的に非常に小さいため、関心対象の信号もまた、一般的に非常に小さく、十分な忠実性でもって情報を回収するために、低いノイズ回路および信号処理が必要とされる。
【０００３】
振動構造ジャイロスコープの一部の例は、特許文献１〜３において見出され得る。図１は、環状共振器１の内部周辺から、半導体基板によって提供されるボス１１まで延在する可撓性支持ビーム１０によって載置される、環状共振器１を備える、先行技術の振動構造ジャイロスコープの実施例を示す。可撓性支持ビーム１０は、環状共振器１が、実質的に非減衰の振動モードにおいて、駆動トランスデューサ１２、１３によって提供される駆動信号に応答して振動することを可能にし、環状共振器１が、その平面に垂直な軸周囲で印加される環状速度に応答して、移動することを許容する。環状共振器１は、典型的に、ｃｏｓ２θ共振モードに励起される。完全に対称的な共振器に関して、このモードは、実際には、４５度の相互角度において、劣化した対の１次および２次振動モードとして存在する。１次モードは、駆動信号によって搬送波モードとして励起される。環状共振器がその平面に垂直な軸周囲で回転される時、コリオリ効果は、エネルギーを２次モードに引き入れる直交方向の２次振動を引き起こす。２次モードの運動の振幅は、印加された環状速度に比例し、ピックオフ信号によって測定される。
【０００４】
かかるコリオリタイプのジャイロスコープにおいて、ｃｏｓ２θ振動モード対における１次および２次周波数の不完全な整合により、直交バイアスが生じ得る。直交バイアスの規模は、ΔＦ．ｓｉｎ４α（式中、ΔＦは、モード周波数スプリットであり、αは、１次駆動軸に対するモード角度アラインメントである）に比例する。直交バイアスは、大きい搬送波周波数として、しかしながら、予想された機械的振動に対して９０度の位相（位相直交）で現れる、重大な誤差を表す。この直交バイアス信号は、実際の関心対象のピックオフ信号よりも、数桁大きい規模であり得る。ピックオフ信号のための処理システムは、同相および直交コンポーネントの正確な区別を可能にするように、大きい動的範囲、良好な直線性、および非常に良好な位相精度を有しなければならない。
【０００５】
振動構造ジャイロスコープに関して、得られるピックオフ信号は、振幅変調されたアナログ信号と見なされ得る。処理システムは、ＤＣから関心対象の帯域幅（数百Ｈｚ）への変調の振幅および位相の正確な再構成を提供しなければならない。処理システムはまた、直交ＤＣコンポーネントを含む、関心対象の信号に対して直交位相関係を有する、大きい搬送波コンポーネントを拒絶する能力を有しなければならない。低いノイズで、広い動的範囲だが、正確な位相敏感検出器が必要とされる。
【０００６】
先行技術において、正確に位相された電子機器は、直交信号が実質的に拒絶されることを可能にすることができる。しかしながら、アナログ位相敏感検出器の精度における実際的な制限は、直交信号のうちの一部が、典型的に、留まり、角速度を表す同相信号を汚染するということを意味する。特許文献４は、図２に見られるタイプの典型的な速度センサアーキテクチャの実施例を提供する。アナログピックオフ信号は、同期検出器を含む環状速度チャネルへの入力である。同期検出器は、ピックオフ信号の振幅に対するオフセットを出力し、これは、次いで、フィルタリングされ、速度出力信号およびアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）への入力におけるシングルエンドのオフセットに変換される。次いで、ＡＤＣは、環状速度センサの移動を表すデジタル信号を出力する。特許文献５は、アナログピックオフ信号が、位相敏感検出器（ＰＳＤ）によってＤＣ電圧に変換される前に、増幅およびフィルタリングされる、環状速度チャネル出力回路の別の実施例を提供する。ＤＣ電圧は、増幅器によってバッファされ、次いで、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）によって、デジタル形式に変換される。
【０００７】
