LabVIEW とデータ集録デバイス等を用いた計測制御に関する研修齊藤作義、笠野俊一、飯塚武志、永井眞一郎
第二技術系

1.

はじめに
本グループでは、昨年度初めて LabVIEWに関しての研修を行い、計測制御の例としてダイオード及びトランジスタの基本特性の計測システムの構築等を行ってきた。
今回は引続き LabVIEW に関しての研修を行い、その使用法等についての理解度を深めるとともに、電子回路を用いた計測技術の向上を図った。また、新たに LabVIEW での GPIB制御を用いた計測についても研修を行った。
2.

LabVIEW についてLabVIEW(Laboratory

VirtualInstrument

Engineering Workbench) は、ナショナルインス

図 1 LabVIEW ブロックダイヤグラムのブロックダイヤグラム の 一例

ツルメンツ(NI)社から発売されている、主として、計測制御システムを構築するためのグラフィカルプログラミング環境である。
パソコン画面上で、アイコン化された関数等を図
図 1 のようにマウスにより配置、ワイヤで接続することでプログラミングを行っていく。従来のテキストベースでのプログラミング手法に比べ、フローチャートのような表現でプログラムを作成できるため、高度なプログラミング能力を習得していない技術者や研究者であっても、必要とする計測制御システムを自ら比較的短時間で構築することが可能となる。
3.

DAQ デバイスをデバイスを用いた計測
いた計測
昨年度構築したダイオード及びトランジスタの基本特性の計測システムについて、以下に示す改良及び装置の一体化等を行った。
3.1 計測システム
計測システムのシステムの改良
昨 年 度 の 研 修 に お い て 、 DAQ(DataAcquisition)デバイス（データ集録デバイス）の一つである NI 社の USB-6009 を用い、ダイオード及びトランジスタの基本特性計測システ
ムの構築を行った。この USB-6009 は、8 チャンネルのアナログ入力、2 チャンネルのアナログ出力及び 12 本のデジタル入出力等を有している。このうちのアナログ入出力を用いて計測システムの構築を行ったが、その出力は電圧 0～5V、最大電流 10mA 以下であり、そのままでは容量不足が予想された。そのため、電圧入 力 0 ～ 5V で 出 力 +10 ～ -10V 、 最 大 電 流100mA が得られる電圧変換回路を製作し、計測システムを構築した。これらについては、
昨 年 度 の 発 表会 及 び その 報 告 集 で 報告 し た
ように、LabVIEW の基本的な使用法の習得において充分な成果が得られた。
しかし、トランジスタの特性の計測では、ベース電流が 20μA 程度の微小な部分について、コレクタ電流が通常の特性とは異なった結果が表示されていた。これについて詳細に検討を行ったところ、用いた DAQ デバイス USB-6009のアナログ入力部の回路構成に原因があることがわかった。±電圧の入力が可能なこの端子

出力Vo

入力Vi
（被測定端子）（NI 6009入力端子）－+には、127kΩの抵抗を介して約 1.4V が印加されており、直接被測定端子を接続するとわずかOPアンプ

ではあるが誤差が生じてしまう。この回避策としてアナログ入力の前段に、図
図 2 に示す OP ア

図2

ボルテージ・ボルテージ ・ フォロワ
フォ ロワ回路
ロワ 回路

ンプを使ったボルテージ・フォロワ回路を付加することとした。この回路を設けることにより、14力部のインピーダンスは無限大となり、入力端12子に印加されている 1.4V の影響を受けること10なく計測できるようになる。

8

この回路を用いて計測した結果を図
図 3 に示す。
ベース電流が微小な範囲においても、通常得られる特性となっており、付加したボルテージ・フォロワ回路の効果が確認された。

Ic (mA)

被測定端子から見た、USB-6009 のアナログ入(Ib= - 2 0 u A )(Ib= - 4 0 u A )(Ib= - 6 0 u A )(Ib= - 8 0 u A )642000 .20 .40 .60 .8

1

1 .2

1 .4

V c e (V )2 S A1 0 1 5 の 特 性

3.2 計測装置の計測装置の一体化
ボルテージ・フォロワ回路の付加により、こ

図3

ボルテージ・
ボルテージ ・ フォロワ回路
フォロワ 回路を回路 を 付加後の計測システムをより精度の高いものとすることができたが、その装置は①ダイオードまたはトランジスタを USB-6009 の入力部と接続する部分、②USB-6009 の出力を変換する電圧変換回路部分、③回路の電源供給に必要な外部直流電源に別れて構成されていた。従って、計測の際にはそれらをリード線等で接続する必要があり、また、外部電源の出力電圧の設定によっては電圧変換回路の特性が変動するなど、使い勝手に不都合な点があった。

(a)

外観

(b)

内部構成

これらを解消するため、新たにこの装置専用に±15V 電源を製作するとともに、別々になっていた各部分を一つのケースに収め、装置を一体化することとした。これにより、ポータブルで安定な計測システムの構築が可能となる。
製作した装置を図
図 4 に示す。内部には電源部、USB-6009、電圧変換回路、ボルテージ・フォロワ回路を付加した入力回路等が収められている。また、外部接続については電源ケーブル、USB ケーブル、被測定部品接続端子のみの極めてシンプルな構成とすることができた。
また、併せて計測プログラムである LabVIEWのフロントパネル、及びブロックダイヤグラム

図4

一体化した
一体化 した測定装置
した 測定装置

についても改良を行い、操作性と実用性の向上を図った。
4.

