超小型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検出器として、ボックス・カー・インテグレータ（Ｂｏｘ・Ｃａｒ・Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｒ＝ＢＣＩ）がある。著者は自作したＢＣＩについての 論 文 を 既 に 公 開 し て い る （ １ ）、（ ２ ）。 今 回 、 そ れ ら を 基 に し て 、 極 め て 小 型 の Ｂ Ｃ Ｉ を 製 作した。当然ながら、製作費用は格安で済んだ。本論文では、この「超小型」ＢＣＩの製作過程について報告をする。
Ｂ Ｃ Ｉ を 使 用 す る 際 に は 、オ シ ロ ス コ ー プ を モ ニ タ ー と し て 使 用 す る こ と は 必 須 で あ る 。
ところで、参考文献で紹介しているＢＣＩでは、ＢＣＩとしての動作パラメータ、動作状態等の設定・確定のために、可視化を図ってＬＣＤを利用していた。が、参考文献（２）で紹介しているＢＣＩを制作中に、ＢＣＩとして、必ずしもＬＣＤを使用する必要がないことに気がついた。思い出すと、メーカー品のＢＣＩにはそのようなものは付属はしていない。また、使用しているＬＣＤは４桁２０文字のものであり、それだけで肝心の回路基
板 と 同 じ 程 度 の 大 き さ で も あ る 。 こ の Ｌ Ｃ Ｄ が 省 略 で き る な ら ば 、「 超 」 小 型 の Ｂ Ｃ Ｉ を作れると考えた。ＢＣＩ使用中には、オシロスコープの使用が必須なので、このオシロスコープで、ＢＣＩの動作パラメータ、操作状態をモニターできるはずなので、それを利用すれば良いと考えたわけである。結果、予想通りの装置を製作することができた。主たる回路素子であるＰＩＣワンチップマイコンに書き込むアセンブラプログラムの長さは、ＬＣＤ、クロスキーが不要となったので、３分の１以下ともなった。驚くほど短縮化することができた。
実 は 著 者 は 、 大 分 昔 の こ と と な っ て し ま っ た が 、 Ｂ Ｃ Ｉ を 自 作 し て い た （ ３ ）、（ ４ ）。 ワ ン チ
ップマイコンが未だ市場に出ていない時代であったので、ロジックＩＣを多数組み合わせたものであった。基板も結構大きくなり、ラック用ケース一杯であった。当時でも、メーカー製のボックスカーインテグレータは百万円以上もしていた。購入は不可能であったので、自作により格安でＢＣＩを手にすることができたわけである。その後、学生実験に供していた。自作品ながら、長年にわたり現役であった。希に故障することもあったが、自作品故に、修理は容易でもあった。

２．ボックス・カー・インテグレータについて今回も説明・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に、今回紹介する超小型ＢＣＩのブロック図を。図２に、前回紹介した改変型ＢＣＩのブロック図を比較のために示している。図２にあったＬＣＤとクロスキー部分は図１
では削除されている。その代わりに、３個のプッシュ・スイッチと、ゲートパルス遅延速度設定を手動で設定するための部分が、付加されている。
ゲートパルス速度遅延設定のために、可変抵抗の電圧値が入力する１つのＡＤ入力端子と、ディップ・ロータリー・スイッチの状態をモニターするために３個のＩ／Ｏポートを使用している。が、ＬＣＤとクロスキーが削除されたので、必要となるＩ／Ｏポート数は大幅に削減された。４０ピンのＰＩＣ１８Ｆ４５２の代わりに、２８ピンのＰＩＣ１８Ｆ２５２を使用することにした。
図 ３ に 、完 成 し た 超 小 型 Ｂ Ｃ Ｉ の 回 路 図 を 示 し て い る 。図 ４ に は 、参 考 ・ 比 較 の た め に 、改変型ＢＣＩの回路図を開示しておいた。赤色部分が変更箇所である。両回路図を比較すると、変更部分がよく分かろう。

