...

アナログ ・ ディ ジタル方式によるハイ ブリ ッ ドタ イマ

by user

on
Category: Documents
0

views

Report

Comments

Transcript

アナログ ・ ディ ジタル方式によるハイ ブリ ッ ドタ イマ
生産 研究
20 19巻・1号(1967・1)
IMIIH重IIIIIIttlllHMt川llllllllllllltltltllllllllltlllllttlt川lltlllllllttllltllllllltllltlltllltlllllltllll川tttllllltllltllltllllllltlltlllllllltllltllllltlllllllllllllllllllttlllllllllllllllttltlllilllltllllltlltlll研究速…報
UDC 62−558−523.8:621.374.3
アナログ・ ディジタル方式によるハイブリッドタイマ
Hybrid Timer composed of Analog and Digital System
山口楠雄・鈴木俊光
Kusuo YAMAGUCHI・Toshimitsu SUZUKI
1. まえがき:タイマは,ある一定の時間,あるいは
性能を一応の設計の目安とした.
遅れの指令を必要とする場合に用いられる.従来から自
動作温度範囲 一30°C∼100℃,精度
動制御,計測などに,数秒∼数百分程度の時間を指定す
カウンタに誤差がないものとすれば,
るためのタイマとしてモータタイマなどが多数用いられ
して次のようなものがあげられる.
てきたが,制御方式の高度化にともない,目標値を電気
(1)D−A変換器の誤差
的にリモートセットできるタイマが必要になってきた.
(2) 比較器の誤差
このような要求を満たすものとして,アナログ・ディジ
(3)ディジタル誤差
(1)および(2)については後に述べる.(3)のデ
タル方式のタイマ(ハイブリッドタイマ)の研究および
0.4%
タイマの誤差と
試作を行なったので,その結果をご報告する.
ィジタル誤差は,時間設定のアナログ信号が,D−A変
2. ハイブリットタイマの構成:ハイブリッドタイマ
換された時間信号の最小ビットの境界にあるとき,どち
は,アナログ・ディジタル両方式を組み合わせたもので
らをかぞえるかによって,1ビット分の時間誤差を生じ
ある.その構成図および各部の波形を図1に示す.以下
る.この誤差は桁数を増すことによって小さくできる,
4. D・A変換器:D−A変換器にはいろいろの方式が
計算機 D−A変換器 2進,10進切替スインチ
あるが,ここでは定電流出力方式を用いた.目標精度と
人
クロノク
ノfル ス
v
押ボタン
A
しては一応次のように定めた.
C
出力信号
比較器
2T
カウンタ
D−A変換器 B i
0℃∼60℃ 0.2%
(a) リセットパルス
−30°C∼100°C O.4%
ー−2先一一一一一一一一一一一一一一一一.一一一一」
出力電流 0∼16mA
定電流方式のD−A変換器は,一種の定電流源と考え
クロノクパルス
t
y㏄1
A
られる.以下,その動作原理と回路について述べる.
B
y
16V
FF
out
t
out
藝
D,旨 D,
リセントパルスC
冨9
t
(b)
D,
≧ユδω
i6;一一
Ry
図1 タイマの構成と各部の波形
図8
(b)
D1
R
(a)
その動作原理を説明する.
(d)
目標値の設定は,他の計器出力,計算機出力あるいは
図2D−A変換回路
人聞による押ボタンスィッチ,ポテンショメータの設定
図2(a)を理想的な定電流源とし,その電流1は次
等により行ない,D−A変換器により,設定時間に比例
式で決まるものとする,
した電圧(電流)を発生する.(図1(b)−A) 一方一定
1=Es/R Es:基準電圧 (1)
時間毎に発生するクロックパルスをカウンタで計数し,
この理想定電流源に近いものとして,同図(b)のような
D−A変換器を通して時間信号に比例した電圧(電流)を
ベース接地トランジスタ回路を用いると,出力電流1お
発生する.(同図B)A(設定電圧または電流)とB(時
よび基準電圧Vstは,
刻に比例した階段波形の電圧または電流)を比較器で比
・−R(Es’1+1/β)β一告 (2)
較し,両者が一致したときに出力信号を発生し,同時に
リセットパルスを発生し,カウンタをリセットする,
Vsノ :Esノ→−VBE (3)
3.設計目標:タイマ全体の精度はアナログ部分の精
となる.さらに,この回路に電流切替機能をもたせると
度によって決まる.また用途によってはかなり広い動作
同図(c)の回路になる.(c)図において,FF端子はカ
温度範囲を要求されることがある,アナログ方式の回路
ウンタのフリップフロップの出力端に接続される,FF
として比較的簡単に実現できる限度として,次のような
端子がたとえば12Vのとき出力端に電流が流れ, FF端
1闘ll闘ll闘ll弱lmll闘ll補1闘llllLILIItlHltlLltl樋llllllllllllMH“ll川llltlltlUllllll川llllLl“lllll“tHllHIIIIIIIIItl朋111田柵IIIMIIII闘閥Illllil田llMtlllll川llllltllUIII“11川腿ltlllllllllllllllll闘ll闘LlllllHlllllllllMltlllllUl踊“川lllllllUllllllll
