(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準電圧を生成する基準電圧回路、積分回路、及びコンパレータを備え、センサから供給される入力電圧に応じたパルス幅の出力信号を生成するＡ／Ｄ変換回路において、
前記積分回路は、
前記基準電圧が供給される正入力端子、負入力端子、及び出力端子を備えたオペアンプと、
前記出力端子と前記負入力端子との間に設けられたコンデンサと、
一方の端子に前記入力電圧が供給され、他方の端子が第１の接続点と接続される第１の抵抗と、
前記第１の接続点と前記負入力端子との間に設けられた第２の抵抗と、
前記第１の接続点とグランドとの間に設けられたスイッチング素子とを備え、
前記基準電圧回路は、
前記オペアンプの正入力端子と接続される第２の接続点と、
電圧源から第１の電圧が供給される端子と前記第２の接続点との間に直列に設けられた第３の抵抗及び１個のダイオードと、
前記第１の電圧が供給される端子とグランドとの間を前記第２の接続点で分圧する複数の分圧抵抗とを備え、
前記コンパレータは、前記オペアンプの出力端子の電圧を第２の電圧と比較して、前記出力信号を生成し、
前記第３の抵抗の値及び前記複数の分圧抵抗の値は、温度が変化した前後の前記入力電圧と前記基準電圧との比が一定なるように定める、
ことを特徴とするＡ／Ｄ変換回路。
【請求項２】
前記１個のダイオードの替わりに、直列に接続された複数のダイオードを用いることを特徴とする請求項１に記載のＡ／Ｄ変換回路。
【請求項３】
前記コンパレータは、前記オペアンプの出力端子と接続される正入力端子と、負入力端子とを備え、
前記複数の分圧抵抗は、
前記第１の電圧が供給される端子と前記コンパレータの負入力端子との間に設けられた第４の抵抗と、
前記コンパレータの負入力端子と前記第２の接続点との間に設けられた第５の抵抗と、
前記第２の接続点と前記グランドとの間に設けられた第６の抵抗とを備える、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のＡ／Ｄ変換回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、計測対象を電気信号に変換するセンサからの電気信号を増幅して計測を行う計測機器のＡ／Ｄ変換回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から計測機器においては、計測精度や計測誤差の原因となる負荷時の出力温度特性の向上を図るべく、種々なスパン温度補償の形態が採られてきた。ここでスパンとは、センサに負荷を加えたときに発生する出力からセンサに負荷を加えないときに発生する出力を差し引いたものをいう。種々なスパン温度補償の形態の一つとして、図６に従来のスパン温度補償の状態を表す回路図を示す。これは、温度特性を有するセンサ回路５１からの電気信号を、増幅回路５２で増幅した直後の温度補償抵抗Ｒ５１によりスパン温度補償を行うものである。換言すると、計測対象が温度に依存して変化した変化量を含んだ計測対象の量である物理量の電気信号がセンサ回路５１から出力され、変化量の生じる方向と逆の方向に出力変化を及ぼす温度特性を持つ温度補償抵抗Ｒ５１により変化量による成分を相殺し、物理量による成分のみを後段のＡ／Ｄ変換回路５３へと出力するものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したスパン温度補償を行う温度補償抵抗Ｒ５１には、一般的に感温抵抗が用いられ、コストが高いという問題があった。
【０００４】
また、近年、電子機器に配設される電子回路基板は小型化が望まれ、これに答えるには電子回路基板の実装面積を狭くするためにチップ部品を用いなければならない。しかし、チップ部品としての感温抵抗は、汎用性が低い為に設計面上採用するのに支障をきたし、電子回路基板を小型化にするための障害となるという問題があった。
【０００５】
更に、電子回路基板に実装する部品のうち、感温抵抗だけがチップ部品でないような場合には、感温抵抗以外の部品を電子回路基板に実装する製造工程と別の製造工程を組まなければならず、製造面上、標準化が図れないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記のような従来の問題点を解決することを目的とするもので、設計面、製造面上での欠点を解消するとともに、コストを低減するＡ／Ｄ変換回路を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のＡ／Ｄ変換回路は、基準電圧を生成する基準電圧回路、積分回路、及びコンパレータを備え、