(57)【要約】【課題】高価な絶縁用変圧器が不要で、安価な交流信号位相検出装置を得る。【解決手段】交流電源７の電圧がフォトカプラ１０にて矩形波に変換され、反転回路１４により反転されて出力Ｏｕｔ１としてＡＮＤ回路１５及びシフトレジスタ１８に入力される。出力Ｏｕｔ１はさらに反転されてＡＮＤ回路１６に入力される。ＡＮＤ回路１５には周期２Ｔのパルス信号Ａが、ＡＮＤ回路１６には周期Ｔのパルス信号Ｂが図示しないパルス信号発生回路から入力される。ＡＮＤ回路１５，１６の出力は、ＯＲ回路１７を介してシフトレジスタ１８のクロック端子に入力され、反転回路１４の出力Ｏｕｔ１がデータ端子に供給される。出力Ｏｕｔ１が高レベルになると周期２Ｔにてシフトレジスタ１８に取り込まれ、周期Ｔにて取り込む場合の半分に圧縮されるので、シフトレジスタ１８の出力の立ち上がり点が中央点となるので、この中央点から位相を求める。【選択図】        図１
2004184300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流信号が入力される電気回路とこの電気回路から絶縁された信号発信回路とを有し上記交流信号に基づいて矩形波信号を上記信号発信回路から発信するフォトカプラ、及び上記矩形波信号の中央点を検出する中央点検出手段とこの中央点に基づき上記交流信号の位相を求める位相検出手段とを有する位相検出装置を備えた交流信号位相検出装置。
【請求項２】
上記中央点検出手段は、上記矩形波信号が高と低とのうちの一方のレベルのとき所定の周期にて上記矩形波信号をサンプリングするとともに上記矩形波信号が高と低とのうちの他方のレベルのとき上記所定の周期の２倍の周期にて上記矩形波信号をサンプリングしてサンプリング信号として出力するサンプリング手段を有し、上記サンプリング信号に基づき上記矩形波信号の中央点を求めるものであることを特徴とする請求項１に記載の交流信号位相検出装置。
【請求項３】
上記中央点検出手段は、上記矩形波信号が高と低とのうちの一方のレベルのとき所定の周期にて上記矩形波信号をサンプリングしてデータとして取り込むとともに上記矩形波信号が高と低とのうちの他方のレベルのとき上記所定の周期の２倍の周期にて上記矩形波信号をサンプリングして取り込んで出力信号として出力するシフトレジスタと、上記シフトレジスタの上記出力信号のレベルの変化を検出して上記矩形波信号の中央点を求める立ち上がり検出手段とを有するものであることを特徴とする請求項２に記載の交流信号位相検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電圧などの交流信号の位相を検出する交流信号位相検出装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の交流信号位相検出装置としての交流電圧位相検出装置においては、次のようにして交流電圧の位相を検出していた。すなわち、測定すべき対象の交流電圧回路を変圧器により絶縁し、かつ変圧器にて変圧された交流電圧から高周波成分を除去するローパスフィルタを設け、このローパスフィルタを通した交流電圧波形のゼロクロスポイントをコンパレータにて検出していた。
【０００３】
このコンパレータによる零点検出方法について少し詳しく説明する。コンパレータには変圧器から得られる交流電圧（同期電源）Ｖ１と基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。この交流電圧Ｖ１が、基準電圧Ｖｒｅｆより高ければコンパレータから高レベル信号が出力され、それより低ければ低レベル信号が出力される。つまり、基準電圧Ｖｒｅｆを正確なゼロ電位とすると、測定対象の交流電圧Ｖ１の零点で信号が立ち上がることになり、交流電圧の零点すなわち位相を算出することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２７７５７号公報（明細書の段落番号０００３〜０００６及び図５）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の交流電圧位相検出装置は以上のように構成されているので、測定すべき交流電圧回路側とコンパレータ側との絶縁を行うための変圧器は、高い絶縁性能を得るために高価な変圧器を用いなければならない。このため、コストが高くなるという問題があった。
