(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アナログセンサからのアナログ値の入力が可能な入力端子と、
前記アナログセンサの選択又は非選択を可能とするスイッチと、
選択された前記アナログセンサからのアナログ値をディジタル値へ変換するＡＤコンバータと、
前記ＡＤコンバータによって参照される基準電圧を生成する基準抵抗と、
前記基準抵抗に並列に接続される基準電圧安定化回路と、
を備えたことを特徴とするアナログ入力ユニット。
【請求項２】
前記基準電圧安定化回路は、抵抗及びオペアンプによって電流正帰還の機能が付与されていることを特徴とする請求項１に記載のアナログ入力ユニット。
【請求項３】
前記基準電圧安定化回路は、前記ＡＤコンバータの内部に実装されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアナログ入力ユニット。
【請求項４】
前記基準電圧安定化回路は、前記アナログ入力ユニットの外部又は内部に後付け可能に構成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のアナログ入力ユニット。
【請求項５】
アナログセンサからのアナログ値の入力が可能な入力端子と、前記アナログセンサの選択又は非選択を可能とするスイッチと、選択された前記アナログセンサからのアナログ値をディジタル値へ変換するＡＤコンバータと、前記アナログ値をディジタル値へ変換する際に参照される基準電圧を生成する基準抵抗と、を備えたアナログ入力ユニットに適用される基準電圧安定化回路であって、
抵抗及びオペアンプを有し、前記基準抵抗に並列に接続され、前記アナログ入力ユニットの内部にリーク電流が流れるときに、前記リーク電流を補償するための補償電流を前記基準抵抗に流すように動作する
ことを特徴とする基準電圧安定化回路。
【請求項６】
前記抵抗は、第１の抵抗、第２の抵抗及び第３の抵抗を含み、
前記オペアンプの出力端と前記オペアンプの入力側における正極側の端子との間に前記第１の抵抗が接続され、前記オペアンプの入力側における負極側の端子と前記基準電圧安定化回路における負極側の端子との間に第２の抵抗が接続され、前記オペアンプの出力端と前記オペアンプの入力側における負極側の端子との間に第３の抵抗が接続されている
ことを特徴とする請求項５に記載の基準電圧安定化回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測温抵抗体との接続、電流出力センサとの接続、及び電圧出力センサとの接続をスイッチにより選択可能に構成されるアナログ入力ユニット、並びに、当該アナログ入力ユニットに適用可能に構成される基準電圧安定化回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
アナログ入力ユニットの入力端子に接続されるセンサには、温度を検出する測温抵抗体、圧力及び流量といった物理量を検出する電流出力センサ、又は電圧出力センサがある。従来、これらのセンサを接続できるように構成し、センサの入力仕様に応じた入力処理を実行する回路を内蔵することにより、各種センサを入力端子に選択的に接続可能としたアナログ入力ユニットがある（例えば、下記特許文献１）。【０００３】
また、実際のアナログディジタル（Analog to Digital：以下「ＡＤ」と表記）変換による変換値と変動分のないＡＤ変換値とを比較し、演算処理をすることにより変動分を算出し、定電流値を補正するものもある（例えば、下記特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３０４２０３号公報
【特許文献２】特開２０１３−１９７３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１，２に代表される従来のアナログ入力ユニットでは、接続されたセンサに応じて内部のスイッチを切り替えて入力を選択する際に、スイッチを通して選択されていない回路にリーク電流が流れてしまう。このリーク電流によって、本来流れるべき回路に必要な電流が供給されないという問題がある。【０００６】
