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、本澤上
１．始めに電子・電気現象のみならず、自然界の物理現象には、数多くの過渡現象が現れる。その現象は数秒以上続くこともあるし、数ｍ秒、或は数μ秒以下の瞬時に終わる場合もある。このような過渡現象信号を測定しなければならないことが、研究・開発部門において良くある。
過渡現象信号を測定する場合に、一番使用される測定装置はオシロスコープである。ＣＲＴ（最近ではＬＣＤ）画面に、その過渡現象波形をトレースさせて観察する。この画面から、肉眼で、直接に過渡現象の物理量を測定しても良いが、正確な測定データとする、又は、詳細な解析をするためには、この画面をカメラで接写し、紙に印刷することが必要である。
測定したい過渡現象波形に、雑音が全く含まれていない場合には、オシロスコープ使用での測定で十分であろう。が、測定したい過渡現象信号に、雑音が混入している場合には、オシロスコープでの測定は全く不可能となってしまう。過渡現象波形の測定においては、信号成分がばらついたり、更には、雑音が混入している場合が多い。このような場合の測定においては、データを平滑し、雑音を除去する能力のある測定装置が必要となる。このような機能を有している測定装置の１つに「ボックス・カー・インテグレータ（Ｂｏｘ・Ｃａｒ・Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ＝ＢＣＩ）」があり、何社かの特定メーカーから販売されている。非常に高性能であるが、価格が極めて高い。現在では、安くても、オプションまで入れれば、２００万円〜３００万円以上するようである。因みに今回紹介するＢＣＩの製作実費はザッと見積もって１万円程度である。２万円を超えることはない。本論文を参考とすれば、電子工作の初心者の読者でも、部品が準備できれば、２日〜３日以内で複製製作することが出来よう。性能及び仕様は本論文に記載するが、高性能とは言えないが、十分にＢＣＩとして機能する。
過去の装置では（信号／雑音）比が１／１００００以下までの雑音除去性能を示しており、今回の装置もその程度以上の性能を有している。
本論文では、メーカーほどの高性能、高機能は持っていないが、十分にＢＣＩとして機能する繰り返しの微弱信号測定装置を自作したことを報告する。以降で、ＢＣＩの概説、自前での設計・製作、使用方法、試験測定、デモ実験、仕様の順で解説を進めていく。実は、本研究室では、大分昔（凡そ２０年も前）に、ＢＣＩを２種製作している （１）、（２）。その内の１台は、第５学年の学生実験の１テー
マ「ボックス・カー・インテグレータを用いた過渡現象波形の測定」に使用し、現在でも現役である。
もう１台は、周波数特性を向上させ、かつ測定チャンネル数を２つとしたものである。最近動かしてみたが、現役である。
本論文では主に今回製作した３種目のＢＣＩを紹介するが、説明の都合上、過去のＢＣＩの例も用いて、説明をすることが多い。完成した新ＢＣＩの外観を写真１に、写真２には、シャーシ内部の様子を示している。写真３，４で、２つの基板の詳細がわかろう。ケース内部はガラガラである。小さいシャーシに納めても良かったのであるが、ＢＣＩの使用においては、オシロスコープ、その他の機器の使用が必須である。これらの事情を考え、ラックに取り付けられるシャーシケースに収めることとした。