この発明は、上記のような問題点を解決して、安価な交流信号位相検出装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る交流信号位相検出装置は、交流信号が入力される電気回路とこの電気回路から絶縁された信号発信回路とを有し交流信号に基づいて矩形波信号を信号発信回路から発信するフォトカプラ、及び矩形波信号の中央点を検出する中央点検出手段とこの中央点に基づき交流信号の位相を求める位相検出手段とを有する位相検出装置を備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１〜図３は、この発明の実施の一形態を示すものであり、図１は交流電圧位相検出装置の回路図、図２はフォトカプラの動作概念図、図３は交流電圧位相検出装置の中央点検出のアルゴリズムを説明するための説明図である。この実施の形態は、上述の従来のように高コスト化を招く変圧器を使用しないで、安価なフォトカプラを用いることにより測定対象となる交流電圧の回路との絶縁を行うとともに、フォトカプラのスイッチング作用を利用して交流電圧のパルス信号化を図り、測定対象である交流電圧の零点の位相を検出しようとするものである。
【０００８】
しかし、フォトカプラは温度により動作閾値が変化する。また、交流電圧の入力レベルが変動する。このため、交流信号をパルス信号化したものの立ち上がりや立ち下がりのタイミングから位相を検出しようとしても、正確な交流電圧の位相を検出することができない。図２において、図２（ａ）は交流電圧Ｖ１の波形、図２（ｂ）はフォトカプラの入力電流Ｃｕｒの波形、図２（ｃ）はフォトカプラの出力Ｏｕｔ１の波形である。図２（ｂ）において、温度変化によりフォトカプラの動作閾値が例えばレベルＬＥからレベルＬＦに変化すると、出力Ｏｕｔ１は矩形波ＰＧから矩形波ＰＨに変化する。このため、交流信号をパルス信号化した出力波形の立ち上がりや立ち下がりのタイミングから位相を検出しようとしても、正確な検出はできない。
【０００９】
ところが、出力波形の矩形波の高レベル部の中心点に注目してみると、フォトカプラの動作閾値や交流電圧Ｖ１の入力レベルが変動しても中心点は変動しないことがわかる。そこで、この発明においては、交流信号としての交流電圧の零点を検出するのではなく、９０°点を検出することにより交流電圧の位相を求めるように構成したものである。
【００１０】
以下、図によって具体的に説明する。図１において、交流電圧の測定対象である交流電源７（電圧Ｖ１）に、閾値を決める電流制限抵抗１２（抵抗値Ｒ１）を介してフォトカプラ１０の入力側を接続する。また、逆電流バイパス用ダイオード１１をフォトカプラ１０の入力側に逆並列に接続する。フォトカプラ１０の出力トランジスタには、負荷抵抗１３（抵抗値Ｒ２）を挿入する。フォトカプラ１０の出力は反転回路１４に入力され、その信号レベルが反転されて出力Ｏｕｔ１としてＡＮＤ回路１５及びシフトレジスタ１８に入力される。また、出力Ｏｕｔ１がさらに反転されてＡＮＤ回路１６に入力される。
【００１１】
ＡＮＤ回路１５には、所定の周期Ｔの２倍の周期２Ｔのパルス信号Ａが図示しないパルス信号発生回路から入力される。ＡＮＤ回路１６には、所定の周期Ｔのパルス信号Ｂが図示しないパルス信号発生回路から入力される。ＡＮＤ回路１５及び１６の出力は、ＯＲ回路１７に入力される。反転回路１４の出力Ｏｕｔ１がシフトレジスタ１８のデータ端子に供給され、ＯＲ回路１７の出力がシフトレジスタ１８のクロック端子に供給される。交流電圧位相検出装置は、以上のように接続されている。
【００１２】
次に、動作を説明する。図２（ａ）のような交流電圧Ｖ１がフォトカプラ１０に供給されると、図２（ｂ）のように順方向の電流Ｃｕｒが流れる。この電流Ｃｕｒがフォトカプラ１０の動作閾値、例えばレベルＬＥを超えるとフォトカプラ１０の出力トランジスタがオンとなる。すると、反転回路１４の入力は低レベルとなるため出力Ｏｕｔ１は高レベルとなる。反対に、順方向電流ＣｕｒがレベルＬＥ以下ではフォトカプラ１０の出力トランジスタがオフ状態になり、反転回路１４の入力は高レベルとなるため出力Ｏｕｔ１は低レベルとなる。
