JP2009213007A - 任意波形発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アナログデジタル変換器を用いてデジタルデータをアナログ信号に変換し、半導体リレーを用いて経路の切替を行う任意波形発生装置では、半導体リレーのオン抵抗のばらつきおよび温度変動によって出力電圧が変化するために、正確な波形を発生することができなかったという課題を解決する。
【解決手段】 差動増幅器の非反転入力端子に定電圧を与え、出力端子と反転入力端子との間にデジタルアナログ変換器の出力信号が伝搬する経路に配置されている半導体リレーと同じ特性で同じ数の半導体リレーと抵抗の直列回路を挿入し、反転入力端子と共通電位点との間に抵抗を配置した基準電圧源を用いて、デジタルアナログ変換器にフルスケールを決める基準電圧を与えるようにした。半導体リレーのオン抵抗が変化するとそれをキャンセルするように基準電圧が変化するので、出力電圧は変化しない。そのため、正確な波形を出力できる。

【選択図】 図１

Description

本発明は、ＬＳＩテスタや測定器等に用いられる任意波形発生装置に関し、特にゲイン誤差およびその温度変化の小さい任意波形発生装置に関するものである。

図３に任意波形発生装置の構成を示す。図３において、デジタルアナログ変換器１０は入力されたデジタルデータＤＡＴＡをアナログ信号に変換して出力する。１１はデジタルアナログ変換器１０のフルスケールを決める基準電圧を出力する定電圧源である。

デジタルアナログ変換器１０の出力は抵抗Ｒ１を介し、半導体リレーＳ１、Ｓ３に入力される。半導体リレーＳ１の出力は半導体リレーＳ２に入力され、この半導体リレーＳ２の出力はバッファアンプ１３に入力される。

また、半導体リレーＳ３の出力はローパスフィルタ１２に入力され、このローパスフィルタ１２の出力は半導体リレーＳ４に入力される。この半導体リレーＳ４の出力はバッファアンプ１３に入力される。バッファアンプ１３の入力端子と共通電位点の間には抵抗Ｒ２が接続される。バッファアンプ１３の出力ＯＵＴが任意波形発生装置の出力になる。

半導体リレーＳ１、Ｓ２のオン、オフは信号Ｑで制御され、半導体リレーＳ３、Ｓ４のオン、オフは信号ＸＱで制御される。信号ＱとＸＱは相補的に変化する。信号Ｑが高レベル、ＸＱが低レベルになると、半導体リレーＳ１とＳ２がオン、Ｓ３とＳ４がオフになる。デジタルアナログ変換器１０の出力は抵抗Ｒ１、半導体リレーＳ１、Ｓ２を経由し、バッファアンプ１３に入力される。

信号Ｑが低レベル、ＸＱが高レベルになると、半導体リレーＳ１とＳ２がオフ、Ｓ３とＳ４がオンになる。デジタルアナログ変換器１０の出力は抵抗Ｒ１、半導体リレーＳ３、ローパスフィルタ１２、半導体リレーＳ４を経由してバッファアンプ１３に入力される。

定電圧源１１の出力電圧をＶ_ＲＥＦとすると、デジタルアナログ変換器１０の出力電圧のフルスケールはＶ_ＲＥＦになる。デジタルアナログ変換器１０のフルスケールに対応する入力デジタルデータをＦＣＯＤＥとすると、入力デジタルデータがＤＣＯＤＥのときの出力電圧Ｖ_ＤＡは下記（１）式になる。
Ｖ_ＤＡ＝Ｖ_ＲＥＦ×ＤＣＯＤＥ／ＦＣＯＤＥ ・・・・・ （１）

ローパスフィルタ１２の直流抵抗を０とすると、このローパスフィルタ１２の入力電圧と出力電圧は等しくなる。従って、どちらの経路を通っても、バッファアンプ１３の入力端子点Ｐでの電圧Ｖ_Ｐは下記（２）式で与えられる。なお、抵抗Ｒ１、R２の抵抗値を同じ符号で表す。また、半導体リレーＳ１〜Ｓ４は同じ特性を有しているとし、そのオン抵抗をｒ_ＯＮとする。なお、デジタルアナログ変換器１０の出力電圧Ｖ_ＤＡは前記（１）式で与えられる。
Ｖ_Ｐ＝Ｖ_ＤＡ×Ｒ２／（Ｒ１＋２ｒ_ＯＮ＋Ｒ２）
＝Ｖ_ＲＥＦ×ＤＣＯＤＥ×Ｒ２／ＦＣＯＤＥ／（Ｒ１＋２ｒ_ＯＮ＋Ｒ２）
・・・・・ （２）
バッファアンプ１３の利得を１とすると、出力電圧Ｖ_ＯＵＴはＶ_Ｐに等しくなる。