LabVIEW での GPIB 制御による制御による計測による計測
これまで DAQ デバイスである USB-6009 を用いた計測を通して、LabVIEW に関しての研修を行ってきた。研究室等で用いられている装置や機器類の中には、用途によっては専用の装置が設けられ、それらを GPIB （General Purpose

図 5 NI GPIB-USB-HS(GPIB コントローラ）
コントローラ ）Interface Bus）ケーブルでパソコンと接続し、計 測 及 び 制 御を 行 っ てい る 場 合 も 多い と 考えられる。GPIB はコンピュータと計測器との イ ン タ フ ェー ス と して 開 発 さ れ た通 信 方式で、最大 14 機器と接続することができる。
LabVIEW の数多い関数の中には GPIB に関するものも用意されており、これまで用いてきた関数と同様に、ブロックダイヤグラムの中で配置・結線を行うことで、所望の計測シ
ス テ ム 等 を 構築 す る こと が 可 能 と なっ て いる。
そこで今回は、LabVIEW で GPIB を用いた
計 測 シ ス テ ムの 基 本 的な 構 築 法 に つい て も研修を行った。
GPIB コントローラとしては、図図 5 に示す

図 6 GPIB で 制御した制御 した DC 電源と電源 と マルチメータ

NI 社の GPIB-USB-HS を購入して用いた。この GPIB-USB-HS は USB ポートを備えている
コンピュータと GPIB 計測器をプラグアンドプレイで接続でき、ノート型のパソコンでも使用が可能である。また、GPIB 計測器として は 図 6 に 示 す 直 流 電 源 （ KENWOOD
PW18-3ADP ） と 、 マ ル チ メ ー タ （ FLUKE8842A）を用いることとした。
GPIB-USB-HS と計測器を接続し、ユーティリ テ ィ ー ソ フ ト の MAX （ Measurement &Automation Explorer）を起動し、「デバイスとインタフェース」をクリックするとGPIB-USB-HS が認識される。更に「計測器を図7

ダイオードのダイオード の 計測に
計測 に 用 いた回路
いた 回路

ス キ ャ ン 」 を実 行 す ると 、 接 続 さ れて い る
GPIB 計測器（ここでは直流電源と、マルチに関する関数、例えば「GPIB Write」を配置メータ）が認識され、その GPIB アドレス等し、GPIB アドレスを MAX で認識された値にとともに画面上に表示される。

設定することにより対象機器への GPIB コマLabVIEW のブロックダイヤグラムで GPIBンドの送出が可能となる。

ここでは、この直流電源とマルチメータを使用し、前年度に製作した装置では測定できない最大電流が数 A の、比較的大きな電流定格を有するダイオードについて、その電圧電流特性の計測システムを構築することにした。
試作した被測定回路を図
図 7 に示す。最大電流の大きさを考慮し、ダイオード両端の端子には銅箔の放熱板を設置し、直列抵抗にも電流容量の大きな素子を 2 個並列で用いた。
ダイオード両端の電圧はマルチメータで測定し、電流値については用いた直流電源に動作状態を GPIB コマンドで読み(ａａ)フロントパネル出す機能があるので、これを利用することとした。
作成した LabVIEW のフロントパネルとブロックダイヤグラムの一部を図
図 8 に示す。
直流電源に出力電圧を指定した後にその状態読み取りを行っているが、短時間では直流電源が安定しなかったために、1秒間の時間差を設定した。読み取った情報の中から出力電流値の部分を切り出し、マルチメータの電圧計測値とともにグラフ表示、ファイル保存を行っている。また、計測終了後直ちに出力電圧を 0V に設定するとともに、直流電源の出力設定も OFF となるよう GPIB コマンドを設定(b)
図8

ブロックダイヤグラムのブロックダイヤグラム の 一部

GPIB 制御による制御 によるダイオードによる ダイオードのダイオード の 特性測定

し、被測定回路部品の発熱を抑制するようにした。
参考文献
5．
．まとめ
昨年度に引続き LabVIEW に関しての研修

1) 小澤哲也：LabVIEW データ収録プログラミング，2008，森北出版．

を行い、ダイオード・トランジスタ特性の計測

2) 日 本 ナ シ ョ ナ ル イ ン ス ツ ル メ ン ツ ㈱ ：システムに改良を加えるとともに、装置の一体

LabVIEW8 プログラミングガイド，㈱ASCII．

化や操作性の向上等を実現した。

3) 鈴木雅臣：定本トランジスタ回路の設計，

また、GPIB 機器を LabVIEW でコントロール2000，CQ 出版社．

する計測システムについても研修を行い、

4) 第 21 回技術部技術発表会発表報告集：

LabVIEW の理解度が向上し、その適用範囲の可LabVIEW とデータ集録デバイスを用いた計測能性が拡大された。

制御，2011．