計軌自動制御学会東北支部第1Tヰ回研究発表会（1998．5．邑）
資料番号174一三

パルス事変調器のセンシンクシステムへの応用

TheapplicationsofPulieR且tioModulatDrtOSenslngSystems ▲熱海宏借，○木下博貴
KoukichiAtsumi，0沌rokiKinoshita

岩手大学

Iwat亡U血Ⅴ耶吋

キーワード：パルス率変調器伽1s亡mOd血tor），センシングシステム（S仇血富野Ste皿），
丸田変換器（〟Dm耶亡正可，5円CE
連絡先：0孤島551盛岡市上田4丁目コ蕃5阜 岩手大草工学部電気電子工学科
七千システム工学謂癌＝熱海宏借Ⅷ・：（01瑚ユl・且柑ヰ，E−m姐二血＠血叩n．ejc．iw弛−u．aC．jp

1．はじめに及び安全確認2）などに閲しシステムの構成

計測制御の分野において、パルス率変詣器上有利であろう。また集積回路の主な故障（pRM）は、従来、主として高レベルのア原田の一つであるエレクトロマイグレーシ

ナログ電圧（例えば、1−5VDC）の増幅及ョン斜に対しても有効と考えられる。本稿

び演算用として使用されて来たり。しかし、では、先ずPMの動作原理及びSPICEにFiE．1に示すような簡単な回路構成で原理よる動作解析を述べ、次に低レベルのアナ上、その出力パルス電圧のオン時間軋）及ログ信号−−5伽nV〜十50mV−の九町変換器

びオフ時間（fげ）は負帰還回路の抵抗値月としての特性とサーミスタを用いた温度変換器としての例を実験結果を含めて述べる。

及び静電容量Cに比例するので、屈または

ユ．一肌の動作原理と解析Cの部分にセンサ素子を使用すれば、一定

ユ．1動作原理の範眉で、センサ堪能と借号処理機億が一体となった構造のセンシングシステムを構成できる。その上、屈またはCを回路定数として国定Lた草合、入力電圧・50mV〜十5血VD亡に対し（上州一Jげ）は比例するの（■）引ーロリit di■■r ▼で、特徴あるA皿変換器を実現できる。著者らはセンシングシステムの保全の重要性に着目し、自動修復が実現可能な構造のシステムの構成を模索して、その精度や応答速度よりも回路の簡単さと、出力電圧がパルス発振波形であることを重視した。パル（6）スを利用することにより、マイクロコンピ
ュータとの整合性、故障診断、自動修復、

Fig．1Basicpulseratiomodulator

一郎，J柑匝）PRMの動作原理をF隠1により簡単に説明する。詳しくは、文献1），4）を参照された
い。Fig．1（且）はその回路図であり、IC高速電圧比較器（CO叩に旦，斗による正帰還部と 月，Cによる負帰還部により構成されている。COM自体の伝達特性はFig．1（b）に示されている。Fig．1（c）は正帰還によるヒステ・乙○リシスを有する入出力伝達特性を図式化し

t．q

P・1．d

2．0

晦．コ貼wid血vs．hputvo旭辞OfPRMた説明図である。入力電圧耳と負帰還電圧

而血血亡bia5Ⅶ旭邸㌔との差が間借㌻以上の場合、出力電圧
f叩・J紺を満足する点昂−は且。一見轟の値（オン状態）をとり、また（屯轟十屯∫）に関して軸対称なグラフになる。この点はIC

間借占t以下の場合は、屯一旦。．の値（オフ電圧比較器 710 について計算すると状態）をとるので、積分性の軋七積分回路

耳＝l．コ5Vである。したがって、椚g・ユのよの充放電に対応してパルス状の出力電圧をうな回路構成で、入力バイアス電圧として払＝1．ヨ5Vを設定した場合、入力電圧耳と発生し、f抑一灯は次式のようになる。

