JP3453826B2 - 積分値または平均値を得る演算器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、分析計や流量計をはじ
めとする各種検出器の検出信号の時間積分値もしくは時
間平均値を得るための演算器に関する。 【０００２】 【従来の技術】各種検出器からの検出信号の時間積分値
または時間平均値を得る手法として、従来、アナログの
積分回路を用いた純アナログ的な方式と、検出信号をＡ
−Ｄ変換器によってデジタル化して積算するデジタル方
式とが広く採用されている。 【０００３】純アナログ的な方式においては、一般に、
入力信号に比例した電流を所定時間（例えば１時間平均
値を得る場合には１時間）だけコンデンサ等の電荷蓄積
素子に通電して積分電圧を得ている。一方、デジタル方
式では、Ａ−Ｄ変換器で検出信号を刻々とデジタル化
し、そのデジタルデータをコンピュータに採り込んで同
じく所定時間分だけ積算している。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】以上の従来の各方式の
うち、純アナログ的方式においては、積分器を構成する
コンデンサ等の電荷蓄積素子は積分量に対応した大きな
静電容量を必要とする。ここで、コンデンサは大容量化
すればするほど漏れ電流が大きくなり、しかも静電容量
の温度係数が増大するという傾向があり、この点が純ア
ナログ方式における積分誤差の原因となり、精度向上の
ネックとなっていた。また、純アナログ式の演算器にお
いては、一般に、信号の絶縁およびホールドを必要とす
る場合、それぞれの機能を有するアナログアンプを内蔵
する必要があり、この点が低コスト化の阻害要因となっ
ている。 【０００５】一方、デジタル方式においては、Ａ−Ｄ変
換に要する時間は、積分あるいは平均化のための所定時
間中ににおけるデータのない空白時間となり、この空白
時間の存在が演算結果に誤差を生じる原因となってい
る。また、データ採り込み周期（サンプリング周期）も
同じくデータなしの空白時間となり、同様の誤差を生じ
る原因となっていた。 【０００６】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、高い分解能のもとに従来の各方式に比して誤差
なく入力信号の時間積分値または時間平均値を得ること
ができ、また、従来の純アナログ的な方式に比して安価
な回路素子を用いて信号の絶縁およびホールドを行うこ
とのできる、積分値または平均値を得る演算器の提供を
目的としている。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの構成を、実施例図面である図１を参照しつつ説明す
ると、本発明の積分値または平均値を得る演算器は、入
力信号Ｖinをコモンラインの電圧Ｖc を中心として反転
させる入力反転回路２ａと、その入力反転回路２ａの出
力信号と入力信号Ｖinとを選択的に積分回路４に供給す
るスイッチ３と、その積分回路４の出力をそれぞれ入力
し、かつ、コモンラインの電圧Ｖc に対してプラス側お
よびマイナス側に同電位だけ偏った基準電圧（例えばＶ
c が０Ｖの場合は＋Ｖref,−Ｖref ）が設定された高低
２つのコンパレータ５ａ，５ｂと、その各コンパレータ
５ａ，５ｂの出力を入力し、当該各コンパレータ５ａ，
５ｂの出力のいずれかが反転するごとにスイッチ３を切
り換えるスイッチ駆動回路６と、各コンパレータ５ａ，
５ｂの出力の反転と同期してカウント動作を行うカウン
タ１２を備え、そのカウンタ１２の出力から入力信号Ｖ
inの時間積分値または時間平均値を得るよう構成されて
いることによって特徴づけられる。 【０００８】ここで、本発明におけるカウンタ１２のカ
ウント動作として、単なるアップカウントのほか、各コ
ンパレータ５ａ，５ｂの出力とスイッチ３の切り換え状
態とから積分回路４の出力のコモン電圧に対する極性判
別を行い、その結果に応じてアップまたはダウンカウン