図３は、搬送波周波数Ｆcにおけるアナログピックオフ信号から振幅変調情報を抽出するために、かかるアナログシステムにおいて使用される、単純な同期検出器（同期復調器としても知られる）の概略を提供する。搬送波周波数Ｆcにおいて稼働するクロックによって制御される、単純な対の＋／−１方形波参照信号が、ピックオフ信号を、同相および直交位相コンポーネントに分割するために使用されることが分かる。同相信号は、デジタル化のために下流ＡＤＣを通過する前に、その帯域幅を低減するように、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を通過させられる。かかるシステムは、必要とされる位相精度を達成することができるが、信号の奇数高調波歪み（odd harmonic distortion）、および奇数高調波周波数におけるノイズが、復調器によって受容され、これは、処理システムの性能を悪化させるという不利点を有する。図４ａは、考慮されなければならないノイズ考慮を例解し、図４ｂは、単純な＋／−１同期復調器によって導入される奇数高調波を示し、図４ｃは、ピックオフ信号によって搬送される情報が、どのようにして、かかる＋／−１復調によってベースバンドに変換されるかを示す。これらの制限は、一般的に、低性能システムに対しては許容可能であるが、高性能が必要とされる時に、主要な誤差源となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】英国特許第２３２２１９６号明細書
【特許文献２】米国特許第５９３２８０４号明細書
【特許文献３】米国特許第６２８２９５８号明細書
【特許文献４】国際公開第２０１１／１４４８９９号
【特許文献５】米国特許出願公開第２００８／１２１０５４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本質的な製作の不完全性によって生じる直交誤差は、ジャイロスコープといった正確なＭＥＭＳセンサの開発において、主な課題である。必要な信号調整を提供して、高性能システムを生成するために必要とされる複雑な補正アルゴリズムを実装するために、デジタル（例えば、ソフトウェアベースの）実装が、一般的に好ましい。したがって、ほとんどの高性能センサシステムは、デジタル実装の使用を必要とし、これは、一般的に、本質的にアナログセンサ出力が最初にデジタル化されることを必要とする。これは、典型的に、ピックオフトランスデューサによって生成される振幅変調された搬送波信号を、直接デジタル化する、非同期アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を使用することによって達成される。ピックオフ信号の直接のデジタル化に伴う問題は、非常に高速のＡＤＣが必要とされ、これは、利用可能な動的範囲（ビット数）を制限すること、ならびに大きい直交コンポーネントを拒絶するために、同時に十分に位相情報を分解しつつ、振幅変調情報を正確に抽出するために、大きいかつ複雑な処理が必要とされることである。別個のコンポーネント形体において実装される場合、これは、高性能へのルートを提供することができるが、それは、汎用ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）プロセスを使用して統合することを困難かつ費用のかかるものにする。ＡＳＩＣ技術は、通常、小さいかつ安価なＭＥＭＳセンサとのその互換性のために使用される。
【００１０】
上で概説される問題に見舞われない、ＭＥＭＳセンサ、特に、振動構造ジャイロスコープといったセンサのための改善された信号処理システムおよび方法に対する必要性が依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本明細書において、搬送波周波数Ｆcにおける振幅変調されたアナログ信号を処理する方法が開示され、
アナログ信号の振幅を表す入力ビットストリームを生成するように、アナログ信号をデジタル化することと、
搬送波周波数Ｆcに同期し、実質的にサインおよび／またはコサイン波の形態の同相デジタル参照信号を表す、同相参照ビットストリームを生成することと、
