雑誌名 技術報告集

アナログ回路応用技術の修得(II)(簡易型計測器の 製作)

著者 酒井 孝則, 林 庄司, 辻 正晴, 本堂 義記, 岡井  善四郎

雑誌名 技術報告集

巻 3 (1997年度)

ページ 89‑98

発行年 1998‑04‑06

URL http://hdl.handle.net/10098/7643

グ回路応用技術の修得(瓦)

(簡易型計測器の製作)

アナ 口

|専門研修|

岡井善四郎 第三技術室システム制御技術班

酒井孝則，林庄司，辻正晴，本堂義記，

はじめに

2 年前から『アナログ回路の基礎と応用』についての専門技術研修を実施して 私たちスタッフは、

この中の代表 これまでの研修内容は、アナログ回路関連の図書や技術資料(1)-川の輪講と、

きた。

的回路の設計および製作実習が中心であった。特にアナログ回路の代表的デバイスである OP アンプ を用いた回路の技術修得に重点を置き、回路の知識高揚と技術向上に努めてきた。

アナログ回路の応用技術として『簡易型計測器の製作』を研修副題に掲げ、計測器関連の 回路設計および製作実習を実施した。

今年は、

2. 簡易型計測器の製作目的

私たちが電子回路を組んで実験検証する場合に、測定器として最低限必要となるのは、①直流安定 化電源，②電圧計及び電流計(マルチメータ) ，③各種波形発生器(ファンクション・ジェネレータ),

④周波数カウンタ，⑤オシロスコープ等である。ちょっとした回路実験をする時でも、これらの計測 器類をかき集め実験机やラックに積み上げて使用する必要があり、いつも不便を感じていた。

そこで、図 1 のブロック図に示す①~④を一体化した簡易型計測器をスタッフ各自が設計・製作し、

また、今までの専門研修で修得した回路技術を 今後の技術業務に役立てる目的で当研修を計画した。

活用・実践するためでもある。今回製作した簡易型計測器は、個々の性能および精度は低いものでは あるが、十分に実用になる多機能でユニークな計測器である。

!外部測定範囲:

O.OlHz""'25MHz  : Hz/KHz/MHz 切換 :小数点切換 (波形出力

:正弦波/三角波/

:方形波 /TTL レヘ.)), :/パースト信号

: D u t y 比可変 :周波数可変 i 出力レベル可変;

「fwま、パ一

1v tV

El

l 

-v問問q山路な一

棚知

寸定慮一 舵円~~ト測考一

:出力電圧，電流:

:+5V, lA :+9V, lA

:土 1 2 V, 1 A 

::::t 15V, lA

:可変電圧

: (1. 25‑‑‑‑‑18V, lA) 

簡易型計測器のブロック図

‑89 ‑

図 1

3. 各回路の製作

3 ‑1 .①多出力直流安定化電源回路の製作

電子機器はすべて動力源となる電源部がなければ動作しない。しかもその多くが 5V 、 12V のよ うに安定化された直流電源である。ハンディタイプのものはバッテリ(電池)でも充分であるが、それ 以外は AC100V の商用電源を入力源とするものである。すなわち、電源トランスによって必要と する交流電圧値に変圧して整流を行い、直流電圧に変換してから、使用する機器へ供給する。

しかし、整流を行っただけの電源では入力の AC100V の電圧変化、トランスや整流ダイオード の電圧降下などで電圧の安定度や精度が悪く、使用する機器の性能を十分に引き出すことができない。

そこで、直流安定化電源が必要になる。これには大きく分けて、出力が常に ON状態で不安定な電源か ら安定な電圧を得るシリーズ電源と、出力が ON/OFF を繰り返しながら安定電圧を得るスイッチングレ ギュレータとがある。ここではシリーズ電源を考える。この電源の特徴としては、効率や大きさの点 で問題もあるが、ノイズが少なく精度が高いことが挙げられる。最も簡単な電源としては、定電圧ダ イオードを用いたものもある。

今までの安定化電源に は、 トランジスタやオペ アンプ等を組み合わせて 電源回路を設計するとい う工程があったが、今回 用いた三端子レギュレー タの出現により、細かい

設計上の留意点は大幅に 削減され 1 C を使用する だけでよい。

この 1 C は、整流電源と 組み合わせて入力電力を 供給してやれば、希望す る電圧が安定に供給でき る。大切なことは入力側 と出力側に発振防止用コ ンデンサを接続しなけれ ばならないことぐらいである。

