JPS5945292B2 - 積分形の非線形変換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は測定変量をその非線形関数で代表される電気的
アナログ信号に変換する非線形特性の測定変量検出器の
出力アナログ信号を線形化し測定変量に比例するデジタ
ル信号またはパルス幅信号に変換する積分形の非線形変
換器に関する。

熱電対または測温抵抗体のように測定変量Ｃと検出器出
力信号Ｖｉの関係が第１図に示すように非線形曲線をな
すとき、ＶｉをＣに比例するデジタル信号に変換するた
めに積分形のＡ／Ｄ変換器が利用されており、かかるＡ
／Ｄ変換器によって非線形特性を線形化し、かつＡ／Ｄ
変換するために第１図に示すような非線形特性曲線を近
似的に複数短線分、例えば線分Ａ、Ｂ、Ｃ等の連続する
折線とみなしこの折線特性に基づいて線形化する折線近
似法が採用される。

この折線近似法を採用せる積分形弁線形Ａ／Ｄ変換器は
、検出器出力信号Ｖｉを一定の入力抵抗を通して一定時
間積分器に印加した後、Ｖｉと逆極性の基準電圧を入力
抵抗を通して積分器に印加しその出力電圧が零になるま
での基準電圧積分時間をパルス計数器で計数しデジタル
信号に変換する回路を利用し、前記基準電圧を積分器に
印加する途中に挿入する入力抵抗を第１図の近似線を形
成する各線分の勾配に対応し種々異なる値に切換えて入
力信号を線形化せるデジタル信号に変換する。

したがってこのような従来の折線近似法を採用せる非線
形Ａ／Ｄ変換器においては入力信号Ｖｉを線形化するた
めに特性曲線の近似折線を形成する線分数と等数の異な
る値の精密抵抗が必要である。

そのために入力信号の広い範囲に亘り良い精度でこれを
直線化してデジタル信号に変換するには数多くの精密抵
抗が必要の上に回路構成が複雑になる欠点があった。

本発明は上述の欠点を解消するとともに回路の集積度を
高め広い測定範囲に亘り良好な線形化特性の非線形Ａ／
Ｄ変換器を提供せんとするものである。

本発明の特徴は、計時用のパルス計数器の計数値によっ
てそのアドレスが選択される読取専用メモリ（ＲＯＭ）
と、この選択されたアドレスによって読取られるＲＯＭ
の出力データと一定の基準電流とが入力として与えられ
該基準電流が前記出力データによって制御されたアナロ
グ電流を出力する乗算形のＤ／Ａ変換器と、特定の一定
電流と前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ出力電流とを選択的
に加算または減算せる電流に比例する基準電圧を発生す
るアナログ信号の加・減算回路を具備し、入力信号Ｖｉ
と反対の極性を有するこの可変の基準電圧を入力信号を
一定時間積分器に積分した後入力信号と切換えて単一の
入力抵抗を通して積分するように構成することに存する
。

第３図は本発明の実施例の概略の構成を示すブロック図
である。

図において、１は入力信号Ｖｉの入力端子、０ＵＴ１は
Ｖｉに対応する線形化デジタル信号の出力端、０ＵＴ２
はパルス幅信号出力端子である。

ＩＡは積分器で演算増幅器Ｕ１とコンデンサＣ１とで構
成される。

Ｒ１は積分器の入力抵抗である。

ＣＯＭＰは演算増幅器Ｕ２あるいはコンパレータ用ＩＣ
を使用せる電圧比較器、ＡＮＤはアンドケート回路、Ｃ
ＯＵはパルス計数器でＣＰはこれにクロックパルスｆを
与えるｉ子、ＲＯＭは読取専用メモリ、Ｄ／Ａは乗算形
デジタル・アナログ変換器である。