トしたり、同じくその結果に応じて任意の極性のみをカ
ウントする等の動作を含む。 【０００９】 【作用】入力信号またはそのコモン電圧に対する反転信
号（以下、単に反転信号と称する）は、積分回路４によ
ってコンパレータ５ａまたは５ｂに設定されている高低
２種の基準電圧に到達するまで積分され、その到達ごと
にスイッチ３によって反対の信号に切り換えられる。つ
まり、コンパレータ５ａおよび５ｂは、入力信号または
その反転信号の積分値がそれぞれコモン電圧から同電位
だけずれた基準電圧に到達するごと、換言すると単位積
分量に達するごとに反転する。この反転動作と同期して
カウント動作を行うカウンタ１２は、従って、その１カ
ウントが単位積分量を表すことになり、この動作を所定
時間分（例えば１時間）だけ繰り返すことにより、単位
積分量を分解能とした入力信号の所定時間分の積分値ま
たは所定時間当たりの信号量（平均値）を得ることがで
きる。 【００１０】上記した極性判別を行う場合には、カウン
タ１２は極性判別結果に応じて単位積分量ごとの加減算
を行うことになる。ここで、積分回路４は単位積分量を
積分すれば足りるから、そこに使われる電荷蓄積素子に
要求される静電容量は当該演算器の分解能分の容量があ
ればよいことになり、また、積分回路４はスイッチ３に
よって単位積分量の積分動作を行うごとに反対側への積
分に切り換わるものの、非動作時間はなく、積分ないし
は平均化すべき所定時間中での空白時間は生じない。更
に、積分値または平均値の出力は積分回路４の出力を用
いずにカウンタ１２へのパルス供給によるデジタル方式
で行われるため、入力と出力との絶縁およびデータの保
持には特殊な回路素子を必要とせず、所期の目的を達成
できる。 【００１１】 【実施例】図１は本発明実施例の構成を示すブロック図
で、この例ではコモンラインの電圧をアースレベルであ
る０Ｖとした例を示している。 【００１２】信号入力端子１は、２つの演算増幅器Ｍ１
およびＭ２を用いた入力回路２に入力され、このうち一
方の演算増幅器Ｍ１はその正相入力が信号入力端子１に
接続され、その出力が逆相入力に帰還されているととも
に、他方の演算増幅器Ｍ２はその逆相入力が信号入力端
子１に接続され、入力抵抗ｒと同じ帰還抵抗ｒを用いて
その出力が入力に帰還され、かつ、正相入力は接地され
て５る。従って、演算増幅器Ｍ１は信号入力端子１に供
給される入力信号Ｖinと等しい信号を出力する一方、演
算増幅器Ｍ２は信号入力端子１に供給される入力信号Ｖ
inの極性を反転した信号−Ｖinを出力する入力反転回路
２ａとして機能する。 【００１３】入力回路２からの入力信号Ｖinおよびその
反転信号−Ｖinは、スイッチ３を介してそのいずれかが
選択的に積分回路４の入力に供給される。積分回路４は
演算増幅器Ｍ３、入力抵抗ＲおよびコンデンサＣからな
り、スイッチ３からの信号は演算増幅器Ｍ３の逆相入力
に供給され、その正相入力はアースされている。 【００１４】積分回路４の出力は第１と第２のコンパレ
ータ５ａと５ｂの双方に入力されている。この第１と第
２のコンパレータ５ａと５ｂには、絶対値が同じで互い
に極性の異なる基準電圧＋Ｖref と−Ｖref がそれぞれ
設定されており、積分回路４の出力はこれら高低２つの
電圧＋Ｖref と−Ｖref と常に比較される。 【００１５】各コンパレータ５ａと５ｂの各出力は、前
記したスイッチ３の切り換え制御信号を供給するための
スイッチ駆動ロジック回路６と、後述するパルス発生ロ
ジック回路７、および単位積分量極性判別ロジック回路
８にそれぞれ入力される。 【００１６】スイッチ駆動ロジック回路６は、第１と第
２のコンパレータ５ａと５ｂのいずれか一方の出力がＬ
レベルからＨレベルに反転した時点で、スイッチ３をそ
れまでの状態から反転させるように構成されている。す
なわち、スイッチ３は、積分回路４の出力（積分値）が
＋Ｖref または−Ｖref に達するごとに、この積分回路
４への入力が入力信号Ｖinまたはその反転信号−Ｖinの
