（第15回）インスツルメンツの歴史 計測と制御の機器を中心に「アナログからディジタルへの系譜」
松 本 栄寿私たちの身の回りがディジタルに囲まれるようが加わった。集積回路 IC が使われ、ディジタルになったのは、いつ頃からだったろうか。1970

技術が入り込むと、リニア IC、A ／ D コンバータ、年代からのクオーツ時計の普及だろうか、コンパLED、液晶、ディジタル IC、基準電圧と重要部

クト・ディスク CD が姿を現した 1980 年代からだ品は一挙に変化した。

ろうか。電気計器ではどうだろうか。電気に接しさらにその回路に使われた理論は、かつてのオている私たちの最もなじみ深い計器は「テスター」

ームの法則、キルヒホッフの法則、フレミングのであろう。テスターの世界でも、いまでは 80 ％右手・左手の法則などの基本的なものから、ルーがディジタル計器で針のあるアナログ指示のテスプに適用されるフルビッツの安定判別法、ボードターは少なくなっている。ここに至るまでの道程

線図、ナイキストの理論、ディジタルとともに、とキーポイントをもう一度ふりかえって見よう。

ブール代数、サンプリング理論とまるで別世界のキーコンポーネントと理論の変遷
計器の重要なコンポーネントは何だったろう
か。ウエストンの電気計器の頃は、永久磁石、ス理論が次々と登場し、それらが回路の中に組み込まれてきた。

ディジタルへの歴史

プリングなどが計器の性能をきめる重要なキーコ

指針型計器からディジタルまでの発明を、テスンポーネントであった。真空管の時代になると、ターを例にとって細かに追ってみよう。ウエスト

真空管のまわりは、抵抗、コンデンサ、インダクンが 1886 年に精密直流電流計（第 8 回）を発明しタンスに取り囲まれ、真空管も大型から超小型のて、アナログ指針型計器で 1 ／ 1000 あるい 1 ／ 500

サブミニアチュア管とかわった。ついでトランジの精度で直流の電流・電圧をはかることができる

スタの時代は、プリント板、コネクタ、ケーブルようになった。

図１
ウエストンの計器からディジタル計器へ
重要部品の変遷：永久磁石から、真空管、トランジスタ、IC、プロセッサーへ
72

オートメーションインスツルメンツの歴史

ついで 1892 年にウエストンはマンガニン抵抗＋を使って正確な抵抗や電圧分圧器ができる。やが計器が完成した。英語ではマルチメータと呼ばれ、

e2

G1
r1
Input P

Se1て、ロータリースイッチを回すと、電圧、抵抗をレンジを自由に切り替えて測定できる多レンジのE2−Iあるが、その抵抗値がきわめて安定で、温度の影響も受けにくいことが特徴である。マンガニン線＋E1−を発明した。マンガニンとはニッケル系の合金で

図２r2

フリップフロップの原形：発明者エックルス・ジョルダン（1919）

日本語ではテスターというが、その原点は英国の郵政省の要請で電話保守のためにつくられたといータとしては、10 桁のパルス列（0000000000 からわれている。それまで保守する現場に電圧計、電1111111111 まで）が並ぶことになる。その際の分流計、抵抗計などをもっていく必要があったのが、解能は 1 ／ 1024、約 0.1 ％となる。いったんディジ

このテスター１台ですむようになった。作られたタル化された 10 桁の情報を取り扱うのは論理回のは 1940 年代で商品名は AVO メーター（アンペ路である。19 世紀のイギリスの数学者ジョーア・ボルト・オームの頭文字）であった。

ジ・ブール（George Boole）によって研究された

やがて無線電信・ラジオに使われた真空管が、ブール代数の理論は、MIT のシャノン（C. E.