アナログ信号の振幅変調を表す出力ビットストリームを生成するように、入力ビットストリームを同相参照ビットストリームで乗算することと、を含む。
【００１２】
かかる方法は、アナログドメインよりもむしろ、デジタルドメインにおける同期復調を行うということが理解されるであろう。アナログ信号の振幅変調を表す出力ビットストリームは、信号における奇数高調波歪み（odd harmonic distortion）が、デジタルで生成されたサイン／コサイン波参照信号によって、拒絶され得るため、より正確である。これは、復調サイン／コサイン波のサンプリング速度のナイキスト周波数まで有効である。さらに、アナログドメインにおいて動作する単純な＋／−１（方形波）同期復調器で発生する際、搬送波周波数の奇数高調波において発生するノイズ画像が、ベースバンド周波数に折り返されないため、ノイズの低減が達成される。図４ｃを参照されたい。同相デジタル参照信号をデジタルで生成することにより、位相精度整合は、ほぼ完全となり得る。
【００１３】
かかる方法は、例えば、加速度計または無線通信デバイスによって生成される、いずれの振幅変調されたアナログ搬送波信号にも適用可能であり得る。しかしながら、コリオリジャイロスコープは、それが、ＤＣコンポーネント（および数百Ｈｚまでのサイドバンド）の正確な回収、直交ＤＣコンポーネントの拒絶、ならびに低いノイズおよび高調波（harmonics）の拒絶を必要とするため、特に困難な例である。他の振幅変調されたアナログシステムは、直交拒絶を必要としない場合がある（例えば、非共振加速度計）か、またはＤＣ性能を必要としない場合がある（例えば、無線通信（２０Ｈｚから２０ｋＨｚの帯域幅のみ））。出力ビットストリームは、理想的には、高性能ステムに適しており、特に、ＡＳＩＣ形体において実装される。
【００１４】
搬送波周波数Ｆcに同期する同相参照ビットストリームを生成することによって、変調スキームは、リアルタイムドメインにおいてアナログ信号を表す、デジタルデータストリームを生成する。任意のアナログ−デジタル（ＡＤＣ）アーキテクチャを使用して、アナログ搬送波信号をデジタル化することができるが、但し、サンプル変換が復調ビットストリームに同期するものとする。典型的に、ＡＤＣ速度と得られる入力ビットストリームにおけるビット数との間で、トレードオフが存在する。しかしながら、ＡＤＣサンプリング速度は、そうでなければ関心対象の振幅情報を破壊し得る奇数高調波の拒絶を確実にするために重要であり得る。方法は、Ｒ＝（１＊３＊５．．．Ｎ）＊Ｆc（式中、Ｎ＞１は、アナログ信号内の奇数高調波を表す奇数である）に従って、搬送波周波数Ｆcに同期するサンプリング速度Ｒにおいて、アナログ信号をデジタル化することを含み得る。換言すれば、ＡＤＣサンプリング速度は、拒絶することが所望される基本および高調波信号を正確に表すために選択され得る。
【００１５】
実際、２＊Ｆcの最小のデジタル化またはサンプリング速度が、ナイキスト基準を満たすために必要とされる。したがって、方法は、Ｒ＝２＊（１＊３＊５．．．Ｎ）＊Ｆc（式中、Ｎ＞１は、アナログ信号内の奇数高調波を表す奇数である）に従って、搬送波周波数Ｆcに同期するサンプリング速度Ｒにおいて、アナログ信号をデジタル化することを含み得る。
【００１６】
実際および直交位相信号が分離されることを可能にするために、４＊Ｆcのデジタル化またはサンプリング速度が使用され得る。したがって、方法は、Ｒ＝４＊（１＊３＊５．．．Ｎ）＊Ｆc（式中、Ｎ＞１は、アナログ信号内の奇数高調波を表す奇数として選択される）に従って、搬送波周波数Ｆcに同期するサンプリング速度Ｒにおいて、アナログ信号をデジタル化することを含み得る。
【００１７】
Ｎ＝３の高調波を拒絶するために、サンプリング速度Ｒ＝４＊３＊Ｆc＝１２Ｆcが選択され、Ｎ＝５の高調波を拒絶するために、サンプリング速度Ｒ＝４＊５＊Ｆc＝２０Ｆcが選択され、Ｎ＝３およびＮ＝５の両方の高調波を拒絶するために、サンプリング速度Ｒ＝４＊３＊５＊Ｆc＝６０Ｆcが選択され、Ｎ＝３、Ｎ＝５、およびＮ＝７の高調波を拒絶するために、サンプリング速度Ｒ＝４＊３＊５＊７＊Ｆc＝４２０Ｆcが選択される等である。
【００１８】
