(57)【要約】【課題】簡単な回路構成で、直流の入力端子対接地印加電圧を規定できるデジタル信号絶縁伝送装置とそれを用いた絶縁入力形測定装置を提供すること。【解決手段】送信デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、このＤ／Ａ変換器で変換されたアナログ信号を絶縁伝送する第１の絶縁トランスと、前記Ｄ／Ａ変換器の制御信号を絶縁伝送する第２の絶縁トランスと、第１の絶縁トランスで絶縁伝送されたアナログ信号を第２の絶縁トランスで絶縁伝送された制御信号に基づきデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、とを含むことを特徴とするデジタル信号絶縁伝送装置とそれを用いた絶縁入力形測定装置。【選択図】        図１
2005018550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、
このＤ／Ａ変換器で変換されたアナログ信号を絶縁伝送する第１の絶縁トランスと、
前記Ｄ／Ａ変換器の制御信号を絶縁伝送する第２の絶縁トランスと、
第１の絶縁トランスで絶縁伝送されたアナログ信号を第２の絶縁トランスで絶縁伝送された制御信号に基づきデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、
とを含むことを特徴とするデジタル信号絶縁伝送装置
【請求項２】
各絶縁トランスにアナログ信号をスイッチを介して接続し、これらスイッチを発振信号でオンオフ駆動することで、二次側にアナログ信号を伝送させることを特徴とする請求項１記載のデジタル信号絶縁伝送装置。
【請求項３】
商用電源により接地電位で駆動される制御部と、この制御部および外部装置と電気的に絶縁フローティングされた測定部を含む絶縁入力形測定装置であって、
前記制御部と測定部とを請求項１または請求項２記載のデジタル信号絶縁伝送装置を介して絶縁結合したことを特徴とする絶縁入力形測定装置。
【請求項４】
前記制御部は絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記測定部に電源を供給することを特徴とする請求項３記載の絶縁入力形測定装置。
【請求項５】
前記デジタル信号絶縁伝送装置の各絶縁トランスの１次側巻線の両端に接続されたスイッチを駆動する発振回路を前記測定部に設けたことを特徴とする請求項３または請求項４記載の絶縁入力形測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタル信号絶縁伝送装置とそれを用いた絶縁入力形測定装置に関し、詳しくは、電気的に絶縁された回路におけるデジタル信号の伝送に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
さまざまな電位を有する測定対象に対して外部の信号発生装置から信号を供給したり、測定対象が発生する信号を外部の測定装置で測定するためには、外部の信号発生装置の出力回路や測定装置の入力回路は、測定対象以外の接続を絶縁回路によって電気的に絶縁させるフローティング構成にしなければならない。
【０００３】
例えば、電池駆動されるハンドヘルドの電圧計などのように測定端子以外に測定対象との間に外部接続がない場合には絶縁回路は不要になる。しかし、電圧計が商用電源で駆動される場合や、パソコンなどの外部機器などの接続がある場合は、電圧計の入力が絶縁されていなければ、測定対象の電位に影響をうけてしまう。よって、この場合、電圧計の入力回路は絶縁回路によって絶縁する必要がある。
【０００４】
図４は、従来のデジタル信号絶縁伝送装置の一例を示す構成説明図である。図４において、送信側と受信側は、フォトカプラＰＣ１〜ＰＣ３により電気的に絶縁されている。
【０００５】