-1-信号入力と増幅①

出力

サンプル＆ホールド⑥バッファ②

積分⑦⑧⑤ＰＩＣトリガー入力
トリガー整形③⑪時間τだけ遅延したパルスの形成④⑨⑩

スタート、ポーズ、リセットの各スイッチ

１００ｋＨｚ
クロックパルス

基準時計

Ｓ＆Ｈ素子がホールド状態時に設定値を読み出す

ゲートパルス遅延速度設定
可変抵抗とＤＩＰスイッチの組み合わせ

図１

超小型ＢＣＩのブロック図。

ＬＦ３９８Ｎ

ＴＰ１
信号入力

増幅

［－５．０Ｖ～＋５．０Ｖ］

トリガ入力

出力

トリガーパルス

ＰＩＣ１８Ｆ２５２
ＴＰ７

ＴＰ６

クロスキー

図２

積分ＴＰ２

パルスストレッチャー

コンパレータＴＰ４

ＴＰ３

サンプル＆ホールド素子

ゲートパルス
ＴＰ５ モニター

ＬＣＤ

改変型ＢＣＩのブロック図。参考文献（２）より。

超小型ＢＣＩでは、サンプル＆ホールド素子に送られるゲートパルスの遅延速度の設定において、１つのＶＲと、４ビットデジタルスイッチ（３ビットのみ使用）の組み合わせで設定する。ディップ・ロータリー・スイッチの切り替えでは、遅延速度は離散値で設定
さ れ 、Ｖ Ｒ で は 遅 延 速 度 は 連 続 値 で 設 定 可 能 で あ る 。改 変 型 Ｂ Ｃ Ｉ で は 、測 定 実 行 中 に は 、ゲートパルスの遅延速度は変更できなかったが、今回作成した超小型ＢＣＩでは、測定実行中に、自在に変更することができるようになった。この点も改良点としても良かろう。
また、ＶＲとディップスイッチは基板取り付け用の部品としたので、これらの部品の採用により、回路全体を小型化することもできている。
前論文では、サンプル＆ホールド素子であるＬＦ３９８Ｎについての説明をしていなかった。この素子はＮＳ（ナショナル・セミコンダクタ）社製でのサンプル＆ホールド専用のＩＣである。３番ピンに入力している信号は、８番ピンへのパルス入力で、サンプリン
グ さ れ （ パ ル ス が Ｈ レ ベ ル で ）、 そ し て ホ ー ル ド さ れ る （ パ ル ス が Ｌ レ ベ ル で ）。 動 作 に必要な外付け素子は、一応アクイジッション・タイムに関係するコンデンサ１個であり、非常に使いやすい。その上、値段は非常に廉価もある。この素子の詳細については、そのテクニカルノートを参照すること。
-2-図３超小型ＢＣＩの回路図。赤色部分が改変型と違っている部分。

-3-32.2k87220600p41022074HC0411SC1815

2.2k1k5k
TP7Ｈ／Ｌ

8TP6切替ＳＷ

9－５Ｖ＋5V

パルスストレッチャー

MCW03-05D05

ＤＣ／ＤＣ変換素子 6＋5V

2

12トリガー入力

1＋5V
3start

pause

reset

Trigger In

5k

1k20

56RA1TP2PIC18F252

10M
12 4
DIP-RS

RC1RC2RC011 12 13RA0256RA2

1k2kVR

500

モニター

0.01μの矩形波

出力

5555

8＋5V

412674k＋5V
ベースクロック

3約100kHz

4TP4＋５Ｖ871μその他

積分

6 TP8＋5V0V

Gate Out＋5V

10k*31k

LF412

TP31T0CKI/RA4－５Ｖ

24RB3TP50.01μ4バッファ

Fosc=40MHz (PLL ４倍発振)

23RB2763524
LF398Nサンプル
0.8μs
0V ホールド＋5V

83－5V

1＋5VVSSOSC1OSC2 VSS
910 8 19＋5V

26 RB527 RB628
RB7

37＋５Ｖ

8100kVR

VDD
1MCLR

LF412

4 TP1－５Ｖ

12バッファ＋5V

10k*3

1.5μs

1M1μ検出すべき信号入力

増幅

サンプル＆ホールド

1000p4k図４ 改変型ＢＣＩの回路図。参考文献（２）より。赤色部分が超小型ＢＣＩでは削除されている。

-4-ＤＣ／ＤＣ変換素子 68MCW03-05D05 7
12－５Ｖ＋5V

2.2k

トリガー入力＋5V

220

3220SC1815

2.2k

121k5kTP6切替ＳＷ

Ｈ／Ｌ

600p4left

74HC0411109810k*5

クロスキーdown

enterup

TP71M

1μ＋5V

35k1k
567TP232 35

8＋５Ｖ

100kVR

11LF4124 TP1－５Ｖ

12バッファ

right

PIC18F452＋5V
サンプル
0.8μs
0V ホールド＋5V

RB43733 RB0
38 RB5RB639
RB7VSS40
OSC1 OSC2 VSS
13 14 12 31
10M

736
RB3560VRA2482kVR

500

5555

モニター

0.01μの矩形波

4TP47出力2＋5V1674k＋5V
ベースクロック

3約100kHz

7 8 9 10 1112 13 144 5 62
DB1 DB3 DB5 DB7R/W Vdd
DB0 DB2 DB4 DB6RS E
V0 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

