JPH0361864A - 電流・周波数変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は大きさおよび方向がいずれも可変な電流によ
って表わされる量の測定に関し、特に電流・周波数変換
器によって電流を周波数として処理することに関する。

そのような変換器においては、電流は反対方向に充電す
ることによりコンデンサを放電することができるリセッ
ト発生器にも接続されている蓄積コンデンサを充電する
のに用いられる。

そのような変換器では、電流は反対方向に充電すること
によってコンデンサを放電することができるリセット発
生器にも接続されている。

感知装置は充電電流の結果としてコンデンサの電圧を感
知し、かつ所定のスイッチング限界速度でリセット発生
器に接続して、コンデンサを反対方向に充電するととも
にそこに現われる電圧を所定のリセット・レベルとなる
ように一定量だけオフセットし、それによってコンデン
サは再び前記スイッチング速度に達するまで電流によっ
て充電される。コンデンサの充電およびリセッティング
は電流値に正比例する速度で繰り返されるが、その電流
値すなわちそれが表わす変数の値はコンデンサのリセッ
ト周波数またはその簡単な関数によって与えられる。

実際にはコンデンサ電圧の値を抜き取られて精密な修正
を与える追加回路によってディジタル化される。

多くの例においてミ電流の大きさだけではなくその方向
も不明であり、これは変換による上記測定の実行に支障
を来たす。

大きさおよび方向がいずれも変化する電流を作る装置の
１つの例は、電流が感知した加速度の大きさおよび方向
のいずれをも表わす慣性加速度計である。

コンデンサを充電してリセットするとともにリセットが
行われる速度（加速度〉または所定のもしくはそれによ
る長い時間間隔のリセット数（速度）をカウントする上
記の方向で電圧・周波数変換に加速度を表わす電流を受
けさせることによって加速度あるいはその時間積分、す
なわち速度を測定することも知られている。

加速度計は一般に、直線に沿いまたは角のまわりを軸に
沿って反対方向の加速力に応動しなければならず、その
結果変換器のコンデンサは正のスイッチング限界電圧ま
たは負のスイッチング限界電圧のいずれかに充電され、
加速度の各方向について同じスイッチング限界電圧の大
きさおよびコンデンサのリセットに起因するコンデンサ
電圧のずれの大きさの半分よりも少し大きいスイッチン
グ限界電圧を有するのが普通である。

特に、限界のいずれかの極性、すなわちいずれかの加速
方向についてリセットが行われる限界の大きさの正確に
２倍だけ充電電圧がオフセットされると、各リセット・
サイクルについてコンデンサに現われる平均電圧はゼロ
であ−る。電圧がいずれかの極性限界に関して異なる量
だけオフセットされると、蓄積コンデンサの平均電圧は
コンデンサの内部コンダクタンスまたはそれに接続され
る任意の電圧感知回路のインピーダンスのいずれか一方
もしくは両方によって漏れを受けやすくなり、その結果
周波数変換が不正確になる。

こうして両方向兼用の動作では、両極性のスイッチング
限界の大きさは等しくかつおのおのがリセット電圧オフ
セットの半分にできるだけ近くならなければならないこ
とは明白である。

しかし、充電電圧のゼロの平均コンデンサ電圧を得るい
ずれかの極性で限界の大きさの正確に２倍だけオフセッ
トされると、１つのスイッチング限界値の充電電圧は反
対極性のスイッチング限界値に等しい値までオフセット
され、装置内のどんな機械的または電気的雑音の刺激の
有無にかかわらず、この反対極性限界でのリセットを生
じ、かつリセット状態間での発振または「チャタ」を発
生させる。

こうして、ゼロのまわりで対称なりリセット電圧を持つ
場合と等しい値のスイッチング限界、すなわちリセット
・チャタを問題とせずにリセ・ノドが行なわれる一様に
正方向および負方向の等しい値のスイッチング限界を持
つ場合との間でこれまで問題が克服されてきた。

リセット電荷のオフセット電圧よりも少し大きいリセッ
ト・スイッチング限界の大きさを持たせ、かつ周波数変
換の結果を修正するそのようなコンデンサ電圧の漏れの
影響を測定しようと試みることによって、これらの矛盾
を和らげるのが普通のやり方である。