図 2 多出力直流安定化電源回路

1.25‑18V 

t15V  t9V 

t12V  t5Y 

今回は、簡便でしかも性能の良い三端子レギュレータを用いて、多出力直流安定化電源 (5V ， 9V ， 土 12V ， :t 15V, 1. 25...18V 可変，各 1 Amax) を製作したので報告する。図 2 に製作した 全回路図を示す。

次に可変型直流安定化電源について詳述する。固定出力の三端子レギュレータでも、出力電圧を可 変することができる。これは図 3 に示すように出力電圧 Vo を抵抗 Rl と R2 で分圧しグランド端子に 接続することによって行う。この時の出力電圧 V 。は、次式で表される。

‑90 ‑

Rl+R 

V_o 

= 

Rl  (ここで、 Vxx は三端子レギュレータの出力電圧) しかし、実際には三端子レギュレータ内を流れるバイアス電流 1 Q によって R2 の両端の電圧が上昇す る分を考慮する必要がある。このバイアス電流を考慮に入れると出力電圧 Vo は

R1+ R2 

V o = A  R14.vxx+I Q ・ R2 ( 2 ) 

となる。 78XX シリーズの場合 1 Q は、およそ 4mAなので Rl/R2 の比率を一定としても、それぞれの抵抗を小さ くしておけば電圧降下 1 ^Q • R 2 を無視することができる。

最も簡単な方法は、はじめから出力電圧を可変にするこ とを目的とした三端子レギュレータを使用することであ る。今回使用した LM317 はその代表的なもので 2 本 の外付け抵抗の比率を変えることによって1. 2V"'32V の範 囲で出力電圧を可変することができる。このレギュレー

78XX 

Vo 

図 3 出力電圧可変電源回路

タ 1 C は、出力電流を少なくとも1. 5 mA以上流しておかないと本来の動作をしないので、 Rl と R2 の抵抗の絶対値を大きくしたいときには、出力聞に抵抗を接続しなければならない。表 1 は製作した 定電圧電源に負荷をかけた場合の電圧変動率等の実測値を示す。使用した三端子レギュレータは出力 電流 1 A (max) のタイプなので、 負荷抵抗は負荷電流が lA を越えないように各種の抵抗を組み合わ せて試験を行った。

電圧変動率 E は V 。 -Vs E 

= ‑ ‑ ̲ ‑ ̲  

ここで、 V ⁰  [V] 

V s [V] 

E  [%] 

v s 

無負荷電圧 負荷電圧 電圧変動率

で表した。

R L  [Q]  1 L  [A] 

γ[mV]

》ミ

+ 5 V   5.05  4.65  8.6  + 9 V   9.08  8.92  1.79  + 1 2 V  12.14  11.86  1.88 

‑ 1 2 V   12.93  11.70  1.96  + 1 5 V  14.74  14.49  1.69 

‑ 1 5 V  15.03  14.83  1.34  + 

1.2可 5-，z;変

( 3 ) 

負荷抵抗 負荷電流 リ 7⁰J~電圧

&'[Q] 

5.30  9.23  12.32  12.32  15.50  15.50  12.32 

表 1 製作した多出力直流安定化電源の性能結果

‑ 91‑

IL [A]  ^γ [mV] 

0.95  0.1  0.98  0.1  0.95  0.2  0.97  0.2  0.98  0.2  0.97  0.2  0.93  0.3 

②ディジタル電圧計回路の製作 3 ‑2. 

ディジタル表示部には 目的としたディジタル電圧計は製作時間および予算の関係上、

今回、

3 1/ 2 桁、すなわち表示部が :!:200mV( 正確には:!: 1 9 9. 9mV ，最小分解能 O. 1 mV) フルスケ アナログ量をディジタル ールのハイコントラストの液晶ディスプレイ(以後 LCD と略す)を採用し、

3 1/2 桁 LCD のドライパ等が一体化したモ 量に変換する部分には二重積分型の A-D コンパータと

また、測定可能な電圧を O . lmV'"'-'199.9V にするため電圧入力端にアッ ジュールを採用した。

しかし、積分方式の A-D コンパータを用いたために交流信号を取り扱うには適しなく、測定可能な電圧は直流のみとした。

さらに LCD 上の小数点を変更する回路を付加した。

テネータを配置し、

二重積分形 A ー D コンバータの原理

3‑2‑1. 