写真１

新ＢＣＩの外観-1-写真２

写真３

上部から見たシャーシ内部

シャーシ内部の主回路基板

写真４

シャーシ内部の電源基板

２．ボックス・カー・インテグレータ−について
この奇妙な名前の由来は、ＢＣＩの動作、及び調整用のモニターとして必須のオシロスコープの画面中で、被測定信号のサンプリング位置を表示している矩形波（＝箱状＝ボックス）が、車（＝カー）の様に、画面上を動くことから来ている。いわゆる愛称である。最後の単語のインテグレータは、サンプリングして得られた信号成分を時間平均し、ノイズによる信号のバラツキを除去するという意味
での積分（＝インテグラル）機能も備わった装置であることを意味している。
ただ、ＢＣＩの欠点の１つは、雑音の混入した単発の過渡現象波形は測定できない点である。過渡現象信号は周期的である必要はないが、繰り返しであることが必要である。ＢＣＩに入力した雑音を含んだ過渡現象信号を繰り返し、繰り返しサンプリングし、その過程で、雑音を除去し、信号成分だけを抽出する必要があるからである。
ＢＣＩは、過渡現象の信号波形に対して、サンプリング用ゲート信号を、時間軸で移動操作することで、信号電圧波形を時間軸を動かしながら、サンプリングして、ペンレコーダーなどの記録装置に出力する。図１に、ＢＣＩの基本ブロック図の１例を示している。なを、類似の図は、参考文献（１）に掲載している。ある現象を、何らかの基準トリガ信号で繰り返し発現させ、その発現現象の電圧信号をＢＣＩの入力信号とする。この信号を適当に増幅（或は減衰）したのち、サンプル・アンド・ホールド（Ｓ＆Ｈ）回路に入れる。このＳ＆Ｈ回路で、信号は、基準トリガパルスによって形成されたゲート信号に従って、信号の特定時間遅れ位置の電圧成分が抽出（サンプリング）され、かつ、その-2-抽出した電圧値は保持（ホールド）される。ホールドされたデータは、次の積分回路に送られる。この積分回路により、抽出した信号成分は積分操作（インテグレータ）で、余分な雑音成分の除去が行われて、最終的に出力される。この積分回路の機能は、交流から直流を作るときの、リップルを除去する際の整流回路と等価なものと見なしても良い。ゲート信号を、順次時間送りすれば、現象波形をゆっくりとサンプリングすることとなる。得られた出力電圧をチャート紙などに出力することが出来ることとなる。
ＢＣＩで、過渡現象を測定する場合には、一般的には、上述したように、その過渡現象を、ある特定のトリガ・パルスで制御する。つまりそのトリガー・パルスが加わった瞬間毎に過渡現象を発生させるなど。このトリガー・パルスは、ＢＣＩの重要なキー（基本）・トリガー・パルスともなる。入力したトリガー・パルスを用いて、ＢＣＩ中のＳ＆Ｈ回路用のゲート信号を制御する。図１のブロック図では、その制御の仕方として、キー・トリガー・パルスに対して、ゲート信号の時間遅延を手動でする方法と、自動でする方法の２通りの方法を採用している。自動遅延回路ではゲート信号は時間とともに自動で動いていく。
ＢＣＩ
メイン回路
信号入力

増幅

現象発現

Ｓ＆Ｈ

積分出力

ゲート信号

自動遅延
C h2

基本トリガパルス入力

手動遅延ゲートパルス
遅延回路

図１

モニター用

C h1

オシロ

E x t T ri g

ＢＣＩの基本ブロック図の１例

過渡現象発現部n0;]

ワンチップマイコン

積分部

出力.

ゲート信号
信号
モニター用
オシロスコープ
トリガ

図２

ワンチップマイコンを使用する今回のＢＣＩの基本ブロック図

３．ハード部の設計・製作
ワンチップマイコンを用いれば、ＢＣＩのハード回路は極めて単純化できるであろうことは、長年考えていたことである。が、使用中の自作ＢＣＩが全く故障することなく使用できていたこともあり、製作には至っていなかった。時間の余裕があった本年度の卒研生の１人に、「ワンチップマイコン使用のＢＣＩ」の製作を行ってもらった。が、３月１１日の東日本大震災の影響で、製作は中断し、そのまま卒業となってしまっていた。これを引き継いで、製作を続行することとした。
図２に、今回のＢＣＩの基本ブロック図を示している。ＢＣＩで複雑な回路部分はゲートパルス遅延回路部である。旧ＢＣＩではこの回路を、数十ものデジタルＩＣを使用して組み上げていた。今回は、この部分を１個のＩＣであるワンチップマイコンで置き換えることにした。使用するワンチップマイコンとして、マイクロチップ社のＰＩＣシリーズを使用する。
-3-増幅モニター