1k8＋５Ｖ積分

6 TP8Gate Out＋5V

LF412

TP31k

T0CKI/RA4－５Ｖ

41バッファ

TP560.01μ38243
LF398N
5－5V

1＋5V

Fosc=40MHz (PLL ４倍発振)

VDD VDD RB2
11.5μsMCLRTrigger 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

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。超小型ＢＣ
Ｉでは、改変型ＢＣＩにあったＬＣＤとクロスキーが削除された。従って、超小型ＢＣＩの、ＰＩＣに書き込むアセンブラプログラムではそれらに関する部分は全て削除された。
その結果、超小型ＢＣＩのアセンブラプログラムは、改変型ＢＣＩのアセンブラプログラムの３分の１程度まで短くすることができた。
測定続行中に、ゲートパルス遅延速度の変更を可能とするために、ＬＦ３９８Ｎがホール ド 状 態 と な っ て い る 間 に 、Ｐ Ｉ Ｃ は ゲ ー ト パ ル ス 遅 延 速 度 設 定 用 の 可 変 抵 抗 の 電 圧 値 と 、ディップ・ロータリー・スイッチの状態をモニターするようにしている。

開始

初期値のゲートパルス遅延
速度パラメータの認識スタートスイッチがスタートスイッチ押されるまでエンドレス
ＯＦＦのモニターＯＮ
トリガーパルス入力認識

タイマー０による遅延ゲートパルス形成

Ｓ＆Ｈ素子に遅延時間に応じてのＳ＆Ｈ素子でデータＡＤ変換（信号のサンプリング）のサンプリング

信号パルスの送信

ゲートパルス遅延速度設定

積分

パラメータの再認識（測定中に設定値を変更したい場合もあろう）

リセットがスタート、ポーズ、押された時

リセットの各スイッチポーズが押された時

出力

どのスイッチも押されていない時か、リスタートが押された時
ゲートパルスの順次遅延

図５超小型ＢＣＩのアセンブラプログラムのフローチャート。

-5-

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６

改変型ＢＣＩのアセンブラプログラムのフローチャート。参考文献（２）より。

写真１ 超小型ＢＣＩの外観。素子の配置をより密にすれば、更に基板を小さくすることもできる。
-6-

５．使用方法
ＢＣＩに余り知見のない場合には、図７に示している、本ＢＣＩ＋オシロスコープ＋被測定信号発生器＋ペンレコーダからなる測定システムを構成し、ＢＣＩに慣れると共に、本超小型ＢＣＩの使用方法も習得することを勧める。もし、ペンレコーダーがなければ、テスターや電圧計等で、その代用はできる。構成は、参考文献（１）で紹介している構成とほぼ同じである。が、今回、使用の至便を考えて、新たに過渡現象発生器も作成した。
参考文献（１）で紹介している、トリガーパルス発生回路と、ＬＣ共振発生回路を一体のも の と し た も の で あ る 。本 論 文 の 最 後 部 に 付 録 と し て 、そ の 回 路 と 写 真 を 添 付 し て お い た 。