センサから供給される入力電圧に応じたパルス幅の出力信号を生成するものであって、前記積分回路は、前記基準電圧が供給される正入力端子、負入力端子、及び出力端子を備えたオペアンプと、前記出力端子と前記負入力端子との間に設けられたコンデンサと、一方の端子に前記入力電圧が供給され、他方の端子が第１の接続点と接続される第１の抵抗と、前記第１の接続点と前記負入力端子との間に設けられた第２の抵抗と、前記第１の接続点とグランドとの間に設けられたスイッチング素子とを備え、前記基準電圧回路は、前記オペアンプの正入力端子と接続される第２の接続点と、電圧源から第１の電圧が供給される端子と前記第２の接続点との間に直列に設けられた第３の抵抗及び１個のダイオードと、前記第１の電圧が供給される端子とグランドとの間を前記第２の接続点で分圧する複数の分圧抵抗とを備え、前記コンパレータは、前記オペアンプの出力端子の電圧を第２の電圧と比較して、前記出力信号を生成し、前記第３の抵抗の値及び前記複数の分圧抵抗の値は、温度が変化した前後の前記入力電圧と前記基準電圧との比が一定なるように定めることを特徴とする。このようにすれば、温度に依存して変化した変化量を含んだ計測対象の量である物理量である積分回路の入力電圧のうち、温度に依存して変化する変化量の成分だけを、ダイオードがもつ温度特性により変化する基準電圧で相殺することになり、積分回路の出力には計測対象の量である物理量だけのスパンが得られる。すなわち、スパン温度補償が可能となる。そして、ダイオードは、一般的に廉価であり、小型であるチップ部品として汎用性があるために、容易に採用することが可能となる。
【０００８】
また、上述したＡ／Ｄ変換回路において、前記１個のダイオードの替わりに、直列に接続された複数のダイオードを用いてもよい。
また、上述したＡ／Ｄ変換回路において、前記コンパレータは、前記オペアンプの出力端子と接続される正入力端子と、負入力端子とを備え、前記複数の分圧抵抗は、前記第１の電圧が供給される端子と前記コンパレータの負入力端子との間に設けられた第４の抵抗と、前記コンパレータの負入力端子と前記第２の接続点との間に設けられた第５の抵抗と、前記第２の接続点と前記グランドとの間に設けられた第６の抵抗とを備えることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。まず初めに、図１の温度補償回路を含むＡ／Ｄ変換回路図を用いて、その構成について説明する。Ａ／Ｄ変換回路１は、大きく分類すると積分回路２、制御回路３及びコンパレータ４により構成する。
【００１０】
積分回路２は、オペアンプＯＰ１の一方の入力端子に抵抗Ｒ１、Ｒ２を直列接続し、オペアンプＯＰ１の出力端子から一方の入力端子にかけてコンデンサＣ１を帰還接続し、オペアンプＯＰ１の他方の入力端子に基準電圧回路でもある温度補償回路５を接続することにより構成する。
【００１１】
制御回路３は、トランジスタＱ１のコレクタを抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の間に接続し、トランジスタＱ１のエミッタをグランドＧＮＤに接地し、トランジスタＱ１のベースにマイコンからの制御信号線を接続することにより構成する。
【００１２】
コンパレータ４は、オペアンプＯＰ２の一方の入力端子にオペアンプＯＰ１の出力端子を接続し、オペアンプＯＰ２の他方の入力端子に基準電圧回路６を接続し、オペアンプＯＰ２の出力端子をマイコンへ通じる線へ接続することにより構成する。なお、基準電圧回路６は、電圧源からの所定電圧ＶccとグランドＧＮＤとの間に抵抗Ｒ６、Ｒ７を直列接続し、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７の間から基準電圧Ｖ３を分圧するものである。
【００１３】
積分回路２に基準電圧Ｖ２を供給する基準電圧回路でもある本発明の温度補償回路５は、ダイオードＤ１のアノード側と抵抗Ｒ３を直列接続し、抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５を直列接続し、電圧源からの所定電圧Ｖccに抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４を接続し、オペアンプＯＰ１の他方の入力端子に抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５の間とダイオードＤ１のカソード側を接続し、グランドＧＮＤに抵抗Ｒ５を接地することにより構成する。
【００１４】
次に、図２の二重積分による積分出力電圧と積分時間との関係を表す波形図を加えて、温度補償回路を含むＡ／Ｄ変換回路の動作について説明する。Ａ／Ｄ変換回路１にアナログ入力される入力電圧Ｖ１は、次のようにデジタル変換が行われる。