前記（１）、（２）式から、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは入力デジタルデータＤＣＯＤＥに比例することがわかる。例えば、ＤＣＯＤＥ＝０とするとＶ_ＯＵＴ＝０になり、ＤＣＯＤＥ＝ＦＣＯＤＥとすると、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは下記（３）式になる。
Ｖ_ＯＵＴ＝Ｖ_ＲＥＦ×Ｒ２／（Ｒ１＋２ｒ_ＯＮ＋Ｒ２） ・・・・・・ （３）

このような任意波形発生装置では、デジタルアナログ変換器１０に入力するデジタルデータＤＡＴＡを時系列的に変化させることにより、任意の波形を発生させることができる。また、半導体リレーＳ１〜Ｓ４を制御して途中の経路にローパスフィルタ１２を挿入することにより、高調波ノイズを除去することができる。
特開平７−２９７７１８

しかしながら、このような任意波形発生装置には次のような課題があった。半導体リレーＳ１〜Ｓ４のオン抵抗ｒ_ＯＮは一定値ではなく、その特性によってばらつく。また、このオン抵抗ｒ_ＯＮは周囲温度によって変化する。前記（３）式から明らかなように、オン抵抗ｒ_ＯＮが変化すると出力電圧Ｖ_ＯＵＴが変化する。そのため、機器毎に出力電圧Ｖ_ＯＵＴがばらつき、また周囲温度が変化すると出力電圧Ｖ_ＯＵＴも変化してしまうという課題があった。

例えば、Ｒ１＝Ｒ２＝５０Ω、Ｖ_ＲＥＦ＝２Ｖとし、ｒ_ＯＮが５〜１５Ωの範囲でばらつくとすると、ｒ_ＯＮが５Ω、１５Ω時のフルスケール時の出力電圧Ｖ５、Ｖ１５は、
Ｖ５＝２×５０／（５０＋２×５＋５０）＝０．９０９Ｖ
Ｖ１５＝２×５０／（５０＋２×１５＋５０）＝０．７６９Ｖ
となり、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは±８．７％程度ばらつく。

また、一般に半導体リレーのオン抵抗は＋０．５％／℃の温度係数を有しているので、周囲温度Ｔ℃のときのオン抵抗を１０Ωとすると、（Ｔ＋１）℃のときの温度係数は１０．０５Ωになる。周囲温度Ｔ、（Ｔ＋１）のときの出力電圧をそれぞれＶＴ、ＶＴ１とすると、
ＶＴ＝２×５０／（５０＋２×１０＋５０）＝０．８３３３Ｖ
ＶＴ１＝２×５０／（５０＋２×１０．０５＋５０）＝０．８３２６Ｖ
になり、約−０．１％／℃の割合で出力電圧が変化する。

従って本発明の目的は、半導体リレーのオン抵抗にばらつきや温度変化があっても出力電圧がばらつかない任意波形発生装置を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
デジタルデータが入力され、このデジタルデータをアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換器と、
前記デジタルアナログ変換器の出力信号が伝搬される経路を切り替える、半導体リレーで構成された切替スイッチと、
前記切替スイッチで切り替えられた経路を伝搬した信号が入力されるバッファアンプと、
前記デジタルアナログ変換器のフルスケールを決定する基準電圧を出力し、
差動入力端子を具備し、前記アナログデジタル変換器に前記基準電圧を出力する増幅器と、
前記増幅器の一方の差動入力端子に一定電圧を出力する定電圧源と、
その一端が前記増幅器の出力端子に接続される第１の抵抗と、
前記経路に配置されている半導体リレーと同じ数の半導体リレーが直列接続され、その一端が前記第１の抵抗の他端に接続され、他端が前記増幅器の他方の差動入力端子に接続される半導体リレー群と、
前記増幅器の前記他方の差動入力端子と共通電位点の間に接続される第２の抵抗と、
を具備した基準電圧源と、
を具備したものである。半導体リレーのオン抵抗のばらつき、あるいは周囲温度によるオン抵抗の変化があっても、出力電圧は変化しない。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記定電圧源の出力電圧を分圧して、前記増幅器の前記一方の差動入力端子に印加するようにしたものである。定電圧源の出力電圧によらず、デジタルアナログ変換器の出力電圧を任意に決めることができる。