バルボル（真空管電圧計）に採用されるようになShannon）によって論理設計の基礎が固められる。

った。測定信号はまず真空管で増幅されてから指論理和、論理積などが電気回路で置き換えられよ

針型計器を動かすので、バルボルでは高インピーうになる。回路への置き換えはリレー、真空管、ダンスでの電圧測定を可能にした。発明者はトランジスタとダイオード、IC の段階をたどっ1922 年のモーリンである（第 11 回）。しかし、真てきた。

空管の非直線特性もそのまま残ってしまうから、精度はウエストンの直流計器にかなわなかった。
増幅素子の特性が影響しないように、直線性のよアナログ信号のディジタル化と２つの重要な要素

い電圧計は、負帰還の応用をまたねばならなかっディジタルはアナログの世界と異なり、ディジた。その一つはヒューレットのバルボル（1939）

タル論理回路の中には「記憶」という機能が必要である（第 12 回）。ブラックの負帰還回路はしだになる。なぜなら、ディジタル回路の基本的な情いに電子回路に広く使われるようになるが、ボー報は、電圧、電流、インピーダンス、周波数など

ド線図が発明され、ナイキストの安定条件が理論という空間的な広がりのほかに、時間的な広がりの裏付けとなった（1923）。

をもっているからである。ある時刻における情報

負帰還回路はアメリカの大陸横断電話の通話品を、つぎの時間に引きついでいくには、「記憶」質を上げようとの目的から生まれた（第 12 回）。

したデータが要ることになる。ディジタルの世界

一方、長距離電話の伝送にアナログ信号をコードでもっとも広く使われている「記憶要素」は、フ化して伝送してやる方法が提案された。イギリス

リップフロップ回路である。１個のフリップフロのリーブスによる、パルス符号変調（PCM）通信ップは、１ビットタイム前の情報を現在に、ある方式である。実用化は主としてベル研究所で行わいは現在の情報を１ビットあとに伝達する役目をれ、第二次世界大戦後（1948）に完成した。ここ担っている。にはアナログ・ディジタル変換 A ／ D コンバータが必要になった。

いったいアナログ信号はディジタル信号に間違いなく変換できるのだろうか。無限に細かな分解

A ／ D コンバータとは文字どおり、アナログの能をもつ A ／ D コンバータを考えれば理論上は可電圧をディジタルに変換する回路である。たとえ能であるが、無限量は非実現的なので、現実的にば、10 ビットに変換する回路では 2N, N ＝ 10 のは変換に誤差がはいることになる。変換はサンプ

ビット数に変換すること、変換したディジタルデリング（標本化）、数値の桁揃え（量子化）、2 進数

Vol.48 No.9（2003 年 9 月号）

73

ディジタル出力積分器
S1

入力信号
VINC
−A＋R

カウンタコンパレータ制御回路

Vret

クロック

基準電圧
第一積分（入力信号）

50MHz の発振回路の報告もある。そこで生まれたトリガー・リレー回路

CP

S2使って、数ボルトのプレート電圧で、第二積分（基準電圧）

は、２本の真空管を抵抗結合の正帰還で結んだ回路である。エックルス・ジ
ョルダン回路、のちに F ／ F と呼ばれるようになる。
ほぼ同じ時期に発明されたマルチバ

T1
第一積分時間

図３

T2

VIN＝

T1×VretT2

イブレータ回路と似てはいるが全くちがう。マルチバイブレータも 2 本の真空管を使うが、コンデンサの AC 結合

第二積分時間二重積分 A ― D コンバータ：発明者ギルバート（1957）をもつ連続発振回路である。フリップ・フロップは DC 結合方式であって、２本の真空管はオン・オフの状態化の処理によって行われる。誤差は標本化と量子を交互に繰り返す回路である。エックルスは化の処理で発生するが、生ずる誤差を人間の識別

1875 年生まれ、ロンドン大学で学びマルコーニ能力で分からない程度に抑えて使うことになる。

社に参加した。またイギリス電気学会無線部部長、

この A ／ D コンバータは測定する対象によってイギリスラジオ協会名誉会長をつとめた人物であ異なる。応用分野毎に分類すると、計測用（高精る。彼の活躍したのはフレミングの 1904 年の２度低速計測 ms）、ディジタル・オーディオ用（us）、極管の発明、ドフォレストの 1906 年の 3 極管のビデオ・高速計測器用（波形観測・通信用 ns）などによって「一口に言えば、ビット数を多くして高精度をねらうもの、精度よりもスピード変換速度をねらうもの」に分類される。
このような A ／ D コンバータは 20 世紀の電気の世界の大発明であって、それまで別々に発達してきた、アナログとディジタルの２つの世界を結ぶ革命的な要素と言えよう。また、A ／ D コンバータが計測とコンピュータを結ぶことを可能にしたわけである。
ここでディジタル計測の世界で必要になったユニークな２つの要素、記憶素子／フリップ・フロップと A ／ D コンバータについて触れよう。