ＴＰ１
信号入力

ＴＰ４＋２．５Ｖの増幅［−２．５Ｖ〜

ゲートモニターＴＰ２Ｒ−２Ｒ式

ＰＩＣ１８Ｆ４５２オフセット

ＤＡ変換［０Ｖ〜５Ｖ］

ＴＰ７;]CﾚD^,＋２．５Ｖ］

ＴＰ８クロスキー

ＬＣＤ−２．５Ｖの［−２．５Ｖ〜

ＴＰ１０Ｖ

ＴＰ２０Ｖ

Ｍ

＋２．５Ｖ］

パルスストレッチャー

コンパレータ

出力
積分オフセット
ＴＰ６

ＴＰ５
トリガ入力

［０Ｖ〜５Ｖ］

サンプリング後（データの１例で示す）［−２．５Ｖ〜＋２．５Ｖ］

ホールドデータ
ＴＰ７ ０Ｖ−２．５Ｖのオフセット＋２．５Ｖのオフセット
ＴＰ８０Ｖ
平滑

［０Ｖ〜＋５Ｖ］
ＴＰ９ ０Ｖ
ＴＰ４０Ｖ

図３

今回のＢＣＩのより詳細なブロック図
ゲートパルス

遅延時間＝Δτ

この電圧値が保持・出力される
50ｲ

時間軸過渡現象電圧波形
サンプリング位置

図４

信号のサンプリング

図３に、今回のＢＣＩの、より詳細なブロック図を示している。使用するワンチップマイコンはＰ
ＩＣ１８Ｆ４５２である。このＰＩＣには１０ビットのＡＤ変換器が内蔵されている。前回では、専用のＳ＆Ｈ素子が必要であったが、今回では不用となる。前回では、ゲートパルスの遅延のために、２つのタイマーを多数のロジック素子の組み合わせで作り上げていたが、今回は、ＰＩＣに内蔵されている割り込み機能付きのタイマー機能を使用することとした。従って、タイマー関係のロジック素子は全く不用となった。極めて回路が単純化されることとなった。
図４に、今回のＢＣＩに入力してくる被測定信号（例として、ＬＣ共振減衰過渡現象波形を描いている）を、基準トリガーパルスに同期させてサンプリングしている様子を図解している。回路が完成すれば、この様子はモニター用に接続したオシロスコープで観察できる。基準トリガー信号で発現した過渡現象電圧波形がＢＣＩに入力し、ＰＩＣのＡＤ入力端子に入力する。同じく、基準トリガーパルスに同期して、ＢＣＩ内のＰＩＣが実行しているプログラムで、時間遅延させたゲートパルスが生成され、予定した時間遅延ΔτでＡＤ変換が行われ、電圧値はデジタルデータとして保持される。図-4-