そのような加速装置は都合上両方向電流、すなわちいず
れの方向にも流れる電流を作り、上述の問題が重要とな
る装置の単に１つの形式に過ぎないことが強調される。

そのような両方向電流は装置から直接作られたり、電圧
のようなある未知の量を変換用のそのような電流を定め
る装置のインピーダンス素子に加えることの関数として
作られることがある。

前述から、本発明の１つの目的は、上述の限界−リセッ
ト問題を解決することによって両方向電流での作動に適
した電流・周波数変換器を提供することである。

本発明による電流・周波数変換器は、電流発生器から電
流を受け、電流の方向によるデータ・ボテンシャルに関
して正または負に充電して、前記データに関して正また
は負の極性の関連ある充電電圧を発生する働きをする蓄
積コンデンサと、コンデンサのリセット動作を遂行する
働きをしてコンデンサの充電電圧が事前設定の限界値に
達した時を確認し得る電圧感知装置と、電圧感知装置に
よる確認に応じて所定の電荷をコンデンサに前記発生器
から受けた電流と対向する方向に加えるリセット充電装
置と、周期にわたって生じるリセット動作の回数を監視
する出力装置とを含み、前記リセット充電装置は充電電
圧の極性を表わすリセット動作に応じて、ある極性では
オフセット電圧限界の大きさの事実上半分の低いリセッ
ト限界電圧の大きさを採用しかつ反対の極性ではそれを
越える高いリセット限界電圧の大きさを採用するように
配列されている。

本発明の１つの実施例を付図に関して例としてこれから
説明する。

第１図から、加速度計ｌＯは従来形のものであり、本発
明にとって重要なその唯一の特徴は、敏感な軸に沿って
加速力を受けるとき、それが加速度の大きさに比例する
大きさの電流を敏感な軸に沿う加速方向に左右される方
向に流す。

すなわち、本発明によりかつこの明細書での説明の目的
で、加速度計１０は両方向直流発生器１１を有効に含む
ものと考えられる。

与えられた電流は蓄積コンデンサ１３、蓄積コンデンサ
・リセット装置１４および出力装置１５を含む電流・周
波数変換器１２によって実際に評価されかつ利用される
。

蓄積コンデンサ１３はデータ端子１６と端子１７との間
で加速度計電流源の両端に接続されているので、電流の
方向次第でコンデンサはデータ端子１６に関して正負い
ずれかに充電され、かつデータ端子に関して正または負
である関連充電電圧をそこに発生させる。データ端子は
加速度計と組み合わされる他のどんな電気回路に関して
も具合よくゼロボルトに保たれる。

コンデンサ・リセット装置１４は、コンデンサの充電電
圧が事前設定の限界値に達すると時を決定する働きをす
る電圧感知装置１８を含む。示された通り、充電電圧は
データ端子１６に関して正または負の極性を持つ大きさ
となり、また電圧感知装置はおのおのが正方向および負
方向の充電電圧と組み合わされるｌ対の電圧比較器１９
．２０として例示されており、これらの比較器はコンデ
ンサの端子１７から共通入力を受けるとともに、データ
に関してそれぞれ正および負であるが大きさの相等しい
個々の限界レベル発生器２１．２２によって定められる
。

比較器の出力にそれぞれ端子２３および２４で、限界レ
ベルを横切ってコンデンサに充電電圧が感知されたとき
に２つのレベル間をスイッチするように配列されている
。

リセット装置１４も、所定の電荷がコンデンサに加えら
れるリセット充電装置２５を含み、それによって所定の
電荷がコンデンサに加えられ、依然として加速度から充
電されるが、所定のリセット大きさによりそこの電圧を
オフセットするように反対方向に加えられる。

これは所定の時間中に充電電流を加えることで達成され
、この目的でリセット電荷の各方向または極について、
電流源、スイッチングまたはゲーティング装置ならびに
タイミング装置が図示されている。各スイッチングまた
はゲーティング装置は半導体デバイスおよびタイミング
装置であるかもしれず、単安定回路はパルスまたは比較
器１９．２０の内の１つの出力状態の変化によってトリ
ガされて前記所定の周期のあいだ関連ソースからコンデ
ンサまでの電流通路を提供する。

