JP2013187755A - レベル制限回路 - Google Patents

Abstract

【課題】回路構成を簡単にすると共に製造コストを低減できるレベル制限回路を提供する。
【解決手段】コンパレータ２１には上限値と、入力電圧の電圧値とが入力され、両者をレベル比較した結果の信号がアナログスイッチＳＷの端子Ａに入力される。他方、コンパレータ２１には下限値と、入力電圧の電圧値とが入力され、両者をレベル比較した結果の信号がアナログスイッチＳＷの端子Ｂに入力される。これにより、端子Ａ及びＢに印加された信号の組み合わせにより、アナログスイッチＳＷの端子Ｘ０〜Ｘ３に印加されている電圧の内の１つが選択され出力される。端子Ｘ０には上限値、端子Ｘ１には入力電圧の電圧値、端子Ｘ２には電圧値０Ｖ、端子Ｘ３には下限値の、各電圧が印加される。
【選択図】図１

Description

本発明は信号の振幅を制限するレベル制限回路に関し、特に、簡易な構成で精確にレベル制限された信号を出力するレベル制限回路に関する。

レベル制限回路は、信号の振幅値が規定の範囲内から逸脱しないように信号の振幅を制限する機能を有する。このような特性を持つことからレベル制限回路は、例えば、過大な信号振幅を制限すべき信号伝送路に設けられて伝送信号の振幅値制限に使用される。例えば、ビルの空調（温度、湿度など）制御などではセンサと空調のコントローラ相互間が信号線で接続され、センサからコントローラにレベル信号でセンサ情報が伝送される。

例えば、屋内に配置された相対湿度センサは湿度０〜１００％ＲＨに対して１〜５ボルトの電圧をリニアに出力し、この出力に対応してコントローラが加湿器を制御する。このときに相対湿度センサの特性上、湿度が１００％ＲＨに値が近づくと、その計測誤差により１００％ＲＨ以上の値を電気的に出力してしまうことがある。本来相対湿度には１００％ＲＨ以上の値はないのでコントローラは相対湿度センサの故障と判断する。また、１〜５ボルトの入力機器に対して５ボルト以上の電圧が印加されると、コントローラなどの受信側の機器を破壊する虞れが発生する。そこで、レベル制限回路により、センサの出力電圧を規定の範囲内に制限する。

例えば、特許文献１は、リミッタ電圧の精度の改良と、電圧設定値を任意かつ精確とすることを意図した電圧リミッタ回路が開示されている。具体的には、入力抵抗と帰還抵抗を備えたＯＰアンプで構成された反転増幅器の出力端と、上記ＯＰアンプとの間に抵抗を挿入接続すると共に、上記ＯＰアンプの、反転入力端と出力端との間にツェナーダイオードＤ１を接続した増幅器と、可変の逆極性電圧源と上記増幅器の出力端に接続される他のツェナーダイオードＶｚを有する電圧リミッタ回路を開示している。

実公平０６−０４８９８４号公報

レベル制限回路に関する周知技術では、一般に、目標とする制限電圧値を精確に出力するために回路構成が複雑となり、回路部品にも精度の高い高価なものを使用したり、ボリュームを用いて調整しなければならないといった問題点がある。
この点に関して、例えば、特許文献１に記載の技術の場合、ツェナーダイオードを接続したスイッチ手段を使用するので回路構成が簡単となる利点があるが、ツェナーダイオード自体の特性のばらつきなどの影響によって目標とする制限電圧値を精確に出力し難いという問題点がある。

よって、本発明は上記周知技術の問題点に鑑みてなされたものであって、比較的に簡単な回路構成で精確なレベル制限電圧を出力することができるレベル制限回路を提供することを目的としている。

本発明の実施形態の一態様であるレベル制限回路は、入力信号の振幅レベルが第１及び第２基準レベルによって分割されてなるレベル判別基準としての第１乃至第３レベル領域のいずれのレベル領域に該当するかを判別する信号レベル判別手段と、上記入力信号の振幅レベルが上記第１レベル領域に該当するときに上記入力信号に代えて第１レベル信号を選択して出力し、上記入力信号の振幅レベルが上記第２レベル領域に該当するときに上記入力信号を出力し、上記入力信号の振幅レベルが上記第３レベル領域に該当するときに上記入力信号に代えて上記入力信号の振幅レベルよりも高く上記第１レベル信号よりも低いレベルの第２レベル信号を出力する信号選択手段と、を備える。

