JP2000508077A - 高いダイナミック範囲のデジタルフラックスゲート磁力計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 改良されたデジタルフラックスゲート磁力計（20）は、デジタル論理装置と高解像度デジタルアナログ変換器（40）とを使用して信号処理アルゴリズムにより使用されるように磁気信号をデジタル化する。磁力計は発振器信号を出力する発振器（11）と、発振器に結合された駆動コイル（13ａ）とフィードバックコイル（13ｂ）と感知コイル（13ｃ）を有する磁気フラックスゲートセンサ（13）を含んでいる。アナログ乗算器（14）は感知コイルと発振器に結合され、信号をアナログローパスフィルタ（21）へ出力する。比較器（22）はアナログ乗算器に結合され、レジスタ（23）は比較器に結合され、比較器の出力にしたがって論理１または論理０を出力する。デジタルフィルタ（27）はレジスタの出力を受信し、デジタルフラックスゲート磁力計のデジタル出力を生成する。高解像度デジタルアナログ変換器（40）はレジスタと、センサのフィードバックループの磁気フラックスゲートセンサのフィードバックコイルとの間に結合されている。デジタルアナログ変換器は、センサのダイナミック範囲を適切に表すために必要である非常に高解像度のデジタル化された出力（＞２２ビット）を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】 高いダイナミック範囲のデジタルフラックスゲート磁力計 ［技術的背景］ 本発明は磁力計、特に改良されたデジタルフラックスゲート磁力計に関する。 本出願人は種々の磁気データ処理アルゴリズムを使用して３軸フラックスゲー ト磁力計センサからのデータを処理する磁気センサシステムを設計し、製造して いる。このような磁気データ処理アルゴリズムは、米国特許第5,239,474号明細 書（発明の名称“Dipole Moment Detection and Localization”）、米国特許第 08/6111,291号明細書（発明の名称“Improved Dipole Moment Detector and Lo calizer”、1996年３月５日）と、米国特許第08/611,352号明細書（発明の名称 “Spatial Temporal Processing of Magnetrometer Data to Localize Magnetic Dipoles”、1996年３月５日）に開示されている。現在の技術のフラックスゲー ト磁力計センサは磁力計出力としてアナログ積分器の出力を使用する。その後こ の信号は多数のビットの解像度（典型的に＞２０）を有するアナログデジタル（ Ａ／Ｄ）変換器でデジタル化される。これは大型で高価で多量のパワーを消費す るアナログデジタル変換器の使用を必要とするが、この変換器は現在約２２ビッ トの解像度に限定されている。 これらの従来技術の磁力センサシステムはアナログ磁力フラックスゲートセン サを使用し、これを高解像度のアナログデジタル変換器に結合してデジタル出力 を発生する。この方法は多くの欠点を有する。高解像度のＡ／Ｄ変換器はダイナ ミック範囲では現在２２ビット以下に限定される傾向にある。高解像度のＡ／Ｄ 変換器は高価である。高解像度のＡ／Ｄ変換器は物理的に大きい。高解像度のＡ ／Ｄ変換器は多量のパワーを消費する。さらに、アナログフラックスゲートセン サで使用されるアナログ積分器はセンサの出力信号に低いレベルのドリフトを生 じさせ、これはターゲットの検出および追跡における使用を限定する。 前述の一般的なフラックスゲート磁力計センサの制限を克服するために、本願 の出願人により現在使用されているストップギャップ方法は調節可能な電圧基準 と、地球の磁界による測定された磁界の大きい一定の部分をフラックスゲート磁 力計により測定された磁界から減算するためのアナログ減算装置を使用する。そ の後、残りの信号は減少された解像度のアナログデジタル変換器を使用してデジ タル化される（１２から１６ビット）。この技術は、磁力センサが地球の磁界に 関して静止している応用でのみ有効である。