請求項３記載の発明は、請求項１若しくは請求項２記載の発明において、
前記切替スイッチは、ローパスフィルタが配置されている経路と、ローパスフィルタが配置されていない経路を切り替えるようにしたものである。ローパスフィルタで高調波ノイズを除去するかどうかを選択できる。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３いずれかに記載の発明において、
前記経路中に配置されている半導体リレーの数を２としたものである。１段のローパスフィルタを切り替えることができる。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項３いずれかに記載の発明において、
前記経路中に配置されている半導体リレーの数を４としたものである。２段のローパスフィルタを切り替えることができる。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２、３、４および５の発明によれば、デジタルデータが入力されるデジタルアナログ変換器と、半導体リレーで構成され、複数の経路を切り替える切替スイッチを有する任意波形発生装置であって、前記デジタルアナログ変換器の基準電圧を、差動入力端子を有する増幅器の一方の入力端子に定電圧を与え、出力端子とこの増幅器の他方の入力端子との間に第１の抵抗と前記経路に配置されるのと同じ数の半導体リレーが直列接続された半導体リレー群の直列回路を接続し、第２の抵抗を増幅器の他方の入力端子と共通電位点の間に接続する構成の基準電圧源から供給するようにしたものである。

経路中に配置されている半導体リレーのオン抵抗がばらつき、あるいは周囲温度によってオン抵抗が変化しても、基準電圧源の出力電圧がこの変化をキャンセルするように変化するので、任意波形発生装置の出力電圧が変化することはない。そのため、正確な波形を出力することができるという効果がある。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る任意波形発生装置の一実施例を示す構成図である。なお、図３と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図１において、２０は基準電圧源であり、フルスケールを決定する基準電圧をデジタルアナログ変換器１０に出力する。なお、デジタルアナログ変換器１０、抵抗Ｒ１、Ｒ２、半導体リレーＳ１〜Ｓ４、ローパスフィルタ１２、バッファアンプ１３の構成は図３と同じなので、説明を省略する。

半導体リレーＳ１〜Ｓ４で、デジタルアナログ変換器１０の出力信号が伝搬する経路を切り替える切替スイッチを構成している。半導体リレーＳ１、Ｓ２をオン、Ｓ３、Ｓ４をオフにすることによりＳ１からＳ２に至る経路に切り替えることができ、Ｓ１、Ｓ２をオフ、Ｓ３、Ｓ４をオンにすることにより、Ｓ３、ローパスフィルタ１２、Ｓ４に至る経路に切り替えることができる。いずれの経路にも半導体リレーは２個含まれている。

基準電圧源２０は定電圧源２１、抵抗Ｒ１０〜Ｒ１３、増幅器２４、半導体リレー２５および２６で構成されている。半導体リレー２５、２６は、半導体リレーＳ１〜Ｓ４と同じ特性を有するものを用いる。抵抗Ｒ１２、Ｒ１３はそれぞれ第１、第２の抵抗に相当し、半導体リレー２５、２６で半導体リレー群を構成している。また、増幅器２４は非反転、反転の２つの差動入力端子を有している。

定電圧源２１は一定電圧を出力し、そのマイナス側は共通電位点に接続される。抵抗Ｒ１０、Ｒ１１は直列接続され、この直列回路は定電圧源２１に並列に接続される。この抵抗Ｒ１０、Ｒ１１の接続点は増幅器２４の非反転入力端子に接続される。すなわち、定電圧源２１の出力電圧は抵抗Ｒ１０、Ｒ１１で分圧され、増幅器２４の非反転入力端子に印加される。

抵抗Ｒ１２の一端は増幅器２４の出力端子に接続され、他端は半導体リレー２５に接続される。半導体リレー２５の他端は半導体リレー２６の一端に接続され、その他端は増幅器２４の反転入力端子に接続される。また、抵抗Ｒ１３は増幅器２４の反転入力端子と共通電位点の間に接続される。

増幅器２４の出力はアナログデジタル変換器１０に入力される。また、半導体リレー２５、２６のオンオフ制御端子には正電源ＶＤＤが印加される。すなわち、半導体リレー２５、２６は常にオンになっている。

次に、この実施例の動作を説明する。抵抗Ｒ１０〜Ｒ１２の抵抗値を同じ符号で表し、半導体リレー２５、２６のオン抵抗をｒ_ＯＮ、定電圧源２１の出力電圧をＶ_Ｒ、増幅器２４の出力電圧をＶ_ＲＥＦとすると、増幅器２４の反転入力端子と非反転入力端子の電位は同じになるので、下記（４）が成立する。なお、半導体リレー２５、２６はＳ１〜Ｓ４と同じ特性を有しているので、オン抵抗も同じであるとしてよい。
Ｖ_ＲＥＦ＝（Ｒ１２＋２ｒ_ＯＮ＋Ｒ１３）×Ｒ１１×Ｖ_Ｒ／Ｒ１３／（Ｒ１０＋Ｒ１１）
・・・・・・・・・・ （４）