電流源２６は、その電流が比較器２０の出力２４からの
トリガを受けてタイミング装置２８によって制御される
スイッチング装置２７を介してコンデンサに正方向リセ
ット電圧オフセットを供給する方向にコンデンサを充電
するように接続されている。電流源２９は、その電流が
比較器１９の出力２７からのトリガを受けてタイミング
装置３１によって制御されるスイッチング装置３０を介
してコンデンサに負方向リセット電圧オフセットを供給
する方向にコンデンサを充電するように接続されている
。

比較器の出力２３．２４は、比較器出力状態の変化の両
方向カウンタの形をとることがある。

これまでに説明された配列の作動を考えてみると、第２
図から端子１６に対応する縦軸データおよび等しい大き
さのスイッチング電圧限界レベル＋Ｖおよび一■と共に
、時間に対してプロットされた蓄積コンデンサ電圧の波
形が示されている。

敏感な軸に沿った１つの方向に一定の加速度を想定する
と、一定の充電電流が発生され、その結果限界レベル＋
Ｖに達すると時間１．−１．から直線的に充電電圧が増
加することになる。比較器２３は、タイミング装置３１
をトリガして、コンデンサ電圧が１７で−Ｖに対して限
界の大きさの２倍だけオフセットされるような方向なら
びに時点でリセット電荷を電流源２９に加えさせ、電流
の大きさは瞬間「フライバック」に接近するような速度
でリセットを可能にする。コンデンサ電圧がレベル＋Ｖ
より低くオフセットされ始まると同時に、比較器１９は
その原出力状態に戻るが、タイミング装置３１は作動を
完了する。加速度計電流は、もう−度限界レベル＋Ｖに
達して時間ｔ２でリセット動作が行われるまで、正方向
電圧でコンデンサを充電し続ける。

どんな時限においても行われかつ出力装置１５によって
カウントされるリセットの回数は、加速度計電流の関数
であるとともに、加速度の大きさを与える。さらにもし
そのような時限でのリセットの回数がより長い時間蓄積
されるならば、時間に関する積分が行われて、慣性航法
に最も役立つ速度の測定が出力装置のカウンタによって
与えられる。

もし加速方向が例えば時間ｔ３で変化するならば、充電
電流は逆になり、コンデンサの充電電圧はデータ１６に
関して負の極性となり、比較器２０がその出力状態を変
えるときｔ４で大きさが一■まで増加し、タイミング装
置２８をトリガしてスイッチング装置２７を閉じるとと
もに、正の限界値＋Ｖが交差されるときの電流源２９の
場合と同じ速度でかつ同じ時間間隔で比較器工３をすセ
ット充電電流によってリセットする。＝■のコンデンサ
電圧は、加速度計電流がそれを再び負に傾斜する前に正
方向の値にオフセットされる。

３２で示される装置によって蓄積コンデンサ１３の両端
に表われる電圧を測定することも知られている。リセッ
トがカウントされる時限の終りに、コンデンサが充電サ
イクルから一部離れるならば、電流はコンデンサの値か
ら算出されかつ電圧はそのサイクル部分で上昇して出力
装置１５で与えられる電流の値を変えるのに用いられる
。

上述の配列は原則として知られているが、実際の装置は
両極性に共通な構成部品によって電圧感知およびリセッ
トを行い、かつ電圧の極性ならびに電流の方向について
それぞれスイッチされる。

前述の通り、蓄積コンデンサがリセットされる電圧は実
際には限界レベルであるが、そのリセットをすぐに元に
戻すのを困難にして加速度とカウントされたリセットと
の間の関係を破壊する発振またはチャタを生じるのでリ
セット電荷は少し小でなければならず、レベルはコンデ
ンサの非ゼロ平均電圧と装置内のどんな機械的または電
気的雑音も限界値に引き渡される限界近似値との間で調
和される。

これまでは矛盾する問題点は満足に解決されていなかっ
たが、本発明によりこの解決は第３図に示されるような
配列によって遠戚される。

この配列は第１図のそれに若干似ており、対応する素子
は同じ参照数字を与られる一方で、対応するが似ていな
い素子は同じ参照数字を与えられるがプライム符号をつ
けられる。