任意の好適なデジタル化スキームが使用されてもよい。一実施例において、方法は、パルス−密度変調（ＰＤＭ）またはパルス−幅変調（ＰＷＭ）を使用して、アナログ信号をデジタル化することを含む。ＰＤＭ信号において、パルスの相対密度は、アナログ信号の振幅に対応する。パルス−幅変調（ＰＷＭ）は、１つのサンプルに対応する全てのパルスが、デジタル信号において連続している、ＰＤＭの特殊な事例である。ＰＤＭまたはＰＷＭ信号は、１ビット入力ビットストリームを生成するように、デルタ−シグマ変調を行うことによって生成され得る。
【００１９】
一実施例において、方法は、パルス−コード変調（ＰＣＭ）を使用して、アナログ信号をデジタル化することを含む。ＰＣＭ信号において、特定の振幅値が、異なるサイズのパルスにコード化される。ＰＣＭ信号は、マルチビット入力ビットストリームを生成するように、マルチビット変換を行うことによって生成され得る。ＰＣＭ方法では、デジタル信号の乗算およびフィルタリングは、より複雑、即ち、プロセッサ集中型になり得る。しかしながら、本出願人は、アナログ搬送波信号をマルチビット入力ビットストリームに変換し、次いで、マルチビット参照信号を使用して、デジタルサイン／コサイン波復調を適用することが、有益であり得るということを認識した。このため、一実施例において、方法は、搬送波周波数Ｆcに同期するマルチビット同相参照ビットストリームを生成することを含み得る。
【００２０】
本明細書において、搬送波周波数Ｆcにおける振幅変調されたアナログ信号を処理する方法が開示され、
アナログ信号の振幅を表すマルチビット入力ビットストリームを生成するように、アナログ信号をデジタル化することと、
搬送波周波数Ｆcに同期し、実質的にサインおよび／またはコサイン波の形態の同相デジタル参照信号を表す、マルチビット同相参照ビットストリームを生成することと、
アナログ信号の振幅変調を表す出力ビットストリームを生成するように、マルチビット入力ビットストリームをマルチビット同相参照ビットストリームで乗算することと、を含む。
【００２１】
かかる方法は、ｘ＊ｚビットの結果を提供するように、ｚビット参照ビットストリームによって乗算される、ｘビット入力ビットストリームを生成するために使用することができる。これは、高いプロセッサ需要を代償にするが、高い性能を提供し得る。
【００２２】
一実施例において、その方法は、パルス−コード変調（ＰＣＭ）を使用して、アナログ信号をデジタル化することを含み得る。
【００２３】
上で説明される信号処理方法は、アナログ搬送波信号の直交コンポーネントを判定するためにさらに使用されてもよい。その方法は、搬送波周波数Ｆcに同期し、実質的にコサインおよび／またはサイン波の形態の直交デジタル参照信号を表す、直交参照ビットストリームを生成することと、アナログ信号の直交コンポーネントを表す出力ビットストリームを生成するように、入力ビットストリームを直交参照ビットストリームで乗算することと、をさらに含み得る。直交デジタル参照信号は、同相デジタル参照信号に直交し得、例えば、一方はサイン波であり、他方はコサイン波であり、逆もまた同様である。一実施例において、その方法は、同期対の同相および直交参照ビットストリームを生成することを含み得る。
【００２４】
本明細書において、移動感知構造を備えるセンサのためのピックオフ信号処理システムがさらに開示され、そのシステムは、搬送波周波数Ｆcである感知構造の移動を表す、振幅変調されたアナログピックオフ信号をデジタル化し、アナログピックオフ信号の振幅を表す入力ビットストリームを生成するように配設される、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）と、搬送波周波数Ｆcに同期し、実質的にサインおよび／またはコサイン波の形態の同相デジタル参照信号を表す、同相参照ビットストリームを生成するように配設される、同期変調器またはルックアップテーブルと、入力ビットストリームを同相参照ビットストリームで乗算し、アナログピックオフ信号の振幅変調を表す、出力ビットストリームを生成するように配設される、論理手段と、を備える。