中のサンプリング位置と矢印で示している箇所の波形の電圧値が保持されることになる。保持されたデータは外付けのＲ−２Ｒ方式ＤＡ変換回路でアナログ電圧に変換される。
今回のＢＣＩではゲートパルスはボックス型とはなっていない。井戸型ポテンシャルの形をしている。ボックス型とするには、現回路及びＰＩＣの使い方では更なる工夫が必要である。パルスの形だけの違いなので、ＢＣＩとしての性能には何らの劣りはない。当面この形でのゲートパルス波形としておくこととする。
ＰＩＣのＡＤ変換器への許容入力電圧範囲は「０．０Ｖ〜＋５．０Ｖ」。過渡現象に止まらず、多くの現象の電圧信号波形は、±に振れる。従って、本ＢＣＩへの許容入力電圧信号を「−２．５Ｖ〜＋２．５Ｖ」とする。信号電圧が、ＰＩＣのＡＤ変換器に入力する前に、＋２．５Ｖのオフセットを印加し、「０．０Ｖ〜＋５．０Ｖ」としてから、ＰＩＣのＡＤ変換器に入力させる。が、後掲の図６の回路図から読み取れるように、オフセット電圧を与える反転加算回路の前で、反転増幅回路で信号が反転されているので、現回路では、−２．５Ｖのオフセット電圧を設定するようになっていることに注意。信号のサンプリング結果は、デジタルデータとなっているので、Ｒ−２Ｒ方式のＤＡ変換器で、再びアナログ電圧に変換する。この電圧範囲は「０．０Ｖ〜＋５．０Ｖ」にあるので、入力信号電圧と一致させるために、今度は、このアナログ電圧に、−２．５Ｖのオフセットを加え、「−２．
５Ｖ〜＋２．５Ｖ」の範囲の信号とする。これで入力信号電圧と出力信号電圧が合致することになる。
ＰＩＣには、ＬＣＤ，クロスキーを接続し、メニュー方式で測定条件などを設定できるようにもする。
ＢＣＩを使用するにおいて、何らかの基準トリガー源が必要である。このトリガー源からのトリガーパルスで、現象発現部とＢＣＩを、同時に駆動する。基準トリガー源が出力する電圧波形は各種形態が考えられる。ＢＣＩとしてのトリガーパルスは、タイミングパルスとして使用するので、幅の狭い矩形パルスが望まれる。基準トリガー源からのパルスを、コンパレータ回路とパルスストレッチャー回路で、波形整形をして、これを実現し、ＰＩＣに入力させ、ＰＩＣにおいてタイミングパルスとして使用する。
これらのブロック図に基づき、何回かの試作を経て完成した回路を図６に示している。先のＢＣＩ
ではゲートパルスの手動遅延回路を付加したが、今回は、この回路は削除することとした。現回路ではＰＩＣはゲートパルスの自動遅延に威力を発揮するが、手動遅延での使用は少し苦手であること。
実際の測定においては、前回のＢＣＩでもそうだが、自動遅延モードでゲートの遅延を行う。手動遅延では、ゲートパルスを、つまみを動かすことで自在に動かせるので、デモ用としては結構なモードであった。従って、今後、手動モードを付加するかも知れない。
トリガ入力段に、２段のスイッチング回路を用い、トリガを波形整形し、かつ、必要に応じて、パルスのアップ、ダウンを選択できるようにしている。７４ＨＣ０４を用いたパルスストストレッチャー回路で、パルス幅が約１．２μ秒幅のパルスとしている。なを、余談になるかも知れないが、当初、入力段のＯＰアンプとして、ナショナルセミコンダクタ社のＬＭ３５８を用いていた。が、エミッタフォロアからの出力電圧波形に寄生分が混入し、どうしても消せなかった。４５５８に交換したら消えてくれた。ＬＭ３５８はエミッタフォロアとしての使用には不向きなようである。ＡＣ／ＤＣ選択スイッチで入力モードの切替が出来るようにしている。また必要に応じて増幅も行える。積分回路では、多段のロータリスイッチで、時定数を切り替えることも出来る。
２０文字×４行のＬＣＤ（ＳＣ２００４ＣＳ＊Ｂ）を使用し、クロスキーと併用し、メニュー方式で、処理を行えるようにしている。ＬＣＤ画面の内容は「第５節 使用方法」で解説する。
図５に、本ＢＣＩの電源部の回路を示している。ありふれたＡＣ／ＤＣアダプタ（ＡＣ１００Ｖ、ＤＣ８．０Ｖ、０．５５Ａ）で、ＡＣ１００Ｖ電源から、簡単に８Ｖの直流を得ることが出来る。回路に必要な電圧は、ロジック用の＋５Ｖ、アナログ回路用の±６Ｖである。＋５Ｖと＋６Ｖは３端子レギュレータで供給する。−６ＶはＤＣ／ＤＣ変換器のＭＡＸ６３５を使用して供給する。消費電流は、＋５Ｖのロジック電源は０．０８Ａ、ＯＰアンプ用の電源の消費電流は、±６Ｖ共に０．０１Ａである。