r抑f邸の関係はFig・3のようになる。ここで且由一旦＋邑十r鵬一亡別n

上げ一C紆h邑●一る￣

使用した回路定数は、T且bIモ1の通りである。

軋「旦＋a￣軋一旦十古▼（l）

なお、このような非線形回路の解析には、非線形微分方程式に基づくマクロモデルに

古十一員￣
（ユ）

軋−gf＋古十よる解析とシミュレーションシステムを併

且i一旦d用するのが得策であり、SPICEによる動作る＋＿g−＿属．＋斗

解析を展開する。
ユ．ヱマクロモデルによる一肌構成条件の（ヨ）

且d解析
￣
昌￣＿β−

旦（4）

古山
凡十月′

上の式から、f巾及びf邸は対数項が一定であれば、C尺に比例することが解る。また
入力電圧昂との関係は非線形であるが、Tr「Tabl亡1且出i亡血℃山t

伽軸山v■l帥t■錮■l

p畑ばPMto）障tr川霊f●r一日Ⅶ止h川下ig．ヰEqui血e血亡ir仁山tofLMTlO

亡＝1．0（uF〕
Rコ4T（kiユ）

まず、Fi冨・1帥の回路をFi呈・4のようにマクR8＝2コ0一缶）

ロ化し、この部分については参考文献4），5）

Rfココ3（kfi）
Ⅴ十三ほ（V）

椚g．ユPRM血m止血血を参照して、簡潔に述べる。

Ⅴ−＝−6（V）

Vblユ．5（V）

動作方程式は鮎hputb血Ⅶ1咤eユこのセンシングシステムの応用を考える場

堵・吾十ヰH〕‡喜一〔去十音ト音｛5）合耶、①正常なCOMを用いてパルス率に

ただし、変換可能なC及び月の範囲、②coMの特ど。一性変化■劣化に伴うパルス発生条件である。

拍w

1・ヰ告（司一覧コ′tgI．ち）拘これらについて、まず通常の回路定数の場
合、Ii血tcycIe条件を満足することを示し、次に①，②について解析例をTableヰに示す。

（由1

叫（勺数値解析は数例を示したが、入力抵抗旦のとして、
如．

低下や及びそれに伴う利得好／叫や遅れ‥・′帖）・」」L
r尺．十月／丘I丁との関係など、SPIC王によるシミュレー

生L＝， Jrションも援用する必要がある。またLimit（呂）亡y亡Ieが存在しても、パルス幅のカウンタの1,告去′（佃卜去ビュー〔ト去卜吉富timeba5∈との関連で計測が不可能となれば、促し‥も一・机⊂拙闇の相加帆b心髄

応用上は不適になる。実験結果との対比も行わなければならない。

抽出t亡yCl亡の存在条件はリヤプノフの定理を適用して、（a）平衡点の不安定性囲相空間の遠点における安定性を満足すればよい。

TabI亡ユneco∈伍c血t打my鈷ー血eRou・血 s
Cdt訂ionon血乱mCt出血c5eq．（2）4：1

平衡点の近傍での相軌道の状況及び相空間の遠点部分における軌道の行動を示す微分

d王：一丁．

二王
一丁丁子一山￣■】G琵．ち■月′由

方塩式系の特性多項式は式（9）及び（10）に示される。

旦 ．l．

l十〔恭一劫

ガー（q．＋ち）ガ十叫血一屯）入十（q血一句血ト0

ただし、ql・三昧苦−1ト三島昔叫1・一（ウ）〔恭缶〕苦旦王

苧卜扇告計屯・lI月，訂 l十十1一q＝嵩卜抵一劫君ト
Tahle3necoe缶cientamyfbrtheRouth s

ロコ＝一主［去君一卦雄・封正一（軋十転）ガ＋（仙，一転甚再1．転一0

仁山亡血non血a亡teri由仁S町（ヨ〕

（10）

J●q：1

ただし、占11≡，占1】＝一志占Ⅱ＝−［三・左］

d・l掛劫巧これらの特性多項式にRo血の判定法を適用して安定性及び不安定性を調べる。

隼五十トー ーlI∫■l】

壬・T油l亡ユ及びTlbldは式（9）及び（10）に関する鮎u也の判別式である。
亡・こtJ￣1−

T油1モ4 Som亡剋II甲Ⅰ田口fN血血血y由⊂ェ1．1山F

亡1中一1n一丁』く○王∬＋uいり川l一つ甘く0
叫
叫 ま○り0−1J■1dlく○ 4ユ・1I・1ユ■□叫 Uhl軋り．▲11町1■0｝￠

且王1∝【】

R■l∝11ローTJlく8

ユ山一TJIく8生．山l♂

一口凪亡1叫鴎＞0ユー心■8l．封り♂一ユユ■lロヽ中 1．王118I一ユユ■1ロlく0 じ払■10一−1▲月■0 王●lユ十1ユi・ユ丁■01十1ユxlげ事03■0＞￠＞凸ヱ．3SPI亡Eを用いた椚鮎Ⅵの動作解析