【００１３】
これにより、反転回路１４からは、高レベルと低レベルの間を変化する図２（ｃ）に示すような矩形波ＰＧが出力Ｏｕｔ１として出力される。このとき、温度等によりフォトカプラ１０の動作閾値が例えばレベルＬＦのように低下すると、出力Ｏｕｔ１は、図２（ｃ）の矩形波ＰＨのように変化し、出力が高レベルになる立ち上がり点が変化する。
【００１４】
次に、この矩形波の出力Ｏｕｔ１の高レベルの中央点を検出する方法について説明する。矩形波の高レベルの中央点は、シフトレジスタ１８に出力Ｏｕｔ１を入力する際に、出力Ｏｕｔ１が高レベルのときのサンプリング周期ｓｈを低レベルのときのサンプリング周期ｓｊに対して２倍にすることにより実現できる。すなわち、サンプリング周期ｓｈを所定の周期Ｔの２倍の周期２Ｔとし、サンプリング周期ｓｊを所定の周期Ｔにする。なお、この周期Ｔについては、測定対象の交流電圧の周波数や測定すべき精度などを考慮して決める。
【００１５】
ここで、シフトレジスタ１０に入力するサンプリング周期を出力Ｏｕｔ１の高低レベルに応じて周期ｓｈ（＝２Ｔ）と周期ｓｊ（＝Ｔ）とに切り換える切換方法について説明し、その後、それにより得られた出力Ｏｕｔ２において低レベルから高レベルに切り換わる信号の立ち上がり点が中央点になることを説明する。図１に示したように、フォトカプラ１０の出力を反転回路１４にて反転して得られた矩形波の出力Ｏｕｔ１を、ＡＮＤ回路１５，１６及びシフトレジスタ１８のデータ端子に入力する。
【００１６】
ＡＮＤ回路１５には周期２Ｔのパルス信号Ａが入力され、フォトカプラ１０の出力が低レベルすなわち反転回路１４の出力Ｏｕｔ１が高レベルであれば、ＡＮＤ回路１５から周期２Ｔのパルス信号ＡがＯＲ回路１７に出力される。フォトカプラ１０の出力が高レベルすなわち反転回路１４の出力Ｏｕｔ１が低レベルであればＡＮＤ回路１５からパルス信号は出力されない。
【００１７】
ＡＮＤ回路１６には周期Ｔのパルス信号Ｂが入力され、フォトカプラ１０の出力が高レベルすなわち出力Ｏｕｔ１が低レベルであれば反転回路１４の出力Ｏｕｔ１が反転されて入力されるのでＡＮＤ回路１６から周期Ｔのパルス信号ＢがＯＲ回路１７に出力される。フォトカプラ１０の出力が低レベルすなわち反転回路１４の出力Ｏｕｔ１が高レベルであればＡＮＤ回路１６からパルス信号は出力されない。
【００１８】
ＯＲ回路１７は、ＡＮＤ回路１５及び１６からのパルス信号Ａ，Ｂをシフトレジスタ１８のクロック端子に出力する。これにより、出力Ｏｕｔ１の矩形波が高レベルのときはサンプリング周期２Ｔのパルス信号がシフトレジスタ１８のクロック端子に入力され、低レベルのときはサンプリング周期Ｔのパルス信号がシフトレジスタのクロック端子に入力されることとなる。
【００１９】
次に、シフトレジスタ１８からの出力Ｏｕｔ２における高レベルの立ち上がり点が出力Ｏｕｔ１の矩形波形の高レベルの中央点になる理由について、図３によって説明する。図３（ａ）に示すように、シフトレジスタ１８のクロック端子に入力されるパルス信号として、パターン１とパターン２との２種類を考える。
【００２０】
なお、出力Ｏｕｔ１が高レベルのときも低レベルのときも共に同じサンプリング周期Ｔにて出力Ｏｕｔ１をサンプリングしたサンプリング信号をシフトレジスタ１８に入力した場合をパターン１とする。そして、出力Ｏｕｔ１が高レベルときのサンプリング周期を２Ｔ、低レベルのときのサンプリング周期をＴとして出力Ｏｕｔ１をサンプリングしたサンプリング信号をシフトレジスタ１８に入力した場合をパターン２とする。また、シフトレジスタ１８のデータ端子には図３（ａ）のような反転回路１４からの矩形波の出力Ｏｕｔ１が入力されるとする。
【００２１】
パターン１では、シフトレジスタ１８に入力される出力Ｏｕｔ１が図３（ａ）のように低−高−低レベルと矩形波状に変化するとき、シフトレジスタ１８にはＯＲ回路１７を介してＡＮＤ回路１６から入力される（図１参照）周期Ｔのパルス信号Ｂに同期して当該出力Ｏｕｔ１の低あるいは高レベルのデータが取り込まれる。
【００２２】