１３は一定の基準電圧源の接続端でここに一定電圧Ｖｒ
が印加され、基準抵抗Ｒｒを介して得られる基準電流Ｉ
ｒをＤ／Ａの入力１２に供給する。

またＤ／ＡはＲＯＭの出力データが設定値として与えら
れ■および■の出力アナログ電流を出力する。

Ｕ３は抵抗Ｒ２およびＲ３を付属するアナログ信号加・
減算回路で基準電圧Ｖｒから抵抗Ｒ１を通して流れる電
流■１にＤ／Ａ変換器の出力電流ＩおよびＴを加・減算
した電流に比例する電圧Ｖｏを出力する。

Ｕ４は演算増幅器で抵抗Ｒ４およびＲ６を付属しＶｏと
反対極性を有しＶｏの大きさをＲ５／Ｒ４倍せる電圧Ｖ
ｏ’を出力する極性反転増幅器である。

Ｏ８はＣＯＭＰの出力信号の瞬時的レベル変化に応答し
インパルスを発生する単発マルチバイブレータ、ＬＡＴ
は緩衝記憶回路でＯ８からのインパルスに応答しその時
のパルス計数器ＣＯＵの計数値を読み取りこれを保持し
て０ＵＴ１からデジタル出力信号として送り出す。

ＳＷｌ、ＳＷ２は切換スイッチである。

第３図の実施例回路の動作を例えば熱電対のような温度
Ｃ対熱起力出力Ｖｉの特性曲線が既知の場合この特性線
図および第３図回路の主な点に発生する信号の時間関係
図（第２図）を参照して以下に説明する。

以下の説明においては、便宜上温度の測定範囲Ｏ乃至Ｃ
ｍａｘの間の熱起電力出力曲線ＶｉをＡ、Ｂ、Ｃの３線
分で形成される折線で近似しＡ／Ｄ変換を行う場合の動
作について述べる。

本実施例において逐次自動的に行われる動作はパルス計
数器ＣＯＵの計数動作によって制御される。

入力１にアナログ入力信号Ｖｉ与えられており、初期の
状態において積分器ＩＡの出力Ｅｉが零のとき計数器Ｃ
ＯＵはクロックパルスｆの計数動作を開始しく第２図Ｃ
）、同時にＣＯＵの出力に制御されアナログスイッチＳ
Ｗ１の接点ａ−ｃが導通しく第２図ｂ）入力信号’Ｖｉ
は入力抵抗Ｒｉを通じ積分器ＩＡに印加され積分器は積
分動作を開始し、再び計数器からＳＷｌの制御信号（第
２図ｄ）が与えられるまで接点ａ−Ｃの接続を保持する
（第２図ｂ）。

一方比較回路ＣＯＭＰはＥｌの極性を検出しこの検出信
号によってＳＷ２の切換接点の接続接点を決定しＥｌが
零に復帰するまでＳＷ２の接点ＣにＶｉの極性と反対極
性の電圧が印加されている接点、例えばＶｉが正の場合
は負の基準電圧Ｖｏが印加されている接点ａを接続しつ
づける。

計数器は積分器ＩＡがＶｉの積分開始から継続時間を計
時し、積分時間が一定時間Ｔに達すればＳＷ２を切換え
る制御信号を出力しく第２図ｄ）ＳＷ２の接点ｃ−ｂが
接続しその後は共通の入力抵抗Ｒ１を通して入力信号Ｖ
ｉと反対極性の可変の基準電圧Ｖｏの積分が開始され同
時に計数器ＣＯＵは再び零からの計数動作を継続する（
第２図ｅ）。

このＶｏの積分を逆積分と呼ぶことにする。

この逆積分時間における可変の基準電圧Ｖｏを決する方
法および方法を実施する手段が本発明の要点であり、そ
の詳細は後にゆする。

逆積分が進行し積分器出力Ｅ１が再び零になれば比較器
ＣＯＭＰはこれを検出しく第２図ｆ）単発マルチバイブ
レータＯ８はこの検出信号に応答しパルスを単発しこれ
を緩衝記憶回路ＬＡＴに与える。