かかる構成とすることによって、簡単な回路構成で、精度の高い出力電圧のレベル制限を行うことができるレベル制限回路を得ることが可能となる。

上記信号レベル判別手段は、上記第１基準レベルの信号（Ｖａ）を発生する第１基準電圧源と、上記第１基準レベルより低い上記第２基準レベルの信号（Ｖｂ）を発生する第２基準電圧源と、上記入力信号（ＶIN）のレベルと上記第１基準レベルの信号（Ｖａ）とをレベル比較すると共に該比較結果を表す第１切替制御信号を出力する第１レベル比較手段と、上記入力信号（ＶIN）のレベルと上記第２基準レベルの信号（Ｖｂ）とをレベル比較すると共に該比較結果を表す第２切替制御信号を出力する第２レベル比較手段と、を含み、上記信号選択手段は、被選択信号として、上記第１基準レベルの信号（Ｖａ）、上記第２基準レベルの信号（Ｖｂ）、及び上記入力信号（ＶIN）が供給され、上記第１及び第２切替制御信号に基づいて上記被選択信号のいずれか１つを選択するスイッチ手段を含む、ことが望ましい。

それにより、回路構成要素として、安価で、精度の高いアナログスイッチを採用することができる効果が生じる。

また、上記第１レベル信号として上記第１基準レベルの信号（Ｖａ）を利用し、上記第２レベル信号として上記第２基準レベルの信号（Ｖｂ）を利用する、ことが望ましい。それにより、回路構成を簡素化できると共に、例えば、電圧制限の上限値と下限値とを容易に設定できるという利点が得られる。

また、上記第１レベル信号として第３基準レベルの信号（Ｖｃ）を使用し、上記第２レベル信号として第４基準レベルの信号（Ｖｄ）を使用する、ことが望ましい。それにより、回路構成を簡素化できると共に、例えば、エラー情報などを担うレベル信号を容易に設定できるという利点が得られる。

さらに、レベル制限回路の第１及び第２基準電圧源は定電圧源と抵抗分圧回路とを含み、当該抵抗分圧回路は基準電圧を設定する可変抵抗を含む、ことが望ましい。それにより、回路構成を簡素化できると共に、安定した動作が得られるという利点が得られる。

本発明の出力電圧のレベル制限回路は、簡単な回路構成で、精度の高い出力電圧のレベル制限を行うことができる効果を有する。

本発明の実施形態に係る出力電圧のレベル制限回路の全体構成を示す回路図である。 本発明の実施形態の動作例を説明する説明図である。 本発明の他の実施形態を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
まず、レベル制限回路の構成について図１を参照して説明する。同図に示すようにレベル制限回路は、上限値Ｖａを出力する第１電圧源（抵抗Ｒ１１，Ｒ１２）、下限値Ｖｂを出力する第２電圧源（抵抗Ｒ３１，Ｒ３２）、第１レベル比較手段（抵抗Ｒ２１〜Ｒ２３、コンパレータ２１、トランジスタＱ２）、第２レベル比較手段（抵抗Ｒ４１〜Ｒ４３、コンパレータ４１、トランジスタＱ４）、複数の入力信号から出力する信号を選択するスイッチ手段（アナログスイッチＳＷ）を備える。

より具体的には、第１電圧源は回路電源Ｖccと接地電位（実施例では０ボルト）間に直列接続された抵抗Ｒ１１及びＲ１２による抵抗分圧回路で構成され、分圧電圧を上限値Ｖａ（第１の基準電圧）として出力する。上限値Ｖａ＝（Ｒ１２／（Ｒ１１＋Ｒ１２））×回路電源電圧Ｖccとなる。なお、抵抗を可変抵抗で構成することによって電圧値調整が容易になる。また、ＦＥＴなどの電圧制御可能な素子を可変抵抗として用いても良い。