ＡＣ／ＤＣ50μアダプター
AC100V

0.1μ+5V

0.1μin 7805 outcom

ロジック回路電源

8.0V,0.55A
1k50μLM317
Vin0.1μＯＰアンプ電源
+6.0V

Vout
1μ

Adj

50μ2401kVR

図５電源部の回路図-5-1MVR
6+VsVFB

ＯＰアンプ電源-6.0V

8MAX635

10k

LBI
Vref-Vout Gnd Lx 7
1 3 4 50.4μ50μ470μ図６

今回製作したＢＣＩの回路図

タイマー０のクロックパルスとして、ＰＩＣの内部クロックを使用する場合（クロック周波数は４０ＭＨｚ／４＝１０ＭＨｚ、時間幅０．１μｓ）と、外部発振器を使用する場合（ＮＥ５５５を使用し発振周波数は１００ｋＨｚ、時間幅１０μｓ）を選択できる。ＢＣＩをオンとしたのち後、ＬＣＤの初期画面で選択ができる。内部クロックの場合はＨｉｇｈを、外部クロックの場合はＬｏｗを選択する。時間変化の速い信号を測定する場合にはＨｉｇｈを、遅い信号の場合にはＬｏｗ選択すれば良いであろうが、場合によりけりである。何回か試して最良の法を選ぶことになろう。
外部発振器は、現回路では１００ｋＨｚで発信させている。変更が必要ならば、ＮＥ５５５の外付けのコンデンサか、抵抗を変えれば良いであろう。
-6-

４．アセンブラプログラム関係
ＰＩＣ１８Ｆ４５２のためのアセンブラプログラムの開発環境を表１に示している。書き上げたアセンブラプログラムのフローチャートを図７に示している。ＰＩＣに関する著者の今までの論文と同様に、アセンブラプログラム中には、注釈を多用して、プログラムの理解が行くように努めている。
添付のアセンブラプログラムと、図７のフローチャートを対照すれば、理解が進むと思う。そして、フローチャート、及びアセンブラプログラムが理解できれば、アセンブラプログラムの変更・修正、のみならずハード部も、フローチャートも変更・修正は容易となろう。自己バージョンのＢＣＩを製作できよう。それを期待している。
ライター
ドライバーソフト
ホストパソコンＯＳ
表１

マイクロチップ社純正ＰＩＣＳＴＡＲＴＭＰＬＡＢ ＩＤＥ ｖ８．５３
ＤＥＬＬ
ＯＰＴＩＰＬＥＸ ７５５
Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ

Ｐｌｕｓ

アセンブラプログラムの開発環境

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

遅延時間に応じての割り込み無し

込みを可とする
割り込み有り
積分

c4?