【００１５】
まず、積分回路２のオペアンプＯＰ１の出力端子に出力する積分出力電圧Ｖoutが積分開始電圧Ｖthであると、制御回路３のトランジスタＱ１はオフとなり、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖceが高くなる。そして、積分回路２は、オペアンプＯＰ１の一方の入力端子に抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して入力される入力電圧Ｖ１を一定の積分時間Ｔ１にて積分する。このときの積分出力波形の傾きは、−（Ｖ１−Ｖ２）／｛（Ｒ１＋Ｒ２）Ｃ１｝となる。
【００１６】
次に、一定の積分時間Ｔ１が経過すると、制御回路３のトランジスタＱ１はオンとなり、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖceが低くなる。そして、積分回路２は、オペアンプＯＰ１の他方の入力端子に入力される基準電圧Ｖ２により積分開始電圧Ｖthに戻るまで逆方向に積分する。一定の積分時間Ｔ１を経過してから積分開始電圧Ｖthに戻るまでの時間は積分時間Ｔ２となる。このときの積分出力波形の傾きは、Ｖ２／（Ｒ２・Ｃ１）となる。
【００１７】
そして、コンパレータ４では、積分回路２からの積分出力電圧Ｖoutをパルス化してデジタル変換が行われる。
【００１８】
積分回路２の積分出力波形は、図２に示すように、抵抗Ｒ１の前段に発生する入力電圧Ｖ１の大きに応じて積分出力波形ａや積分出力波形ｂのようになる。積分出力波形の傾きは、積分時間Ｔ１期間中には入力電圧Ｖ１の大きさに比例して変化し、積分時間Ｔ２期間中には入力電圧Ｖ１の大きさにかかわらず一定となる。したがって、入力電圧Ｖ１の大きさは、積分時間Ｔ２の長さと比例する。すなわち、積分時間Ｔ２は、
0004159233.tif 000002
となる。なお、この積分時間Ｔ２がコンパレータ４でパルス化後にマイコンで数値化される量となる。
【００１９】
ここで、センサに負荷を加えないときに発生する入力電圧Ｖ１を無負荷時入力電圧Ｖzとすると、このときの積分時間Ｔ２は無負荷時積分時間Ｔzとなる。また、センサに負荷を加えたときに発生する入力電圧Ｖ１を負荷時入力電圧Ｖwとすると、このときの積分時間Ｔ２を無負荷時積分時間Ｔwとなる。そして、スパンとなるスパン入力電圧Ｖsは、
Ｖs＝Ｖw−Ｖz
となる。そして、これに対応するスパン積分時間Ｔsは、
0004159233.tif 000003
となる。
【００２０】
しかし、スパン入力電圧Ｖsは、温度変化に依存して変化する電圧ΔＶsを伴うので、これに対応してスパン積分時間Ｔsも温度変化に依存して変化する積分時間ΔＴsを含むものとなる。この温度特性を含むスパン積分時間Ｔs＋ΔＴsは、
0004159233.tif 000004
となる。
【００２１】
本発明は、上述の（２）式における温度変化に依存して変化する電圧ΔＶsによって生じる出力変化を相殺するように、積分回路２に供給する基準電圧Ｖ２にも温度変化に依存して変化する電圧が生じるように基準電圧回路にダイオードＤ１を具備して、温度補償回路５とするものである。
【００２２】
そこで、図３において示す図１の温度補償回路部分を簡略表示した回路図、図４において示す図１の温度補償回路部分の等価回路図を用いて、本発明の温度補償回路５の温度補償たる動作について説明する。
【００２３】
図３の簡略回路７は、図１の温度補償回路５において、ダイオードＤ１と抵抗Ｒ３とを合成して負荷Ｘとした。そして、このとき抵抗Ｒ４には電流Ｉ４、抵抗Ｒ５には電流Ｉ５、負荷Ｘには電流Ｉxが流れ込み、次のような関係となる。
0004159233.tif 000005
【００２４】
上述の（３）式から、負荷Ｘを流れる電流Ｉxは、負荷Ｘがない状態で、電圧源からの所定電圧Ｖccを抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５の間で分圧した電圧と、基準電圧Ｖ２との間に並列抵抗Ｒｒを接続する場合の電流と同じになる。したがって、図１における温度補償回路５は、図４に示すような並列抵抗ＲｒとバッファーＢＵＦを加えた等価回路８で表すことができる。
【００２５】
等価回路８には、抵抗Ｒ４に電流Ｉ８、抵抗Ｒ３とダイオードＤ１に電流Ｉ９が流れる。また、ダイオードＤ１に順方向電圧Ｖｆ、抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５の間に分圧電圧Ｖ２'が発生する。そして、積分回路２の基準電圧Ｖ２は、
