JP3170470U

JP3170470U - 積分値測定回路

Info

Publication number: JP3170470U
Application number: JP2011003898U
Authority: JP
Inventors: 利幸中家; 丈司萱野
Original assignee: Hanwa Electronic Ind Co Ltd
Current assignee: Hanwa Electronic Ind Co Ltd
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2021-07-07
Also published as: US20130009628A1; KR20140034949A; US8829972B2; KR101610993B1

Abstract

【課題】リセットスイッチが有している漏洩抵抗及び浮遊キャパシタンスの影響が生じないような積分値測定回路の構成を提供すること。【解決手段】オペアンプ１の入力側と出力側とを跨った状態にてコンデンサを接続した積分値測定回路において、オペアンプ１の出力側につき所定の抵抗素子を介した出力端子の電位を零に設定し、オペアンプ１内部における増幅電圧回路における正極電源及び負極電源を構成する正極直流電圧発生回路及び負極直流電圧発生回路を設け、かつ各スイッチを介してオペアンプ１の正極電源端子並びに負極電源端子と接続すると共に、オペアンプ１の前記出力端子と接続し、前記正極電源端子との接続ライン及び前記負極電源端子との接続ラインとを、２個の抵抗素子が相互に接触していない状態にて交差した状態にて接続し、前記課題を達成することができる積分値測定回路。【選択図】図１

Description

本考案は、オペアンプ及びコンデンサを使用した積分値測定回路を技術分野としている。

コンデンサ及びオペアンプを構成素子とする積分値測定回路は、図３に示すように、コンデンサがオペアンプの入力側と出力側を跨った状態にて接続されている。

図３の回路に示すように、オペアンプに対する入力電圧をＶ_iとし、オペアンプの負極入力端子の電圧をＶ_ｉ’とし、出力電圧をＶ_oとし、入力側の抵抗値及びコンデンサの容量値をそれぞれＲ、Ｃとし、オペアンプにおける入力電流値をｉとし、微分演算子をｐとした場合には、
ｉ＝Ｃｐ（Ｖ_i’―Ｖ_o）
が成立する。

他方、（Ｖ_ｉ’−Ｖ_ｉ）＝ｉＲが成立することから、
ｉ＝Ｃｐ（Ｒ_ｉ＋Ｖ_ｉ−Ｖ_０）＝Ｃｐ（Ｖ_ｉ−Ｖ_０）≒−ＣｐＶ_０
が成立する。
したがって、非特許文献１に記載するように、
Ｖ_i／Ｒ≒−ＣｐＶ_o
が成立し、ひいては

が成立する。

即ち、オペアンプの出力側の電圧Ｖ_oは、入力電圧Ｖ_iの積分値と比例しており、入力電圧Ｖ_iの積分値を測定することが可能となる。

従来技術における積分値測定回路の場合には、図３に示すように、コンデンサの両極側にスイッチが並列状態に設けられており、別途スイッチＳＷをＯＮからＯＦＦとすることによって、コンデンサに対する充電が行われ、前記（１）式による積分状態を形成している。

しかしながら、別途スイッチＳＷがＯＮからＯＦＦの状態に至った際に、漏洩抵抗素子及び浮遊キャパシタンスを形成することによって自らノイズ電流を導通するため、前記（１）式が純然たる積分式を得ることができないという弊害を避けることができない。

前記弊害につき数式に即して説明するに、コンデンサにおける漏洩抵抗値ｒを浮遊キャパシタンス値をｃ’とした場合には、前記漏洩抵抗と浮遊キャパシタンスとは直流状態にあることから（この点はスイッチがＯＮからＯＦＦに変化した場合のノイズ電流が指数函数的に減少することからも明らかである。）、オペアンプに対する入力電圧Ｖ_iと出力電圧Ｖ_oとの間には、

が成立し、ひいては、
Ｖ_o≒−（１＋ｃ’ｒｐ）Ｖ_i／Ｒ・（Ｃｐ＋ｃ’ｐ＋ｃ’ｒｐ²)
という複雑な微分及び積分を伴う数式が成立することによっても裏付けることができる。