【００２５】
上で述べられる理由により、ＡＤＣは、Ｒ＝２＊（１＊３＊５．．．Ｎ）＊Ｆc（式中、Ｎ＞１は、アナログ信号内の奇数高調波を表す奇数である）に従って、搬送波周波数Ｆcに同期するサンプリング速度Ｒにおいて、アナログピックオフ信号をデジタル化するように配設され得る。一実施例において、ＡＤＣは、Ｒ＝４＊（１＊３＊５．．．Ｎ）＊Ｆc（式中、Ｎ＞１は、アナログ信号内の奇数高調波を表す奇数として選択される）に従って、搬送波周波数Ｆcに同期するサンプリング速度Ｒにおいて、アナログピックオフ信号をデジタル化するように配設される。例えば、ＡＤＣは、サンプリング速度Ｒ＝４＊３＊Ｆc＝１２ＦcまたはＲ＝４＊３＊５＊Ｆc＝６０Ｆcにおいて、アナログピックオフ信号をデジタル化するように配設され得る。
【００２６】
任意に、ＡＤＣは、パルス−密度変調（ＰＤＭ）またはパルス−幅変調（ＰＷＭ）を使用して、アナログピックオフ信号をデジタル化するように配設される。ＡＤＣは、１ビット入力ビットストリームを生成するように、デルタ−シグマ変調を行うように配設され得る。
【００２７】
任意に、ＡＤＣは、パルス−コード変調（ＰＣＭ）を使用して、アナログピックオフ信号をデジタル化するように配設される。ＡＤＣは、マルチビット入力ビットストリームを生成するように、マルチビット変換を行うように配設され得る。
【００２８】
本明細書において、移動感知構造を備えるセンサのためのピックオフ信号処理システムがさらに開示され、そのシステムは、搬送波周波数Ｆcである感知構造の移動を表す、振幅変調されたアナログピックオフ信号をデジタル化し、アナログピックオフ信号の振幅を表すマルチビット入力ビットストリームを生成するように配設される、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）と、搬送波周波数Ｆcに同期し、実質的にサインおよび／またはコサイン波の形態の同相デジタル参照信号を表す、マルチビット同相参照ビットストリームを生成するように配設される、同期変調器またはルックアップテーブルと、マルチビット入力ビットストリームをマルチビット同相参照ビットストリームで乗算し、アナログピックオフ信号の振幅変調を表す出力ビットストリームを生成するように配設される、論理手段と、を備える。
【００２９】
かかるシステムにおいて、ＡＤＣは、パルス−コード変調（ＰＣＭ）を使用して、アナログピックオフ信号をデジタル化するように配設され得る。
【００３０】
有利に、ピックオフ信号処理システムは、完全に同期する。これは、コリオリジャイロスコープといった振動構造センサに特に適し得る。
【００３１】
一実施例において、同期変調器またはルックアップテーブルは、搬送波周波数Ｆcに同期し、実質的にコサインおよび／またはサイン波の形態の直交デジタル参照信号を表す、直交参照ビットストリームを生成するように配設され、論理手段は、アナログ信号の直交コンポーネントを表す出力ビットストリームを生成するように、入力ビットストリームを直交参照ビットストリームで乗算するように配設される。直交デジタル参照信号は、同相デジタル参照信号に直交し得、例えば、一方はサイン波であり、他方はコサイン波であり、逆もまた同様である。同期変調器またはルックアップテーブルは、同期対の同相および直交参照ビットストリームを生成するように配設され得る。例えば、論理手段は、ＰＤＭデジタル信号を直交参照ＰＤＭデジタル信号で乗算し、アナログピックオフ信号の直交バイアスを表す出力ビットストリームの形態の直交出力デジタル信号を生成するように配設され得る。
【００３２】
任意に、さらなる信号処理ステップが、同期復調器の下流で行われてもよい。一実施例において、方法またはシステムは、例えば、出力ビットストリーム（複数を含む）の連続的なサンプルを合計することによって、出力ビットストリーム（複数を含む）を蓄積するための手段をさらに備える。加えて、または、代替的に、その方法またはシステムは、出力ビットストリーム（複数を含む）をフィルタリングするための手段をさらに備えてもよい。フィルタ手段は、ローパスフィルタを備えてもよい。加えて、または、代替的に、その方法またはシステムは、出力ビットストリーム（複数を含む）をデシメートするための手段をさらに備えてもよい。１つ以上のかかる追加の処理ステップは、関心対象の帯域幅に好適とするように、データ速度を低減するのに役立ち得る。