ＬＡＴはこれに応答しその時点における計数器の計数値
を読取り（第１出力）ＯＵＴｌにＶｉを線形化せるデジ
タル信号を出力する。

また。比較器出力信号Ｅ２とＲ２が零になるまでの逆積
分時間ｔの間持続する信号はＡＮＤゲート回路に与えら
れＶｉを線形化せるパルス幅の信号が第２出力０ＵＴ２
から出力する。

次に本発明の要点である可変基準電圧ＶｏおよびＶｏ’
を決定する作用を詳述する。

いま、説明の便宜上第１図の温度測定範囲０〜Ｃｍａｘ
を３等分し０〜Ｃ１，Ｃ１〜Ｃ２，Ｃ２〜Ｃｍａｘの温
度幅が等しいとし、非直線特性曲線Ｖｉ−曲線の近似折
線はＣ１ｓ Ｃ２ｔ Ｃｍａｘに対応するｖｌ、ｖ２．
ｖｍａＸを折点とするＡ、Ｂ、Ｃ線分から形成されてる
ものとする。

本発明における可変基準電圧Ｖｏを決定する方法を要約
すれば、第１図の特性曲線の０点からＶｍａｘまでを直
線Ｍで結び、この直線の温度軸に対する勾配に比例する
特定の電圧ＶＯＭを定め、一方各線分Ａ、Ｂ、Ｃの勾配
と前記直線Ｍの勾配との基に比例する電圧ＶＡ−ＭＩＶ
Ｂ−ＭｔＶＯ−Ｍを演算し、Ｏ−Ｃ、Ｃ１−Ｃ２，Ｃ２
−Ｃｍａｘの各温度幅に対応する時間帯ｔ１．ｔ２．ｔ
３各基準電圧ＶｏをＶ ＯＭとＶＡ−ＭｊＶＢ−ＭｔＶ
Ｏ−Ｍの代数和に自動調整することである。

第３図の本発明実施例を参照して説明すれば、計数器Ｃ
ＯＵの計数値出力端子はＲＯＭのアドレス信号入力端子
に接続しておりＲＯＭは計数値出力に応答し逆積分の開
始以後ｔ１．ｔ２１．ｔ３の時間帯において、それぞれ
線分Ａ、Ｂ、Ｃと直線Ｍとの勾配差に対応する相異なる
出力データをＤ／Ａ変換器の設定値としてこれに与える
。

この乗算形Ｄ／Ａ変換器にはさらに一定の基準電源電圧
Ｖｒによる基準電流Ｉｒが供給されており、この電流Ｉ
ｒはＲＯＭから与えられる設定値に制御され出力端１４
．１５にアナログ信号■および工を出力する。

Ｄ／Ａ変換器に対するＲＯＭからの設定値をＤｉ、Ｄ／
Ａ設定値の最大値をＤｍａｘとし、ＤＦＳ ＝ （Ｄｍ
ａｘ＋１ ）と置き、ＩＦ ｓ＝Ｉ十Ｉで示せばＩＦＳ
は一定であって演算増幅器Ｕ３はＶｒを抵抗Ｒ１によっ
て変換せる電流■１とＤ／Ａ変換器の出力電流Ｉ、Ｉと
を代数的に加算し加算電流に対応する出力電圧■０を発
生するアナログ信号加・減算回路であり、Ｖｏは可変の
基準電圧としてＳＷ２の一方の接点ａに導かれる。

ｖｏを数式で表わせば（１）式となる。Ｉ、Ｉはｔｌ、
ｔ２．ｔ３の時間帯におけるＲＯＭの出力データ即ちＤ
／Ａ変換器の入力デジタル設定値に対応して変化し、Ｖ
ｏの変化幅は■の変化幅とＲ１，Ｒ２，Ｒ３によって決
定される。