見城尚志外１名著「実用電子回路設計ガイド」総合電子出版社昭和５９年４月２５日第３版発行

本考案は、スイッチの作動に伴う積分値測定回路において、スイッチが有している漏洩抵抗及び浮遊キャパシタンスの影響が生じないような積分値測定回路の構成を提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本考案の基本構成は、オペアンプの入力側と出力側とを跨った状態にてコンデンサを接続した積分値測定回路において、オペアンプの出力側につき所定の抵抗素子を介した出力端子の電位を零に設定し、オペアンプの増幅電圧回路における正極電源及び負極電源をオペアンプの外側にて構成する正極直流電圧発生回路及び負極直流電圧発生回路をそれぞれ設け、かつ各スイッチを介してオペアンプの正極電源端子及び負極電源端子に対して接続する一方、オペアンプの前記出力端子と接続し、前記正極電源端子と前記正極直流電圧発生回路側におけるスイッチとの接続ライン及び前記負極電源端子と前記負極直流電圧発生回路側におけるスイッチとの接続ラインとを、前記各スイッチの漏洩抵抗値に比し、その数値を無視し得る程度の抵抗値を有している２個の抵抗素子が相互に接触していない状態にて接続している積分値測定回路。
からなる。

前記基本構成によって、本考案においては、スイッチをＯＦＦからＯＮにすることによって、オペアンプの出力電圧Ｖ_oによって入力電圧Ｖ_iの積分値を正確に反映した積分値測定回路を形成することができる。

本考案の実施形態を示す回路図である。本考案の実施例を示す回路図である。従来技術による積分値測定回路を示す回路図である。

図１は、前記基本構成における典型的な実施形態を示しており、オペアンプ１の出力側に接続している抵抗素子による出力端子がアースと接続されていることを特徴としている。
尚、前記抵抗素子による出力端子の電位を零とする構成としては、図１のようなアースとの接続以外には、例えば４個の抵抗素子を使用したブリッジ回路において、平衡状態を設定し（抵抗素子Ｒ_aとＲ_b及び抵抗素子Ｒ_cとＲ_dとをそれぞれ接続し、Ｒ_a・Ｒ_d＝Ｒ_b・Ｒ_cの状態を設定し）、電源と接続していない側の２個の抵抗素子の接続部分（ＲａとＲｂの接続部分及びＲｃとＲｄとの接続部分）の接続ラインにおける電位を、入力電源電圧を零とすることによって、常に零の状態とするような構成も採用可能である。

図１からも明らかなように、本考案の積分値測定回路にはスイッチはコンデンサと並列に設けられておらず、オペアンプ１の正極電源端子と正極直流電圧発生回路との間及びオペアンプ１の負極電源端子と負極直流電圧発生回路との間に設けられている。

そして、各スイッチをＯＦＦからＯＮの状態とした場合に、正極の直流電圧発生回路から正極電源端子に対する電圧の印加及び負極直流電圧発生回路から負極電源端子に対する電圧の印加が行われることによって、オペアンプ１の増幅機能が発揮され、ひいてはオペアンプ１の入力側と出力側とを跨った状態にて設けられているコンデンサに充電が行われる。
尚、図１においては、直流電圧発生回路として電池を示しているが、当該回路は決して電池に限定される訳ではなく、例えば交流を直流に変換したことによる定電圧発生回路も当然採用可能である。

各スイッチがＯＦＦからＯＮに変化した場合における漏洩抵抗及び浮遊キャパシタンスによる影響が生じないことを、以下のとおり明らかにする。

図１に示すように、オペアンプ１における正極電源端子との接続ラインと負極電源端子との接続ラインとを相互に接触せずに夫々接続している抵抗素子の抵抗値をそれぞれＲ₁、Ｒ₂とし、負極直流電圧発生回路に接続するスイッチＳW₁及び正極直流電圧発生回路に接続するスイッチＳW₂において、スィッチＳＷ_１及び同ＳＷ_２をＯＮとした場合の抵抗値を夫々ｒ₁、ｒ₂とし、各直流電圧発生回路における発生電圧をＥとした場合において、
抵抗Ｒ₁→２箇所の直流電圧発生回路→スイッチＳW₂という一循する閉回路における導通電流をｉ’とした場合には、
２Ｅ＝ｉ’（Ｒ₁＋ｒ₂）
が成立する。
尚、スイッチＳＷ_１及び同ＳＷ_２をＯＦＦからＯＮに変化した段階におけるオペアンプ１の内部抵抗は極めて大きいことから、２箇所の直流電圧発生回路を導通する電流もまた上記ｉ’と見做すことができる。
更には、前記のようなＯＦＦからＯＮに変化した段階では、スイッチＳＷ_１及び同ＳＷ_２では殆ど浮遊キャパシタンスが生じないことから、図３のようにスイッチをＯＮからＯＦＦした場合において生ずる浮遊キャパシタンスを無視することが出来る。

このような場合、オペアンプ１の正極電源端子の電位、即ち抵抗Ｒ₁と前記正極電源端子とスイッチＳW₂とを接続するラインにおける電位Ｖ’については、
Ｖ’＝Ｅ−ｉ’ｒ_２＝Ｅ（Ｒ_１−ｒ_２）/（Ｒ_１＋ｒ_２）・・・（２）
と算定することができる。