出力

図７

アセンブラプログラムのフローチャート-7-[Cｭ

ＤＡ変換 ポートＢでの割り

ﾐ ﾚCｬ%Cﾚ;D^,1M

ＡＤ変換（信号のサンプリング）.f2CﾚCﾚ U>2Cﾚﾐﾖ ﾅﾈCｬの順次遅延

ﾎ4F

ゲートパルスﾐ ﾚCｬ%Cﾚ;D^,1M

遅延ゲートパルス形成

c2.f2CﾚCﾚﾇ

タイマー０によるo&ｳLﾒCｬﾋｼ!ｹ5Y‑+$

表示し、選択させる

1 g(4F.3o!ｹ5Y c‑+$

遅延時間設定画面を

５．使用方法
本ＢＣＩを複製製作した後、ＢＣＩの正常動作及び使用方法を習得するためには、必ずしも過渡現象発現装置は必要としない。通常の発振器で代用できる。従って、図８で示している測定システムを構築することを勧める。普通の発振器１台で、トリガー源部と過渡現象発現部を併用させる。が、発振器からの出力波形は正弦波が無難である。発振周波数は１ｋＨｚ当たり、出力電圧は±１Ｖ当たりで良いであろう。レコーダーがなければ、電圧計、或は、テスターなどで代用すればよい。
まず最初に、ＢＣＩ単体だけで、オフセット電圧の調整を２箇所で行う必要があるＢＣＩの電源をオンとする。図６の回路で、信号入力端子をアースに落とす。つまり入力電圧を０Ｖとする。オシロ
スコープ等でＴＰ４をモニターし、＋２．５Ｖとなるように、１０ｋΩＶＲを調整する。次に、ＴＰ７端子をアースに落とす。ＴＰ８端子をモニターし、−２．５Ｖとなるように、１０ｋΩＶＲを調整する。これら２つのＶＲの調整は１度行えばよい。
（１）図８のシステムを組み上げた後、発振器、オシロスコープ、ＢＣＩの電源をオンとすると、Ｌ
ＣＤ画面上に、図９に示している①初期画面が表示される。タイトル画面である。ＰＩＣのプログラ
ムは正常に実行されていることを示している。この画面で、時間分解能を選択できる。高分解能を選択するならばＨｉｇｈを、低分解能を選択するならばＬｏｗを選択する。今の練習の場合は、Ｈｉｇｈを選択する。

モニター用

EXT TRI

オシロスコープ

発振器

CH1

CH2

AMP

GATE

INPUT

本ＢＣＩ

TRIGGER

図８

OUTPUT

レコーダー

本ＢＣＩの正常動作及び使用方法を理解するための簡易システム

Golden Labo
① 初期画面②Selection Resolution
High

Push C Key

Low

Push D Key

遅延度

Prescale Value Set■64 128 256 512 1k

選択画面

2k 4k 8k 16k 32k

終了したければ、電源を切ればよい

Push U D R L last C■Start③測定決定画面DV= 8k
Push Center Key

Reset Value

Center Key ならば、（４）に行き、実行
Up Key ならば、（２）に戻す

Push Up Key■Execute / Pause
④ 実行中
画面

Change Push C KeyResetPush U KeyEnd

Push D Key

Center Key で、ゲートパルス送りを停止／再送する
クロスキーでの割り込み可としておく
Resete ならば、（２）に戻す
End ならば、（１）に戻す

図８ＬＣＤ画面-8-（２）クロスキーのセンターキーを押すと、②遅延度選択画面が表示される。トリガーパルスが入力する毎に、ＡＤ変換を行わせるタイミングパルスであるゲートパルスを、どの程度の速さで遅らせるかを設定する画面である。数値は倍々となっている。倍にする毎に、ゲートパルスの送りは倍だけ遅くなる。数値は相対数値と理解しておけばよい。当初のお勧めは、４ｋ〜１６ｋの当たりである。クロスキーのアップ、ダウン、ライト、レフトキーを押して希望の数値の前にブリンクしているカーソルを移動させ、センターキーを押せば、その数値が選択され、ＬＣＤ画面は③測定決定画面となる。
（３）希望するメニューに従って、キーを押せばよい。センターキーを押すと、ＬＣＤ画面は④実行中画面に切り替わると同時に、測定が開始される。
（４）後は希望に添うメニューに従って、キーを押せばよい。センターキーを押すと、ゲートパルス送りが停止し、Ｐａｕｓｅ状態となる。再度センターキーを押すと、ゲートパルス送りが再開され、Ｅｘｅｃｕｔｅ状態となる。アップキーを押すと②の遅延度選択画面に戻る。ダウンキーを押すと①の初期画面に戻る。測定などを終了したければ、ＢＣＩの電源スイッチをオフとすればよい。
練習用信号として、１ｋＨｚの正弦波を用い、分解能をＨｉｇｈ，遅延度を８ｋとしたときの、オシロスコープの画面を写真５に示している。サイン波形が入力信号のモニター波形、矩形波がゲート信号のモニター波形である。この矩形波形は時間と共に動いていく。図９が、ペンレコーダーへの出力結果である。入力信号が赤色のサイン曲線として描かれている。

