改変版ＢＣＩ（ボックス・カー・インテグレータ）の製作
金野茂男
１．初めに繰り返しの微弱過渡現象等の信号を検出する素晴らしい測定器として、ボックス・カー・インテグレータ（Ｂｏｘ・Ｃａｒ・Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ＝ＢＣＩ）がある。著者は、マイクロチップ社のワンチップマイコンＰＩＣを応用し、自作したＢＣＩについての論文を 、 既 に 数 年 前 に 公 開 し て い る （ １ ）。 と こ ろ で 実 は 、 現 在 進 行 中 の 研 究 課 題 で 、 こ の Ｂ Ｃ
Ｉを使用する必要が生じた。このＢＣＩは、他の多くの著者の自作品と共に、退職時に研究室に残したままであった。が、後任の方が全て廃棄処分にしてしまったそうである。従って、必要に迫られ、２台目を複製することとした。しかし、複製において、進行中の研究で利用しやすいように、若干の改変を加えることにした。
本 論 文 に お い て 、今 回 複 製 し た Ｂ Ｃ Ｉ に つ い て 報 告 を す る 。論 文 上 で は 、記 述 の 都 合 上 、参考文献（１）で紹介していたＢＣＩを旧ＢＣＩ、今回複製したＢＣＩを新ＢＣＩと呼称する。参考文献（１）では、ＢＣＩについての一般的な概説、及び、旧ＢＣＩの製作内容に つ い て 、詳 細 に 記 述 を 行 っ て い る 。新 Ｂ Ｃ Ｉ は 旧 Ｂ Ｃ Ｉ の「 若 干 の 」改 変 版 で あ る の で 、本 論 文 で は 、Ｂ Ｃ Ｉ に 関 し て 詳 細 に 記 述 す る こ と を 繰 り 返 さ な い 。ま た 、本 論 文 の 体 裁 は 、旧ＢＣＩの論文の体裁を踏襲することにした。そして、本論文で記述する部分は、複製において変更した箇所に限定して記述することにした。従って、本論文を読み、十分な理解を得るためには、参考文献（１）をダウンロードして参照することが必須である。

２．ボックス・カー・インテグレータについて説明・解説は省略する。参考文献（１）を参照すること。

３．設計・製作
図１と図２に、新旧ＢＣＩのブロック図を示している。図３と図４には、新旧ＢＣＩの回路図を示している。
旧ＢＣＩでは、回路の主たる素子として、マイクロチップ社のＰＩＣ１８Ｆ４５２を使用していた。この素子は端子が４０ピンあり、多数のＩ／Ｏポートを持っている。更に、１０ビットのＡＤ変換器も内蔵している。しかし、このＡＤ変換器は残念ながら、正電圧しか処理できない。一般に処理すべき被検出信号には負電圧レベルもある。従って、クランプ回路（下駄電圧回路）を余分に付加することで、入力してくる±電圧信号を処理できるようにしていた。ところで、多機能を有している１８Ｆ４５２には、残念ながらＤＡ変換機能がない。そのため、Ｒ－２Ｒ式ＤＡ変換回路を自前で付加していた。
ＢＣＩは、一般に、単体として完結した単独の測定器とし、ユニバーサルの実験用ラックなどに取り付けられる仕様になっている。そのため、旧ＢＣＩは参考文献（１）から見てとれるように、回路自体は極めて小さく済んではいたが、ＢＣＩとしての一般使用を考慮 し 、大 き な シ ャ ー シ ケ ー ス に 収 め た 。ラ ッ ク 取 り 付 け 用 の シ ャ ー シ に 納 め た こ と 自 体 は 、それなりに有意義であった。
が、ＢＣＩ回路自体を、極めて小型にすることができ、かつ、製作費用を極めて安価とすることができていた。従って、新規開発中などにおける実験・測定システムで、ＢＣＩを使用する予定があるならば、このＢＣＩ自体を、それほど苦労することなく他の装置内部に納めることもできよう。そうすれば、システム全体の大きさを小さくすることができるし、そのシステム専用のＢＣＩとして使用できることにもなる。
旧ＢＣＩの複製品を製作するにおいて、以上のことなどを考慮し、旧ＢＣＩに若干の変更を加えた新ＢＣＩを作成した。変更点の主な点は以下の通りである。
（１）開発に取りかかった研究課題の遂行上で、製作する他のハードシステム内に納まる形態とするとともに、より簡易・小型・安価なものとする。
（２）サンプル＆ホールド素子の使用。
新 Ｂ Ｃ Ｉ で は 、サ ン プ ル ＆ ホ ー ル ド 素 子 を 使 用 す る こ と に し た 。新 た な 素 子 が 増 え る が 、これにより、クランプ回路、及びＤＡ変換回路は不必要となる。回路的に、より簡素とな-1-