上記（２）式において、スイッチＳＷ_２をＯＮとした場合の抵抗値ｒ₂は、抵抗素子Ｒ₁を無視し得る程度に小さい値であることから、
Ｖ’≒Ｅ
を導出することができる。
尚、スイッチＳＷ_１及び同ＳＷ_２をＯＮとした段階では、図３においてオペアンプ１の負極入力端子と正極電源端子との間に跨っているコンデンサＣには電荷が蓄積されていない為、前記負極入力端子の電位と前記正極電源端子の電位Ｖ’は概略等しいという状況にある。

同様の計算によって、オペアンプ１の負極電源端子における電位が-Ｅであることを導出ことができる。

このように、オペアンプ１における増幅電源電圧は、スイッチＳＷ₁及びＳＷ₂を夫々ＯＮとした場合の抵抗ｒ₁、ｒ₂の影響を受けずに、スイッチＳW₁、ＳW₂がＯＦＦからＯＮと切り替えることによって、オペアンプ１の増幅作用に伴うコンデンサの充電に基づき、前記（１）式の積分式に基づいて入力電流Ｖ_iの積分値を測定することが可能となる。

スイッチＳＷ₁、ＳＷ₂をＯＮの状態からＯＦＦの状態とした場合には、抵抗素子Ｒ₁とＲ₂によりオペアンプ１の正極電源端子及び負極電源端子には通常とは逆の電圧が供給されるため内部回路でショート状態となる部分が多く、負極電源端子から正極電源端子へ向う通常動作状態とは逆の電流が発生するためコンデンサに対する入力電圧は零と見做すことができ、コンデンサCからの放電電流は、オペアンプ１内部を導通することによってリセット状態、即ち充電した電荷を放電する状態を実現することができる。

実施例においては、図２に示すように、直流電圧発生回路の正極側と負極直流電圧発生回路の負極側とを、摺動素子によって両側の抵抗値を増減し得る補正用抵抗素子（Ｒ₄）を介して接続し、かつオペアンプ１の出力側に接続している抵抗素子（Ｒ₃）が前記摺動素子に接続されていることを特徴としている。

図１に示す実施形態のようにオペアンプ１の出力端子を所定の抵抗素子（Ｒ₃）を介してアースを接続した場合において、前記各直流電圧発生回路による発生電圧を同等に設定したとしても、スイッチＳW₁、ＳW₂がＯＦＦ状態のとき正極側の回路と負極側の回路との浮遊キャパシタンス、漏洩抵抗等による微妙な相違を原因としてオペアンプ１の入力電圧Ｖ_iを零と設定できない場合がある。

しかるに、実施例の場合にはオペアンプ１の出力側の抵抗素子（Ｒ₃）を補正用抵抗素子（Ｒ₄）に対して摺動することによって、正極直流電圧発生回路側と負極直流電圧発生回路側の抵抗値をそれぞれ増減させることによって、抵抗素子（Ｒ₃）による出力端子の電位を正確にＶ_iと同電位に設定でき、コンデンサCを確実にリセット状態とすることができる。

本考案は、積分値測定回路素子を必要とするような全エレクトロニクスの分野において利用することができる。

１オペアンプ
２電圧計

Claims

オペアンプの入力側と出力側とを跨った状態にてコンデンサを接続した積分値測定回路において、オペアンプの出力側につき所定の抵抗素子を介した出力端子の電位を零に設定し、オペアンプの増幅電圧回路における正極電源及び負極電源をオペアンプの外側にて構成する正極直流電圧発生回路及び負極直流電圧発生回路をそれぞれ設け、かつ各スイッチを介してオペアンプの正極電源端子及び負極電源端子に対して接続する一方、オペアンプの前記出力端子と接続し、前記正極電源端子と前記正極直流電圧発生回路側におけるスイッチとの接続ライン及び前記負極電源端子と前記負極直流電圧発生回路側におけるスイッチとの接続ラインとを、前記各スイッチの漏洩抵抗値に比し、その数値を無視し得る程度の抵抗値を有している２個の抵抗素子によって交差した状態にて接続している積分値測定回路。
オペアンプの出力側に接続している抵抗素子による出力端子がアースと接続されていることを特徴とする請求項１記載の積分値測定回路。
直流電圧発生回路の正極側と負極直流電圧発生回路の負極側とを、摺動素子によって両側の抵抗値を増減し得る補正用抵抗素子を介して接続し、かつオペアンプの出力側に接続している抵抗素子が前記摺動素子に接続されていることを特徴とする請求項１記載の積分値測定回路。