送信側において、送信すべきデジタル信号ＤＩ０〜ＤＩｎは、パラレル−シリアル変換回路ＰＳでシリアルデータＤＡＴＡ１に変換されてフォトカプラＰＣ１に入力されている。パラレル−シリアル変換回路ＰＳを駆動するクロックＣＬＫはＳＣＬＫ１としてフォトカプラＰＣ２に入力され、パラレル−シリアル変換回路ＰＳを駆動するラッチクロックＬＡＴＣＨＣＬＫはＬＣＬＫ１としてフォトカプラＰＣ３に入力されている。
【０００６】
受信側において、フォトカプラＰＣ２の出力はクロックＳＣＬＫ２としてシリアル−パラレル変換回路ＳＰに入力され、フォトカプラＰＣ３の出力はラッチクロックＬＣＬＫ２としてシリアル−パラレル変換回路ＳＰに入力されている。フォトカプラＰＣ１から出力されるシリアルデータＤＡＴＡ２はシリアル−パラレル変換回路ＳＰに入力されて、ＬＣＬＫ２とＳＣＬＫ２によって、受信デジタル信号ＤＯ０〜ＤＯｎに変換される。
【０００７】
図５は図４の動作を説明するタイミングチャートである。送信側において、パラレル−シリアル変換回路ＰＳは、ラッチクロックＬＣＬＫ１がＨレベルの状態においてクロックＳＣＬＫ１の立ち上がりタイミングでデジタル信号ＤＩ０〜ＤＩｎを逐次取り込み、シリアルデータ列ＤＡＴＡ１に変換する。
【０００８】
一方、受信側において、シリアル−パラレル変換回路ＳＰは、フォトカプラＰＣ１から出力されるシリアルデータＤＡＴＡ２をラッチクロックＬＣＬＫ２がＬレベルの状態におけるクロックＳＣＬＫ２の立ち上がりタイミングで逐次取り込み、受信デジタル信号ＤＯ０〜ＤＯｎとして変換出力する。
【０００９】
図６は図４に示したデジタル信号絶縁伝送装置を用いた絶縁入力形測定装置の一例を示す構成説明図である。図６において、測定装置は、大きく分けて、外部と電気的に絶縁されている測定部１００と、接地電位で動作している制御部２００と、これら測定部１００と制御部２００との間でデジタル信号絶縁伝送を行うデジタル信号絶縁伝送装置３１０・３２０とで構成されている。
【００１０】
測定部１００において、Ｈｉ側端子１１０に入力されるアナログ測定信号はアンプ１２０を介して測定用Ａ／Ｄ変換器１３０に加えられ、測定データＤ０〜Ｄｎに変換される。Ｌｏ側端子１４０は測定部１００の共通電位点に接続されている。測定用Ａ／Ｄ変換器１３０の出力データＤ０〜Ｄｎは、クロックＣＬＫ、ラッチクロックＬＡＴＣＨＣＬＫとともにデジタル信号絶縁伝送装置３１０を介して測定制御部２３０に絶縁伝送される。測定部１００の電源は、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２２０の整流平滑回路２２４から各部に供給される。測定部１００の制御信号は、測定制御部２３０からデジタル信号絶縁伝送装置３２０を介して各部に供給される。
【００１１】
制御部２００において、主電源回路２１０は、商用電源を絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２２０のスイッチング回路２２１および制御部２００の各部に供給する。絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２２０のスイッチング回路２２１の出力は絶縁トランス２２２・２２３を介して整流平滑回路２２４に絶縁伝送される。
【００１２】
測定制御部２３０はＣＰＵを含むものであり、接地電位で動作するように構成されている。測定制御部２３０はデジタル信号絶縁伝送装置３１０・３２０を介して測定部１００との間でデジタル信号絶縁伝送を行い、測定部１００の測定制御、測定部１００の測定データに対する演算処理、測定部１００の測定結果表示などを行う。測定制御部２３０から測定部１００に向けて、制御データＳ０〜Ｓｎ、クロックＣＬＫ、ラッチクロックＬＡＴＣＨＣＬＫなどが出力される。
【００１３】
【特許文献１】
特開平７−５８６３８
【００１４】