【００３３】
パルス−密度変調された（ＰＤＭ）波形として、アナログピックオフ信号を表す、デジタルビットストリームを生成することができる、任意の好適な形態のＡＤＣが提供されてもよい。特に好都合な配設において、ＡＤＣは、１ビットパルス−密度変調（ＰＤＭ）デジタル信号を生成するように、デルタ−シグマ変調を行うように配設される。かかる１ビット変換器は、非常に速く、かつ現代的な方法によって、例えば、ＡＳＩＣにおいて、正確にすることが容易であるため、かかるデルタ−シグマ変調は、アナログ信号をデジタル信号にコード化するための人気のある方法となっている。例えば、デルタ−シグマ変調は、アナログピックオフ信号のアナログ電圧を、パルス周波数に変換し、既知の間隔においてパルスを計数し得、それにより、その間隔によって提供されるパルス計数が、平均アナログ電圧の正確なデジタル表現をもたらす。計数間隔は、任意の所望の解像度または精度をもたらすように選択することができる。
【００３４】
上で言及されるように、デジタル変換が、復調参照信号（複数を含む）と同期する場合、デルタ−シグマ変調以外の任意の好適なＡＤＣアーキテクチャを使用することができる。一実施例において、ＡＤＣは、少なくとも１ビットの解像度を有する。しかしながら、任意の好適な解像度、例えば、２ビット、４ビット、８ビット、１６ビット等が選択されてもよいことが理解されよう。典型的に、ＡＤＣ速度対ビット数のトレードオフは、制限要因である。実際、最適な解決策は、利用可能なＡＤＣの速度に依存し得る。
【００３５】
ＡＤＣのサンプリング速度は、共振器周波数に同期する、任意の好適なレベルに設定されてもよい。これは、例えば、信号処理システムに対して利用可能な電力を考慮し得る。一実施例において、ＡＤＣは、これが、依然としてアナログ信号の同相および直交コンポーネントを正確に回収しつつ、３番目および５番目の高調波ノイズが拒絶されることを可能にするため、例えば、搬送波周波数Ｆcの６０倍のサンプリング速度での高速サンプリングを実施する。これは、振動ジャイロスコープといった振動構造センサによって生成される共振信号に対して、特に重要であり得る。
【００３６】
デジタルドメインにおける同期変調器の動作は、信号処理方法またはシステムの位相精度を最大化するように、制御され得る。一実施例において、同期変調器は、アナログ信号の搬送波周波数Ｆcの倍数Ｎ、即ち、Ｎ＊Ｆcのクロック速度で稼働するクロックを利用する。倍数Ｎの好適な選択によって、高速クロックは、ほぼ絶対位相精度を容易に提供することができる。加えて、または、代替的に、同期変調器またはルックアップテーブルは、タイミングをスキューして、位相精度を達成するように、ＡＤＣに対して制御されるクロックを使用し得る。換言すれば、位相精度におけるいかなる誤差も、デジタルで生成された復調サイン波および／またはコサイン波のタイミングをスキューすることによって補正することができる。
【００３７】
本明細書において説明される方法およびシステムは、特に、ＤＣ性能が必要とされ、直交信号が存在する場合、振幅変調されたアナログ搬送波信号に関する情報を有する、いずれのセンサ技術においても使用を見出し得る。本開示は、上で説明されるように、移動感知構造およびピックオフ信号処理システムを備えるセンサを含む。一実施例において、移動感知構造は、振動感知構造を備えてもよい。
【００３８】
本開示は、上で説明されるように、振動感知構造およびピックオフ信号処理システムを備えるセンサに及ぶ。センサは、ｃｏｓ２θ振動モード対を使用して動作させることができる、任意の種類の振動感知構造を備えてもよい。１組の実施例において、ＭＥＭＳセンサは、円板共振器を備える共振質量センサ検出器であってもよい。かかる質量検出器は、熱的に誘導された応力または歪み変動に起因する、ｃｏｓ２θ振動モードにおいて生成される、周波数スプリットを測定し得る。これらの変動は、医療診断および創薬といった用途における質量検出器の感度に影響し得る。