ペンレコーダーＯｕｔオシロスコープ
Ｃｈ１ＴＰ２Ｓｉｇ

超小型ＢＣＩ
Ｇａｔｅ

トリガ

過渡現象発生器
トリガ

ＯｕｔＣｈ２Ｅｘｔ

図７

超小型ＢＣＩ使用の基本測定システムの構成。

付録の装置を使用する場合には、最初、次のように設定しておくことを勧める。
（１）過渡現象波形のＬＣ共振周波数が１０ｋＨｚ当たりになるように、コンデンサとコイルを選択する。
（２）過渡現象発生器からの過渡現象波形の出力周波数は１００Ｈｚ当たり。付録の装置を使用している場合は周波数設定ツマミで行える。
以上の設定の確認は、過渡現象発生装置とオシロスコープを接続することで行えよう。
（３）ゲートパルス遅延速度の初期値設定を行う。そのために、まず、超小型ＢＣＩのディ ッ プ ・ ロ ー タ リ ー ・ ス イ ッ チ の メ モ リ を「 ０ 」に 設 定 す る 。超 小 型 Ｂ Ｃ Ｉ の 電 源 を 入 れ 、可変抵抗からの電圧（ＲＡ０端子の電圧。テスターかオシロでモニターできよう）が、１Ｖ当たりになるように、可変抵抗のツマミを調整する。
以上で、初期設定は終了する。
（４）図７で示しているように各装置を接続し、各装置の電源をオンとする。
接続の変化系として、オシロスコープのＣｈ１には、ＢＣＩの基板中のＴＰ２の箇所での信号をプローブで入力させる方法もある。回路が理解できていれば、この方がよいかもしれない。
（５）オシロスコープの画面に、図８に示している様な、Ｃｈ１の過渡減衰波形（黄色波形）が安定して描写されるように、オシロスコープを調整する。又、基板上の増幅部で増幅度を決めている１００ｋＶＲの可変抵抗を適当に調整する必要もあろう。抵抗値を小さくしてしまうと、利得が小さくなりすぎ、信号が小さくなり過ぎる。逆に、抵抗値を大き-7-くしすぎると、信号がオーバーフローするであろう。適当な振幅にすること。
（６）超小型ＢＣＩのスタートボタンを押す。ボタン脇のＬＥＤが点灯し、約１秒後に、図８に示している様に、青色のパルス状矩形波が描写されるはずである。最初は、パルス波が狭い。トリガ状である。システムが正常に動作しているならば、このパルス幅が次第に広くなっていく。図８の青色の矩形波のごとくである。
（７）青色矩形波のＨからＬレベルへの変化時に、ＢＣＩは信号をサンプルし、ホールドする。そして積分の状態で、出力する。
図８のようなオシロ画面が安定してみられるならば、システムは正常に動作している。
ポ ー ズ ス イ ッ チ を 押 せ ば 、ゲ ー ト パ ル ス の 送 り は 停 止 し 、再 度 押 せ ば 、送 り は 再 開 さ れ る 。
リセットスイッチを押せば、ＢＣＩは初期状態に戻る。スタートスイッチを押せば、動作を繰り返す。
（８）レコーダーには、サンプリングして得られた過渡現象波形がゆっくりと描かれるであろう。
（９）正常な動作を確認し、それに慣れたならば、動作中に、ゲート遅延速度設定用の可変抵抗のツマミを動かしてみよう。オシロの画面で、ゲートパルスの送り速度が、早くなっ た り 、遅 く な っ た り す る で あ ろ う 。デ ィ ッ プ ロ ー タ リ ス イ ッ チ を「 ０ 」か ら 、「 １ 」、「２」に 切 り 替 え て も 良 い （ 現 ア セ ン ブ ラ プ ロ グ ラ ム で は 、「 ３ 」 以 上 の 位 置 は 未 使 用 ）。 現 時
点では、このスイッチを切り替えるごとに、パルス幅が離散値で変化してしまう。が、慣れれば良いであろう。

図８

試験測定中のオシロスコープの画面

６．デモ実験「ＬＣ回路の共振周波数の測定」
前節での基本測定で触れているので、ここでの再記述は省略する。

７．性能・仕様
改変型ＢＣＩとほぼ同じである。が、超小型ＢＣＩではゲートパルス遅延速度の設定はデフォルト値で、改変型ＢＣＩではＬＣＤ画面で設定できていた「Ｈｉｇｈ」モードとしている。
超小型ＢＣＩで、改変型ＢＣＩでの「Ｌｏｗ」モードを選択したければ、ｒｅｓｅｔスイッチを押しながら、電源スイッチをオンとする。次の手順で行えば良い。
（１）ｒｅｓｅｔスイッチを押しながら、電源スイッチを押す。
（２）スタートスイッチ脇のＬＥＤが１秒間ほど点灯する。その間にリセットスイッチを-8-

押すのを止める。
（ ３ ） こ れ 以 降 、 本 Ｂ Ｃ Ｉ は 、「 Ｈ ｉ ｇ ｈ 」 も ー ど で は な く 、「 Ｌ ｏ ｗ 」 モ ー ド で 動 作 することになる。

