JPH06232700A - デューティサイクル可変発振回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 持続的に三角波を発振する発振回路（１）
と、この発振回路（１）の出力に可変の直流バイアスを
与えて増幅する増幅回路（２１）と、この増幅回路（２
１）の出力の下限及び上限をクリップさせるクリップ回
路（２２）と、このクリップ回路（２２）の出力に直流
バイアスを与える高さ調整回路（２３）とを備えたデュ
ーティサイクル可変発振回路。 【効果】 リニアなＶ₊ 対デューティサイクル特性を出
力することができる。また、Ｖ₊ ＝−Ｅ_OS〜＋Ｅ_OS内で
デューティサイクルを０〜１００％の範囲で動作させる
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、制御分野、認識分野な
どで使用される様々な電子回路に用いるデューティサイ
クル可変発振回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７に無安定マルチバイブレータによる
自走式デューティサイクル可変発振回路を示す。この回
路は、他から何の助けを借りることなく自力で発振を継
続するもので、抵抗Ｒ₁ ，Ｒ₂ ，Ｒ₃ ，コンデンサＣの
値を調整することで周期Ｔでデューティサイクル５０％
のパルスを発生する回路である。しかし、この回路では
デューティサイクルを５０％に一旦設定すると、それ以
外のデューティサイクルに変えることはできない。

【０００３】デューティサイクルを可変できるようにし
たものが図８の回路である。図７の回路に抵抗Ｒ₄ と外
部電圧Ｖ₊ （またはＶ_- ）を接続することによりデュー
ティサイクルを可変する。図８の回路ではＲ₄ に接続さ
れているオペアンプ（演算増幅器）の電源電圧がＶ₊ で
あるため、デューティサイクルは５０％以上でしか可変
できない。Ｖ_- の場合はデューティサイクルは５０％以
下である。このデューティサイクルをフルに動作させる
方法として、図９の（ａ）のように抵抗の片側にＶ
₊ 側、Ｖ_- 側に接続し分圧してヒステリシスのレベルを
変える方法や（ｂ）のようにコンデンサＣの充放電のタ
イミングを変える方法がある。

【０００４】しかしながら、図８の回路においてデュー
ティサイクルを可変する場合、次の問題を生じる。 Ｖ₊ 対デューティサイクルの特性がリニアではない
（図１０参照）。 デューティサイクルを０〜１００％の範囲で変化さ
せるためには、Ｖ₊ ＝−２Ｅ_OS〜＋２Ｅ_OS（約−２５Ｖ
〜＋２５Ｖ）と高い電圧が必要となる（図１０参照）。
但しＥ_OSはオペアンプの飽和出力電圧である。

【０００５】上記，を、図８の回路を例にして計算
により証明する。図８の回路について計算式を立てる
と、 ｉ₁ ＝（Ｅ₀ −Ｅ_R2）／Ｒ₁ （１） ｉ₂ ＝Ｅ_R2／Ｒ₂ （２） ｉ₃ ＝Ｃ×ｄＥ_C ／ｄｔ （３） ｉ₄ ＝（Ｖ₊ −Ｅ_R2）／Ｒ₄ （４） ｉ₂ ＝ｉ₁ ＋ｉ₄ （５） ｉ₃ ＝（Ｅ₀ −Ｅ_C ）／Ｒ₃ （６） （１），（２），（４），（５）式より、 Ｅ_R2＝Ｒ×（Ｅ₀ ／Ｒ₁ ＋Ｖ₊ ／Ｒ₄ ） （７） ただし、Ｒ＝１／｛（１／Ｒ₁ ）＋（１／Ｒ₂ ）＋（１
／Ｒ₄ ）｝（３），（６）式より、 Ｅ_C ＝（Ｅ_C0−Ｅ₀ ）ｅｘｐ（−ｔ／Ｒ₃ ×Ｃ）＋Ｅ₀ （８） ただし、Ｅ_C0はＥ_C の初期値 が得られる。

【０００６】（ｉ）Ｅ_C ＞Ｅ_R2のとき、Ｅ₀ ＝−Ｅ
_OS（飽和）の場合（７），（８）式より、 ｔ₁ ＝−Ｒ₃ ×Ｃ×ｌｎ｛（ａ＋ｂ−ｃ）／（ａ＋ｂ＋ｃ）｝ （９） （ii）Ｅ_C ＜Ｅ_R2のとき、Ｅ₀ ＝＋Ｅ_OS（飽和）の場合
（７），（８）式より、 ｔ₂ ＝−Ｒ₃ ×Ｃ×ｌｎ｛（ａ−ｂ＋ｃ）／（ａ−ｂ−ｃ）｝ （１０） ただし、 ａ＝（Ｒ×Ｖ₊ ）／Ｒ₄ 、ｂ＝Ｅ_OS、ｃ＝（Ｒ×Ｅ_OS）／Ｒ₁ （１１） が求まる。