前節では、l⊂電圧比較器のマクロモデル
Tr事It■●■Flm曲∩山

IC電圧比較器を構成する内部のデバイスられる。これにより正常な聞血Ⅰ動作が得ら

Ⅶu■・・】▲・・■l ■■ u 】■

疇■○れる条件や寄生発振も解明できる。

モt−−せ靂．璽■宇‡

享I︼葺︼︻d■−宝パラメータを含めたミクロなモデルが求め

R個中ロ爪■●¶h■†騨
Vt■bⅦ■l叩鵬○Ⅵl■小知疇u山一u■

王ぎー 王 室で動作原理を述べたが、SpICEを用いると

疇 ：■ ■ ■ ■1爛lⅧ

州Ⅶ（−IⅦH叫Fi苫．6（a）Input−OutputChara．（b）Sl甲Respnse

FromDa也も00kl■こ＝＝＿一一−j¶■蒜■ h■■■l＿．＿．Ⅶ■■†J｝仲Il■l●▼Ui＝：こ三」■Fi冨・5モ：q血血e出Circuitm血lof710

ヱ．3．1IC電圧比較器710の評1CEモデル
Fig．5はMTlOの等価回路図であり、
椚g．的）（b）は、それぞれ入出力伝達特性とパルス応答特性を示している。SIIICEのプロ

Fi雲．丁（A）Input・OutputCharacteristicsbySPICE

グラムは付貞酎こ示すが、応答時間〕On5をシミュレートするために、デバイスパラメー
タのうちq4の順方向転移時間（TF）及び逆方向転移時間汀即をユ5m5及びに1細に設定している。以下特に断らない限りデフォ
ルト値を用いてシミュレーションしている．

王，3．ユSアICEを用いた動作解析
Da血白00kから得られる入出力特性とステップ応答をFi空．6に示し、シミュレーションもしくは実験により得られた結異をFiE．丁．Fig．き，椚g．タに示す。また、シミュレーションから得られた発振条件をT乱bl亡5−1，5一三に示す。

仙■

血l．h■

1■■l．】−■ Vl「 ● Yl覇1■k■Fig．7（b）St甲R亡Sp8鮎抽ySPI亡王

4l．−

⊂hコl仙ヨh】．ユV

廿コLoヽ▼−！コ加nV亡h王■｝ldtト】ll叫l■∫■l■▼

一JV

亡hユーWldthr川．JP

l■■JFiE．さ軸er亡5i5C血出血cbySPICE，一■一■■■▼−■ト t●■■■lll■lロ■■咄叫lナIT椚g．恥）5PICEにおけるP別の寄生発振Fi苫．叩））P鼠MO叫皿Wav曲mbySpIC王T乱bl亡5−1安定判別法とS円仁Eの発振限界
PSPI⊂Eを用いたシミュレーション
a ．鋸r8明白〝以上で発振可能
b∫．cは膚18I好一以上で発振可能
亡】．利得は∬6丁3J以上で発振可能

Routhの安定判別法＆ Rはどんな壇でも発振可能

b．亡は−2．841pF一以上で斉損可能
亡．利得は■384一以上で発振可能可〕

3．センシングシステムへの応用と、f。｛コJ材となる○

3．1肌変換器の構成
3J．1基本構成
ユ・のFig・ユの回路で托−且h＋且。J

岳十一呂￣

呂十−る￣

＿2亡尺

一郎一亡児と設定す且鵬一打こ

且由一丘dヱ

ると、転け−Jげ）は次式で表わされるロ

呂十一呂￣
r好一亡兄

（r州−Jすトl

亡兄（邑十一缶￣）

托一丘。．

（11）したがって、l

古山＋且∫．，，。」軋＋且′ー 早 耳一二盟−⊥ニュ

占■一缶￣＿2亡冥
且鵬一丘扉∂十−∂￣が一定であれば、コエ

したがって、耳−0における感度は、パルス幅r甜一f邸はC別こ比例して変化す∂（L雷ーげ）（12）−C月（呂●一古￣）る。負帰還回路のCまたは別こ静電容量形

岬山一軋）王センサあるいは抵
これをグラフにするとFig．10のようになる。

抗形センサを使用

すなわち、托の近傍で入力電圧旦を変化さすれば、パルス幅をカウンせると式（lZ）の割合で（J州一一灯）が変イヒする凸トすることにより、これを一定のクロックをtimeba58としてアナログ量をディカウントすれば、正・負のmVレベルの電ジタル量に変換で晦10非線形性と分解能きる。

