(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号トランスの１次側に配置されたスイッチを駆動することにより、該信号トランスの１次側からの入力信号を２次側に絶縁伝送するトランス絶縁アナログ入力装置において、
前記信号トランスの２次側に配置された波形整形回路を備え、
前記波形整形回路は、
信号ラインに直列接続されたインダクタと、
前記インダクタの後段にシャント接続され、抵抗およびキャパシタからなるスナバ回路とにより構成されたことを特徴とするトランス絶縁アナログ入力装置。
【請求項２】
信号トランスによるサグと波形整形回路のインダクタの逆起電力による振幅昇圧とがバランスした時間に、前記波形整形回路の後段の信号ラインにおける電圧を監視するように制御する制御回路を備えたことを特徴とする請求項１記載のトランス絶縁アナログ入力装置。
【請求項３】
波形整形回路のインダクタは、
信号トランスの相互インダクタに寄与しない漏れインダクタであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のトランス絶縁アナログ入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）分野において、センサ等から出力されるアナログ信号を、絶縁トランスを介して収集するトランス絶縁アナログ入力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＡ分野で多用されるアナログ入力装置は、例えば、温度センサ等から出力されるアナログ信号を、ＡＤ変換器に対して高い精度で入力する機能を有する。一般に、アナログ入力装置は、グランドループに起因する障害を避けるため、絶縁が必要となる。この絶縁をとる手法としては、フォトカプラ絶縁とトランス絶縁が知られている。
【０００３】
フォトカプラ絶縁は、容易に回路を構成できるメリットがあるが、絶縁側にＡＤ変換器や増幅素子が必要であり、回路規模が大きくなる。
その一方、トランス絶縁は、絶縁側を簡易的なパッシブ素子のみで構成できるため、回路の小型化および高密度化の面で有利である。
【０００４】
例えば、下記特許文献１および下記特許文献２では、トランス素子を絶縁手段として用いたアナログ入力装置が記載されている。この先行事例に記載される方式の構成図を図６に、また、波形シーケンスを図７に示す。
【０００５】
センサ３から出力されるアナログ信号は、トランス絶縁アナログ入力装置１０１のスイッチ６および信号トランス７を介してＡＤ変換器１２へ伝達される。
センサ３からのアナログ信号は、非常に低周波数信号（実質ＤＣ）となる場合があり、このままでは交流素子である信号トランス７を介した絶縁伝送ができない（またはトランスが極端に大きくなる）。
【０００６】
そこで、制御回路１１３は、シーケンス手段１１３1を備え、アナログ信号を入力するタイミングで、制御パルスＷ２を発生する。制御パルスＷ２は、制御トランス８を介して絶縁伝送された後、スイッチ６をオン状態にして、センサ信号に対してスイッチイング処理を行う。
このように、スイッチ６のオン／オフ制御を行い、センサ３からの入力信号Ｗ１を過渡パルス波形の形状にすることにより、信号トランス７を介した絶縁伝送が可能となる。
【０００７】
信号トランス７から出力されたアナログ信号は、後段の増幅器１０およびサンプル／ホールド回路１１等を経由して、ＡＤ変換器１２へ入力される。これらのアナログ信号を入力のための一連の回路は、入力誤差が例えば±０．１％と非常に高精度な仕様を満足できるように構成される必要がある。
【０００８】
図７に示した波形シーケンスにおいて、信号トランス７の出力部で観測される入力信号Ｗ１は、スイッチング処理により過渡パルスの形状をしている。図７では、センサ電圧値の３つの例として、１０Ｖ、５Ｖ、２Ｖの場合を示しており、過渡パルスの振幅は、それぞれのセンサ電圧値と対応している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平０３−０４４５０７号公報
【特許文献２】特公昭６０−１０４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のトランス絶縁アナログ入力装置は、以下のような課題があった。
スイッチ６のスイッチング処理に伴い、過渡パルス波形Ｗ１の振幅レベルにサグ（振幅劣化）が生じるという課題がある。
【００１１】
従来のサグの様子を図７の入力誤差の波形に示す。入力誤差として、Ｗ１とＶｓの差分（Ｗ１−Ｖｓ）を拡大表示すると、センサ電圧Ｖｓに応じてサグ（振幅劣化）が生じている。
一般に、信号トランスには、巻き線抵抗に代表される寄生インピーダンスが存在し、この寄生成分に伴う電圧降下が、サグの要因となる。
この信号トランスの寄生インピーダンスに伴うサグは、入力信号の精度劣化の要因となるため、±０．１％の入力精度仕様に対して大きな課題となる。
【００１２】