20
生産研究 21
19一巻・1号(1967.1)
研究速報lll川lllllltltlltltllt川lll川lllllllUlllllllHllMlllllllMltltllllll“IM
ll川1111
lllllllllllllllllllllllitlllllHllMlltlltllllilll ltlllltlllll川tllltllllUllttllltlUtllllllllSllllltllllltlllUlll川lil匿
鮮器謡難藷縫謙量雲あ:P
嗣 (・v・−VISE一号)
0.5
したがって基準電圧Vsは, D1の順方向電圧降下をV■
1
×{ζ∼)く一x
x
T 一30℃覗/β〔V〕0℃
25
T
とすると
50℃
一〇.5
Vs=Vs t−「Vl) (4)
V慨〔V〕
100℃
@−1.0
となる.(2),(3),(4)式より,出力電流1は
・一幅縞確 (5)
VD 1・°
β》1,Vs》VBE, VDとすれば1は次のようになる.
0.5
・一麦(Vs+Y・−VBE一穿) (6)
一30℃ 0℃
│F、/β〔V〕『0・5
(a)
1==8mA
@ (・V・・ 一…一㌦一号)
ま
ここで,温度変化による1の変化を考える.Vsおよ
_x
x
25℃
100℃
50℃
一1偏〔V〕一砺 一1.0
(b)
びRは温度によって変化しないものを用いるものとし,
∬=0.5mA
図3 D−A変換器温度変化項および補償曲線
温度による変動を無視する.(6)式中の7D, VBE,1/β
に示すように,温度による変化項をほとんど打ち消すこ
について温度によって変化しない定数と変化する成分の
とができる.図4にD−A変換器の回路を示す.
和として考えると
5.比較器およびカウンタ:比較器の回路を図5に示
・一麦{(V・+V・・一・VBE・一γ・VS)
す.比較すべき入力電圧が小さいことと,目標値の設定
一(VBEt−VD‘十γt「Vs)} (7)
に従って入力電圧レベルが変わること,温度変化による
となる.ただしγ=1/β
誤差を小さくすること等のためである。比較器は,時間
周囲温度がたとえば25CCのとき,温度による変化項
設定のアナログ信号(電圧)と,D−A変換された時間
・をゼロとし,VS 一 YBEO+V’DO一γo Ys=Esとなるように
信号(電圧)とを比較するもので,単位時間に相当する
Vsの値を定めると,図2(c)の出力電流は理想定電流源
電圧より小さい電圧の差を検出できなければならない.
の1と等しくなる.
D−A変換器は1桁下のものの2倍の出
FFI FF2 FF3 FF4 FF5
26
[email protected] 25
24
FF6 FF7 FF8
21
20
23
22
OV−19V
力電流を有する定電流源8桁で構成されて
盾浮狽
いる,下位4桁は電流が小さいので図2
(d)のような回路を用いた.4個の電流切
替回路がエミッタに接続されている.上位 Dl
D2
4桁と同様に,出力電流1は,
※98
と
@9
Tr1
@9
Tr2
c3
c4
※D5
ャ頃
冨
冨
Tr3
c6
c7
ニ畠
D11
蚤蕊
y8
P2K※
i−i(Vs−v・・−VBE+脹努)
nV
c14
c15
Dig
D21
co
c18
D23
c22
※尋圏
Dl6
VS−▽’D2−VBE+VD3
1=
R(1+1/β)
ぎN
c13
clo
ャの
ぎN
@曽 Tr5
Tr4
cg
護D・り
│
@自
ば
※図霧
ャ9
ぎ9
Tr1・Tr2:2SC38
sr3∼Tr5:2SC267
│40V
c、∼D23:SD102
u3
@※精密巻線抵抗
図4 D−A変換器
Vs》「VBE,「VD2, VD3. β》1
−÷{(V・−VD2・−V…+VD・Q一γ・VS)
48V
冨①
一(V.・,+’v’BE,一γ・3,+γ、Vs)} (8)
となる.ただしγ一1/β
一30QC∼100℃の温度における温度変化項の値を図3
に示す.図3(a)をみるとVBE, V.,『V・/βの大きさは
入力1 100Ω 入
Trl Tr2
Tr1∼Tr3
2SC267
Tr5 Tr6
Tr6
Tr4:2SC268
:SD102
ZD :RD6A
:リレー
24V
ほぼ等しく,(7)式からもわかるようにその符号が逆
である.したがってこの関係を利用した補償が可能であ
る.下位4桁も,図3(b)および(8)式から同様に温
図5 比較器回路
度補償を行なうことができる.補償は上位4桁では図
比較器の誤差は,差動増幅器の2個のトランジスタの特
2(c)のD2を2個シリーズに接続することにより,下位
性をそろえることによって非常に小さくすることができ
4桁では同図(d)のD3を3個シリーズに接続するこ
る.図6にカウンタおよびそれを構成しているフリップ
とによって行なうことができる.この補償によって図3
フロップ回路を示す.広範囲の温度で動作するようにシ