回路は、リセット装置１４′内で電圧感知装置１８′が
各比較器１９および２０について電圧の異なる大きさを
有する２つの限界電圧源を備えている点で異なる。比較
器１９の場合、限界電圧源２１′および２２“は線路３
３の外部信号によって置かれる状態次第でいずれかの限
界電圧源を選択する双安定選択スイッチ２１　”’を介
して比較器を供給するように接続されている。比較器２
０は線路３４の信号により作動されたりトグルされる双
安定選択スイッチ２２　”’を介して比較器に結合され
る２つの限界電圧源２２′および２２“と組み合わされ
ている。

限界電圧源２１′および２２′は、リセット充電装置２
５によって供給されるリセット電圧オフセットの事実上
半分に等しい限界電圧の大きさを有し、また限界電圧源
２１“および２２＃は具合よ＜２０％程度高い大きさの
限界電圧を有する。

限界電圧源２１’および２２′は具合よく、それぞれ低
い限界値の大きさ＋ＶＬならびに−ｖＬを供給し、また
限界電圧源２１“および２２“はそれぞれ高い限界値の
大きさ＋ｖＨならびに−Ｖ＋４を供給すると言うことが
できる。

双安定選択スイッチ２１　”’および２２　”’は、高
いリセット限界電圧源２１″が比較器１９に接続されて
いるとき低いリセット限界電圧源２２′が比較器２０に
接続されるように結合されており、その逆も戒り立つ。

さらに図示の通り、選択スイッチ２１　”’は比較器１
９の２３で出力によりトグルされて、もしそれがもはや
そのように配置されないならば、またはそのように配列
されていないならば、低いリセット限界源を比較器１９
に供給し、またそうする際に高いリセット限界電圧源２
２“を比較器２０に結合する一方で、選択スイッチ２２
　”’は比較器２０の２４で出力によってトグルされ、
低いリセット限界電圧源２２′を比較器２０に供給しか
つ高いリセット限界電圧源２１“を比較器１９に供給す
る。

第４図に関してこの回路の動作を考えてみると、極性が
反対のコンデンサ充電電圧と組み合わされる異なる限界
電圧が見られる。

回路は、スイッチ・オンでリンクされた選択スイッチ２
１　”’および２２　”’が特定の構造を有し、その構
造は特定の加速方向が予想される場合、すなわち正方向
の充電電圧の限界が負方向の充電電圧よりも高い。図示
されたようなランダムな構造をとることができる。

もし加速方向が正の極性で増加する充電電圧を生じるな
らば、これは時間ｔｌｌで高いリセット限界電圧＋Ｖ、
に達し、かつ比較器１９は出力状態の変化を与える。出
力装置１５によって記録されるとともに、これは負方向
のコンデンサ電圧を低いリセット限界電圧の大きさの値
の２倍、すなわち２・−ｖＬないし＋ＶＨ２・Ｖ、まで
オフセットするリセット充電装置２５からリセット充電
を開始し、その後加速度計電流は再び正方向にコンデン
サを充電し始める。比較器１９の出力変化は選択スイッ
チ２１　”’および２２　”’をもトグルするので、限
界電圧源２１′の低いリセット限界電圧＋ＶＬは比較器
１つに加えられ、また限界電圧源２２＃の高いリセット
限界電圧−■８は比較器２０に、加えられる。

充電電圧はいま時間１ｂで新しい正の限界電圧＋ＶＬに
達し、リセット動作はそれを負方向に−ＶＬまでオフセ
ットし、その後それは再び正方向傾斜を始める。比較器
２０の出力の変化も出力装置１５によって記録されるが
選択スイッチの変化は行われず、装置はコンデンサ電圧
がデータのまわりをスイングする反復ルーチンに固定し
、漏れにより誤りを生じさせる残留電圧を出さず、リセ
ットに対する電圧が負の限界電圧−ＶＨと交差して誤り
のあるリセットをトリガする危険から十分遠ざかる。

もし例えばｔｃで加速方向が変化するならば、コンデン
サは負の極性電圧と共に１．での限界電圧−ＶＨまで変
化し、それによって２・ｖＬのコンデンサ電圧オフセッ
トを与える比較器２２の出力変化により開始されたリセ
ット動作も選択スイッチ２２　”’および２１　”’の
トグル動作を生じるので、蓄積コンデンサの充電電圧の
次の傾斜においてリセットは時間ｔ１で−ｖＬの低い限
界電圧の大きさで開始され、かつリセットの電圧オフセ
ットは＋ｖＨの正の限界電圧からコンデンサ電圧を守っ
ている。