そして、そのデータは図３（ａ）に示すようにデータＡ（○），Ｂ（○），Ｃ（○），Ｄ（○），Ｅ（●），Ｆ（●），Ｇ（●），Ｈ（●），Ｉ（○），Ｊ（○），Ｋ（○），Ｌ（○），・・・となる。なお、図３において、白丸（○）は低レベル（「０」）、黒丸（●）は高レベル（「１」）のデータを示す。そして、このデータが、シフトレジスタ１８から出力Ｏｕｔ２として図（ｂ）のように順次出力される。従って、出力Ｏｕｔ１の高レベル域での時間の圧縮は行われず、そのまま出力される。
【００２３】
パターン２では、シフトレジスタ１８に入力される出力Ｏｕｔ１が図３（ａ）のように低−高−低レベルと矩形波状に変化するとき、出力Ｏｕｔ１が低レベルのときはＯＲ回路１７を介してＡＮＤ回路１６から入力される周期Ｔのパルス信号Ｂに同期して当該出力Ｏｕｔ１の低レベルのデータがシフトレジスタ１８に取り込まれる。出力Ｏｕｔ１が高レベルのときは、ＯＲ回路１７を介してＡＮＤ回路１５から入力される（図１参照）周期２Ｔのパルス信号Ａに同期して当該出力Ｏｕｔ１の高レベルのデータがシフトレジスタ１８に取り込まれる。
【００２４】
このようにして取り込まれたデータは、図３（ｃ）に示すようにデータＡ（○），Ｂ（○），Ｃ（○），Ｄ（○），Ｅ（●），Ｇ（●），Ｉ（○），Ｊ（○），Ｋ（○），Ｌ（○），・・・となり、シフトレジスタ１８から出力Ｏｕｔ２として順次出力される。この場合、出力Ｏｕｔ１の高レベルの時間が元の｛Ｅ（●），Ｆ（●），Ｇ（●），Ｈ（●）｝から｛Ｅ（●），Ｇ（●）｝に半分に圧縮されている。
【００２５】
この実施の形態ではパターン２の処理を行うので、高レベルの時間がシフトレジスタ１８により半分に圧縮されて出力されることになり、シフトレジスタ１８から高レベルのデータＥ（●）が出力された時点、すなわちシフトレジスタ１８の出力Ｏｕｔ２の立ち上がり点が高レベルの中央点となる。従って、図示しないが電圧検出手段にてこの立ち上がり点を検出することにより、出力Ｏｕｔ１の高レベルの中央点を検出することができ、この中央点に基づき測定対象である交流電源７の交流電圧Ｖ１の位相を求めることができる。なお、出力Ｏｕｔ２の波形は出力Ｏｕｔ１の波形に対して所定の時間遅れがあるので、周期Ｔとシフトレジスタ１８の段数に基づいて補正する。
【００２６】
以上のように、この実施の形態によれば、価格が高い変圧器が用いないで、フォトカプラ１０を用いて測定すべき交流電圧の回路と出力信号回路とを絶縁するとともに、シフトレジスタ１８にて出力Ｏｕｔ１の高レベルの時間を半分に圧縮して、シフトレジスタ１８の出力信号の立ち上がり点を検出して、測定すべき交流電圧の位相を求めるようにした。これにより、交流電圧位相検出装置を安価にすることができる。
【００２７】
なお、被測定対象は、交流電源の交流電圧信号の位相検出に限らず、電圧信号に変換され交流電流や、交流の電圧信号に変換された例えば構造物の振動などの物理量の変化などの交流信号の位相検出に用いることができる。
【００２８】
【発明の効果】
この発明に係る交流信号位相検出装置は、以上説明したように、交流信号が入力される電気回路とこの電気回路から絶縁された信号発信回路とを有し上記交流信号に基づいて矩形波信号を信号発信回路から発信するフォトカプラ、及び矩形波信号の中央点を検出する中央点検出手段とこの中央点に基づき交流信号の位相を求める位相検出手段とを有する位相検出装置を備えたので、交流信号が入力される電気回路と信号発信回路とを絶縁するために変圧器を用いることなく、交流信号の位相を求めることができ、交流信号位相検出装置を安価にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態を示す交流電圧位相検出装置の回路図である。
【図２】図１のフォトカプラの動作概念図である。
【図３】図１の交流電圧位相検出装置の中央点検出のアルゴリズムを説明するための説明図である。
【符号の説明】
７  交流電源、１０  フォトカプラ、１１  逆電流バイパス用ダイオード、
１２  電流制限抵抗、１３  負荷抵抗、１４  反転回路、
１５，１６  ＡＮＤ回路、１７  ＯＲ回路、１８  シフトレジスタ。
【図１】
2004184300.tif 000003
【図２】
2004184300.tif 000004
【図３】
2004184300.tif 000005