411111闘川IUIItlllllllllllll川川lllUlllllll“lllllll剛111111U川IIIIIIIILIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII闘lllllllllllllllllllllllllllllllllltlllltlll・llll闘lllllltllllllllllllllllll田IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII開llllllll闘llll羅1開lll闘閥llll冊llllllllllllllllllltllllllll闘1
21
22 19巻・1号(1967・ 1)
生産 研究
書1111111111EtllttllHlllllllllllll川IHI川llllllNl”IIIItlllllltl響ll田llllllllllltlllllllTll川llllHfllllllllllHlllllllllllllllllllll璽1暫llil看1川llllllllllTIIHIIIIIIII川llll喜lll置川Ill墓llMIIilllll川111川ll匪ll研 究 速 報
2
1
ロック
FF
FF
4
3
※
※
パル ス
FF
FF
FF
※
※
Ri
FF
8
7
6
※
※
FF
FF
5
※
※
※D−A変換器FF端子へ
AE
図8 D−A変換器等価回路
と,次式が成立する.
6t
γβ1,VB2は通常
一24V・リセットす
るときだけどちら
かの端子を16Vに
接続する.
Tr:2SC 269
D:SD 102
C:150PF
リコントランジスタおよびシリコンダイオードを用いて
いる.
6.実験結果:カウンタ,D−A変換器,比較器のお
のおのについて回路を組み,特性の測定を行なった.
カウンタの測定はフリップフロップ8個をカウンタ接
続し,1段目にクロックパルスを加え,8段目の出力波形
を観察するという方法で行なった.その結果を図7(a)
に示す.25°C∼100°Cの温度範囲で,クロックパルスの
波高値0.2∼2.3V以内であればこのカウンタは正確に
動作する,
図7(b)に比較器の特性を示す.−30℃∼100℃の範
R,十R,=AEIAI
R’》RLとすれば内部抵抗は次式で表わされる.
R,=AE/AI (11)
D−A変換器の各桁に対して∠1とAEを測定した結
果を図9に示す.27および26の桁は,トランジスタの
コレクタ損失が小さいため2SC38を用いた。(11)式か
ら内部抵抗を計算すると27の桁で約440 kΩである.
負荷抵抗を600Ωとすると,負荷抵抗による誤差は
R,/R,≒O. OO13 (=0。13%)
となり,単独では目安とした総合誤差より一応小さい.
図9において,27の桁がゼロになるようにYsを調整し
び(d)のRに補償抵抗を接続することにより小さくす
25℃
50℃
埋哩経
111署}
㌦、:
Vma,:クロックパ
ルスの最大
波高値
Vm【r,°最小波高値
臨、r1.o
25℃⊥一ノ
10
△E一誤差電流
負荷抵抗600Ω
(最小桁62.5μA)
周囲温度20℃
凾高撃
0。l l
となる.出力端電圧がAEだけ減少した場合(9)式は
E−∠E=」ノ(R,+R.) (10)
たため,他の桁に誤差が生じるが,これは図2(c)およ
囲で誤差はほぼ±12mVである.
100℃
の電圧で,理想定電流源の場合には瓦一〇〇従ってE== oO
=1−1’とすれば,(9)(10)式より
図6 カウンタおよびフリップフロップ
Vm。.
Eは内部抵抗から(9)式のようにきまる等価的な電圧源
となる.出力端電圧の変動による出力電流の誤差をAI
Cl IN∼1、, VHL, IN CI OV
543210
E=1(R∫十RL) (∠IE=0) (9)
,,./
100〔kc〕
15
10
(a)カゥンタ特性
一30℃
裟≡≡i…≡≧
2
8
0℃
〔〉邑淵寵
4
4 0
1
5
3
0
「
7
25℃
10
入力電圧
T0℃
ヰ
4
100℃
一88
払7∠−
27〆x/
一10
23−・x
一15
レ ベル
2・一.一
一18.2
図9
一122
(b)
比較器特性
ることができる.温度による素子の特性の変化について
図7
は4節に述べたとおりである.基準電圧の変動について
D−A変換器の誤差の原因として,(1)負荷抵抗によ
は定電圧回路を用いて変動を極力おさえた.
る出力端の電圧変動,(2)温度による素子の特性の変
以上の結果から。カウンタ,D−A変換器および比較
化,(3)基準電圧の変動等がある.D−A変換器の誤差
器を試作し,実験した結果,ほぼ目標とする精度をうる
を考える上で,その定電流すなわち負荷抵抗に対する内
ことができたが,回路およびタイマ全体の総合精度につ
部抵抗の大きさが問題になる.図8のD−A変換器の定
電流源の等価回路において,出力電流1が回路に流れる
いては,現在さらに測定中であり,これらの点について
は次の機会にご報告したい. (1966年11月 10日受理)
川llllllllltlllSllllllllllllllllll!!llllMllllll川llllltlllLMI闘1闘IlllMIIIHIIUIIIII闘tSllllllllllltllllllllllllllllHlllllilllll1HllllllTtltllllllllllllll腿llllllLllllllllllllllllllllllllllUlllllllLllllUlllMllillllllllltll{ILIIIII川11111111111111111Mtl闘llilllll‘
22
Fly UP