ここでＲ１〜Ｒ３を、ＲＩ Ｒ２＝ Ｒｔ Ｒａ ＋
Ｒ２Ｒ３の関係が成立するように選定すればＶｏは（２
）式を満足する。

Ｄ／Ａ変換器の出力電流■はＯ〜ＩＦＳの範囲でＤ／Ａ
のデジタル設定値のフルスケール値ＤＦＳの分解能で変
化させ得るからＶｏは下式（３）の範囲でＤＦＳの分解
能に対応するＤ／Ａ出力の分解能で調整することができ
る。

基準電圧Ｖｏを代表する（２）式を書換え下記（４）式
で表せば （４）式右辺０内の第１項は第１図の特性曲線の０−Ｖ
ｍａｘを結ぶ直線Ｍ（スパン直線）の勾配に対応するス
パン電圧ＶＯＭを表わし残りの第２゜第３項の代数和は
逆積分の１１．ｔ２．ｔ３の各時間帯における電圧ＶＯ
Ｍを補正する各電圧Ｖｅｒを表わす。

スパン電圧ＶＯＭは入力電圧の最大値Ｖｍａｘの線形化
変換時間ｔｍａｘを定めれば簡単に決定できる。

例えばこの変換器における入力信号Ｖｉの一定積分時間
をＴとしｔｍａｘをα１時間と定めればＶＯＭはＶｍａ
ｘのα分の１に選定すればよい。

そしてＶＯＭは一定の基準電源電圧Ｖｒが与えられれば
Ｒ１，Ｒ２によって決定される。

また各時間帯ｔ１．ｔ２．ｔ３における各補正電圧Ｖｅ
ｒは各々線分Ａ、Ｂ、Ｃの勾配とスパン直線Ｍの勾配と
の差に対応する。

この補正電圧Ｖｅｒは各時間帯においてＲＯＭから読み
取られＤ／Ａの設定値に制御されるＤ／Ａの出力電流■
。

■およびＲ２によって決定される。

熱電対のような非直線特性の温度検出器の出力Ｖｉを測
定温度の広い範囲に亘り折線近似法を採用せる非線形Ａ
／Ｄ変換器によって良い精度で線形化したデジタル出力
に変換する場合、測定範囲の特性曲線を数多くの線分で
形成せる折線で近似し、各線分の勾配に対応するデジタ
ル値を正確に選定しなければならない。

本発明においては、折線の線分数は計数器ＣＯＵで読取
るＲＯＭのアドレスの数だけ数多くとれるので集積度の
高い簡単なＲＯＭを使用して高精度の線形化が可能であ
る。

また、熱電対等の熱起電力Ｖｉの温度に対する特性曲線
は単調増加曲線をなし、その近似折線の各線分の勾配は
スパン直線Ｍの勾配と大差ない。

そして各時間帯における各基準電圧Ｖｏはスパン直線Ｍ
の勾配に対応する電圧ＶＯＭを直線Ｍと各線分の勾配差
に対応する電圧Ｖｅｒで補正せる電圧であるからＤ／Ａ
の出力を制御するデジタル設定値のビット数に対する要
請はＤ／Ａの出力により直接基準電圧Ｖｏを決定する方
式に比較し大幅に軽減することができる。

仮に基準電圧Ｖｏのうちスパン直線Ｍの勾配に対応する
一定の電圧成分ＶＯＭの大きさを１００％とし各時間帯
においてＶＯＭを補正する電圧成分ＶｅｒをＶＯＭの±
１０％とすれば、この補正電圧成分ＶｃｒはＤ／Ａ変換
器の出力に対応するか８ビツトのＤ／Ａ変換器を使用す
れば２０％の１／２５６即ち略０．０８％の精度で調整
可能であり、Ｖｏを直接１０ビツトの変換器で調整する
場合より分解能がよい。

また、本発明においては、基準電源圧Ｖｒを変えると電
圧成分ＶＯＭとＤ／Ａの出力電流■に対応するＶｅｒと
が同じ割合で変化するので線形化に影響なく、スパン電
圧ｖｍａＸに対応するその変換時間即ちデジタル出力を
調整することができる。