0004159233.tif 000006
ここで、（４）式を簡単にするために、
Ａ＝Ｖ２'＋｛Ｒｒ／（Ｒ３＋Ｒｒ）｝（Ｖcc−Ｖ２'）
とすると、
Ｖ２＝Ａ−｛Ｒｒ／（Ｒ３＋Ｒｒ）｝Ｖｆ
となる。
【００２６】
通常、ダイオードＤ１は順方向電圧Ｖｆに対して温度係数αを有する。一般的には、温度係数α＝−２ｍＶ／℃である。温度がΔＴ変化すると、ダイオードＤ１は温度係数αに応じた変化をする。すなわち、基準電圧Ｖ２は温度変化に依存して電圧ΔＶ２の変化をする。したがって、温度変化後の基準電圧Ｖ２＋ΔＶ２は、
Ｖ２＋ΔＶ２＝Ａ−｛Ｒｒ／（Ｒ３＋Ｒｒ）｝（Ｖｆ＋α・ΔＴ）
となる。
【００２７】
そこで、（２）式に温度補償回路５による影響を加味すると、そのときの温度特性を含むスパン積分時間Ｔs＋ΔＴsは、
0004159233.tif 000007
となる。
【００２８】
そして、（５）式における温度変化後の入力電圧と基準電圧の比（Ｖs＋ΔＶs）／（Ｖ２＋ΔＶ２）が、（１）式における温度変化前の入力電圧と基準電圧の比Ｖs／Ｖ２と同等になるように、温度補償回路５の抵抗Ｒ３、４、５とダイオードＤ１の定数を設定することで、積分回路２の入力電圧側に生じる変化を基準電圧側により生じる変化により相殺される。よって、積分回路２には温度補償された積分出力電圧Ｖoutが得られるものとなる。すなわち、換言すると、ダイオードＤ１の温度特性の変化により入力電圧側の温度変化に応じた所定のレベルに変化する基準電圧を発生することにより温度補償を可能にするものである。
【００２９】
なお、ダイオードＤ１は、積分回路２に入力される入力電圧の温度変化に依存して変化する電圧ΔＶsに応じて、複数使用して直列や並列などの接続にしてもよく、温度補償のための補正量を自在に設定可能である。
【００３０】
また、図５は温度補償回路を含むＡ／Ｄ変換回路図である。このように、Ａ／Ｄ変換回路１１の積分回路１２とコンパレータ１４との基準電圧を合成し、電圧源からの所定電圧ＶccとグランドＧＮＤとの間に、ダイオードＤ１１と抵抗Ｒ１３、１４、１５、１６を接続した基準電圧回路でもある温度補償回路１５としてもよい。図１の形態と同様な働きとなる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスパン温度補償回路によれば、積分回路に入力される入力電圧の温度特性の影響を、積分回路の基準電圧回路でもあり、ダイオードを具備する温度補償回路に生じる温度特性により、温度によるスパン変化の影響の少ないものとできる。そして、ダイオードは一般的に廉価であるためコスト低減ができるものである。また、小型であるチップ部品として汎用性があり、チップ部品としても容易に採用することができ、電子回路基板の小型化、製造面上での標準化を図ることができる。
【００３２】
なお、電圧源からの所定電圧とグランドとの間にダイオードと抵抗だけの組み合わせにより、基準電圧を発生することにより、廉価で汎用性のある部品だけによる構成となり、よりコスト低減につながる。
【図面の簡単な説明】
【図１】温度補償回路を含むＡ／Ｄ変換回路図である。
【図２】二重積分による積分出力電圧と積分時間との関係を表す波形図である。
【図３】図１の温度補償回路部分を簡略表示した回路図である。
【図４】図１の温度補償回路部分の等価回路図である。
【図５】温度補償回路を含むＡ／Ｄ変換回路図である。
【図６】従来のスパン温度補償の状態を表す回路図である。
【符号の説明】
１、１１、５３  Ａ／Ｄ変換回路
２、１２  積分回路
３  制御回路
４、１４  コンパレータ
５、１５  温度補償回路（基準電圧回路）
６  基準電圧回路
７  簡略回路
８  等価回路
５１  センサ回路
５２  増幅回路
Ｒ５１  温度補償抵抗
ＯＰ１、ＯＰ２  オペアンプ
Ｒ１〜Ｒ７、Ｒ１３〜Ｒ１６  抵抗
Ｒｒ  並列抵抗
Ｃ１  コンデンサ
Ｑ１  トランジスタ
Ｄ１、Ｄ１１  ダイオード
ＢＵＦ  バッファー
Ｘ  負荷
Ｖcc  電圧源からの所定電圧
ＧＮＤ  グランド
Ｖ１  入力電圧
Ｖ２、Ｖ３  基準電圧
Ｖout  積分出力電圧
Ｖth  積分開始電圧
Ｖce  コレクタ・エミッタ間電圧
Ｖｆ  順方向電圧
Ｖ２'  分圧電圧
Ｉ４、Ｉ５、Ｉ８、Ｉ９、Ｉx  電流
Ｔ、Ｔ１、Ｔ２  積分時間
ａ、ｂ  積分出力波形
【図１】
0004159233.tif 000008
【図２】
0004159233.tif 000009
【図３】
0004159233.tif 000010
【図４】
0004159233.tif 000011
【図５】
0004159233.tif 000012
【図６】
0004159233.tif 000013