本発明は、以上のような課題を解消するためになされたものであり、信号トランスの寄生インピーダンスに伴うサグを補償し、入力信号の精度劣化を抑制するトランス絶縁アナログ入力装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のトランス絶縁アナログ入力装置は、信号トランスの２次側に配置された波形整形回路を備え、波形整形回路は、信号ラインに直列接続されたインダクタと、インダクタの後段にシャント接続され、抵抗およびキャパシタからなるスナバ回路とにより構成されたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、波形整形回路のインダクタは、該インダクタに流れる電流変化に応じて逆起電力を発生する。ここで、インダクタに流れる電流および電流変化は、後段に配置されたスナバ回路に依存する。よって、インダクタおよびスナバ回路の素子値を適切に設定すれば、インダクタの両端に生じる逆起電力により、信号トランスの寄生インピーダンスに伴うサグを補償することができる。
このように、信号トランスの寄生インピーダンスに伴うサグを補償し、入力信号の精度劣化を抑制することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１によるトランス絶縁アナログ入力装置を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１によるトランス絶縁アナログ入力装置の要部等価回路を示す回路図である。
【図３】本発明の実施の形態１によるトランス絶縁アナログ入力装置の各部に流れる電流波形を示す波形図である。
【図４】本発明の実施の形態１によるトランス絶縁アナログ入力装置の各部の波形を示す波形図である。
【図５】本発明の実施の形態２によるトランス絶縁アナログ入力装置の要部等価回路を示す回路図である。
【図６】従来のトランス絶縁アナログ入力装置を示す構成図である。
【図７】従来のトランス絶縁アナログ入力装置の各部の波形を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるトランス絶縁アナログ入力装置を示す構成図である。
図において、トランス絶縁アナログ入力装置１は、入力端子２1，２2を備え、センサ３からのアナログ信号がケーブル４を介して入力される。
【００１７】
トランス絶縁アナログ入力装置１において、キャパシタ５は、アナログ信号の高周波ノイズを除去する。
スイッチ６は、信号トランス７の１次側に配置され、制御トランス８を介して入力される制御パルスＷ２に応じて駆動される。
【００１８】
波形整形回路９は、信号トランス７の２次側に配置され、信号ラインに直列接続されたインダクタ９1と、インダクタ９1の後段にシャント接続され、抵抗９21およびキャパシタ９22からなるスナバ回路９2とにより構成される。
増幅器１０は、アナログ信号を増幅する。
【００１９】
サンプル／ホールド回路１１は、スイッチ１１1と、アナログ信号の高周波ノイズを除去する抵抗１１2およびキャパシタ１１3とにより構成され、スイッチ１１1は、入力される制御パルスＷ３に応じて駆動される。
ＡＤ変換器１２は、アナログ信号をデジタル信号に変換する。
【００２０】
制御回路１３は、ＡＤ変換器１２からのデジタル信号を入力する。
また、制御回路１３のシーケンス手段１３1は、制御パルスＷ２を制御トランス８を介してスイッチ６に発生すると共に、制御パルスＷ３をサンプル／ホールド回路１１のスイッチ１１1に発生する。
【００２１】
次に動作について説明する。
トランス絶縁アナログ入力装置１は、例えば、センサ３等の監視デバイスがケーブル４を介して接続される。ここで、センサ３からのアナログ信号を入力するにあたり、グラウンドループに伴う障害を避ける目的で、信号トランス７を介した絶縁伝送が必要となる。
【００２２】
このとき、センサ３からのアナログ信号は、場合によっては非常に低い周波数（実質ＤＣ）となることがあるため、交流素子である信号トランス７を介して絶縁伝送を行うためには、スイッチ６によるスイッチイング処理が必要となる。
センサ３からのアナログ信号Ｖｓをスイッチイング処理することにより、過渡パルス波形Ｗ１にして信号トランス７を伝送する際の波形シーケンスを図４に示す。
【００２３】
従来の装置で課題となっていたサグ（振幅劣化）は、主に信号トランス７の巻き線抵抗等の寄生インピーダンスに起因する。
信号トランス７の等価回路を図２に示す。信号トランス７は、１次巻き線の寄生成分である第１の寄生インピーダンス７1、２次巻き線の寄生成分である第２の寄生インピーダンス７2、相互インダクタ７3により、等価的に構成されるものとした。
信号トランス７のそれぞれの寄生インピーダンス７1，７2に、流れる電流に起因して、電圧降下が発生し、これがサグの要因となる。
【００２４】
本実施の形態１では、従来のアナログ入力装置に対して、波形整形回路９を信号トランス７の後段に配置することにより、前記のサグの課題を解決する。
図１および図２に示したとおり、波形補償回路９は、信号ラインに直列接続されたインダクタ９1と、その後段にシャント接続されたスナバ回路９2から構成される。ここで、スナバ回路９2は、抵抗９21とキャパシタ９22の直列接続からなる。