同様に、第２電圧源は回路電源Ｖccと接地電位間に直列接続された抵抗Ｒ３１及びＲ３２による抵抗分圧回路で構成され、分圧電圧を下限値Ｖｂ（第２の基準電圧）として出力する。下限値Ｖｂ＝（Ｒ３２／（Ｒ３１＋Ｒ３２））×回路電源電圧Ｖccとなる。上限値Ｖａ＞下限値Ｖｂである。

第１レベル比較手段のコンパレータ（電圧比較器）２１は、比較基準入力端に供給される上限値Ｖａと比較入力端に抵抗Ｒ２１を介して供給される入力信号ＶINの電圧レベルとを比較する。コンパレータ２１は差動増幅器型のトランジスタ回路（ＩＣ）によって構成されている。コンパレータ２１の論理レベルの出力電圧は後段のトランジスタ駆動回路によって反転増幅されてアナログスイッチＳＷの制御入力端Ａに供給される。トランジスタ駆動回路は、コレクタが抵抗Ｒ２３を介して回路電源Ｖccに接続され、エミッタが接地電位に接続され、ベースが電流制限抵抗Ｒ２２を介してコンパレータ２１の出力端に接続されるＮＰＮトランジスタＱ２によって構成され、インバータ（反転器）として機能する。

第２レベル比較手段のコンパレータ（電圧比較器）４１は、比較基準入力端に供給される下限値Ｖｂと比較入力端に抵抗Ｒ４１を介して供給される入力信号ＶINの電圧レベルとを比較する。コンパレータ４１は差動増幅器型のトランジスタ回路（ＩＣ）によって構成されている。コンパレータ４１の論理レベルの出力電圧は後段のトランジスタ駆動回路によって反転増幅されてアナログスイッチＳＷの制御入力端Ｂに供給される。トランジスタ駆動回路は、コレクタが抵抗Ｒ４３を介して回路電源Ｖccに接続され、エミッタが接地電位に接続され、ベースが電流制限抵抗Ｒ４２を介してコンパレータ４１の出力端に接続されるＮＰＮトランジスタＱ４によって構成され、インバータ（反転器）として機能する。

アナログスイッチＳＷは信号入力端Ｘ０〜Ｘ３と信号出力端Ｘとを備え、制御入力端Ａ及びＢに供給される各制御信号（切換信号）に応じて信号入力端Ｘ０〜Ｘ３のいずれかに供給される信号を選択し信号出力端Ｘに導出する。信号入力端Ｘ０には既述の第１電圧源（Ｒ１１，Ｒ１２）から上限値Ｖａレベルの電圧信号が供給される。信号入力端Ｘ１には入力信号ＶINが供給される。信号入力端Ｘ２には基準電位（０ボルト）が供給される。信号入力端Ｘ３には既述の第２電圧源（Ｒ３１，Ｒ３２）から下限値Ｖｂレベルの電圧信号が供給される。制御入力端Ａにはコンパレータ２１の出力信号を反転した出力が供給される。制御入力端Ａにはコンパレータ２１の出力信号を反転した出力（論理レベルに対応した電圧信号）が供給される。制御入力端Ｂにはコンパレータ４１の出力信号を反転した出力（論理レベルに対応した電圧信号）が供給される。

アナログスイッチＳＷは、制御入力端Ａ及びＢに供給される制御信号の論理レベルの組み合わせに応じて信号入力端Ｘ０〜Ｘ３のいずれに供給される信号を選択するかを判断する論理回路（図示せず）を備えている。また、論理回路の出力によって。信号入力端Ｘ０〜Ｘ３のいずれか１つを出力端Ｘに導出する図示しないスイッチ回路（マルチプレクサ）を備えている。このような機能のアナログスイッチＳＷは市販されているＩＣを活用することで安価に構成することができる。例えば、東芝（会社名）のＴＣ４０５１Ｂ〜ＴＣ４０５３Ｂ（商品名）を使用することができる。

次に、上述したレベル制限回路の動作について説明する。
まず、入力信号ＶINがレベル制限回路に供給されると、入力信号ＶINの電圧値（振幅値）はコンパレータ２１及び４１によって上限値Ｖａ及び下限値Ｖｂと比較される。
入力信号ＶINの電圧値が電圧値ＶIN＜上限値Ｖａであるときは、コンパレータ２１の出力はＬ（低）レベルになり、トランジスタ回路（Ｑ２）によって反転されてアナログスイッチＳＷの端子ＡにＨ（高）レベル信号（電圧Ｖcc）として供給される。入力信号ＶINの電圧値が電圧値ＶIN＞上限値Ｖａであるときは、コンパレータ４１の出力はＨ（高）レベルになり、トランジスタ回路によって反転されてアナログスイッチＳＷの端子ＡにＬ（低）レベル信号として供給される。