フラックスゲート磁力計センサに対 して高解像度のデジタル化を行う別の方法は、米国特許第08/636,617号明細書 （発明の名称“Digital Flux Gate Magnetometer”、1996年４月23日）と、米国 特許第5,652,512号明細書（発明の名称“Advanced Digital Flux Gate Magneto meter”）に記載されている。 したがって、本発明の目的は、前述の通常のアナログ磁力計を改良したデジタ ルフラックスゲート磁力計を提供することである。 ［発明の要約］ 前述およびその他の目的を達成するため、本発明はデジタル論理装置と高解像 度デジタルアナログ変換器とを使用して信号処理アルゴリズムにより使用される ように磁気信号をデジタル化する改良されたデジタルフラックスゲート磁力計セ ンサを提供する。センサのフィードバックループに直接的に高解像度デジタルア ナログ変換器を構成することによって、正確（および高価）なアナログデジタル 変換器は廉価で低いパワーのデジタルアナログ変換器によって置換される。また 、本発明のデジタルフラックスゲート磁力計センサは、ドリフトするアナログ積 分器を用いた通常の磁力計センサで共通の問題であるようなドリフトを生じない 。 さらに説明すると、デジタルフラックスゲート磁力計はデジタル論理装置と高 解像度デジタルアナログ変換器とを使用して信号処理アルゴリズムにより使用さ れる磁気信号をデジタル化する。磁力計は発振器信号を出力する発振器と、発振 器に結合された駆動コイルとフィードバックコイルと感知コイルを有する磁気フ ラックスゲートセンサを含んでいる。アナログ乗算器は感知コイルと発振器に結 合され、信号をアナログローパスフィルタへ出力する。比較器はアナログ乗算器 に結合され、レジスタは比較器に結合され、比較器の出力にしたがって論理１ま たは論理０を出力する。デジタルフィルタは磁力計のデジタル出力を生成するよ うにレジスタの出力を処理する。高速度デジタルクロックはクロック信号をレジ スタおよびデジタルフィルタに結合する。高解像度デジタルアナログ変換器はレ ジスタと、センサのフィードバックループの磁気フラックスゲートセンサのフィ ードバックコイルの間に結合されている。 本発明は非常に高解像度デジタル化出力を生成するフラックスゲート磁力計で ある。この高い正確性（典型的に＞２２ビット）はセンサのダイナミック範囲を 適切に表すのに必要である。本発明は、高解像度（典型的に＞２０ビット）のア ナログデジタル変換器をパワー消費の少ない類似した大きさのデジタルアナログ 変換器と置換することにより、通常のアナログ磁力計と比較して磁力計の電力消 費を減少させる。 本発明は、フラックスゲート磁力計センサで典型的に使用される不完全なアナ ログ積分器により生じた低周波数回路雑音とドリフトを除去する。高解像度アナ ログデジタル変換器は競合する高解像度デジタルアナログ変換器よりもかなり大 きいので、本発明は通常のアナログ磁力計センサと比較して磁力計の大きさを減 少する。 本発明は技術的背景の部分で説明した通常のアナログ磁力計センサの欠点を改 善する。本発明はベクトル磁界値（センサのヘディングを決定するのに有効であ り多数の磁気信号処理アルゴリズムで必要とされる）を処理し、このデータはア ナログ磁力計センサの一般的なＡＣ結合デジタル化によって処理する期間に失わ れる。本発明は（ハイパスフィルタ処理による）低周波数波形の歪みを最少にす る。このような歪みは磁気処理アルゴリズムの性能に悪影響を与える。本発明は それが磁界に関して回転されていても磁界をダイナミックに測定する。 本発明は例えば、港の防衛用に使用されてもよい。本発明の技術はブイ、水中 ビークル（魚雷を含む）、航空機および地上ベースのビークルのような可動プラ ットフォームのための慣性安定フラックスゲートベクトルセンサを提供するため にも使用されることができる。 ［図面の簡単な説明］ 本発明の種々の特徴および利点は添付図面を参照にした以下の詳細な説明を参 照してより容易に理解されるであろう。類似の参照符号は同一の構造素子を示し ている。 図１は、従来の通常のアナログ磁力計を示した図である。 図２は、本発明の原理によるデジタルフラックスゲート磁力計の１実施形態を 示した図である。 図３は、本発明の原理によるアナログデジタル変換器の１実施形態を示した図 である。 ［詳細な説明］ 本発明は一般的なアナログ磁気フラックスゲートセンサ技術を用いて設計され た磁力計を改良したものである。図面を参照すると、図１は本発明を良好に理解 するために示した従来の一般的なアナログ磁力計10のブロック図である。従来の アナログ磁力計10は発振器11を具備し、発振器11の信号出力は、周波数分割装置 12（２により分割される回路）により磁気フラックスゲートセンサ13の駆動コイ ル13ａへ結合されている。磁気フラックスゲートセンサ13はまたフィードバック コイル13ｂと感知コイル13ｃを具備している。感知コイル13ｃはアナログ乗算器 14の第１の入力に結合され、その第２の入力は発振器11の出力に結合され、発振 器信号を受信する。アナログ乗算器14の出力はローパスフィルタ15により濾波さ れ、その後積分器16により積分され、積分器16は一般的なアナログ磁力計10の信 号出力を生成する。積分器16から出力された信号は抵抗17により磁気フラックス ゲートセンサ13のフィードバックコイル13ｂにフィードバックされる。 一般的なアナログ磁力計10では、発振器11は発振器信号を発生する。発振器信 号の周波数は周波数分割装置12で２で除算され、磁気フラックスゲートセンサ13 のコア材料を駆動するために使用される。コア材料は磁気的に飽和可能な材料で あり、ローパスフィルタ信号波形の各２サイクルで２回飽和状態に駆動される。 コア材料の特性は、これが磁界中にあるならば感知コイル13ｃは駆動周波数の ２倍でＡＣ信号を検出する。このＡＣ信号はアナログ乗算器14により（アナログ ドメインで）駆動コイル周波数の２倍に乗算され、それによって周波数は信号を ＤＣへシフトする。 ローパスフィルタ15により適切に濾波されたこのＤＣ信号は、周囲磁界（感知 されている磁界）による磁気フラックスゲートセンサ13のコア材料によって見ら れる磁界と、フィードバックコイル13ｂにより発生した磁界との差を表している 。フィードバックコイル13ｂと感知コイル13ｃは異なった周波数で動作するため 、 幾つかのセンサ構造では、これらはセンサ10のその他の回路に適切に結合された 同一のコイルである。したがって積分器16はフィードバックコイル13ｂへの駆動 を補正し、それによってアナログ乗算器14とローパスフィルタ15の出力（さらに 、磁気フラックスゲートセンサ13のコア材料により見られるような磁界）をでき る限りゼロに近付ける。 アナログ磁力計10が平衡であるとき、積分器16の出力は磁気フラックスゲート センサ13のコア材料により測定される磁界に等しいがそれと反対の信号である。 アナログ磁力計10の出力信号は積分器16で積分した後、この点から取出される。 多くの応用では、その後出力信号は高解像度（しばしば２０ビット以上）デジ タル信号を与えるためにデジタル化される。このデジタル化は高価なアナログデ ジタル変換器を必要とする。本発明は通常のアナログフラックスゲート磁力計で 使用される高価なアナログデジタル変換器を必要とせずにデジタル出力信号を直 接供給する改良されたデジタルフラックスゲート磁力計を提供する。 図２を参照すると、図２には本発明の原理による改良されたアナログデジタル 変換器50を使用した本発明の原理によるデジタルフラックスゲート磁力計20の実 施形態のブロック図が示されている。デジタルフラックスゲート磁力計20は発振 器11を具備し、発振器11は、磁気フラックスゲートセンサ13の駆動コイル13ａへ 結合されている周波数分割装置12（２により分割される回路）に発振器信号を出 力する。磁気フラックスゲートセンサ13はまたフィードバックコイル13ｂと感知 コイル13ｃを具備している。感知コイル13ｃはアナログ乗算器14の第１の入力に 結合され、その乗算器14の第２の入力は発振器11の出力に結合されて発振器信号 を受信する。アナログ乗算器14の出力はアナログローパスフィルタ（ＬＰＦ）15 に結合され、アナログローパスフィルタ15の出力は比較器（ＣＯＭＰ）22の第１ の入力に結合されている。比較器22の第２の入力は接地されている。 比較器22の出力はレジスタ23に結合され、レジスタ23は比較器22の出力に応じ て論理１または論理０を出力する。レジスタ23の信号出力はデジタルフィルタ27 に結合され、デジタルフィルタ27はデジタルフラックスゲート磁力計20のデジタ ルセンサ出力を生成する。