また、３線式測温抵抗体を接続した場合には、基準電圧を生成する必要がある。基準電圧は、基準抵抗に電流を流すことで生成する。しかしながら、リーク電流により本来流れるべき電流が小さくなる。電流が小さくなると、基準電圧が変動する。基準電圧が変動することにより、ＡＤ変換に必要な分解能及び精度が低下してしまう。以上の観点により、基準電圧を生成する必要があるセンサをアナログ入力ユニットに接続する場合には、基準電圧を高精度に一定に保つ仕組みが必要とされる。【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、基準電圧を生成する必要があるアナログ入力ユニットにセンサを接続する場合であっても、センサ入力の切替時に生じ得るリーク電流に起因する基準電圧の変動を低減できる基準電圧安定化回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係るアナログ入力ユニットは、アナログセンサからのアナログ値の入力が可能な入力端子、アナログセンサの選択又は非選択を可能とするスイッチ、選択されたアナログセンサからのアナログ値をディジタル値へ変換するＡＤコンバータ、ＡＤコンバータによって参照される基準電圧を生成する基準抵抗、並びに、基準抵抗に並列に接続される基準電圧安定化回路を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、基準電圧を生成する必要があるアナログ入力ユニットにセンサを接続する場合であっても、センサ入力の切替時に生じ得るリーク電流に起因する基準電圧の変動を低減できる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態に係るアナログ入力ユニットにおける入力処理部の構成を示す図
【図２】図１に示すアナログ入力ユニットに電圧出力センサが接続された状態を示す図
【図３】図１に示すアナログ入力ユニットに電流出力センサが接続された状態を示す図
【図４】図１に示すアナログ入力ユニットに３線式測温抵抗体が接続された状態を示す図
【図５】図１から図４に示した基準電圧安定化回路の内部構成を示す回路図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態に係るアナログ入力ユニット及び基準電圧安定化回路を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態．
図１は、実施の形態に係るアナログ入力ユニットにおける入力処理部の構成を示す図である。図１において、実施の形態に係るアナログ入力ユニット１は、３線式測温抵抗体、電圧出力センサ及び電流出力センサのうちの少なくとも１つに用いる入力端子２，３，４，５を備える。より詳細に説明すると、入力端子２，３は３線式測温抵抗体の電圧入力用端子である。入力端子４は、３線式測温抵抗体の電流入力用端子であるのと共に、電圧出力センサの電圧入力用端子、及び電流出力センサの電流入力用端子としても用いられる。入力端子５は、電圧出力センサの電圧入力用端子、及び電流出力センサの電流入力用端子である。なお、ここで挙げた３線式測温抵抗体、電圧出力センサ及び電流出力センサは、アナログ値を出力するアナログセンサの例示である。また、入力端子２，３，４，５は一例であり、電圧値又は電流値のうちの少なくとも一つが入力可能な端子であれば、どのような端子であってもよい。
【００１３】
また、アナログ入力ユニット１は、入力されたアナログ値をディジタル値へ変換するＡＤコンバータ６と、ＡＤコンバータ６によって参照される基準電圧を生成する基準抵抗７と、アナログセンサの選択又は非選択を可能とするスイッチ８，９と、を更に備える。より詳細に説明すると、スイッチ８は、３線式測温抵抗体から供給される電流、電圧出力センサからの印加電圧、又は電流出力センサからの供給電流の入力を選択する。また、スイッチ９は、電圧出力センサからの印加電圧、又は電流出力センサからの供給電流の入力を選択する。
【００１４】
また、アナログ入力ユニット１は、基準抵抗７で生成された基準電圧の変動を抑制する基準電圧安定化回路１０と、電流電圧変換用抵抗１１と、を更に備える。ここで、図１にも示すように、基準抵抗７の抵抗値をＲｒｅｆとし、電流電圧変換用抵抗１１の抵抗値をＲとする。