にはいくつかの方式があるが、今回は入力電圧 をいったん時間に変換して基準電圧と比較しディジタル化する方式の二重積分形を用いた。その原理

A-D コンパータ (Analog to  Digital  Converter) 

を図 4 に示す。

まず、図におけるスイッチ SI が一定の時間 T ¹ (この場合はクロック数が 1 0 0 0) 動作して、入 ただし、積分回路に反転型を用いているため説明は負電圧入力とすると、出 力電圧 V in を積分する。

(4 )式となる。

力電圧 Vou t は時間とともに増加し、

(T1/C)  (4)  (Vin/R) 

V out= 

スイッチ SI が T1時間経過した後に OFF になり、今度はスイッチ S 2 が ONすると、基準電圧 つぎに、

入力電圧の積分値がゼロになるまで V re f が積分回路に入力され逆積分が行われ出力 Vou t が減少し、

その聞の時間 T2 を後段にあるカウンタがカウントする。

コンパレータが動作する。そして、

この時の Vou t は(5 )式となる。

( 5 )  (T2/C) 

(Vref/R) 

Vout= 一

( 5 )式より V in は(6 )式となる。

(4) , したがって、

( 6 )  . V re f 

(T2/T1)  V In= 一

T1 と T 2の時間比と基準電圧だけで A-D 変換の精度が決められ、最終的には基準電圧 すなわち、

出船

積分出力電圧

ディジタル値

の性能によりディジタル電圧計の精度が決定される。

二重積分形 A-D コンパータの原理

nr u 

nHU 

図 4

ここで、入力電圧が正の場合は負の基準電圧を用意すればよい。また、図におけるオート・ゼロ期 間は OP アンプのオフセット電圧による積分誤差を防ぐために設けてある。基準電圧の正負および各 スイッチの切り換えはアナログ・スイッチを巧みに使用して行なうが、その複雑な回路は今回使用し たモジュールの回路にオート・ゼロ回路とともに含まれている。

3-2-2. 試作したディジタル電圧計

実際に試作したディジタル電圧計の回路を図 5 に示す。図における 1 C L 7 1 3 6 がディジタル 電圧計の心臓部で、各ピン番号の用途等は表 2 に 示す。その他の周辺回路としては、入力側にアッ テネータ回路を取り付け入力電圧を 4 段階に切り 換え、最大 199.9V までの測定を可能とし、

それに合わせ E x 0 R (Exclusive OR) を用いて少 数点移動を行っている。また、入力電圧が V およ び mV かを判断するための LED 表示回路を、さ らに入力電圧の過電圧(正負とも 600mV 以上) を保護するための FET 回路が付加されている。

スイッチ番号と電圧 1 一一 199.9mV 2‑‑1. 999 V  3一一 19.99 V  4一一 199.9 V 

V 

BACK PLANE 

ピン番号 用途・表示等

+Vcc 

2-19 、 22-25 l 、 1 0 、 100 、 1000 セグメント・出カドライハ

20  Polarity ・出カドライバ 21  Backplane ・出カドライ"

26  GND 

27 、 28 積分用紙払コンデンサ

29  オート・ゼロ用コンデンサ

30 、 31 入力

32  COMMON 

33 、 34 陣地駈用コンデンサ

35 、 36 基単電圧用電源入力 V ref=1 00  mV  37  ピン番 1 とでクロック入力

38‑40  クロック発生用抵抗、コンデンサ f clock= 48KHz  表 2 I C L 7 1 3 6 の各ピン用途

20 

ICL7136 

図 5 ディジタル電圧計回路図

ηべUnHd 

3 ‑

3. ③各種波形発生回路(ファンクション・ジェネレータ)の製作

電子回路の実験でよく使うものに各種信号の波形発生器(ファンクション・ジェネレータ)がある。

正弦波、三角波、方形波などの各種波形を発生させて擬似的な信号源として使うものである。波形発

アンプの伝達特性(周波数特性)の測定

インダク夕、コンデンサなどの特性測定

今回の製作にあたっては、波形発生専用 1 C である、 ICL8038 を使用した。この 1 C はわず かの外付けパーツで容易に高精度の正弦波、三角波、方形波を発生することが出来る。さらに、図 6 の回路図では、 4

Counter) を使用してトーンバースト波を発生させている。

発生周波数はロータリスイッチで Cx を切替え、可変抵抗 VR2 の抵抗値により、

Cx 

= 

O. 01μF では

100  P F では の範囲で可変できる。

5Hz""' 100Hz, 500Hz""' 10KHz,

50KHz""' 300KHz,

O. 1μF では 0.001μF では

50Hz""' 1 KHz, 5KHz""' 100KHz,

図中の VRl は正弦波のひずみ調整、 VR2 は周波数調整、 VR3 はデューティ比調整、 VR4 はトー ンパーストのオーバーシュート調整用の可変抵抗である。また、 IC3a と IC3b は JRC5532 を用い

ている。

性能試験は、 C

1μF において行い、周波数範囲は 30Hz""'930Hz 、三角波出力電圧 は 7.

p-p ，方形波出力電圧は 23.0Vp-

、正弦波出力電圧は ^5.

p-p ，デューティ比可変幅

20K 

50 

Jl.J 

^ノ

‑94‑

sìft-ß 凶~::.