る。又、使用するＳ＆Ｈ（サンプル＆ホールド）素子の性能にもよるが、ＰＩＣ内蔵のＡＤ変換器を使用しないでので、旧ＢＣＩより周波数特性の改善が期待できる。
（３）端子数の少ないＰＩＣの使用。
ＤＡ変換回路を省略できるので、必要なＩ／Ｏポート数が激減する。それなので、４０ピンのＰＩＣ１８Ｆ４５２から２８ピンのＰＩＣ１８Ｆ２５２に素子を変換する。これにより、基板上に鎮座するＰＩＣ自体の大きさも半減する。この２つのＰＩＣはＰＩＣ１８Ｆ Ｘ Ｘ ２ シ リ ー ズ に 属 し て い る 。Ｉ ／ Ｏ 端 子 数 の 違 い 、メ モ リ 容 量 の 違 い 等 が あ る が 、「本質 的 」に 互 換 品 で あ る の で 、ア セ ン ブ ラ プ ロ グ ラ ム に 大 き な 変 更 を 必 要 と し な い 。従 っ て 、
旧ＢＣＩで使用しているアセンブラプログラムを、そのまま利用できる。但し、利用してい る Ｉ ／ Ｏ ポ ー ト 端 子 を 変 更 し て い る 場 合 に は 、そ れ に 注 意 す る 必 要 が あ る く ら い で あ る 。
新 Ｂ Ｃ Ｉ で は 、Ｐ Ｉ Ｃ 内 蔵 の Ａ Ｄ 変 換 器 を 使 用 し な い 。従 っ て 、ア セ ン ブ ラ 中 に お い て 、ＡＤ変換に関する実行文は省略できる。又、ＤＡ変換回路も使用しないので、アセンブラ中におけるその部分の実行文も省略できる．これらにより、プログラムの実行速度が速くなり、より周波数の高い被測定信号も取り扱えるようになろう。つまり、新ＢＣＩにおいては周波数特性の改善が期待できる。
（４）回路に必要な±電源電圧の供給方法
旧ＢＣＩでは、回路に必要な電源電圧を、３端子レギュレータ７８０５でロジック用＋５Ｖ，３端子可変レギュレータＬＭ３１７でアナログ用＋６Ｖを、ＤＣ／ＤＣ変換器ＩＣであるＭＡＸ６３５でアナログ用－６Ｖを供給していた。新ＢＣＩでは、±電圧を出力できる新しいＤＣ／ＤＣ変換器ＭＣＷ０３－０５Ｄ０５を使用することにした。この変換器は、入力電圧が１つの正電圧で、±５Ｖの電圧を出力する、便利なものである。この素子の採用により、電源回路部分は極めて簡素になる。ただ、この素子はＤＣ／ＤＣ変換器なので、内部でスイッチング動作をしているはずであり、それによるノイズの程度、及び、
本回路ではロジック電源とアナログ電源を共通とするので、ロジック回路で発生するノイズによる影響に不安があるが。しかし、ノイズが気になるようならば、その時点で対応することとした。
（５）旧ＢＣＩでは、シャーシの正面パネルに取り付けていた、Ａｍｐ用可変抵抗は基板上に取り付けられる小さな１０回転トリマー可変抵抗とした。全体をより小型にするために。
（６）積分回路部で、時定数を決めているコンデンサは、旧ＢＣＩでは、多段のロータリースイッチを用い、シャーシパネルの正面パネルに取り付けていた。新ＢＣＩでは、前記の（５）で記述しているように、増幅用の可変抵抗を基板用の小さなものとした。そうすると、ここで、多段の大きなロータリースイッチを用いるは、場違いとなろう。基板上に端子をもうけて、必要な容量のコンデンサを差し込む方法とした。これらにより、ＢＣＩ全体を大幅に小型とすることができた。