高速度デジタルクロック26はレジスタ23およびデジタ ルフィルタ27のクロック入力に結合されているクロック信号出力を有し、それぞ れの回路を通じて信号を適切にクロックする。 レジスタ23からの信号出力は、レジスタ23と磁気フラックスゲートセンサ13の フィードバックコイル13ｂとの間のフィードバックループ中に配置されている高 解像度デジタルアナログ変換器40に結合されている。高解像度デジタルアナログ 変換器40はゲート駆動回路24と、スイッチ回路25と、ローパスフィルタ30と、バ ッファ増幅器33とを具備している。 さらに詳しく説明すると、レジスタ23からの信号出力はゲート駆動回路24に結 合される。ゲート駆動回路24の出力は、スイッチ回路25のアナログスイッチ25ａ を具備する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）25ａのゲートに結合されている。ス イッチ回路25の出力はローパスフィルタ30（ＲＣネットワーク）に結合され、ロ ーパスフィルタ30はキャパシタ32を通じて直列に接地されている抵抗31を具備し ている。ローパスフィルタ30はスイッチ回路25の出力を濾波する。この濾波され た信号はバッファ増幅器33とフィードバック抵抗34（必要ならば）を通って磁気 フラックスゲートセンサ13のフィードバックコイル13ｂに結合されている。 デジタルフラックスゲート磁力計20の中心はアナログデジタル変換器50であり 、これは図２の実施形態で示されているように比較器22、レジスタ23、高解像度 デジタルアナログ変換器40と、ローパスフィルタ30と、高速度デジタルクロック 26とデジタルフィルタ27とを含んでいる。改良されたアナログデジタル変換器50 はエラー信号をアナログフィードバック信号へ正確に変換してセンサ13をゼロに し、センサ13の出力に対応する高解像度デジタル出力信号を発生する。 本発明のデジタルフラックスゲート磁力計20では、通常のアナログフラックス ゲート磁力計10で使用されるアナログ積分器15はアナログローパスフィルタ15と 比較器22によって置換される。比較器22は、アナログローパスフィルタ15からの ローパスフィルタ処理されたエラー信号出力が正であるか負であるかを決定し、 それにしたがってデジタル論理信号を出力する。比較器22の出力に結合されたレ ジスタ23は比較器22の出力に基づいて論理１または論理０を出力する。比較器22 の出力はスイッチ回路25のトランジスタ25ａ（アナログスイッチ25ａ）のゲート を駆動する。 レジスタ23とデジタルフィルタ27は発振器11からの発振器信号出力の周波数よ りも高い周波数で高速度デジタルクロック26によりクロックされ、発振器11は周 波数分割装置12により駆動コイル13ａに供給され、またアナログ乗算器14に供給 される。２進データ流は、アナログスイッチ25ａのゲートに結合されているゲー ト駆動回路24とデジタルフィルタ27に送信される。ゲート駆動回路24は、レジス タ23の出力に基づいて、抵抗31とキャパシタ32を具備するローパスフィルタ30に 正または負の基準電圧のいずれを電界効果トランジスタ25ａに供給して駆動する かを決定する。ローパスフィルタ30（抵抗３１とキャパシタ３２）は電界効果ト ランジスタ25により発生された出力を濾波する。この濾波された信号はバッファ 増幅器33によりバッファ（緩衝）され、磁気フラックスゲートセンサ13のフィー ドバックコイル13ｂを駆動するために使用される。 レジスタ23の出力はまたデジタルフィルタ27に入力される。レジスタ27に与え られる同じクロック信号によりクロックされるデジタルフィルタ27の第１の段は 、ローパスフィルタ30のフィードバック抵抗31とキャパシタ32の周波数応答をシ ミュレートし、それによってフィードバックコイル13ｂを駆動する電流のデジタ ルレプリカを与える。デジタルフィルタ27の後続する段はさらにデジタルデータ をローパスフィルタ処理し、それによって問題の周波数帯域外の信号を除去する 。これらの後続デジタルフィルタ段はデジタルフィルタ27の第１の段と発振器11 と同一周波数で動作してもよいが、それは必要な条件ではない。