【０００７】いま、図１１のようなデューティサイクル
を求める。 デューティサイクル＝ｔ₂ ／Ｔ＝１／（１＋ｔ₁ ／ｔ₂ ） （１２） （９），（１０）式を（１２）式に代入する。

【数１】

【０００８】いま、Ｒ₁ ＝Ｒ₂ ＝Ｒ₄ ＝３Ｒとおき、こ
れを（１１）式に代入すると（１３）式は、

【数２】

【０００９】Ｖ₊ の条件 （１） Ｖ₊ ＞０のとき、式の分母が正であるために
は、１−１／（２−Ｖ₊ ／２Ｅ_OS）＞０になる必要があ
る。 ∴Ｖ₊ ＜＋２Ｅ_OS （１５） （２） Ｖ₊ ＜０のとき、式の分子が正であるために
は、１−１／（２＋Ｖ₊ ／２Ｅ_OS）＞０になる必要があ
る。 ∴Ｖ₊ ＞−２Ｅ_OS （１６）

【００１０】（１５），（１６）式より−２Ｅ_OS＜Ｖ₊
＜＋２Ｅ_OSを得る。これは従来の欠点のに相当する。

【００１１】いま、Ｖ₊ ＝ｍ×Ｅ_OS、−２＜ｍ＜＋２と
して（１４）式を変形すると、

【数３】 （１７）式を（１２）式に代入する。

【００１２】

【数４】

【００１３】ｍ＝０のとき、デューティ比が５０％にな
る。これをグラフにすると図１０のようになり、これは
従来技術の欠点のに相当する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決すべき課
題は、リニアなＶ₊ 対デューティサイクル特性を出力す
ることと、Ｖ₊ が−Ｅ_OS〜＋Ｅ_OS内でデューティサイク
ルを０〜１００％の範囲で動作させることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明のデューティサイクル可変発振回路は、持続
的に三角波を発振する発振回路と、この発振回路の出力
に可変の直流バイアスを与えて増幅する増幅回路と、こ
の増幅回路の出力の下限及び上限をクリップさせるクリ
ップ回路と、このクリップ回路の出力に直流バイアスを
与える高さ調整回路とを備えた構成としている。

【００１６】

【作用】図１に自走式デューティサイクル可変発振回路
の概念図を示す。この回路は、スイープ信号発生回路部
１とＳ関数（ローレベルから一定の正の勾配をもってハ
イレベルに移行する関数）又はＺ関数（ハイレベルから
一定の負の勾配をもってローレベルに変化する関数）発
生部２に大別される。スイープ信号発生回路部１は、前
段のオペアンプＯＰ１がシュミット回路として動作し、
後のオペアンプＯＰ２は積分回路として動作する。シュ
ミット回路として動作するＯＰ１は自力で発振を継続す
るもので、パルスを出力する。これをＯＰ２に入力する
と積分され、Ａ点からは三角波が出力される。これをＳ
関数又はＺ関数発生部２に入力する。この回路のＶ_inに
前記出力の三角波を入力することでＶ_R／Ｒ₀の傾きを持
つリニアな直線が図３の一辺発生回路２１より出力され
る。Ｒ₀よりもＶ_Rを限り無く大きくすると、Ｖ_R／Ｒ₀は
ほぼ９０°にできる。Ｖ_X 端子はこの出力を左右に動か
すためのものであり、図２（ｂ）のデューティサイクル
ｔ₁，ｔ₂の幅を決めるための端子である。一辺発生回路
２１の出力をクリップ回路（反転理想ダイオード）２２
に入力するとダイオードにより０Ｖでクリップされる。
この出力を高さ調整回路２３に入力するが端子Ｖ_H は高
さ方向にシフトするもので電圧（＞０Ｖ）を印加すると
正方向にシフトする。その後ダイオードでクリップされ
Ｖ_OUT にはＺ関数が出力される。スイープ信号発生回路
１は発振を継続する回路によりＢ点には図２（ｂ）のよ
うな出力波形が得られる。

【００１７】図３の回路を用いた場合のＶ_X 対デューテ
ィサイクル特性を図５に示す。図８の回路でのＶ_X 対デ
ューティサイクル特性（図１０）はオペアンプの飽和出
力電圧が±２Ｅ_OSのように過飽和領域で動作していたこ
とが原因であるが、図５はオペアンプの飽和出力電圧が
±Ｅ_OSの飽和領域内で動作しているためリニアな特性を
得ることができ、デューティサイクルについても０〜１
００％の範囲で動作させることができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明する。図１に第一実施例を示す。自走式デューティサ
イクル可変発振回路は三角波を出力するスイープ信号発
生回路部１と外部から与えられた電圧によりＳ関数又は
Ｚ関数を発生するＳ関数又はＺ関数発生部２から構成さ
れる。スイープ信号発生回路部１の出力（Ａ点）は振幅
±Ｒ₂×Ｅ_OS／Ｒ₁で周期Ｔ＝１／ｆ＝（４×Ｃ×Ｒ₂ ×
Ｒ₃）／Ｒ₁の三角波（図２（ａ））を出力する。周期Ｔ
を変更する場合はＲ₃ を可変することで変えられ、振幅
を変えたい場合はＲ₂ を可変することで三角波を自由に
伸縮できる。