特許文献１には、アナログ信号処理部とデジタル信号処理部とをフォトカプラで直流的に絶縁した状態で結合したＡ／Ｄ変換装置の発明が開示されている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこのようなデジタル信号絶縁伝送装置で用いられているほとんどのフォトカプラは、直流での入出力間許容電圧が規定されていない。これは、長時間の高電界印加により引き起こされる発光素子と受光素子の間の絶縁物の劣化を、仕様として規定することが困難なためと思われる。
【００１６】
そのため、フォトカプラを使用した図６のような絶縁入力形測定装置を設計する際、入力端子対接地間電圧の仕様を直流電圧で規定することが難しくなっている。
【００１７】
本発明は、このような問題点を解決するものであり、簡単な回路構成で、直流の入力端子対接地印加電圧を規定できるデジタル信号絶縁伝送装置とそれを用いた絶縁入力形測定装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する請求項１の発明は、
送信デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、
このＤ／Ａ変換器で変換されたアナログ信号を絶縁伝送する第１の絶縁トランスと、
前記Ｄ／Ａ変換器の制御信号を絶縁伝送する第２の絶縁トランスと、
第１の絶縁トランスで絶縁伝送されたアナログ信号を第２の絶縁トランスで絶縁伝送された制御信号に基づきデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、
とを含むことを特徴とするデジタル信号絶縁伝送装置である。
【００１９】
請求項２の発明は、
各絶縁トランスにアナログ信号をスイッチを介して接続し、これらスイッチを発振信号でオンオフ駆動することを特徴とする請求項１記載のデジタル信号絶縁伝送装置である。
【００２０】
これらにより、対接地間に直流の高電圧を印加した状態でデジタル信号を伝送できるデジタル信号絶縁伝送装置が実現できる。
【００２１】
請求項３の発明は、
商用電源により接地電位で駆動される制御部と、この制御部および外部装置と電気的に絶縁フローティングされた測定部を含む絶縁入力形測定装置であって、
前記制御部と測定部とを請求項１または請求項２記載のデジタル信号絶縁伝送装置を介して絶縁結合したことを特徴とする。
【００２２】
請求項４の発明は、請求項３記載の絶縁入力形測定装置において、
前記制御部は絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータにより前記測定部に電源を供給することを特徴とする。
【００２３】
請求項５の発明は、請求項３または請求項４記載の絶縁入力形測定装置において、
前記デジタル信号絶縁伝送装置の各絶縁トランスの１次側巻線の両端に接続されたスイッチを駆動する発振回路を前記測定部に設けたことを特徴とする。
【００２４】
これらにより、直流の入力端子対接地印加電圧を規定できるフローティング構成の絶縁入力形測定装置が実現できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態の一例を示すデジタル信号絶縁伝送装置の構成説明図、図２は図１の動作を説明するタイミングチャートである。図１に示すデジタル信号絶縁伝送装置は、２個の絶縁トランスＴ１・Ｔ２の１次側巻線と２次側巻線により、送信側ＴＸと受信側ＲＸが電気的に絶縁分離されている。
【００２６】
送信側ＴＸにおいて、Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣには送信すべきデジタル信号ＤＩ０〜ＤＩｎが入力され、出力端子は第１の絶縁トランスＴ１の１次側巻線の中点に接続されている。Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣは、制御回路ＣＴＬから加えられる電圧ラッチクロックＶＬＣＬＫのタイミングで、送信すべきデジタル信号ＤＩ０〜ＤＩｎをアナログ信号ＶＤＡ１に変換出力する。制御回路ＣＴＬは、電圧ラッチクロックＶＬＣＬＫが立ち下がった後に立ち下がる変換制御信号ＣＯＮＶ１を、第２の絶縁トランスＴ２の１次側巻線の中点に加える。各絶縁トランスＴ１・Ｔ２の１次側巻線の両端は、それぞれスイッチＳＷ１１・ＳＷ１２・ＳＷ２１・ＳＷ２２を介して接地点に接続されていて、これらスイッチＳＷ１１とＳＷ１２およびＳＷ２１とＳＷ２２は、発振回路ＯＳＣから加えられる周波数ｆの発振信号により相補的にオンオフ駆動される。