【００３９】
１組の実施例において、センサは、振動構造ジャイロスコープ、特に、実質的に平面的な環状共振器を備えるジャイロスコープであってもよい。環状共振器は、環状共振器が１つ以上の面内共振モードにおいて振動することを可能にする複数の可撓性支持部材によって、半導体基板上に支持されてもよい。半導体基板および環状共振器は、シリコンで作製されていてもよい。半導体基板、環状共振器、および支持部材は、互いに実質的に同一平面上に配設、例えば、深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）プロセスを使用して、同じシリコンウエハから製作されてもよい。
【００４０】
センサは、搬送波周波数Ｆcで振幅変調されたアナログピックオフ信号を生成するピックオフトランスデューサを備えてもよい。例えば、ピックオフ信号は、トランスデューサによって検出される電圧であってもよい。ピックオフトランスデューサは、任意の好適な手段、例えば、容量感知、圧電または電磁、即ち、誘導感知を使用することができる。１組の実施例において、ピックオフトランスデューサは、少なくとも１つの誘導性ピックオフトランスデューサを備える。振動リングジャイロスコープにおいて、誘導性ピックオフトランスデューサは、環状共振器および支持部材上の導電トラック（複数を含む）によって構成されてもよい。
【００４１】
センサは、振動感知構造を、ｃｏｓ２θ共振モードである１次平面内共振モードにおいて振動させるように配設される、駆動トランスデューサを備えてもよい。駆動トランスデューサは、任意の好適な駆動手段、例えば、電磁、光、熱膨張、圧電、または静電効果を使用することができる。
【００４２】
上で言及されるいずれのセンサの実施例においても、センサ（複数を含む）は、ＭＥＭＳ構造として作製されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】環状共振器を備えるＭＥＭＳセンサの先行技術の配設を示す図である。
【図２】先行技術に従う、ＭＥＭＳセンサのための信号処理電子機器の部品を示す、概略図である。
【図３】先行技術に従う、アナログ信号処理システムの概略図である。
【図４】（ａ）は、先行技術のアナログ信号処理システムにおけるノイズ考慮を示す図、（ｂ）は、単純なアナログ復調器によって生成される奇数高調波を示す図、（ｃ）は、先行技術に従う、アナログ復調の結果を示す図である。
【図５】本開示に従う、ピックオフデジタル化システムを例解する概略図である。
【図６】（ａ）は、本開示におけるノイズ考慮を示す図、（ｂ）は、サイン／コサイン波復調器によって生成される高調波を示す図、（ｃ）は、本開示に従う、サイン／コサイン波復調の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
図１は、半導体基板６内に環状共振器２を保持するように配設される、８つの可撓性支持体４ａ〜４ｈによって載置される環状共振器２を備える、先行技術の振動構造ジャイロスコープの実施例を示す。４ａ〜４ｈに対する可撓性支持体の各々は、一方で環状共振器２の外部周辺に、および他方で基板６によって画定される支持フレーム１０の内部周辺に取設される、一対の従属脚部８ａ、８ｂを含む。可撓性支持体４ａ〜４ｈは、環状共振器２が、支持体のうちの２つの上の金属トラックセクションによって構成される電磁駆動トランスデューサ（図示せず）に応答して振動することを可能にする。１次および２次対の誘導ピックオフトランスデューサ（図示せず）は、支持体の他の上の金属トラックセクションによって構成される。
【００４５】