【００１５】
図２は、図１に示すアナログ入力ユニット１に電圧出力センサ１２が接続された状態を示す図である。図２に示すように、電圧出力センサ１２は、入力端子４と入力端子５との間に接続されている。電圧出力センサ１２が入力端子４，５間に接続されると、スイッチ８は、アナログ入力ユニット１の内部のソフトウェアによってオフに制御される。また、スイッチ９は、アナログ入力ユニット１の内部のソフトウェアによって、入力端子４から印加される電圧がＡＤコンバータ６へ直接入力できる側へ切り替えられる。これにより、入力端子４から印加された電圧は、スイッチ９を経由してＡＤコンバータ６に入力され、ＡＤコンバータ６では、入力端子４と入力端子５との間の電位差が測定される。
【００１６】
図３は、図１に示すアナログ入力ユニット１に電流出力センサ１３が接続された状態を示す図である。電流出力センサ１３は、入力端子４と入力端子５との間に接続されている。電流出力センサ１３が入力端子４，５間に接続されると、スイッチ８は、アナログ入力ユニット１の内部のソフトウェアによってオフに制御される。また、スイッチ９は、アナログ入力ユニット１の内部のソフトウェアによって、入力端子４から供給される電流が電流電圧変換用抵抗１１に流れる側へ切り替えられる。このとき、電流電圧変換用抵抗１１によって、電流が電圧へ変換される。すなわち、入力端子４から供給された電流は、スイッチ９を経由して電流電圧変換用抵抗１１に流れ、電流電圧変換用抵抗１１において電流値が電圧値に変換される。そして、電流電圧変換用抵抗１１の両端に生じた電圧がＡＤコンバータ６によって測定され、ＡＤコンバータ６によって入力端子４から供給された電流の電流値が算出される。
【００１７】
図４は、図１に示すアナログ入力ユニット１に３線式測温抵抗体１４が接続された状態を示す図である。３線式測温抵抗体１４は、入力端子２，３，４に接続されている。３線式測温抵抗体１４が入力端子２，３，４に接続されると、スイッチ８は、アナログ入力ユニット１の内部のソフトウェアによってオンに制御される。また、スイッチ９は、アナログ入力ユニット１の内部のソフトウェアによってオフに制御される。
【００１８】
３線式測温抵抗体１４が入力端子２，３，４に接続されるとき、入力端子２，３は、電圧入力用の端子であると共に、電流入力用の端子としても動作する。具体的には、図４に示されるように、ＡＤコンバータ６から３線式測温抵抗体１４に向けて定電流Ｉが供給される。これにより、入力端子２，３から３線式測温抵抗体１４に向かう電流２Ｉは入力端子４及びスイッチ８を経由して、基準抵抗７に流れ込み、基準電圧Ｒｒｅｆ・２Ｉを生成する。ここで、電流２Ｉのうちの一部がリーク電流Ｉｌｅａｋとしてスイッチ９へ流れる。このため、基準抵抗７に流れ込む電流２Ｉは、リーク電流Ｉｌｅａｋの分、電流が小さくなる。その結果、基準電圧は、Ｒｒｅｆ・Ｉｌｅａｋだけ低下する。
【００１９】
基準電圧安定化回路１０は、基準抵抗７に並列に接続されている。この接続により、基準電圧安定化回路１０は、基準電圧の低下を検知することができる。基準電圧安定化回路１０は、基準抵抗７の電圧から、低下した電圧成分であるＲｒｅｆ・Ｉｌｅａｋを検知し、検知した電圧からリーク電流Ｉｌｅａｋと同じ補償電流Ｉｃｏｍｐを生成し、生成した補償電流Ｉｃｏｍｐを基準抵抗７に戻すことで、電流２Ｉのうちの減少分であるリーク電流Ｉｌｅａｋを相殺する。
【００２０】
図５は、図１から図４に示した基準電圧安定化回路１０の内部構成を示す回路図である。図示のように、オペアンプ１５の出力端とオペアンプ１５の入力側における正極側（＋側）の端子との間に第１の抵抗である抵抗１６が接続され、オペアンプ１５の入力側における負極側（−側）の端子と基準電圧安定化回路１０における負極側負極側（−側）の端子との間に第２の抵抗である抵抗１７が接続され、オペアンプ１５の出力端とオペアンプ１５の入力側における負極側（−側）の端子との間に第３の抵抗である抵抗１８が接続されている。また、基準電圧安定化回路１０の正極側（＋側）の端子は、図４に示すように基準抵抗７が接続されているＡＤコンバータ６の基準電圧入力端子２０に接続されている。
【００２１】
ここで、基準抵抗７の電圧をＶｒｅｆとする。このとき、補償電流Ｉｃｏｍｐの極性を図示の向きにとり、また、抵抗１７の抵抗値Ｒ２と、抵抗１８の抵抗値Ｒ３とを同じ値に設定すると、以下の関係式が得られる。