入力信号ＶINの電圧値が電圧値ＶIN＜下限値Ｖｂであるときは、コンパレータ４１の出力はＬ（低）レベルになり、トランジスタ回路（Ｑ４）によって反転されてアナログスイッチＳＷの端子ＢにＨレベル信号（電圧Ｖcc）として供給される。入力信号ＶINの電圧値が電圧値ＶIN＞下限値Ｖｂであるときは、コンパレータ４１の出力はＨレベルになり、トランジスタ回路によって反転されてアナログスイッチＳＷの端子ＢにＬレベル信号として供給される。

次に、アナログスイッチＳＷの動作について説明する。表１は、アナログスイッチＳＷの動作例を示している。

表１に示すように、(1)アナログスイッチＳＷは、切換信号が供給される端子Ａの電位がＬレベルで端子Ｂの電位もＬレベルであるとき（ＶIN＞Ｖａ＞Ｖｂ）は端子Ｘ０を選択する。アナログスイッチＳＷの出力端子Ｘは端子Ｘ０に供給されている上限値Ｖａを出力する。
(2)アナログスイッチＳＷは、端子Ａの電位がＨレベルで端子Ｂの電位がＬレベルであるとき（Ｖａ＞ＶIN＞Ｖｂ）は、端子Ｘ１を選択する。アナログスイッチＳＷの出力端子Ｘは端子Ｘ１に供給されている入力信号ＶINを出力する。
(3)アナログスイッチＳＷは、端子Ａの電位がＬレベルで端子Ｂの電位がＨレベルであるとき（ＶIN＞Ｖａ，Ｖｂ＞ＶIN）は、端子Ｘ２を選択する。アナログスイッチＳＷの出力端子Ｘは端子Ｘ２に供給されている電圧値０Ｖを出力する。ただし、この組み合わせは論理的にはあり得ないので出力端Ｘから電圧値０Ｖが出力されたときは「故障」等を意味することになる。
(4)アナログスイッチＳＷは、端子Ａの電位がＨレベルで、端子Ｂの電位もＨレベルであるとき（ＶIN＜Ｖｂ＜Ｖａ）は、端子Ｘ３を選択する。アナログスイッチＳＷの出力端子Ｘは端子Ｘ３に供給される下限値Ｖｂを出力する。

図２は、レベル制限回路に供給された入力信号ＶINが上限値Ｖａと下限値Ｖｂでレベル制限されて出力信号として出力された例を示している。このように、例えば、入力信号ＶINを供給するセンサなどの出力レンジが広い場合に、信号変化範囲を規定の出力範囲内（Ｖａ〜Ｖｂ）に収めることができる。
なお、後述のように、規定出力範囲外の電圧値（例えば、図示の電圧値Ｖｃ，Ｖｄ）でエラーなどの特定の情報を伝送するようにしても良い。

（他の構成例）
他の実施例を図３に示す。同図において図１と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
図１に示した実施例の回路では、第１電圧源（Ｒ１１，Ｒ１２）から上限値Ｖａがコンパレータ２１及びアナログスイッチＳＷの端子Ｘ０に供給される構成としているが、図３に示すように、アナログスイッチＳＷの端子Ｘ０には第３の電圧源から電圧Ｖｃを別途供給するようにしても良い。すなわち、入力信号ＶINが上限値Ｖａを超えたときに出力信号の電圧値がＶａではなく、電圧Ｖｃ（任意レベル、例えば５．５ボルト）となるようにしても良い。それにより、例えば、入力信号ＶINを供給するセンサの異常状態によって上限値エラーが発生することをコントローラー（図示せず）に知らせるようにすることができる。第３の電圧源は、例えば第１の電圧源と同様に抵抗分圧回路で構成することができるがこれに限定されない。