こうして、加速方向の変化後の最初のリセット動作は別
として、電流・周波数変換器は第１図の理想化された変
換器のように正確に機能するが、上述の不利な点もなく
、また実際に高い限界電圧までの初期充電に起因する充
電時間の小さな誤りさえ識別されかつ補償されたり、十
分に長い測定時間で誤りがめったにないならばそれらの
誤りは無視される。

第３図の回路形式が本発明の理解を助けるために説明さ
れ、また比較器および電圧感知装置やリセット充電装置
の限界電圧源を二重にせずに反対の方向と極性との間の
スイッチングによって、第１図で提案された線に沿って
変形が作られることが認められると思う。

証明された通り、電圧感知装置の出力変化は選択スイッ
チ２１　”’および２２　”’を作動させるが、言うま
でもなく、これらのスイッチはリセット充電装置のスイ
ッチング装置２７および３０の作動によって等しく作動
され、かつ破線３５および３６によって示され、これの
１つの効果はコンデンサ電圧がオフセットされている過
程にあるまで変化されないことを保証し、すなわち選択
スイッチ２１　”’および２２　”’は省略することが
でき、かつ限界電圧源２１　’、２１　’および２２’
、２２“はそれぞれ限界電圧の組合せを供給するように
付勢される。

第４図から認められると思うが、もし加速度計が極めて
強い加速力を受けて極めて大きな電流を作るならば、リ
セット電荷が装置２５からコンデンサに加えられている
極めて短い時間のあいだ、対向する加速度計電流はコン
デンサが限界電圧の大きさの２倍末端だけ限界電圧から
オフセットされるようにリセットされる電圧を生じるに
足るであろうし、それによってコンデンサの残留非ゼロ
平均電圧および上記の問題の再現が防止される。

そのような極端な電流が適応されるべき環境においては
、第４図の配列は第５図に示される通り変形される。

構成部品の大部分は第４図に示されかつ説明される通り
であり、同じ参照数字を与えられる。それに加えて、限
界電圧源２１’および２２′、すなわち＋■、と−ＶＬ
の電圧源は出力で可変であり、装置３２によって測定さ
れたコンデンサ電圧の平均値を決定する電圧制御装置３
８からの線路３７に現われる制御信号によって最大から
具合よく減少することができる。もし装置が上記に説明
されたような加速度電流レベルに対応しているならば、
コンデンサ電圧の平均値はゼロであり、かつ限界電圧源
２１′および２２′は所定のレベルをとる。もし加速電
流の大きさがリセフトの電圧オフセットで充電による電
圧を打ち消さない段階まで増加するならば、電圧制御装
置３８は残留平均コンデンサ電圧を速やかに認めて、コ
ンデンサ電圧がこの相応して低い限界電圧からの同じリ
セット電荷によっていまオフセットされるような対応す
る量だけ「低い」限界電圧を減少する制御信号を出力し
、残留平均コンデンサ電圧は除去される。

明らかに、高低限界電圧の差により±ｖＬの大きさのど
んな減少でも±ｖ８の大きさの対応する増加によって遠
戚される。

限界電圧源ＶＬのレベルにわたるそのような制御は説明
された通り開レープ・モードで作動され、それによって
平均コンデンサ電圧の大きさが求められ、限界電圧は対
応する規量だけ減少され、または閉ループ・モードでは
制御装置３８は平均コンデンサ電圧を絶えず監視して平
均コンデンサ電圧がゼロに回復されるまで±ｖＬの値を
変える。

そのような限界電圧レベル制御は、加速度計電流の方向
にしたがってｖＬとＶＨとの間で変化する方式には組み
込まれる。

認められると思うが、装置１５でカウントを変更する制
御装置で検出されるその値を使用するような非ゼロの平
均コンデンサ電圧による変換の誤りを適応させる他の方
法がある。