デジタルフィル タ27の最終的な出力はＮビット２進ワード（典型的にＮ＞２４ビット）であり、 これは磁力計20のデジタル出力である。 測定された磁気信号が変化したとき、ローパスフィルタ15の出力はゼロではな くなる。比較器22はこの出力信号をデジタル値に変換し、これはその後レジスタ 23へ送られる。レジスタ23の出力は、比較的長い時間にわたって１つの状態を好 むことによってゲート駆動回路24に２つの可能な基準電圧（＋Ｖ_ref、−Ｖ_ref) のうちの一方を容易に出力させる。これによってキャパシタ32の電圧は変化し、 それ故フィードバックコイル13ｂを通る電流を変化させる。磁気フラックスゲー トセンサ13の適切な動作期間中、このフィードバック電流の変化はローパスフィ ルタ30の出力をゼロ方向へ戻させる。 さらに、レジスタ23の出力はこの時間中、デジタルフィルタ27へ送られる。２ 進データ流によってデジタルフィルタ27の出力は、ローパスフィルタ30中のキャ パシタ32の電圧（したがってさらにフィードバックコイル13ｂの電流）を追跡す るように変化する。信号の高周波数成分を除去するためのデジタルフィルタ27に よる付加的な濾波の後、デジタルフィルタ27はフィードバックコイル13ｂの電流 のデジタル化された形態の電流を出力する。このデジタル信号は磁力計20のデジ タル出力である。 磁気フラックスゲートセンサ13が平衡であるときの理想的なケースでは、比較 器22の出力は高電圧出力と低電圧出力の間で変動する。レジスタ23は磁気フラッ クスゲートセンサ13により見られるような磁界に関するデューティサイクルを有 する方形波に近似する信号を出力する。ローパスフィルタ30はこの信号を取り、 これをフィードバックコイル13ｂに与えられる駆動電流に変換する。デジタルフ ィルタ27はまたこの同じ信号を処理し、これをフィードバックコイル13ｂの電流 の高解像度デジタル表示に変換してデジタルフラックスゲート磁力計20から出力 信号を提供する。 アナログデジタル変換器50を磁力計13と共に使用することに関して説明したが 、フィードバックによるゼロ設定を使用する、あるタイプの加速度計およびその 他のタイプの磁力計のような大きいダイナミック範囲を必要とするセンサと共に 使用されてもよいことが理解されよう。さらに、アナログデジタル変換器50はア ナログ入力信号をデジタル化するための独立型回路として使用されてもよい。図 ３は本発明の原理によるアナログデジタル変換器50の１実施形態を示している。 図３を参照すると、１例のアナログデジタル変換器50は差動増幅器41を具備し 、この差動増幅器41の第１の入力はデジタル化されるアナログ入力信号を受信す る。アナログデジタル変換器50は図２を参照して説明したように、比較器22、レ ジスタ23、高解像度デジタルアナログ変換器40、高速度デジタルクロック26、デ ジタルフィルタ27をさらに具備する。デジタルアナログ変換器40の出力は差動増 幅器41の第２の入力に結合されるフィードバック信号を含む。アナログデジタル 変換器50はアナログ入力信号を正確に複製してアナログ入力信号に対応する高解 像度のデジタル出力信号を生成し、また、このデジタル化された信号をアナログ フィードバック信号へ変換して、差動増幅器41の第２の入力へ入力する。 以上、改良されたデジタルフラックスゲート磁力計について説明した。前述の 実施形態は単に、本発明の原理の応用を表す多数の特別な実施形態のうちの幾つ かの例であることが理解されよう。明らかに、多数およびその他の装置が本発明 の技術的範囲を逸脱せずに当業者により容易に行われることができる。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 デジタル化された出力（＞２２ビット）を生成する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．