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
27@ 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