【００１９】図３にＳ関数又はＺ関数発生部２をオペア
ンプで構成した場合の回路を示す。この回路を大別する
と、（１）外部より与えられた電圧によりＶ_R ／Ｒ₀ の
傾きとを持つデューティサイクルの一方の辺を発生させ
る一辺発生回路２１、（２）一辺発生回路２１で発生し
たデューティサイクルの一辺を高さ方向にシフトしクリ
ップする回路２２、（３）外部調整端子電圧Ｖ_H によっ
て与えられた値によって高さ方向に調整する高さ調整回
路２３、に分けることができる。

【００２０】スイープ信号発生回路部１の出力を一辺発
生回路２１の外部端子Ｖ_inに入力し傾きＶ_R ／Ｒ₀ がＸ
軸に対し９０°になるように調整する。この出力をクリ
ップ回路２２に入力する。クリップ回路２２では、ダイ
オードにより入力信号がクリップされ、図３のような出
力が得られる。この回路の出力を高さ調整回路２３に入
力し外部端子電圧Ｖ_H を印加すると基本となるデューテ
ィサイクルが高さ調整回路２３より出力される。スイー
プ信号の範囲でデューティサイクルを０〜１００％変化
させようと考えると、ｔ₁ ＝ｔ₂ となるように外部端子
Ｖ_X を調整しておく。この設定した電圧より低電圧が入
ればデューティサイクル＞５０％となり、高電圧が入れ
ばデューティサイクル＜５０％となる。図４にデューテ
ィサイクル＝０，２５，５０，７５，１００％のときの
波形を示す。

【００２１】なお、デューティサイクルの周期を変更す
る場合はスイープ信号発生回路部１の抵抗Ｒ₂ ，Ｒ₃ で
調整する。抵抗Ｒ₂ は振幅、周波数調整用で、抵抗Ｒ₃
は周波数調整用である。

【００２２】図６に、Ｓ関数発生部２を差動増幅回路で
構成した第二実施例を示す。抵抗Ｒ₁ ，Ｒ₂ 、トランジ
スタＱ₁ ，Ｑ₂ で構成された部分はカレントミラー回路
と呼ばれ、定電流を流すための回路である。次の調整を
行った後、Ｖ_INに電圧を印加するとＶ_OUT より図６
（ｂ）のような波形が出力される。

【００２３】（１）デューティサイクルの傾きはＲ_E で
調整する。 （２）デューティサイクルの高さは定電流源Ｑ₃ の電流
値Ｉ₀ と付加Ｒ_L の積で決まる。 （３）デューティサイクルの中心位置はＶ_L で調整す
る。 上記調整を終えた後にＶ_INにスイープ発生回路部１を接
続（図６（ａ））とすると図２（ｂ）のようなデューテ
ィサイクル回路を構成することができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、スイープ信号発生回路
部（三角波発振回路）にＳ関数又はＺ関数発生部（増幅
回路，クリップ回路，高さ調整回路）を付加すること
で、 リニアなＶ₊ 対デューティサイクル特性を出力する
ことができる。 Ｖ₊ ＝−Ｅ_OS〜＋Ｅ_OS内でデューティサイクルを０
〜１００％の範囲で動作させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る自走式デューティサイクル可変
発振回路の基本的構成を示すブロック図である。

【図２】 図１におけるＡ点およびＢ点の出力波形図で
ある。

【図３】 デューティサイクル可変発振回路の一例を示
す回路図である。

【図４】 デューティサイクルを変えたときの波形図で
ある。

【図５】 Ｖ_X 対デューティサイクルの特性図である。

【図６】 デューティサイクル可変発振回路の他の例を
示す回路図である。

【図７】 一般の無安定マルチバイブレータの回路およ
び波形図である。

【図８】 従来におけるデューティサイクルを変える方
法を示す回路図および波形図である。

【図９】 従来においてデューティサイクルを連続的に
変える方法を示す回路図および波形図である。

【図１０】 従来回路におけるＶ_X 対デューティサイク
ルの特性図である。

【図１１】 パルス周期とデューティサイクルの説明図
である。

【符号の説明】

１ スイープ信号発生回路部、２ Ｓ関数又はＺ関数発
生部、２１ 一辺発生回路、２２ クリップ回路、２３
高さ調整回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 持続的に三角波を発振する発振回路と、
   この発振回路の出力に可変の直流バイアスを与えて増幅
   する増幅回路と、この増幅回路の出力の下限及び上限を
   クリップさせるクリップ回路と、このクリップ回路の出
   力に直流バイアスを与える高さ調整回路とを備えたデュ
   ーティサイクル可変発振回路。