圧を肌変換することができる。
T乱bl七1の回路定数のp鼠Mに対して約0．】占閏／±1mVの感度になる。

T止l亡G〟D変換器としての利用

ユOMHヱの血Ieba5亡を用いると、†1几〔■Y） T011山由 ToH （u由 1Twイoffl（u5）

約7co血±1mVである。

引ほ5（】亜3．1．ユSrI亡Eによる検討

丁且bl亡丁ではPRM特性を実験での測定結

ユq508508

2q5ロコ

田

49g 亜40

果に近づけるために回路定数を変更してい−10−コ○

T且ue占よりSPICEでは、感度0．5鮎／±1mVが得られた。

Fig．11のY軸をユ0Ⅶ七でカウントすることにし椚g．10に対応するように換算すると、−50mV〜＋50血Ⅴでは、各入力に対してほぼ線形にカウント数が変化することから肌変換器として利用可能であることがわかる。
コ．ヱセンシングシステムの構成
3．王．1基本構成
FiE．ユの回路で、バイアス電圧
托一弘及び入力電圧い0とする

264≦帽

ヰ，■
192

2丁

48丁

2lヰ90

田

伯℡m498巳ウ
邑

500
50ユ505ー亜ヰ郭胡粉ーSO

1鮎51o 1−30る。

4出50丁151824

T且bl亡7R∃■才2DnRf ■ユ2．9に良；45．Tkn
亡 一札gg廿Fてゴユqnさβ コ114．35
D2【8V15．，4コ）
Ⅵ1王D．粥ヱY†＋】11．コtⅣ
Ⅴ一ユー6V2与℃

T止Ⅰ亡1の回路定数では、次のような感度をに動作Lてないと思われるので、月；ト3［k示す。

凸】で、COMが正常に動作していることを
．三月
￣‖

∂C

≒0，ココu血F
丘鵬一旦d

卑．2C

Tabl亡10のようにややばらつきがあるもの
占●一員￣（1句 の妥当である結果が得ら九センシンダにお≒丁・0血k｛ユ￣￣∂月

確認し実験を行っている。実験農具はTabl亡（15） ちT止l亡，に示し、感度を実験値と理論式から導かれた値とを比較してみると、a−−る￣

古山一古山

いては有効であることが実証された。また、

月をサーミスタとした場合の実験例を4．に感度の計算値がCに比例しないのは基準抵おいて述べる。

抗時においてf■膚−′邸を調節するために感ユ．ヱ．三高感度化の検討
度の式に含まれるパラメータを変更してい式（16）からわかるようには負帰還るためである。

回路のCに比例しているので、C可00【岬，ジッタについては、統計的な処理をする必C＝10叫岬】時における感度の実験を行っ要がある。

た．抵抗値は埋設式どうりなら4丁￡ユが基準
だがSPI亡王を用いた結果、数百見以下ではもが正の値を取るなどCOMが正常
Tabk8C＝1ロ8［uF】における実壊
R（口）

Vb Ⅳ）

ジッタ

V＋ 押〕 V一 Ⅳ） Et】h（V） Eol押） T8n三T（】ff（5）0．05一一0．11帖
0．05一−0．1加帽
0．05■−0．†r幡

ロ．05■−ロ，1爪専

Tablモク臣1ロ00［uFコにおける実験
R（Q）

Vb（V】

V＋ Mv一両ジッタ

Eih・州 EロI川 Ton＝丁（さff〔i）
ヨ．18 一 ■・■柑口爪

丁9，0（】m0．5什

4．実験例耶

4．ユサーミスタを応用した温度変換器

4．1−50mV〜＋50mVAJD変換器

Fig．1のPM回路において、

椚苫．11（研ここの〟D変換システムのブロスタで構成した温度変換器の測定システム

ック図を桝にタイミングチャートを示す。のブロック図をFig．1王（坤こ示す。Fig．1帥）り入力端子に加えられた一50mV〜＋50mVのは温度¶カウント値の変換グラフである。

直流電圧は、PRMにより電圧パルス列に変換される。

またFig．1ユ（亡）は温度変換特性である。サー月をサーミ

ミスタ特性の線形化のために10．5匹叫の金属皮膜抵抗器を並列に接続している。

王将圧′勺レスの㌔〟及びfぜは、それぞれ20MH王タイムペースとのNAmをとることにより、パルス幅に応じたパルス列に変換される。
ヨ）L時のパルス列はアップカウント、f材
時のパルス列はダウンカウント動作を行い。（L−∫材）時間に相当するカウントが亀脚；相田呈鮒トヱ8て＋1qOて・0・1て富盛〕
カウンタの出力端子にバイナリデータとして出力される。