いずれか一方の信号から、他方の信号へと切り換わるよ
うに動作する。 【００１７】このスイッチ駆動ロジック回路６からの制
御信号によるスイッチ３の動作と、各コンパレータ５ａ
と５ｂ、並びに積分回路４の動作を具体的に述べると、
今、スイッチ３がａ側にあり、入力信号Ｖinが正極性で
あるとすると、積分回路４の出力は積分量に比例して負
方向に変化していく。積分回路４の出力が−Ｖref に達
すると、第２のコンパレータ５ｂの出力はＬレベルから
Ｈレベルに反転する。これを受けてスイッチ駆動ロジッ
ク回路６はスイッチ３を反転させてｂ側に切り換える。
この時点で積分回路４へは反転信号−Ｖinに切り換わ
り、積分出力は今度は正方向へと変化し、その値が＋Ｖ
ref に達すると第１のコンパレータ５ａの出力がＬレベ
ルからＨレベルに反転する。これを受けてスイッチ駆動
ロジック回路６はスイッチ３を再びａ側に反転させる。
このようにして積分回路４は負方向と正方向に順次積分
動作を繰り返す。入力信号Ｖinが負極性の場合には、ス
イッチ３がａ側にあるときは積分回路４の出力は正方向
に、同じくｂ側にあるときには負方向に変化して、上記
と同様にして順次積分を繰り返す。 【００１８】パルス発生ロジック回路７は、第１と第２
のコンパレータ５ａと５ｂのいずれか一方の出力がＨレ
ベルに反転するごとに１パルスを発生し、このパルス信
号はフォトカプラ９を経てカウンタ１２に供給される。
このパルス発生ロジック回路７からは、従って、積分回
路４による入力信号Ｖinもしくはその反転信号−Ｖinの
積分結果の絶対値がＶref 、つまり単位積分量に達する
ごとに１つのパルス信号が出力されることになる。 【００１９】単位積分量極性判別ロジック回路８は、第
１および第２のコンパレータ５ａおよび５ｂの出力のい
ずれかがＨレベルに反転するごとに、スイッチ３の状態
信号（ａ側かｂ側か）によって単位積分量の極性を判別
する。この極性判別出力は、次にコンパレータ５ａまた
は５ｂのいずれかの出力がＨレベルに反転するまで自己
保持される。 【００２０】スイッチ３の状態信号は、スイッチ駆動ロ
ジック回路６からのスイッチング制御信号を遅延回路１
１を介して採り込むことによって得ており、単位積分量
の極性判定時点においてはスイッチ３の反転前の状態に
ある。従って、コンパレータ５ａまたは５ｂのいずれか
の出力がＨレベルに反転するまでに至るスイッチ３の状
態が単位積分量極性判別ロジック回路８に採り込まれ、
その状態に基づいて単位積分量の極性判別が行われる。
表１にこの単位積分量極性判別ロジック回路８の真理値
表を示す。 【００２１】 【表１】 この表１と前記した積分回路４の積分動作等から明らか
なように、単位積分量極性判別ロジック回路８の出力は
信号入力端子１に供給されている入力信号Ｖinの極性と
一致する。 【００２２】単位積分量極性判別ロジック回路８の判別
出力はフォトカプラ１０を介してカウンタ１２に供給さ
れる。カウンタ１２はカウントモード命令ロジック回路
１３からの命令によってそのカウントモードが決定され
る。カウントモードは1)入力信号の正・負極性に応じて
加算・減算するモード、2)入力信号が正の場合のみ加算
するモード、3)同じく負の場合のみ加算するモード、お
よび4)入力信号の極性が正負いずれでも加算するモー
ド、の４つのモードをカウントモード命令外部入力によ
って選択可能となっており、例えば1)のモードを選択し
た場合には、カウンタ１２は単位積分量極性判別ロジッ
ク回路８からの出力に基づき、単位積分量ごとに発生す
るパルスを入力信号の極性に応じて加減算する。この場
合、カウンタ１２の所定時間（例えば１時間平均の場合
は１時間）分のカウント値は、入力信号の正・負の両極
性にわたる総積分値を、単位積分量を分解能として表す
ことになる。また、2)ないしは3)のモードを選択した場
合には、カウンタ１２の所定時間分のカウント値は、入
力信号の正極性成分のみの積分値ないしは負極性成分の