【００２５】
また、相互インダクタ７3に流れる電流をＩ1、信号トランス７の２次側に流れる電流をＩ2とし、それぞれの電流波形を図３に示した。
相互インダクタ７3に流れる励磁電流Ｉ1は、インダタンス値Ｌ1の逆数に比例した変化率で線形に増加する。一方、信号トランス７の２次側に流れる電流Ｉ2は、スナバ回路９2の時定数に応じた曲線で低下する時間特性となる。
【００２６】
波形整形回路９を構成するインダクタ９1には、スナバ回路９2の時定数に応じた電流Ｉ2が流れるため、Ｉ2の時間変化に比例した逆起電力が生じる。電流Ｉ2の波形は時間と共に、減少する傾向にあるため、インダクタ９1に生じる逆起電力は、信号波形を昇圧する方向となる。よって、インダクタ９1の逆起電力は、信号トランス７のサグによる振幅劣化を補償し、入力誤差を改善させる。
【００２７】
本実施の形態１における各部の波形を図４に示す。図４では、センサ電圧Ｖｓの３つの例として、１０Ｖ、５Ｖ、２Ｖの場合を示している。信号トランス７の出力として得られる入力信号Ｗ１は、過渡パルスの形状であり、その振幅は、それぞれのセンサ電圧値と対応している。
【００２８】
インダクタ９1の逆起電力によりサグが改善される様子を、図４の入力誤差の波形に示した。入力誤差として、Ｗ１とＶｓの差分（Ｗ１−Ｖｓ）を拡大表示すると、逆起電力に伴う振幅昇圧とサグがバランスし、誤差が補償されている様子が見て取れる。
ＡＤ変換器１２へ信号を入力するにあたり、サンプル／ホールド回路１１にて、前記の誤差がバランスしているタイミングで電圧監視（サンプル）するように、制御回路１３のシーケンス手段１３1により、制御パルスＷ３を発生する。
【００２９】
以上のように、本実施の形態１によれば、波形整形回路９のインダクタ９1は、インダクタ９1に流れる電流変化に応じて逆起電力を発生する。ここで、インダクタ９1に流れる電流および電流変化は、後段に配置されたスナバ回路９2に依存する。よって、インダクタ９1およびスナバ回路９2の素子値を適切に設定すれば、インダクタ９1の両端に生じる逆起電力により、信号トランス７の寄生インピーダンスに伴うサグを補償することができる。
このように、信号トランス７の寄生インピーダンスに伴うサグを補償し、入力信号の精度劣化を抑制することができる。
【００３０】
また、制御回路１３は、信号トランス７によるサグと波形整形回路９のインダクタ９1の逆起電力による振幅昇圧とがバランスした時間に、サンプル／ホールド回路１１にて、波形整形回路９の後段の信号ラインにおける電圧を監視するように制御するので、サグを補償するタイミングで電圧を読み取ることができ、アナログ信号の入力精度を大幅に向上させることができる。
【００３１】
実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２によるトランス絶縁アナログ入力装置の要部等価回路を示す回路図である。
図において、漏れインダクタ７4は、信号トランス７の相互インダクタ７3に寄与しないインダクタである。
本実施の形態２は、前記実施の形態１において、波形整形回路９を構成していたインダクタ９1を削除し、代わりに、信号トランス７の漏れインダクタ７4を利用して、サグを補償する構成である。
その他の構成については、前記実施の形態１に記載の構成と同一である。
【００３２】
次に動作について説明する。
漏れインダクタ７4は、本来、相互インダクタ７3として寄与できない寄生インダクタンスの成分であるが、この寄生成分である漏れインダクタンス７4に生じる逆起電力を積極的に活用し、サグによる振幅劣化を保障する。
【００３３】
以上のように、本実施の形態２によれば、波形整形回路９のインダクタ９1として、信号トランス７の相互インダクタ７3に寄与しない漏れインダクタ７4を利用したので、前記実施の形態１の効果に加えて、逆起電力を発生させるためのインダクタ素子を、基板部品として実装する必要がなくなり、部品コストおよび部品面積を改善することができる。
【００３４】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１，１０１  トランス絶縁アナログ入力装置、２1，２2  入力端子、３  センサ、４  ケーブル、５，９22，１１3  キャパシタ、６，１１1  スイッチ、７  信号トランス、７1  第１の寄生インピーダンス、７2  第２の寄生インピーダンス、７3  相互インダクタ、７4  漏れインダクタ、８  制御トランス、９  波形整形回路、９1  インダクタ、９2  スナバ回路、９21，１１2  抵抗、１０  増幅器、１１  サンプル／ホールド回路、１２  ＡＤ変換器、１３，１１３  制御回路、１３1，１１３1  シーケンス手段。
【図１】
0005858797.tif 000002
【図２】
0005858797.tif 000003
【図３】
0005858797.tif 000004
【図４】
0005858797.tif 000005
【図５】
0005858797.tif 000006
【図６】
0005858797.tif 000007
【図７】
0005858797.tif 000008