す呈示膚：rFパンチブタ：L⊂Ⅴ−4V （±0．q5t）

サーミス事；タカラ55旦軋 0て ユ王・gヨ＝上巳
10（】て 1．11ヰk已
旦王345三4）パーソナルコンピュータシステム（FM−7）

ヰまt廿

古宇■蘭 皇・、8■．

（温水用槽当）により、P工A占柑ヱ1pを介して、データ収集される。
5）バイナリデータは、ソフト的に電圧データに変換され、結果は血play‥p血ter巳t亡に出力される。

Fig．1ユ（且）PRMt印Ip．5m血吉富ystem

Fig．11（且）別0止画
椚g．1ユ（b）CoⅧ包一Temp・C血ra・（℃）■■（℃）

Fig．1王（亡）PRMtemp・S飢血g亡ham・F王E．11（b）タイムチャート畠5．おわりにPMのもつ直流電圧−′くルス変換特性をAppemdiェ

応用することによりmVレベルト50mV〜

SPrCEPr喝ram＋50mⅥの簡易型〟D変換器が構成できるPⅧ出力波形ことを示した。OmVを中心に正負電圧の変書PRH引RGU汀

R畠． 2．50．2王O

換感度を保つために、アップ・ダウンカウ

Rf． 2． 7．ユ2．引く
札 ユ． 7．4丁．1kンタを用いた。分解能1mV，1回の変換速度

C． ユ．0．0．j娼uFは5ms以下である。

ニLl打10C＝祇UけSTART

また、抵抗−パルス変換特性を応用することにより、デジタル温度変換器を構成できることを示した。測定温度範眉・5℃〜＋40℃

01．1．ユ．1ユ．qHl10Dlqヱ． 5．乙13．qⅧロロ1
舶． 8．1．ほ．別冊コDl
叫 柑．5，lヱ，馴旧ELAY」コ一口5． 8．6．1j，ロHHOD
q8．10．10．11．〔川Hロロ
qT， 8．10．9．q仙10D2
q8． 丁．0．18，馴仙旧ロ2
qき．1ユ．16．1ヰ．QHH□D2

において分解能0．5℃，1回の変換速度はヱⅢ以下である。しかし実際は、複数回のql（】．18．18．1丁．qHH亡氾2

データ採取から平均値を計算しこれを変換

Rl．15．1さ 7別R皇．15． 5． 丁50
Rユ．1t． 8．1．1K
Rヰ． d．11．2．8K
R5． 且，10．3．9K
R古．18−18，1．TK
R7．1丁．4． 88
R8．1ヰ．4．100
Dl． 0．12．DZI結果としている。
SPICEでの710シミュレーションモデルを用いた†Mの動作解析でも妥当な結果が得られた。
また高感度化についても実際的な応用を検D2． 丁． 9．D三三．H8DEL．D王l．ロ（8V＝8．2）．川口DEL，ロ三三．D（BV＝5．糾2〕

討したい。

．H8DEL．Q仙10D．HPN（BF＝18即
参考文献：l）J．A．Rosenthal：A Pulse Modulator that，
旺EI：Tr弧S血虹＆M亡鮎．，1ユ5／13ヰ印鰐1粥ヨ）．NODE」．QNDELAY＿q4，NPN（TR＝柑nS TF＝25nS BF＝10（〉）．仙コロE」．馴仙旧D2，NPH（8F＝川0）．日印EL．q仙10Dl一 日Ph【（肝＝柑0）：LHTl亡I引R亡U】T E目口Vb．印．0．m．0．糾OV
V十 8．0．D亡．11．4V
V一． ヰ．0．DG．−8V2）杉本：フェイルセーフの基本を考える，
日本信号技報，15−エ．TRÅH 20u∃†ヱm書Or帽ヱ0∪亨コ）C．M盟dandL．C皿Way：超LSIシステム入．PROBE V口）

門，ユ．相田，培風．TEllP ヱ丁．引旧

4）熱粗岩田：汎用シミュレーションシステ
ムによるパルス率変調器の解析，計測自動制御学会論文集，1古一ヨ，43ヰ／ヰ4日1980）5）熱海etal：On的mPliBer，muldvibntor型センシングシステムの発振条件，平成丁年度電気東北支部連合大全，2Cl叩朋5）
可熱海由一：適応構成形センシンダシステ
ム・多重化センシング及び再構成，SICE 95，101A−4（1995）

7）同上：適応構成形センシンダシステム・フォールト検出とディジタル処理，SICEI95，101A・5（1995）

各）熱海，熊谷：パルス率変調器の簡易型センサシステムへの応用，SIC王，町JS48−り990

ウ