みの積分値を表すことになる。更に、4)のモードを選択
すると、カウンタ１２の同時間分のカウント値は、入力
信号の極性に関係なく、その絶対値の積分値を表すこと
になる。 【００２３】カウンタ１２のカウント値はラッチ回路１
４に採り込まれ、外部から供給されるラッチ命令に従っ
て所定時間ごとに読み出される。このラッチ命令と同期
してカウンタ１２は外部からのプリセット命令によって
プリセットされ、以後、次回の所定時間分のカウント動
作に入る。ここで、ラッチ回路１４の出力をＤ−Ａ変換
器１５によりアナログ化すると、上記した各積分値のい
ずれかをアナログ出力信号として外部に出力することが
できる。 【００２４】以上の本発明実施例において特に注目すべ
き点は、積分回路４は単位積分量だけを積分する能力が
あればよく、従ってこの積分回路４に用いられる電荷蓄
積素子としてのコンデンサＣの容量は、当該演算器の分
解能に相当する単位積分量を満足すれば足りる点であ
る。従って、分解能がフルスケールの１／１０００とし
た場合には、コンデンサＣの容量は従来のアナログ積分
回路を用いた方式の演算器に比して１／１０００でよい
ことになり、漏れ電流および温度係数の小さな品種の選
定が容易となり、容易に精度を大幅に向上させることが
できる。 【００２５】また、以上の実施例において更に注目すべ
き点は、単位積分量の極性判別を、入力信号そのものの
極性判別を行うのではなく、単位積分量自体の極性判別
によって行う点である。これにより、入力信号そのもの
の極性判別による場合にはその判別時点における瞬間的
な入力信号の極性でもって単位積分量の極性を判別して
誤判別の可能性があるのに対し、上記した本発明実施例
の極性判別法では入力信号に含まれるノイズの吸収効果
が高く、単位積分量の極性判別の信頼性は非常に高いも
のとなる。そして、また、正負両極性の入力信号に対し
て整流回路を用いることなく、正負両極性の積分値を得
ることができ、それに対応した演算値を正負両極性で出
力することが可能であることから、一般例に見られる
「入力信号０〜１Ｖ、出力信号０〜１Ｖ」などと記され
ている従来のアナログ演算器と異なり、「入力信号０〜
±１Ｖ、出力信号０〜±１Ｖ」等、両極性の演算器を提
供し得る。 【００２６】更にまた、積分ないしは時間平均出力がカ
ウンタ１２を介して行われるため、入力と出力との絶縁
はフォトカプラ９ないしは１０によることができるとと
もに、データの保持についてもデジタル信号であるが故
に安価なラッチ回路１４を用いて行うことができる。 【００２７】ここで、以上の実施例では、カウントモー
ド命令ロジック回路１３によりカウンタ１２のカウント
モードを1)〜4)のモードから自由に選択可能とした例に
ついて述べたが、演算器の用途によってはこれらのモー
ドのいずれかに固定してもよい場合があり、このような
場合、カウントモード命令ロジック回路１３は不要であ
り、カウンタを要求されるモードで動作するように固定
すればよい。 【００２８】また、この演算器に要求されるモードが、
前記した4)のモード、すなわち入力信号の極性に関係な
くその絶対値の積分値または時間平均値を求めるモード
のみである場合には、カウントモード命令ロジック回路
１３に加えて単位積分量極性判別ロジック回路８も不要
となる。本発明はこれらの全てを含む。 【００２９】更に、以上の実施例では、コモンラインを
接地レベル、つまり電圧０Ｖとした場合について述べた
が、本発明はこれに限られることなく、任意の電圧をコ
モンラインとすることができる。すなわち、回路中に用
いる演算増幅器が片電源（例えば０Ｖと１０Ｖ）の場
合、コモンラインは片電源の中間値（例えば５Ｖ）に設
定する。この場合、入力反転回路２ａによる入力信号の
極性反転は、このコモンラインの電圧値を中心として反
転するとともに、第１および第２のコンパレータ５ａお
よび５ｂの基準電圧は、同じくそのコモンラインの電圧
値を中心としてプラスおよびマイナス側に同電位だけ偏
った電圧とする。 【００３０】更にまた、以上の実施例では、パルス発生