また、先の実施例では第２電圧源（Ｒ３１，Ｒ３２）から下限値Ｖｂがコンパレータ２１及びアナログスイッチＳＷの端子Ｘ３に供給される構成としているが、図３に示すように、アナログスイッチＳＷの端子Ｘ０には第４の電圧源から電圧Ｖｄ（任意レベル、例えば０．５ボルト）をエラー信号として別途供給するようにしても良い。それにより、例えば、入力信号ＶINを供給するセンサの異常状態により下限値エラーが発生することを積極的にコントローラーに知らせるようにすることもできる。第４の電圧源も、例えば第１の電圧源と同様に抵抗分圧回路で構成することができるがこれに限定されない。

以上説明したように、本発明の実施の形態によればアナログ回路用のスイッチ部品である複数入力のアナログスイッチＩＣ（マルチプレクサ）を回路の最終段に配置する。そして、アナログスイッチに供給される複数のレベル信号と入力信号の中から、入力信号の信号レベルに対応して１つの信号を選択する構成としているので、従来の定電圧ダイオードを用いる電圧リミッタ回路等に比べて精度良いレベル制限回路を比較的簡単に構成することが可能となる。また、製造コストも安価である。

なお、上述した実施例ではレベル制限回路の信号は電圧信号であるが、これを電流信号としても同様の考え方で（電流）レベル制限回路を構成することが可能である。

また、本発明は上述した実施形態の記載に限定されるものではない。上記発明の実施の形態を通じて説明された実施例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、または変更若しくは改良を加えて用いることが可能である。そのような組み合わせ又は変更若しくは改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

本発明に係るレベル制限回路は、ツェナーダイオードなどを用いる電圧リミッタ回路のように素子特性のばらつきが制限電圧の設定に直接影響するような構成ではないので集積回路に好適である。また、センサの出力段（インタフェース）等に用いて好適であり、湿度センサなどの各種装置に容易に組み込むことができる。

１，２ コンパレータ、Ｑ２，Ｑ４ トランジスタ（スイッチング用）、Ｕ７ アナログスイッチ

Claims (5)

1. 入力信号の振幅レベルが第１及び第２基準レベルによって分割されてなるレベル判別基準としての第１乃至第３レベル領域のいずれのレベル領域に該当するかを判別する信号レベル判別手段と、
   前記入力信号の振幅レベルが前記第１レベル領域に該当するときに前記入力信号に代えて第１レベル信号を選択して出力し、
   前記入力信号の振幅レベルが前記第２レベル領域に該当するときに前記入力信号を出力し、前記入力信号の振幅レベルが前記第３レベル領域に該当するときに前記入力信号に代えて前記入力信号の振幅レベルよりも高く前記第１レベル信号よりも低いレベルの第２レベル信号を出力する信号選択手段と、
   を備えたことを特徴とするレベル制限回路。
2. 前記信号レベル判別手段は、
   前記第１基準レベルの信号を発生する第１基準電圧源と、
   前記第１基準レベルより低い前記第２基準レベルの信号を発生する第２基準電圧源と、
   前記入力信号のレベルと前記第１基準レベルの信号とをレベル比較すると共に該比較結果を表す第１切替制御信号を出力する第１レベル比較手段と、
   前記入力信号のレベルと前記第２基準レベルの信号とをレベル比較すると共に該比較結果を表す第２切替制御信号を出力する第２レベル比較手段と、を含み、
   前記信号選択手段は、
   被選択信号として、前記第１基準レベルの信号、前記第２基準レベルの信号、及び前記入力信号が供給され、前記第１及び第２切替制御信号に基づいて前記被選択信号のいずれか１つを選択するスイッチ手段を含む、請求項１記載のレベル制限回路。
3. 前記第１レベル信号として前記第１基準レベルの信号を利用し、前記第２レベル信号として前記第２基準レベルの信号を利用する、請求項１又は２に記載のレベル制限回路。
4. 前記第１レベル信号として第３基準レベルの信号を使用し、前記第２レベル信号として第４基準レベルの信号を使用する、請求項１又は２に記載のレベル制限回路。
5. 前記第１及び第２基準電圧源は定電圧源と抵抗分圧回路とを含み、当該抵抗分圧回路は基準電圧を設定する可変抵抗を含む、請求項２又は３に記載のレベル制限回路。