ＬＦ３９８Ｎ

ＴＰ１
信号入力

増幅

［－５．０Ｖ～＋５．０Ｖ］

トリガ入力

トリガーパルス

ＰＩＣ１８Ｆ２５２ＴＰ７ＴＰ６クロスキー

図１

積分ＴＰ２

パルスストレッチャーコンパレータ

ＴＰ４ＴＰ３

サンプル＆ホールド素子

新ＢＣＩのブロック図。

-2-ＬＣＤ

ゲートパルス
ＴＰ５ モニター

出力増幅モニターＴＰ１
信号入力＋２．５Ｖの増幅

ＴＰ４
ＰＩＣ１８Ｆ４５２オフセット
ＴＰ２［０Ｖ～５Ｖ］

トリガーパルス［－２．５Ｖ～＋２．５Ｖ］

ゲートモニター

ＴＰ７ＴＰ８クロスキー

ＴＰ５コンパレータ

図２

ＬＣＤ－２．５Ｖの

出力
積分

オフセット
ＴＰ６

トリガ入力

Ｒ－２Ｒ式
［０Ｖ～５Ｖ］
ＤＡ変換［－２．５Ｖ～＋２．５Ｖ］

パルスストレッチャー

旧ＢＣＩのブロック図。参考文献（１）より。

写真１

新ＢＣＩの外観。調整中での一様。

-3-Ｍ

図３

新ＢＣＩの回路-4-12MCW03-05D05

87ＤＣ／ＤＣ変換素子 6－５Ｖ＋5V

2.2k

トリガー入力＋5V2203220

SC18152.2k

121k5k

TP6切替ＳＷ

Ｈ／Ｌ600p4left

74HC0411109810k*5

クロスキーdownenterup

TP71M1μ＋5V

325k－５Ｖ1k567TP232 35

8＋５Ｖ

100kVR

11LF4124 TP11バッファright

PIC18F452＋5VRB43733 RB0RB538
RB639RB7VSS
40
OSC1OSC2 VSS
13 14 12 31
10M

7341k

561k

4482kVR

500

5555

モニター

0.01μの矩形波

3約100kHz

6 TP8

出力＋5V

12674k＋5V
ベースクロック

TP478＋５Ｖ

積分

7 8 9 10 1112 13 144 5 62DB1 DB3 DB5 DB7R/W Vdd
DB0 DB2 DB4 DB6RS EV0 3SC2004CS*B
1Vss
２０文字×４行ＬＣＤ

RB1
RC1 RC3 RC5 RC7RA3 RA5
RC0 RC2 RC4 RC615 16 171823 24 25 26 5 34 7

RA2

T0CKI/RA40V

Gate Out＋5V

LF412

TP31－５Ｖ

36
RB3

TP50.01μ624
LF398Nバッファ
15－5V＋5V
サンプル
0.8μs
0V ホールド

83＋5V

Fosc=40MHz (PLL ４倍発振)

VDD VDD RB2
1
1.5μs
MCLR
Trigger In 3RA1

被測定信号入力

パルスストレッチャー

注釈 前の回路との相違点（１）±電源は、単入力→ダブル出力の専用ＩＣを使ってみる（２）サンプル＆ホールド素子を用いてみる。

＋5V

増幅

サンプル＆ホールド

1000p

4k図４旧ＢＣＩの回路図。参考文献（１）より。

４．アセンブラプログラム関係
新旧のアセンブラプログラムのフローチャートを図５，図６に示している。新ＢＣＩのＰＩＣ１８Ｆ２５２に書き込んだアセンブラプログラムは、ほぼ、旧ＢＣＩのＰＩＣ１８Ｆ ４ ５ ２ に 書 き 込 ん だ ア セ ン ブ ラ プ ロ グ ラ ム と 同 じ で あ る 。変 更 点 は 大 凡 以 下 の 点 で あ る 。

（１）新ＢＣＩでは使用するＩ／Ｏポート数は、旧ＢＣＩでの使用数より少なくなってい-5-TP112

2.2k

トリガー入力＋5V

切替ＳＷ

4558

422010k

1k

1300p
109-6V

TP2

78

left

TP6right

Trigger In

5k

7 TP4＋5V

4831RA1MCLRTP10132

22

67＋5V10M

32AN0/RA0Signal In

58555VDD VDD

110.01μ34RB43733 RB0RB538RB639RB7VSS40
OSC1OSC2 VSS
1314 12 31

約100kHz+6V-6V

4.5k*5

クロススイッチ

down

enter

10k

5 4558

6TP51矩形波出力増幅モニター出力

4558

10k

1.2μs

32up

10kVR

10k

10k

10k

TP3-2.5Vに設定

4558

Ｈ／Ｌ

56切替ＳＷ
TP51k

74HC04

11TP11SC1815

2.2k

1M

32パルスストレッチャー

3220

0.1μＤＣ／ＡＣ

信号入力＋２．５Ｖ」「－２．５Ｖ～

5M
2M
1M
500k
200k
100k
50k
20k
10k
5k
2k
1k

6RB336RA24C

48-6V

２０文字×４行

R/WRS E4 5SC2004CS*B

7 8 9 10 11 12 13 14
DB1 DB3 DB5 DB7
DB0 DB2 DB4 DB662.2k

1M

2Vss 1

V0 3VddRE2TP８7RB1
RC1 RC3 RC5 RC7RA3 RA5
RC0 RC2 RC4 RC6
5 34 715 16 17 18 23 24 25 26

Fosc=40MHz (PLL ４倍発振)