写真５

オシロの画面。 約１ｋＨｚの正弦波をサンプリングしている

図９ペンレコーダへの出力波形。
横軸が時間軸、縦軸が電圧軸

図６の回路図の最終段に、多数のコンデンサが連結されている多段ロータリースイッチがある。このコンデンサは積分時定数設定用である。出力波形中に含まれるノイズの程度、ゲートパルスの送り速度、の双方を見ながら、適値に設定すればよい。電圧計メーターは今の所付けていない。無くても良いので。
６．デモ実験 「ＬＣ回路の共振周波数の測定」
以下に、著者の学科で、５年工学実験の一テーマ「ボックス・カー・インテグレータを用いた過渡現象波形の測定」として行っている実験内容を簡潔に紹介しておく。その為に必要な、ＬＣ共振発生回路と、トリガーパルス発生回路については、参考資料として、１０．付録に回路図と共に、ハード部の外様・内様の写真を掲載して置く。
電磁気学で、図１０に示されているようなＬＣ回路の共振現象特性を学習している。スイッチを左側にしてコンデンサーＣを充電した後、スイッチを右側にすると、コンデンサーに蓄えられた電荷はコイルＬを通じて放電される。が、コイルのインダクタンスのため逆電圧が発生し、共振現象を起こす。理論計算から得られるこのＬＣ共振回路の共振周波数ｆ０を与える公式はｆ０＝１／（２π（Ｌ・Ｃ）１／２）である。実回路においては、抵抗分があるので、共振電圧波形は減衰型となる。ＢＣＩの適用例として、このＬＣ回路の発振共振曲線を計測し、その曲線から共振周波数等を求めてみる。
-9-

図１１に示している測定回路を組み立てる。ＬＣサーキット（ＬＣ共振回路）、トリガパルスジェネレータがなければ、付録を参考にして製作すること。難しいことはない。

スイッチ

E

図１０

C

L

過渡現象を発現させるＬＣ共振回路
Ext T ri g In
オシロスコープ
C h1

C h2

Gate Mo ni

トリガパルスジェネレータOut

A m p Mo n i

ＢＣＩ
I npu tTri gOutInレコーダ

I n p u t S ig n a lOu t
ＬＣGate Pulse In

サーキット

図１１

測定回路

以下に、本実験で見られるオシロスコープ画面と、ペンレコーダ上のグラフの写真を示しておく。
なを、ＬＣ共振回路で使用したコンデンサとコイルの値はＣ＝０．１５μＦ、Ｌ＝０．４８ｍＨである。共振周波数ｆ０≒２０ｋＨｚ。