Ｒ１＝Ｒ１２、Ｒ２＝Ｒ１３とすると、前記（４）式は下記（５）式になる。
Ｖ_ＲＥＦ＝（Ｒ１＋２ｒ_ＯＮ＋Ｒ２）×Ｒ１１×Ｖ_Ｒ／Ｒ２／（Ｒ１０＋Ｒ１１）
・・・・・・・・・・ （５）

前記（５）式のＶ_ＲＥＦを前記（２）式に代入すると、分母、分子の（Ｒ１＋２ｒ_ＯＮ＋Ｒ２）の項がキャンセルされて、下記（６）式になる。
Ｖ_Ｐ＝Ｒ１１×Ｖ_Ｒ×ＤＣＯＤＥ／（Ｒ１１＋Ｒ１２）／ＦＣＯＤＥ ・・・ （６）

すなわち、バッファアンプ１３の入力電圧Ｖ_Ｐには半導体リレーＳ１〜Ｓ４のオン抵抗によって変化しない。バッファアンプ１３の利得は一定なので、出力電圧Ｖ_ＯＵＴも半導体リレーＳ１〜Ｓ４のオン抵抗の影響を受けない。

なお、この実施例では定電圧源２１の出力電圧を抵抗Ｒ１０、Ｒ１１で分圧して増幅器２４の非反転入力端子に入力するようにしたが、抵抗Ｒ１０、Ｒ１１を用いないで、定電圧源２１の出力電圧を直接非反転入力端子に入力するようにしてもよい。この場合、Ｖ_ＲＥＦ＝Ｖ_Ｒになる。但し、抵抗Ｒ１０、Ｒ１１で分圧すると、分圧比を変えるだけでデジタルアナログ変換器１０に印加する基準電圧を変えることができる。

また、Ｒ１＝Ｒ１２、Ｒ２＝Ｒ１３として説明したが、必ずしもこれに限定されることはない。要は、前記（２）式の分母の（Ｒ１＋２Ｒ_ＯＮ＋Ｒ２）と、前記（４）式の分子の（Ｒ１２＋２Ｒ_ＯＮ＋Ｒ１３）が実用的な範囲でキャンセルされるように抵抗値を選択すればよい。

図２に本発明の他の実施例を示す。この実施例はローパスフィルタを２段にしたものである。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図２において、Ｓ５〜Ｓ８は半導体リレー、４０はローパスフィルタである。半導体リレーＳ１〜Ｓ８は同じ特性を有するものを用いる。

半導体リレーＳ５とＳ７の一端は半導体リレーＳ２、Ｓ４の接続点に接続される。４０はローパスフィルタであり、その入力側は半導体リレーＳ７に接続され、出力側は半導体リレーＳ８に接続される。また、半導体リレーＳ５の他端はＳ６の一端に接続される。半導体リレーＳ６とＳ８の他端は共通接続され、バッファアンプ１３の入力端子に接続される。半導体リレーＳ１、Ｓ２のオンオフは信号Ｑ１で制御され、Ｓ３、Ｓ４のオンオフは信号ＸＱ１で制御される。また、半導体リレーＳ５、Ｓ６のオンオフは信号Ｑ２で制御され、Ｓ７、Ｓ８のオンオフは信号ＸＱ２で制御される。

この実施例は、図１実施例の半導体リレーＳ２、Ｓ４とバッファアンプ１３との間に、半導体リレーＳ５〜Ｓ８とローパスフィルタ４０で構成される回路を挿入したものである。ローパスフィルタを用いないときは半導体リレーＳ１、Ｓ２、Ｓ５、Ｓ６をオンにし、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ７、Ｓ８をオフにする。また、ローパスフィルタを用いるときは、半導体リレーＳ１〜Ｓ８のオンオフを逆にする。いずれの場合も４個の半導体リレーが直列に接続される。また、ローパスフィルタ１２、４０の直列抵抗を０とすると、これらのローパスフィルタによる電圧降下は発生しない。

３０は基準電圧源であり、その出力電圧はアナログデジタル変換器１０に入力される。アナログデジタル変換器１０のフルスケールは基準電圧源３０の出力電圧によって決定される。

基準電圧源３０は、定電圧源２１、抵抗Ｒ１０〜Ｒ１３、増幅器２４、および半導体リレー３１〜３４で構成される。半導体リレー３１〜３４は、半導体リレーＳ１〜Ｓ８と同じ特性を有するものを用いる。半導体リレー３１〜３４は直列接続し、この直列回路を抵抗Ｒ１２とＲ１３の間に接続する。また、オンオフ制御端子には正電源ＶＤＤを印加し、常時オンにする。半導体リレー３１〜３４で半導体リレー群を構成している。