【００２７】
受信側ＲＸにおいて、第１の絶縁トランスＴ１の２次側巻線の両端間にはダイオードＤ１〜Ｄ４よりなるブリッジ整流回路と抵抗Ｒ１が接続され、ダイオードＤ１・Ｄ３のカソードと抵抗Ｒ１の一端との接続点はＡ／Ｄ変換器ＡＤＣの入力端子に接続され、ダイオードＤ２・Ｄ４のアノードと抵抗Ｒ１の他端との接続点は共通電位点に接続されている。これにより、Ａ／Ｄ変換器ＡＤＣの入力端子には、Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣから変換出力されるアナログ信号ＶＤＡ１に関連したアナログ信号Ｖｏが入力される。
【００２８】
第２の絶縁トランスＴ２の２次側巻線の両端間にはダイオードＤ５〜Ｄ８よりなるブリッジ整流回路と抵抗Ｒ２が接続され、ダイオードＤ５・Ｄ７のカソードと抵抗Ｒ２の一端との接続点はＡ／Ｄ変換器ＡＤＣの制御端子に接続され、ダイオードＤ６・Ｄ８のアノードと抵抗Ｒ２の他端との接続点は共通電位点に接続されている。これにより、Ａ／Ｄ変換器ＡＤＣの制御端子には、制御回路ＣＴＬから出力される変換制御信号ＣＯＮＶ１に関連した変換制御信号ＣＯＮＶ２が入力される。
【００２９】
このように構成されるデジタル信号絶縁伝送装置の動作を、図２を用いて段階的に説明する。
＜ステップ１＞
送信側ＴＸから受信側ＲＸに伝送するデジタル信号ＤＩ０〜ＤＩｎをＤ／Ａ変換器ＤＡＣに入力し、アナログ信号ＶＤＡ１に変換する。
【００３０】
＜ステップ２＞
変換されたアナログ信号ＶＤＡ１を、絶縁トランスＴ１の１次側巻線の中点に入力し、発振回路ＯＳＣの発振信号により、スイッチＳＷ１１・ＳＷ１２を周波数ｆで相補的にオンオフ駆動する。
【００３１】
＜ステップ３＞
絶縁トランスＴ１の２次側巻線出力は巻数比倍され、±Ｖｓの電圧が出力される。
【００３２】
＜ステップ４＞
±Ｖｓの電圧はダイオードＤ１〜Ｄ４よりなるブリッジ整流回路で整流され、Ａ／Ｄ変換器ＡＤＣに加えられる。
【００３３】
＜ステップ５＞
Ａ／Ｄ変換器ＡＤＣは、アナログ信号ＶＤＡ１と同じ方法で絶縁トランスＴ２を介して絶縁伝送される変換制御信号ＣＯＮＶ２により、Ｖｓが安定したときの整流電圧Ｖをラッチしてデジタル信号を復調し、受信デジタル信号ＤＯ０〜ＤＯｎとして出力する。
【００３４】
ここで、伝送すべきデジタル信号のビット数を、ダイオードＤ１〜Ｄ８の順方向電圧やスイッチＳＷ１１・ＳＷ１２・ＳＷ２１・ＳＷ２２による電圧降下やノイズなどの誤差要因に比べて大きな分解能になるような値に設定することにより、デジタル信号を絶縁伝送することができる。
【００３５】
そして、このように構成することにより、対接地間に直流の高電圧を印加した状態でデジタル信号を伝送できるデジタル信号絶縁伝送装置が実現できる。
【００３６】
図３は、図１のように構成されるデジタル信号絶縁伝送装置を用いた絶縁入力形測定装置の具体例を示す構成図であり、図６と共通する部分には同一符号を付けている。図３の測定装置は大きく分けて、外部と電気的に絶縁されている測定部１００と、接地電位で動作している制御部２００と、これら測定部１００と制御部２００との間でデジタル信号絶縁伝送を行う図１に示したようなデジタル信号絶縁伝送装置３３０・３４０とで構成されている。
【００３７】