【００２２】
Ｖｒｅｆ＝−Ｒ１・Ｉｃｏｍｐ  …（１）
但し、Ｒ１は抵抗１６の抵抗値
【００２３】
上記（１）式の右辺には、−の符号が付されており、基準電圧Ｖｒｅｆが増加すれば補償電流Ｉｃｏｍｐが基準電圧安定化回路１０の内部に引き込まれ、基準電圧Ｖｒｅｆが低下すれば補償電流Ｉｃｏｍｐが基準電圧安定化回路１０から流れ出すことを意味する。よって、リーク電流Ｉｌｅａｋが生じると基準電圧Ｖｒｅｆが低下しようとするが、この低下を検知した基準電圧安定化回路１０が、補償電流Ｉｃｏｍｐを生成して基準抵抗７に正帰還させる。これにより、リーク電流Ｉｌｅａｋが相殺され、基準電圧Ｖｒｅｆの低下が抑制される。
【００２４】
以上の説明のように、基準電圧安定化回路１０は、抵抗及びオペアンプによって、電流正帰還の機能が付与される。本機能を有する基準電圧安定化回路１０を設けることにより、基準抵抗７に流れる電流を一定にでき、基準電圧Ｖｒｅｆを精度よく維持することが可能となる。
【００２５】
なお、上記の説明では、抵抗１７の抵抗値Ｒ２と、抵抗１８の抵抗値Ｒ３とを同じ値に設定すると説明したが、抵抗値Ｒ２と抵抗値Ｒ３とが必ずしも同じ値をとらなくてもよい。具体的には、以下の関係が満たされる数値であってもよい。
【００２６】
０．９５・Ｒ２≦Ｒ３≦Ｒ２  …（２）
【００２７】
すなわち、抵抗値Ｒ２と抵抗値Ｒ３とが、上記（２）式が満たされる場合に、抵抗値Ｒ２と抵抗値Ｒ３とが同値であると見なしてもよい。
【００２８】
また、上記（１）式は、抵抗１６の抵抗値Ｒ１を選択することで基準電圧Ｖｒｅｆの誤差の低減が可能となることを意味している。すなわち、本実施の形態の手法を用いれば、基準抵抗７の抵抗値Ｒｒｅｆに関わらず、基準電圧Ｖｒｅｆの誤差の低減が可能となる。
【００２９】
なお、基準抵抗７に相当する素子に並列に接続できる端子をアナログ入力ユニット１が備えている場合、基準電圧安定化回路１０は、アナログ入力ユニット１の外部端子に外付けすることも可能である。この構成によれば、必要とされるときに基準電圧安定化回路１０を後付けで取り付ければよく、基準電圧安定化回路１０を内蔵する必要がないので、アナログ入力ユニット１のコスト増を抑制することが可能となる。
【００３０】
また、図１〜図４の構成では、基準電圧安定化回路１０をＡＤコンバータ６の外部に接続しているが、ＡＤコンバータ６の内部に内蔵してもよい。ＡＤコンバータ６がＩＣ化される場合には、ＡＤコンバータ６と共にＩＣ化することで、アナログ入力ユニット１の小型化が可能となる。
【００３１】
また、上記では、３線式測温抵抗体を使用した場合を一例として説明したが、２線式測温抵抗体又は４線式測温抵抗体にも適用可能である。
【００３２】
また、上記では、基準抵抗に電流を流すことで基準電圧を生成する回路構成への適用について説明したが、電流により基準電圧を生成する回路構成への適用も可能であり、基準電圧を精度よく保持できる効果を得ることができる。
【００３３】
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１  アナログ入力ユニット、２，３，４，５  入力端子、６  ＡＤコンバータ、７  基準抵抗、８，９  スイッチ、１０  基準電圧安定化回路、１１  電流電圧変換用抵抗、１２  電圧出力センサ、１３  電流出力センサ、１４  ３線式測温抵抗体、１５  オペアンプ、１６，１７，１８  抵抗、２０  基準電圧入力端子。
【要約】
アナログ入力ユニット（１）は、アナログセンサからのアナログ値の入力が可能な入力端子（２，３，４，５）と、アナログセンサの選択又は非選択を可能とするスイッチ（８，９）と、選択されたアナログセンサからのアナログ値をディジタル値へ変換するＡＤコンバータ（６）と、ＡＤコンバータ（６）によって参照される基準電圧を生成する基準抵抗（７）と、基準抵抗（７）に並列に接続される基準電圧安定化回路（１０）と、を備える。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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