８．終わりに製作において気がついた点について列記する。
（１）サンプルし、ホールドされた信号成分は回路の最終段で、積分され、ノイズ成分が除去される。その時の積分時定数は、外付けしている抵抗ＲとコンデンサＣで決まる。今回も、この時定数は、Ｃを差し替える方法で変更できるようにしている。これでは、時定数を変更したい場合に、そのたびに、コンデンサを差し替える必要がある。面倒かもしれない。改良点として、基板上に取り付けられるロータリー・スイッチ、あるいはディップ・スイッチ等を利用し、適当な数のコンデンサを予め回路に配置しておき、必要に応じてスイッチの切り替えで済むようにするのが利便性がありそうである。
（２）本ＢＣＩの性能の「最下限」及び「最上限」を精査していない。必要ならば、製作後に、自らで調べれば良いであろう。それにより、性能改良案も生まれよう。周波数特性の改良の１案として、ＰＩＣ１８Ｆシリーズより基本クロック周波数の高い、ｄｓＰＩＣ素子を使用することが考えられる。
（３）母親のアセンブラプログラムを提供しているのでＰＩＣに書き込むプログラムは自在に編集・変更・加工が可能である。プログラムの改良で、本ＢＣＩをより高性能とすることもできよう。
（４）本ＢＣＩでも、回路電源としてＤＣ／ＤＣ変換器を用いている。Ｓ／Ｎ比の向上を
図 り た け れ ば 、こ の 部 分 を リ ッ プ ル 及 び 雑 音 レ ベ ル の 小 さ い 電 源 回 路 と す る こ と を 勧 め る 。
また、デジタル素子用電源と、アナログ素子用電源を別々とすることも勧める。
（ ５ ）「 Ｌ ｏ ｗ 」 モ ー ド 設 定 は 、 隠 し モ ー ド の よ う に な っ て し ま っ た 。 動 作 試 験 中 に 、「 Ｌｏｗ」モード動作の保証をしておくことを忘れていたことに気がついたのである。最初から 、 基 板 上 に 、「 Ｈ ｉ ｇ ｈ 」 ／ 「 Ｌ ｏ ｗ 」 選 択 用 ス イ ッ チ を 設 け て お い た 方 が 良 い の か もしれない。

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 。
（ ２ ）「 改 変 版 Ｂ Ｃ Ｉ （ ボ ッ ク ス ・ カ ー ・ イ ン テ グ レ ー タ ） の 製 作 」、 金 野 茂 男 、 ２ ０ １
４年１０月著者研究室のホームページで公開済み。
（ ３ ）「 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安全教育研究センター編 ）、 Ｎ ｏ ． １ ２ 、 ２ ７ 頁 ～ ３ ２ 頁 、 １ ９ ９ １ 年 。
（ ４ ）「 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 安 全 教 育 研 究 セ ン タ ー 編 ）、 Ｎ ｏ ． １ ４ 、 ４ ９ 頁 ～５５頁、１９９３年。
２０１４年１０月-9-付録
過渡現象発生器
参考文献（１）で紹介している装置であるが、少し改良を加えたものとした。付図が回路図である。参考文献（１）で紹介しているトリガーパルス発生回路とＬＣ共振発生回路を一体とした装置である。
できるだけ広範囲の周波数での動作を考え、幾つかの部品の差し替えで周波数の変更ができるようにしている。
ＬＣ回路への電圧の印加はアナログスイッチで行っている。このスイッチのオンとオフの 時 に 、過 渡 減 衰 波 形 が 発 生 す る 。従 っ て 、１ パ ル ス ご と に 、２ 個 の 減 衰 波 形 が 発 生 す る 。

ＬＣ共振回路応用の過渡減衰波形発生装置

基本回路

＋６Ｖ

アナログスイッチ
4066(1/4)
14Vd

2k
単４×４本＋６Ｖ

ＣＴＰ４21ＬVs
7Con
13

トリガーパルスジェネレータ回路
＋６Ｖ
8

1k

45KVR
1k

7

2
3数Ｈｚ～
1数１００ＨｚNE555

6
1.5μ74HC00

23ＴＰ３
54ＴＰ１1k

ＴＰ２ 136121800p

0.47μ114011(2/4)

9281020KVR

13547出力

狭パルス形成部

146ＴＰ１パルス可変部

1連続可変基準パルス発生部
ＴＰ２

空色印は基板上での差し替え可とする
赤印はパネルに取り付ける
ＴＰ３ＴＰ４付図付写真

回路図。

装置の外観。

- 10 -

Ｃ Ｌ

出力端子