写真６

オシロの画面。共振減衰波形とゲートパルス波形が表示されている。

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図１２

ペンレコーダへの出力波形
横軸が時間軸、縦軸が電圧軸

７．性能仕様
以下に簡単に本ＢＣＩの仕様を列記しておく。
サンプリング時間幅
許容入力電圧振幅
トリガーパルス入力電圧
出力信号
その他

狭０．１μｓ広 １０μｓ
−２．５Ｖ〜＋２．５Ｖ
１．５Ｖ〜２０Ｖ−２．５Ｖ〜＋２．５Ｖ
省略

８．終わりに
非常に簡単な回路でＢＣＩを製作することができた。が、これは第１号としておこう。色々な不具合があるように思える。以下に思う点を列記しよう。
（１）本装置の使用で、レコーダーに出力された波形の時間スケールを素直に決めることができない。
レコーダーのチャートの送り速度、トリガーパルス周波数、遅延度の選択値の３つの依存しているからである。また、選択したこれらのパラメーターから、チャート紙上での時間軸のスケールを得るのは大変である。簡単な決定法を述べよう。雑音が小さい測定信号ならば、オシロスコープの画面上で、横軸の時間幅を読み出し、チャート紙上に描かれる波形に、読み出した時間幅を転記、或はマーキングをする。これで簡単に時間軸スケールを確定できる。雑音が大きい時には、この方法はできない。
このような場合には、例えば、測定信号の代わりに、第６節で紹介しているＬＣ共振回路を時間軸校正用として用いる。この回路からの出力信号を、雑音の大きい信号の測定条件と同じ条件下で測定すればよい。これでチャート紙上の時間スケールは確定できる。
（２）ゲートパルスの時間送り速度が、トリガーパルス周波数に依存している。つまり、入力してくりトリガーパルスの周波数が高くなると、ゲートパルスの送りが速くなり、周波数が低くなると、ゲートパルスの送りが遅くなる。これは、必ずしも悪い特性ではない。が、旧ＢＣＩのように、入力してくるトリガーパルスの周波数に依存しないで、ゲートパルスの時間送り速度が決定できれば、これはこれとして便利であると思う。今後そのようにするかどうかは未だわからない。
（３）現ＢＣＩでは、電源基板と回路基板を別とした。基板の開発中には、ＤＣ可変多電源を使用していたので、そうなってしまった。再構築するならば、２つの基板を１枚の基板として製作することを勧める。
（４）現ＢＣＩを２チャンネル入力型とするのは、容易であろう。が、アナログ入力端子をＡＮ０／ＲＡ０以外にもう１つ準備する必要がある。その場合には、ＡＮ１／ＲＡ１端子が良いであろう。しかし、現回路では、この端子はトリガ入力端子となっているので、この役目を他の空き端子、ＲＢ２とすればよい。それに伴い、ハード回路、則ち、図６の回路図の部分変更、アセンブラプログラムの部分変更をする必要がある。が、それ程困難な仕事ではない。現１チャンネルＢＣＩを、２チャンネ
ルＢＣＩに変更できる。
（５）著者は以前に、ＰＩＣ１８Ｆシリーズのために、実数・関数演算ルーチンをＭＰＡＳＭアセンブラで書き上げ、公開している （３）。このアセンブラルーチンを、現ＢＣＩのために書き上げたアセンブラプログラムに、追加することで、ＡＤ変換器で取込んだデジタルデータを算術平均処理させ、最終的に平滑した電圧値として、出力させる方法が考えられる。最終段の積分回路は不用となる。が、この方法をやるかどうか今の時点では決めかねている。
（６）旧ＢＣＩにはあった、手動遅延機能を、新ＢＣＩは持っていない。この機能を付加したものを作るかどうかも決めていない。
９．参考文献（１）「電子機器の製作（その３）−ボックス・カー・インテグレータの自作」金野茂男、大塚正紀、工業安全に関する研究集録（小山工業高等専門学校工業安全教育研究センター編） Ｎ０．１２，２７頁〜３２頁、１９９１年。
（２）「ボックス・カー・インテグレータの改良」金野茂男、荻窪光慈、工業安全に関する研究集録（小山工業高等専門学校工業安全教育研究センター編） Ｎ０．１４，４９頁〜５５頁、１９９３年。
（３）「ＰＩＣと実数・関数演算 −その４−」金野茂男、小山高専電子制御工学科金野研究室、２００４年９月ホームページで公開。

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１０．付録実用回路

144066(1/4)

Vd212kVs

6V〜9V

ゲートパルス
入力

74011(2/4)

Con
13ＣＬ

出力端子

付録図１

ＬＣ共振発生回路

14Vd
Vs
7整流ブリッジ

AC100V5V

7.5V=Vc＋2200μ−0V

Vc

100kVR

Vc
1k

84V+

out

０．０１秒〜１０μ秒

付 録 図２発生回路

Ｈレベルで５Ｖ以上
出力

NE555

1

１０Ｈｚ〜２ｋＨｚ

パルス幅
出力電圧1k3仕様
パルス周波数0.2μ64011

7Vc

1μ200

200100kVR

付録写真１、２

ＬＣ共振発生回路の外様と内様- 12 -ト リ ガーパ ルス

付録写真３，４

トリガーパルス発生回路の外様と内様
２０１１年６月６日- 13 -