ロジック回路７によるパルス発生のタイミングを、高低
２つのコンパレータ５ａおよび５ｂの出力のいずれかが
Ｈレベルに反転するごととしているが、これら２つのコ
ンパレータ５ａおよび５ｂの出力が各１回ずつＨレベル
に反転するごととしてもよい。この場合、単位積分量は
前記した実施例の２倍となる。 【００３１】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
入力信号をコモンラインの電圧を中心として反転させる
入力反転回路を設け、その入力反転回路の出力信号と入
力信号とをスイッチにより選択的に積分回路に供給する
とともに、その積分回路の出力を、コモンラインの電圧
に対してプラス側およびマイナス側に同電位だけ偏った
基準電圧が設定された高低２つのコンパレータによって
各基準電圧との大小を比較し、その各コンパレータの出
力のいずれかが反転するごとに上記スイッチ切り換え、
そして各コンパレータの出力の反転と同期してカウント
動作を行うカウンタを備えた構成としているから、積分
回路に用いる電荷蓄積素子に必要とされる静電容量は、
単位積分量分、つまり当該演算器の分解能相当分で足り
るから、従来の純アナログ式の演算器におけるそれの例
えば１／１０００程度で済む結果、漏れ電流が少なく、
温度係数の小さいものを容易に選定して使用することが
可能となり、演算精度が飛躍的に向上する。 【００３２】また、入力信号は積分回路によって単位積
分量ずつ刻々と逆方向へ積分されることから、従来のデ
ジタル方式のように積分ないしは平均化すべき所定時間
中に空白時間が生じず、それによる誤差も生じない。 【００３３】更に、入力信号の積分結果は単位積分量ご
とに離散的な量としてカウントされて出力となるから、
入力と出力の絶縁はフォトカプラ等の安価な素子を用い
て行うことができるとともに、出力データの保持につい
てもデジタル量での保持でよいことからラッチ回路等の
安価なＩＣで行うことができる。また、ＣＰＵやＲＡＭ
等のコンピュータ機能を必要とせず、簡単なデジタルロ
ジックによって回路を構成できるという利点もある。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明実施例の回路構成を示すブロック図 【符号の説明】 １ 信号入力端子 ２ 入力回路 ２ａ 入力反転回路 ３ スイッチ ４ 積分回路 ５ａ 第１のコンパレータ ５ｂ 第２のコンパレータ ６ スイッチ駆動ロジック回路 ７ パルス発生ロジック回路 ８ 単位積分量極性判別ロジック回路 ９，１０ フォトカプラ １１ 遅延回路 １２ カウンタ １３ カウントモード命令ロジック回路 １４ ラッチ回路 １５ Ｄ−Ａ変換器

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 入力信号をコモンラインの電圧を中心と
   して反転させる入力反転回路と、その入力反転回路の出
   力信号と上記入力信号とを選択的に積分回路に供給する
   スイッチと、その積分回路の出力をそれぞれ入力し、か
   つ、上記コモンラインの電圧に対してプラス側およびマ
   イナス側に同電位だけ偏った基準電圧が設定された高低
   ２つのコンパレータと、その各コンパレータの出力を入
   力し、当該各コンパレータの出力が立ち上がるごとに上
   記スイッチを切り換えるスイッチ駆動回路と、上記スイ
   ッチの状態と各コンパレータの出力に基づいて、単位積
   分量の極性を判別する極性判別回路と、その極性判別回
   路の判別結果に応じたカウントモードを設定するカウン
   トモード回路と、そのカウントモード回路により設定さ
   れたカウントモードに従って、上記各コンパレータの出
   力の立ち上がりと同期するカウント動作を行なうカウン
   タとを備え、そのカウンタの出力から上記入力信号の時
   間積分値または時間平均値を得るよう構成されてなる、
   積分値または平均値を得る演算器。