図２は、同期検出器１４を含む速度チャネルへの入力である、２次ピックオフ差分トランスデューサ信号を示す。同期検出器１４は、差分信号の振幅に対するオフセットを出力し、これは、フィルタリングされ、速度出力信号およびアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１５への入力におけるシングルエンドオフセットに変換される。次いで、ＡＤＣは、環状共振器２の移動を表すデジタル信号を出力する。かかるアナログ信号処理システムにおいて、単純な＋／−１、即ち、方形波同期復調器は、図３によって例解されるように、アナログピックオフ信号から変調情報を抽出する。ノイズ考慮および信号歪みは、図４ａ〜４ｃに例解される。図４ａにおいて、振幅変調情報は、１４ｋＨｚの搬送波周波数Ｆcの信号によって搬送される。ブロードバンドホワイトノイズが存在し、３Ｆc（４２ｋＨｚ）および５Ｆc（７０ｋＨｚ）でノイズ画像をもたらす。図４ｂは、単純な＋／−１、即ち、方形波同期復調器に起因する奇数高調波を示す。図４ｃは、どのようにして情報がベースバンドに変換されるが、ブロードバンドホワイトノイズおよび歪みによって破壊されるかを示す。図４ａ〜４ｃから分かるように、かかる復調器は、奇数高調波周波数において信号の奇数高調波歪みおよびノイズを受容し、これは、システムの性能が悪化することを意味する。
【００４６】
図５を見ると、パルス−密度変調された（ＰＤＭ）波形として、周波数Ｆcにおける入力搬送波信号の振幅変調を表す、デジタルビットストリームを生成するように、高速の１ビットアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を使用する、ピックオフ信号処理システムが見られる。ＡＤＣは、好都合にデルタ−シグマ変調を採用することができる。一対の同相および直交参照パルス−密度変調されたサイン／コサイン波、例えば、ＰＤＭサイン波およびＰＤＭコサイン波が、同期クロックから稼働される論理によって合成される。クロックは、Ｎ＊Ｆcの高周波数で稼働し得る。復調サイン／コサイン波は、デジタルで生成され、適切な数の高調波を使用して、サイン／コサイン波に近似値を提供し得る。２つの同期デジタル参照ビットストリームは、組み合わせ論理、例えば、排他的ＯＲゲートを使用して、入力ＰＤＭデジタル信号とともに乗算される。それにより、同期復調器は、元のアナログピックオフ信号内に含有される振幅情報を表す出力ビットストリーム、および搬送波信号内の任意の直交バイアスを表す別の出力ビットストリームを生成する。示されるように、次いで、同相する出力ビットストリームは、振幅変調の正確な表現だが、有利に関心対象の帯域幅に好適な低いデータ速度で生成するように、フィルタリング、合計、およびデシメートされてもよい。ベースバンドにおいて情報を分離するために、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を採用することができる。直交−位相である出力ビットストリームは、任意に、任意の直交バイアスを測定するために使用されてもよい。
【００４７】
図６ａ〜６ｃは、どのようにして、ノイズ考慮が、かかるサイン／コサイン波復調方法によって対応されるかを例解する。図６ａにおいて、搬送波周波数Ｆcにおける振幅変調されたアナログ信号は、図４ａと同じである。しかしながら、図６ｂにおいて、生成される奇数高調波が存在しないことが分かる。結果として、図６ｃに示されるように、必要とされる情報のみが、ベースバンドに変換される。
【００４８】
図５に示されるシステムは、１ビットデジタル化に関するが、同技術は、ｚビット参照ビットストリームによって乗算される一般化ｘビットＡＤＣ出力にまで及び得、式中、ｘ≧１およびｚ≧１である。かかる実施例において、ｘは、復調参照サイン／コサイン波のマルチビット表現であり、２つの積は、ｘ＊ｚビットの結果であろう。パルス−密度変調（ＰＤＭ）またはパルス−幅変調（ＰＷＭ）の代わりに、ＡＤＣは、マルチビット変換のために、パルス−コード変調（ＰＣＭ）を採用してもよい。これは、高性能をもたらすであろうが、ＡＤＣに必要とされる処理および高速に関して集中的であり得る。
【符号の説明】
【００４９】
２…環状共振器
４ａ〜４ｈ…可撓性支持体
６…半導体基板
８ａ，８ｂ…従属脚部
１０…可撓性支持ビーム
【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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