寸崎4ト\/v

3 -4. ④周波数カウンタ回路の製作

周波数カウンタは CR 発振器や水晶発振器の発振周波数を数字で何 KHz と直読できるもので、大 変便利な測定器である。一般に周波数を測定するには、シンクロスコープで波形の周期を読みとり、

その逆数を求めればよいが、この方法だと波形を目で読みとるため誤差が大きくなり、正確な発振周 波数が得られない。

そこで専用カウンタ 1 C を用いて基準となるクロックから 1 秒間のゲート(門)を作り、そのゲート

が開いている間だけカウンタ 1 C に波(パルス)数をカウントさせれば周波数がわかることになる。つ

したがって、 1MHz の周波数は 1 秒間に 1. 000.000個のパルスをカウントすることになる。

3‑4‑1.  LCD カウンタ

今回は周波数カウンタとして、図 7 に示すよう な市販の 41/2 桁 LCD 周波数カウンタキットを 用いた。

専用カウンタ 1 C として Inlersil 社の ICM7224( 最 高動作周波数 25MHz) 、専用 1 C として 4011 ， 4030. 

74HC4052 を用いた。表示には 41/2 桁 LCD を用 いた。基準信号発生器は、水晶発振器を内蔵した SPG8651B を用い，基準周波数 O.01Hz"""'25 MHz を得ている。

3-4 由 2 . 回路構成とその動作

図 8 に回路のブロック図を 示す。このブロック図からも わかるように入力系，制御系，

メインカウンタ・表示系，電 源系(省略)の 4 つのブロック から構成されている。 以下各 系ごとの動作について説明す る。また、図 9 には周波数カ ウンタ回路図を示す。

図 7 液品表示カウンタの外観図

コントロール官官

図 8 周波数カウンタ回路のブロック図 0 入力系

入力系は入力切換え

アンプ，保護およびバイアス回路から構成されている。アンプの動作は入力 インピーダンスの高い FET による 2 段アンプ構成で，主に lV 以下の周波数を ICM7224がカウントでき るレベルまで増幅している。その時の入力アンプの周波数特性，消費電流の関係から図 9 の入力抵抗

には，帯域が数 10MH z に及ぶハイスピード CMOS スイッチの 74HC4052 を用いた。

ph u 

nHU 

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'‑4 

f .j‑27  訂ー岨 N.Cluø 刷

N.clë刃読す

【メインカウンタ・表示系】

COUNT  Hi  カウント動作 INHIBIT  Lo  カウント停止 STORE  Hi  出力ヲッテ副路 t

。 t封 7 ，;1 7ï!! ^{ス 11，.0}

RESET  Hi  通常動作

Lo  カウンタ 0000 こ日 ツト LEADING Hi  上位桁のゼロは表示しない ZERO  Lo  上位桁のゼロは表示される 7224 

Jñ;、

払作お動代の剖カ

バ可口M

F i  

fで凶間

一一わ軒

注

図 9 周波数カウンタ回路図

0 制御系

制御系はゲートタイム系， L CD 制御系， ICM7224 コントロール系の 3 回路から構成されている。

ゲートタイムには SPG8651B を用い、 CTL 端子 TEST 端子により自由 (0.01---25MHZ) にパルスタイムを設定 できるようになっている。 LCD 制御系は液晶の全ての単位について制御している。 ICM7224 コント ロール系は ICM7224 のデータ保持，カウンタクリア，一時動作停止の各制御パルスを作成している。

0 メインカウンタ・表示系

メインカウンタ ICM7224 の動作は単純なアッフカウンタで，各制御入力の動作は図 9 (a) に示す通り である。 41/2 桁 LCD には T361002 を用い， Hz , KHz , MHz の単位および小数点 (0. P. )を表示

し，周波数の読取りを向上させている。

3 ‑5. その他周辺回路の製作

前節までに述べた各回路を同一シャーシ内に組み込み、入出力端子、切換スイッチ、調整用可変抵 抗などを全面および裏面パネルに取り付ければ、小型で操作性のよいオリジナル計測器が完成する。