上記の電流・周波数変換は、双方向電流源である加速度
計に関して説明されかつそれに対する配列が一体化をも
要求するときに特に適しているが、電流放射装置により
または既知インピーダンスの両端に加えられる電圧によ
り供給されるような双方向または当初不明である任意の
電流源に適用できることが繰り返される。

【図面の簡単な説明】

第１図は加速度計を用いた電流・周波数変換器の既知の
形の回路ブロック図、第２図は電圧の両極性について等
しいリセフト限界電圧の大きさを持つ第１図の変換器の
作動を示す時間の関数としてのコンデンサ充電電圧のグ
ラフ、第３図は加速度計を用いた本発明による電流・周
波数変換器の回路ブロック図、第４図は本発明による第
２図の変換器の作動を説明する時間の関数としてのコン
デンサ充電電圧のグラフ、第５図は第３図のものに基づ
くがさらに詳しく示されている電流・周波数変換器の回
路プロンク図である。 符号の説明 １０・・・・・・加速度計； １１・・・・・・直流発生器； １２・・・・・・電流・周波数変換器：１３・・・・・
・蓄積コンデンサ； １４・・・・・・コンデンサ・リセット装置；１５・・
・・・・出力装置。 図面の浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ、１ ＦＩｏ、２ Ｏｔ１ ２ ３ ′ム ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、５ 手 続 補 正 書（方式） ■、事件の表示 平底２年特許願第７３１７５号 ２、発明の名称 電流 ・周波数変換器 ３、補正をする者 事件との関係

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）電流発生器から電流を受け、電流の方向によるデ
   ータ・ポテンシャルに関して正または負に充電して、前
   記データに関して正または負の極性の関連ある充電電圧
   を発生する働きをする蓄積コンデンサと、コンデンサの
   リセット動作を遂行する働きをしてコンデンサの充電電
   圧が事前設定の限界値に達した時を確認し得る電圧感知
   装置と、電圧感知装置による確認に応じて所定の電荷を
   コンデンサに前記発生器から受けた電流と対向する方向
   に加えるリセット充電装置と、電圧感知装置による確認
   に応じて所定の電荷をコンデンサに前記発生器から受け
   た電流と対向する方向に加えるリセット充電装置と、周
   期にわたって生じるリセット動作の回数を監視する出力
   装置とを含む電流・周波数変換器であって、前記リセッ
   ト充電装置は充電電圧の極性を表わすリセット動作に応
   じて、ある極性ではオフセット電圧限界の大きさの事実
   上半分の低いリセット限界電圧の大きさを採用しかつ反
   対の極性ではそれを越える高いリセット眼界電圧の大き
   さを採用するように配列されていることを特徴とする電
   流・周波数変換器。
2. （２）リセット装置は高いリセット限界電圧の大きさか
   らのリセット動作に応じてある極性の限界電圧を低いリ
   セット限界電圧の大きさにセットする、ことを特徴とす
   る請求項１記載による電流・周波数変換器。
3. （３）リセット装置はリセット充電電流の方向に応じて
   リセット電荷が低いリセット限界電圧の大きさに対向す
   る極性の限界電圧をセットする、ことを特徴とする請求
   項１記載による電流・周波数変換器。
4. （４）高いリセット限界電圧の大きさが低いリセット限
   界電圧の大きさよりも少なくとも２０％大きい、ことを
   特徴とする請求項１ないし３のどれでも１つの項記載に
   よる電流・周波数変換器。
5. （５）コンデンサに現われる平均電圧を監視するととも
   に平均電圧の存在に応じて低いリセット限界電圧の大き
   さを変える働きをする電圧制御装置を有する、ことを特
   徴とする請求項のどれでも１つの項記載による電流・周
   波数変換器。
6. （６）電圧制御装置は平均コンデンサ電圧がゼロになる
   まで低いリセット限界電圧の大きさを変えるように配列
   される、ことを特徴とする請求項５記載による電流・周
   波数変換器。
7. （７）電圧制御装置は平均コンデンサ電圧の大きさを決
   定しかつ低いリセット限界電圧を等しい量だけオフセッ
   トするように配列されている、ことを特徴とする請求項
   ５記載による電流・周波数変換器。
8. （８）前記請求項のどれでも１つの項記載による電流・
   周波数変換器を有することを特徴とする加速度計。