PIC18F452

5+6V
610kLM358

Gate Out-2.5Vに設定

10kVR

10k

10k＋5V

T0CKI/RA4-6V

1LM358

1000p

4k

4k

RE13292R

2R

LM358

1M

2kVR

RE0 830 2R
RD729 2R
RD628 2R
RD527 2R
RD422 2R
RD321 2R
RD220 2R
RD1
19 2R
RD0

外付けＣ
68p
220p
680p
2200p
6800p
0.022μ0.068μ
0.22μ
0.68μ
2.2μ
6.8μ

TP92R=4k

R=2k

R

R

RRR

R

R

TP7R＋5V

1出力る。回路図である図３と図４を対比すれば、分かろう。又若干のＩ／Ｏポートなどの使用変更もある。
（２）新ＢＣＩでは、旧ＢＣＩで使用していたＡＤ変換機能と、ＤＡ変換回路へのデータの出力がない。それらの処理に関する箇所のアセンブラプログラムはジャンプ命令を付加することで、飛ばしている。削除しても良いのであるが、後々のことを考えて、残している。

開始

ＬＣＤに初期画面表示
分解能の選択トリガーパルス入力認識の順次遅延
Ｓ＆Ｈ素子へ制御パルスの出力
Ｓ＆Ｈ素子以降の処理

Ｂ端子における割り込みを可とする

割り込み無し割り込み有り積分

この間で常にセンターキーをモニターさせておき、ゲートパルス押されたら、ゲートパルス送り停止。

遅延ゲートパルス形成

再度センターキーが押されたら、ゲートパルス送り再開

タイマー０による測定を終了し、初期画面表示表示し、選択させる

遅延時間設定画面を再表示

遅延時間設定画面を出力

図５ 新ＢＣＩのアセンブラプログラムのフローチャート。赤色部分は、ＰＩＣから離れ、Ｓ＆Ｈ素子以降の処理過程である。

-6-

開始

ＬＣＤに初期画面表示
分解能の選択トリガーパルス入力認識

ゲートパルスの順次遅延
遅延時間に応じてのＡＤ変換（信号のサンプリング）

ＤＡ変換 ポートＢでの割り割り込み無し

込みを可とする
割り込み有り積分

この間で常にセンターキーをモニターさせておき、押されたら、ゲートパルス送り停止。

遅延ゲートパルス形成

再度センターキーが押されたら、ゲートパルス送り再開

タイマー０による測定を終了し、初期画面表示表示し、選択させる

遅延時間設定画面を再表示

遅延時間設定画面を出力

図６ 旧ＢＣＩのアセンブラプログラムのフローチャート。赤色部分は、ＰＩＣから離れ、Ｓ＆Ｈ素子以降の処理過程である。

５．使用方法新ＢＣＩの使用方法は、旧ＢＣＩの使用方法と全く同じである。完成した新ＢＣＩの外観写真を写真１に示している。ページに余白があったので、３ページ目に掲載している。

６．デモ実験「ＬＣ回路の共振周波数の測定」
旧ＢＣＩの論文で紹介している、過渡現象は発現するＬＣ共振回路も復元し、旧ＢＣＩと同じデモ実験も行った。実験内容と、その結果は、ほぼ旧ＢＣＩのデモ実験と同じである。説明・解説は省略する。

７．性能仕様旧ＢＣＩとほぼ同じ。
-7-

８．終わりに気がついた点についていくつかを書き残す。
（１）信号増幅用の１００ｋΩＶＲは基板上に取り付けられる、１０回転の小さいトリマー可変抵抗としている。時計ドライバーなどで頭を回すこととなる。この抵抗は、測定において、一番調整が必要な部品である。これでは不便と思うならば、参考文献（１）のように、通常の手の指で回せる可変抵抗にしても良いであろう。基板からトリマー可変抵抗を取り外し、配線を取り付けて、その先に、希望する可変抵抗を取り付ければ良い。１００ｋΩと限る必要は全くない。又、可変抵抗の取り付け場所はそれぞれであろう。
（２）積分時定数を決めてくれるコンデンサーは、希望する容量のコンデンサに差し替えを行うようになっている。この積分時定数の設定も結構、測定時には、調整する必要がある。この箇所に、参考文献（１）のように、コンデンサ群を取り付けた多段のロータリースイッチを取り付けるのも良い。或いは、基板上に多段のディップスイッチを取り付けるのも良い。

参考文献（ １ ）「 繰 り 返 し の 微 弱 過 渡 現 象 信 号 の 測 定 器 （ い わ ゆ る ボ ッ ク ス ・ カ ー ・ イ ン テ グ レ ー
タ の 自 作 」、 金 野 茂 男 、 本 沢 上 、 小 山 高 専 電 子 制 御 工 学 科 、 ２ ０ １ １ 年 ６ 月 著 者 研 究 室 のホ ー ム ペ ー ジ で 公 開 済 み 、 現 在 は Ｕ Ｒ Ｌ http://kinno-homepage.sakura.ne.jp で 公 開 済 み 。
２０１４年１０月-8-