フィードバック入力（13ｂ）と、センサにより感知された信号とフィードバ ック入力に入力されたフィードバック信号との間の差を示すエラー信号を出力す る感知出力（13ｃ）を具備するセンサ（13）と、 センサの感知出力に結合された比較器（22）と、 比較器に結合され、比較器の出力にしたがって論理１または論理０を出力する レジスタ（23）と、 レジスタの信号出力に結合され、感知装置のデジタル出力を生成するデジタル フィルタ（27）と、 レジスタとデジタルフィルタのクロック入力に結合されているクロック信号出 力を有するデジタルクロック（26）と、 高解像度デジタルアナログ変換器（40）と、レジスタとセンサのフィードバッ ク入力の間に結合されフィードバック信号を供給するためのアナログローパスフ ィルタ（30）とを具備している感知装置（20）。 ２．センサ（13）はコア材料と、駆動コイル（13ａ）と、フィードバックコイル （13ｂ）と、感知コイル（13ｃ）とを有する磁気フラックスゲートセンサ（13） を具備し、感知装置（20）はさらに駆動コイルに結合されている発振器信号を出 力する発振器（11）と、感知コイルと発振器に結合されてエラー信号を発生する アナログ乗算器（14）とを具備している請求項１記載の感知装置（20）。 ３．高解像度デジタルアナログ変換器（40）において、 複数のアナログスイッチ（25ａ）を具備するスイッチ回路（25）と、 レジスタ（23）とアナログスイッチのゲートとの間に結合されているゲート駆 動回路（24）と、 スイッチ回路に結合され、そこから出力されたエラー出力信号を濾波するロー パスフィルタ（30）と、 ローパスフィルタと磁気フラックスゲートセンサのフィードバックコイル（13 ｂ）との間に結合されているバッファ増幅器（33）とを具備している請求項１記 載の感知装置（20）。 ４．発振器信号を出力する発振器（11）と、 コア材料、発振器が結合されている駆動コイル（13ａ）、フィードバックコイ ル（13ｂ）、感知コイル（13ｃ）を具備する磁気フラックスゲートセンサ（13） と、 感知コイルと発振器に結合された入力を有するアナログ乗算器（14）と、 アナログ乗算器の出力に結合されたアナログローパスフィルタと、 ローパスフィルタに結合された第１の入力と、接地した第２の入力を有する比 較器（22）と、 比較器に結合され、比較器の出力にしたがって論理１または論理０を出力する レジスタ（23）と、 レジスタの信号出力を受信するように結合され、デジタルフラックスゲート磁 力計のデジタル出力を生成するデジタルフィルタ（27）と、 レジスタのクロック入力とデジタルフィルタのクロック入力に結合されたクロ ック信号出力を有する高速度デジタルクロック（26）と、 レジスタと磁気フラックスゲートセンサのフィードバックコイルとの間に結合 された高解像度デジタルアナログ変換器（40）とを具備しているデジタルフラッ クスゲート磁力計（20）。 ５．高解像度デジタルアナログ変換器（40）は、 複数のアナログスイッチ（25ａ）を具備するスイッチ回路（25）と、 レジスタ（23）とアナログスイッチのゲートの間に結合されているゲート駆動 回路（24）と、 スイッチ回路に結合され、そこから出力されたエラー出力信号を濾波するロー パスフィルタ（30）と、 ローパスフィルタと磁気フラックスゲートセンサのフィードバックコイル（13 ｂ）との間に結合されているバッファ増幅器（33）とを具備している請求項４記 載の感知装置（20）。 ６．デジタル化されるべきアナログ入力信号を受信する第１の入力を有する差動 増幅器（41）と、 差動増幅器に結合される比較器（22）と、 比較器に結合され、比較器の出力にしたがって論理１または論理０を出力する レジスタ（23）と、 レジスタとセンサのフィードバック入力の間に結合されフィードバック信号を 与える高解像度デジタルアナログ変換器（40）と、 レジスタの信号出力に結合され、アナログ入力信号に対応するデジタル出力信 号を生成するデジタルフィルタ（27）と、 レジスタとデジタルフィルタの各クロック入力に結合されているクロック信号 出力を有するデジタルクロック（26）とを具備しているアナログデジタル変換器 （50）。 ７．高解像度デジタルアナログ変換器（40）は、 複数のアナログスイッチ（25ａ）を具備するスイッチ回路（25）と、 レジスタ（23）とアナログスイッチのゲートとの間に結合されたゲート駆動回 路（24）と、 スイッチ回路に結合され、そこから出力された出力信号を濾波するローパスフ ィルタ（30）とを具備している請求項６記載のアナログデジタル変換器（50）。