またＲＯＭおよびＤ／Ａ変換器が故障しＤ／Ａの出力信
号■が出力しなくなればＶｏとしてＶ ＯＭだけが出力
することになるから平常出力と極端に異なる出力が発生
することがない。

第３図の構成におけるＤ／Ａ変換器とＵ３を主体とする
加・減回路の接続は第４図に示す構成にしてもよい。

第４図の場合はＤ／Ａ変換器の出力電流■はＲｏ ｙの
制御信号によってＳＷ３のａまたはｂ接点に導かれる。

電流■が図の如＜ＳＷ３の接点ａを通ってＵ３に流れ込
むときは基準電圧ＶｏおよびＶｏ’は下式となる。

である。

熱電対の温度Ｃ対起電力Ｖｉの特性曲線を折線で近似す
るとき折線を形成する線分勾配は一般に第１図に示す如
く温度Ｃの正の側で勾配が急で勾配の変化が小さく、温
度の負側で勾配がゆるやかで勾配変化が太きい。

第５図はこの傾向に対処するために使用される基準電源
圧Ｖｒを基準電流Ｉｒを介し変換器に供給する回路の構
成を示す。

符号変換係数回路Ｕ４の抵抗Ｒ４，Ｒ６によって負温度
側のＶの勾配を第１図に示す如くＭ線の勾配よりゆるや
かに定めとともにＲＯＭからの入力信号Ｖｉの極性弁別
信号によりＶｉが負のときにＳＷ４を閉成し基準電流Ｉ
ｒを変化すればよい。

Ｄ／Ａの設定値をＤその最大値をＤ ｍ ａ ｘとすれ
ばＤ／Ａの出力電流■は よってＶｏ’がＤによって変化する比率をＩｒによって
変えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は非線形変換特性の測定変量検出器の特性線図を
示す。 第２図は折線近似法を採用せる積分形弁線形Ａ／Ｄ変換
器の主要部に発生する信号の時間的関係説明図を示す。 第３図は本発明実施例の概略の構成を示すブロック接続
図を示す。 第４図および第５図は本発明実施例の一部の変形図を示
す。 第３図において、ＩＡ・・・・・・積分器、ＣＯＭＰ・
・・・・・電圧比較器、ＣＯＵ・・・・・・パルス計数
器、ＲＯＭ・・・・・・読取専用メモリ、Ｄ／Ａ・・・
・・・乗算形Ｄ／Ａ変換器、Ｕ３・・・・・・アナログ
信号加・減算回路用演算増幅器、Ｕ４・・・・・・符号
反転係数回路用演算増幅器、ＳＷＩ 、ＳＷ２・・・・
・・切換スイッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 入力端子を入力抵抗を通して積分器に印加し一定時
   間積分した後肢入力電圧と逆極性の基準電圧を入力抵抗
   を通して前記積分器に印加して積分し該積分器出力が零
   になるまでの前記基準電圧の積分時間をパルス計数器を
   使用して前記入力電圧に対応するデジタル信号に変換す
   る回路を含み、前記パルス計数器の計数値によりそのア
   ドレスが選択される読取専用メモリと、前記読取専用メ
   モリの出力データと一定の基準電流とが入力に与えられ
   該基準電流が前記出力データによって制御されたアナロ
   グ電流を出力する乗算形のデジタル・アナログ変換器、
   および特定の一定電流と前記デジタル・アナログ変換器
   から出力する前記アナログ電流とを選択的に加・減算せ
   る電流に比例し前記入力電圧と逆極性の前記基準電圧を
   発生するアナログ信号加・減算回路を具備し、前記読取
   専用メモリの出力データの変化に対応して変化する前記
   基準電圧を単一の前記入力抵抗を通して前記積分器に印
   加することを特徴とする積分形の非線形変換器。