測定部１００において、Ｈｉ側端子１１０に入力されるアナログ測定信号はアンプ１２０を介して測定用Ａ／Ｄ変換器１３０に加えられ、測定データＤ０〜Ｄｎに変換される。Ｌｏ側端子１４０は測定部１００の共通電位点に接続されている。測定用Ａ／Ｄ変換器１３０の出力データＤ０〜Ｄｎは、ラッチクロックＬＡＴＣＨＣＬＫとともにデジタル信号絶縁伝送装置３３０を介して制御部２００に絶縁伝送される。発振回路１５０は、デジタル信号絶縁伝送装置３３０・３４０を構成するスイッチＳＷ１１・ＳＷ１２・ＳＷ２１・ＳＷ２２を周波数ｆで相補的にオンオフ駆動する発振信号を出力する。測定部１００の電源は、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２２０の整流平滑回路２２４から各部に供給される。測定部１００の制御信号は、測定制御部２３０からデジタル信号絶縁伝送装置３４０を介して各部に供給される。
【００３８】
制御部２００において、主電源回路２１０は、商用電源を絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２２０のスイッチング回路２２１および制御部２００の各部に供給する。絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ２２０のスイッチング回路２２１の出力は絶縁トランス２２２・２２３を介して整流平滑回路２２４に絶縁伝送される。
【００３９】
測定制御部２３０はＣＰＵを含むものであり、接地電位で動作するように構成されている。測定制御部２３０はデジタル信号絶縁伝送装置３１０・３２０を介して測定部１００との間でデジタル信号絶縁伝送を行い、測定部１００の測定制御、測定部１００の測定データに対する演算処理、測定部１００の測定結果表示などを行う。測定制御部２３０から測定部１００に向けて、制御データＳ０〜Ｓｎ、スイッチ駆動制御信号ＳＷ・ＳＷ’（’は極性反転記号）、変換制御信号ＣＯＮＶ１などが出力される。
【００４０】
図３のように構成することにより、直流の入力端子対接地印加電圧を規定できるフローティング構成の絶縁入力形測定装置が実現できる。
【００４１】
なお、上記実施例では、デジタル信号絶縁伝送装置を用いて絶縁入力形測定装置を構成する例を示しているが、測定装置に限るものではなく、各種のデジタル信号の絶縁伝送にも有効である。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来のフォトカプラによる絶縁伝送構造では困難であった直流の入力端子対接地印加電圧を明確に規定できるデジタル信号絶縁伝送装置とそれを用いた絶縁入力形測定装置を提供することができ、各種のデジタル信号の絶縁伝送装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す構成説明図である。
【図２】図１の動作を説明するタイミングチャートである。
【図３】本発明の他の実施形態例を示す構成説明図である。
【図４】従来のデジタル信号絶縁伝送装置の一例を示す構成説明図である。
【図５】図４の動作を説明するタイミングチャートである。
【図６】図４に示したデジタル信号絶縁伝送装置を用いた絶縁入力形測定装置の一例を示す構成説明図である。
【符号の説明】
Ｔ１・Ｔ２  絶縁トランス
ＴＸ  送信側
ＲＸ  受信側
ＤＡＣ  Ｄ／Ａ変換器
ＡＤＣ  Ａ／Ｄ変換器
ＣＴＬ  制御回路
ＳＷ  スイッチ
ＯＳＣ  発振回路
１００  測定部（絶縁側）
２００  制御部（接地側）
２１０  主電源回路
２２０  絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ
２２１  スイッチング回路
２２２，２２３  絶縁トランス
２２４  整流平滑回路
２３０  測定制御部
３３０，３４０  デジタル信号絶縁伝送装置
【図１】
2005018550.tif 000003
【図２】
2005018550.tif 000004
【図３】
2005018550.tif 000005
【図４】
2005018550.tif 000006
【図５】
2005018550.tif 000007
【図６】
2005018550.tif 000008