フリップ・フロップ（F ／ F）
フリップ・フロップの原点は意外に古い。エックルス（W. H. Eccles, 1875 生）のトリガー・リレー回路がエレクトリシャン誌に紹介されたのは1919 年である。パルス信号が加わると真空管が交互にオン・オフ状態になる２本の真空管回路である。なぜこんな奇妙な回路を考えたのだろうか。
エックルスは無線通信のために幾つもの発振回路を実験している。３極真空管を２本たすき掛けに74

図４ アナログテスタと目盛指針：レンジによって目盛がちがうオートメーション

インスツルメンツの歴史発明に続く時代であった。第一次世界大戦で無線が実用になることが証明されると、真空管回路の研究が一層進んだ時期でもある。

二重積分 A ／ D コンバータ
最も一般的な逐次比較 A ／ D コンバータにくらべて、二重積分方式 A ／ D コンバータは素晴らしい回路であった。ギルバート（Rosewell Gilbert、1909 生）の 1957 年の発明である。
この変換回路は積分回路と比較器を入力段にもち、入力信号を積分する時間と内部の基準電圧を逆に積分する時間とを比較してパルス幅に変換する方式である。このとき入力信号の積分時間を商用周波数の整数倍にすると、信号に重畳する周囲のノイズの影響を排除できる。電気計測にはピタ

図５
ディジタルテスタ：誰でもそつなく素早く読める。
測定器にも誤差のあることを忘れてはいけない。

リの特性であった。A ／ D コンバータ回路は、やがてフェアチャイルド社によって IC 化され爆発

タリースイッチで直流、交流、抵抗のレンジを選的に普及した。

んで始める。その上読む目盛りは、レンジ毎に、エックルスは、当時の電気計器の名門ウエストン計器社の研究部長であった。ウエストン社ではまた交流、直流、抵抗の種別でもそれぞれ異なっている。

電気計器から露出計分野に進出していたが、露出言いかえれば、イージーハンドリングを追求し計の信号を時間幅に変換する回路を追求していたのが、ディジタル計器であろう。「誰でもそつた。その中からデュアル・スロープ方式が生まれなく素早く読める」がディジタルなのだが、測定たようである。

しようとする電圧が変化しているときは、数字がアナログ・テスターとディジタル・テス
ターの差は次々にかわり、人の目にはその変化がとても読みとれないことがある。アナログが有利な点は、全体のようすが一目で分かることにある。

読者はアナログ指針型と、ディジタル数字で表もう一つ重要なことを記そう。ディジタル計器

示するディジタル計器の差をどう考えるのだろう

では数字で測定値が読めるから、その値は真に正か。桁数の多い数字表示ができるディジタル計器しいと思ってしまいがちである。しかし、じつはの特徴は、測定精度が高いことだと思いがちだが、A ／ D コンバータにも変換誤差があり、変換の基私はむしろ測定に要する時間の差に特徴があると準となる内部の基準電圧も長い間には変化するこ考えている。単に直流の電圧を高精度で測定するとがある。測定器である以上、スペックにもには、精度の高い電位差計（ポテンショメータ）［・・・・・％］± 1 ビットと書かれているようと高感度のガルバノメータとを用意できれば、実に、表示された数字の値にも誤差が含まれている験ベンチの上で４桁でも５桁でも高精度の測定がることを忘れてはならない。

できる。しかし、それには少なくとも 10 分近い時間がかかってしまう。それがディジタル電圧計
では瞬時である。
それにディジタル計器では自動レンジ切替が可能である。測定電圧の値に対応して自動的にレンジが選ばれ、４桁フルの表示で電圧が読める。ところが、アナログ指針型テスターでは、まずロー
Vol.48 No.9（2003 年 9 月号）

参 考 文 献１）W. H. Eccles, F. W. Jordan : A Method of Using
Two Triode Valves in Parallel for Generating
Oscillations , The Electrician, p. 299, Sep. 19,（1919）２）Rosewell W. Gilbert : Dual Slope A ― D Concept and
Early History, Landmarks in Metrogy ― ISA,
Proceedings, 17 ／ 20,（1983）75