‑96‑

図 1 における①~④の回路は、前述したように独立して機能するのはもちろんであるが、多機能化を 図るためのアイディアとして、一つには、①中の可変電圧電源を使用するときには内部切換スイッチ を ON にすれば、②ディジタル電圧計でその電圧値が直読できるようになっている。二つめは、③の各 種波形発生器を使用するときに内部切換スイッチを ON にすれば、④周波数カウンタで信号発生周波数 を直読できるようになっている。また、②，③，④の回路への電源は、①から各電圧を供給し駆動して いる。

4. 研修実施日程

今年の専門研修は、下表の日程で実施した。

実 施 日 時 主 な研修 内 ^，廿h 

9 月 8 日(月) 10:00'"'‑'11:00  : 製作回路部品リストの作成と購入図書の選定

1 0 月 6 日(月) 13: 30'"'‑' 15 : 30  :今後の研修実施日程の計画と購入部品の検討

1 0 月 1 3 日(月) 13:30'"'‑'16:00  :ニ端子レギュレータと電源 1 C 資料の輪講

1 0 月 2 0 日(月) 13:30'"'‑'16:00  : 直流安定化電源回路の製作実習 -1-

1 0 月 2 7 日(月) 13:30'"'‑'16:00  : 直流安定化電源回路の製作実習 -2-

1 1 月 1 0 日(月) 13:30'"'‑'16:30  : 製作した直流安定化電源回路の性能測定

1 1 月 1 7 日(月) 13:30'"'‑'16:00  波形発生用 L S 1 (1 CL8037) 関連資料の輪講

1 2 月 1 日(月) 13:30'"'‑'16:00  : 各種波形発生回路の製作と性能測定

1 2 月 8 日(月) 13:30'"'‑'15:30  : ァィジタル電圧計回路資料の検討と製作実習

1 2 月 1 5 日(月) 13:30'"'‑'16:00  :周波数カウンタ回路の製作実習

1 月 1 2 日(月) 1 3 : 30'"'‑' 16 : 00  :操作パネルのレイアウト設計とその部品リスト作成 1 月 1 9 日(月) 1 3 : 30'"'‑' 15 : 30  : 回路組み込み用シャーシの選定とレイアウト設計 2 月 2 日(月) 13:30'"'‑'15:30  : 製作進行状況の報告と打ち合わせ -1-

2 月 9 日(月) 13: 30'"'‑' 15: 00  :製作進行状況の報告と打ち合わせ -2- 3 月 2 日(月) 13:30'"'‑'15:00  :製作進行状況の報告と打ち合わせ -3- L~ 月 3 0 日(月) 13:30'"'‑'16:00  :研修のまとめ

5. まとめ

私たちは、ここ 3 年にわたりアナログ回路技術の修得を目的に専門研修を実施し、多くの技術的成 果を修めることができた。当研修においては、各自が派遣先の日常業務を担当しつつ実施するために 時間的制約も多く、どうしても宿題形式で課題を消化せざるを得ない状況が続いた。とくに今年は、

回路製作の実習が中心であったため、時間内に回路を完成させることができず、宿題を抱え込むこと が多かったように思われる。それでも、何とかスタッフ全員が簡易型計測器を製作・完成した。また、

簡易型とはいえ内容的には多機能な回路を構成しているため、予算と時間の不足からまだ満足できる 性能は得られていない。このため今後、細部にわたって改良を加えグレードアップする必要がある。

謝辞

本研修は、福井大学教育研究学内特別経費および工学部日常・専門研修費補助により実施したもの であり、予算計上頂いた関係各位に深謝いたします。さらに、研修者派遣先の教官各位には研修のた めの貴重な時間と実験測定器の借用をご快諾頂き謝意を表します。

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参考図書および文献・資料

(1)阪井茂著..入門アナログ信号処理"，オーム社， 1 9 9 _{4 年発行.}

(2) 岡村迫夫著..定本 OP アンプ回路の設計.. , CQ 出版社， 1 9 9 6 年発行.

(3) トうン γ スタ姉編集部編..モジュール化に役立つ実用電子回路集.. , CQ 出版社， 1 9 9 _{6 年発行.}

(4) トラン γM蹴編集部編..つくるツール&測定器.. , CQ 出版社， 1 9 9 _{5 年発行.}

(5) 宮崎仁:" OP アンプの基本回路と動作"， トランジスタ技術誌， 1992年2 月号， pp. 272"'297. 

(6) 宮崎仁..実験研究 電源用 1 C のすべて"， トランジスタ技術誌， 1994年 1 月号， pp. 207"'229. 

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