この実施例は半導体リレーが４個直列に接続されるので、バッファアンプ１３の入力側Ｐ点の電圧は、前記（２）式を修正した下記（７）式になる。なお、Ｖ_ＲＥＦは基準電圧源３０の出力電圧、Ｒ１、Ｒ２は抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値、ｒ_ＯＮは半導体リレー３１〜３４のオン抵抗である。
Ｖ_Ｐ＝Ｖ_ＤＡ×Ｒ２／（Ｒ１＋４ｒ_ＯＮ＋Ｒ２）
＝Ｖ_ＲＥＦ×ＤＣＯＤＥ×Ｒ２／ＦＣＯＤＥ／（Ｒ１＋４ｒ_ＯＮ＋Ｒ２）
・・・・・ （７）

抵抗Ｒ１２とＲ１３の間には４個の半導体リレー３１〜３４が直列に接続されているので、基準電圧源３０の出力電圧Ｖ_ＲＥＦは前記（４）式を修正した下記（８）式になる。
Ｖ_ＲＥＦ＝（Ｒ１２＋４ｒ_ＯＮ＋Ｒ１３）×Ｒ１１×Ｖ_Ｒ／Ｒ１３／（Ｒ１０＋Ｒ１１）
・・・・・・・・・・ （８）

Ｒ１＝Ｒ１２、Ｒ２＝Ｒ１３とすると、（７）式の（Ｒ１＋４ｒ_ＯＮ＋Ｒ２）と（８）式の（Ｒ１２＋４ｒ_ＯＮ＋Ｒ１３）はキャンセルされ、バッファアンプ１３の入力側の電圧Ｖ_Ｐは半導体リレーＳ１〜Ｓ８のオン抵抗には依存しなくなる。

なお、この実施例でも抵抗Ｒ１０、Ｒ１１を省略し、定電圧源２１の出力電圧を直接増幅器２４の非反転入力端子に印加するようにしてもよい。また、図１、図２では直列接続される半導体リレーの個数が２と４の場合について説明したが、それ以外の個数であってもよい。要は、アナログデジタル変換器１０とバッファアンプ１３の間に直列接続される半導体リレーと同じ個数、特性の半導体リレーを抵抗Ｒ１２とＲ１３の間に直列接続するようにすればよい。

本発明の一実施例を示す構成図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 従来の任意波形発生装置の構成図である。

符号の説明

１０ デジタルアナログ変換器
１２、４０ ローパスフィルタ
１３ バッファアンプ
２０、３０ 基準電圧源
２１ 定電圧源
２４ 増幅器
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１０〜Ｒ１３ 抵抗
Ｓ１〜Ｓ８、２５、２６、３１〜３４ 半導体リレー

Claims (5)

1. デジタルデータが入力され、このデジタルデータをアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換器と、
   前記デジタルアナログ変換器の出力信号が伝搬される経路を切り替える、半導体リレーで構成された切替スイッチと、
   前記切替スイッチで切り替えられた経路を伝搬した信号が入力されるバッファアンプと、
   前記デジタルアナログ変換器のフルスケールを決定する基準電圧を出力し、
   差動入力端子を具備し、前記アナログデジタル変換器に前記基準電圧を出力する増幅器と、
   前記増幅器の一方の差動入力端子に一定電圧を出力する定電圧源と、
   その一端が前記増幅器の出力端子に接続される第１の抵抗と、
   前記経路に配置されている半導体リレーと同じ数の半導体リレーが直列接続され、その一端が前記第１の抵抗の他端に接続され、他端が前記増幅器の他方の差動入力端子に接続される半導体リレー群と、
   前記増幅器の前記他方の差動入力端子と共通電位点の間に接続される第２の抵抗と、
   を具備した基準電圧源と、
   を具備したことを特徴とする任意波形発生装置。
2. 前記定電圧源の出力電圧を分圧して、前記増幅器の前記一方の差動入力端子に印加するようにしたことを特徴とする請求項１記載の任意波形発生装置。
3. 前記切替スイッチは、ローパスフィルタが配置されている経路と、ローパスフィルタが配置されていない経路を切り替えるようにしたことを特徴とする請求項１若しくは請求項２記載の任意波形発生装置。
4. 前記経路中に配置されている半導体リレーの数が２であることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載の任意波形発生装置。
5. 前記経路中に配置されている半導体リレーの数が４であることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載の任意波形発生装置。

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