JP4793184B2 - 電圧発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力される指示に基づいたＤ／Ａ変換器（以下、ＤＡＣ（Digital Analog Converter）と略す）の出力に応じて電圧を発生する電圧発生装置における電圧レンジの切り替えに関する。

従来、各種測定等に使用される電圧発生装置においては、アンプゲインの調整などにより供給する出力電圧の可変範囲（すなわち電圧レンジである）を設定し、ＤＡＣからの基準電圧を調整することにより、その可変範囲で出力電圧を可変できるようにされている。例えば、特許文献１には、電源回路における出力電圧のレンジ切り替えに関する技術が開示されている。

すなわち図６は、上述した従来の電圧発生装置１００における出力電圧のレンジを切り替える構成を示すブロック図である。この電圧発生装置１００において、ＤＡＣ１０１は、特に図示しない電圧発生装置１００の動作を制御するコントローラやユーザの操作するスイッチの操作等により、出力電圧を指示する電圧データを受け、この電圧データをデジタルアナログ変換処理した基準電圧を出力する。

スイッチ１０２、１０３はＤＡＣ１０１の出力をアンプ１０７へ導通させるためのスイッチであり、当該スイッチを相補的に切り替えて抵抗１０４、１０５を選択することで、アンプ１０７のアンプゲインを切り替える構成である。アンプ１０７は、帰還抵抗として抵抗１０６が接続されており、ＤＡＣ１０１の基準電圧に基づいた出力電圧Ｖ_１００を出力する。

この電圧発生装置１００では、理想的には図７に示すように、コントローラやスイッチの操作等による時刻Ｔ１でのレンジ切替指示に基づいて、スイッチ１０２をＯＮ→ＯＦＦ、スイッチ１０３をＯＦＦ→ＯＮ、ＤＡＣ１０１の出力を−１［Ｖ］→−２［Ｖ］へ同時に切り替えれば、出力電圧Ｖ_１００は１［Ｖ］で一定のままレンジの切替を行うことができる。
特開２００３−２１５１６５号公報

しかしながら、現実的には図８に示すように、コントローラやスイッチの操作等による時刻Ｔ１でのレンジ切替指示に基づくＤＡＣ１０１の出力切り替えは、出力が変化するまでの遅延時間Ｗ１や、出力が切り替わる応答時間Ｗ２があるため、スイッチ１０２、１０３の切り替えとタイミングが合わなかった。このため、出力電圧Ｖ_１００には過渡的に上昇や下降するグリッチＧ（glitch）が発生する。

このグリッチレベルが非常に大きい場合は、電圧発生装置１００が出力電圧Ｖ_１００を供給する部品に様々な悪影響を及ぼす虞があった。例えば、半導体デバイス等は過大電圧により破損する虞があった。また、液晶などの化学物質ではヒステリシスにより特性変化を起こす虞があった。また、ロジックＩＣ（Integrated Circuit）などでは過小電圧により誤作動する虞があった。

このため、従来の電圧発生装置では、電源を供給する部品がグリッチの影響を受けやすい場合、レンジ固定での電圧発生に限定されてしまい、レンジを跨いで出力電圧を連続で上昇させていくなどの広範囲な電圧発生ができなかった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電圧発生装置におけるレンジ切り替え時に出力電圧に発生するグリッチを低減させることである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、入力される電圧レンジ切替指示に対応する電圧データをアナログ電圧に変換するＤ／Ａ変換器と、前記電圧レンジ切替指示に伴って生じる前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化に対応して出力電圧の電圧レンジを切り替えるレンジ切替部と、を備え、前記Ｄ／Ａ変換器とレンジ切替部との間に、前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化時に当該アナログ電圧の変化前の電圧を前記レンジ切替部に供給する電圧保持切替部が接続されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記電圧保持切替部は、前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化時に、少なくとも前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化時に係る時間分、前記Ｄ／Ａ変換器に対して遅延した電圧を前記レンジ切替部に供給することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記電圧保持切替部は、前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化前の電圧を予め保持し、前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化時に当該保持した電圧を前記レンジ切替部に供給することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記電圧保持切替部は、前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化前の電圧を蓄電するコンデンサと、前記電圧レンジ切替指示入力時に前記レンジ切替部の入力端を前記Ｄ／Ａ変換器の出力端から前記コンデンサ側に切り替えて接続するスイッチと、を備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記電圧保持切替部は、前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化時に当該アナログ電圧の変化前の電圧を出力する第２のＤ／Ａ変換器からの出力を供給することを特徴とする。

本発明によれば、入力される電圧データをアナログ電圧に変換するＤ／Ａ変換器と、出力電圧の電圧レンジを切り替えるレンジ切替部との間に、前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化時に当該アナログ電圧の変化前の電圧を前記レンジ切替部に供給する電圧保持切替部が接続されているため、レンジ切り替え時にＤ／Ａ変換器の出力の遅延などで出力電圧に発生するグリッチを低減させることができる。

以下、この発明の実施の形態について図を参照して説明するが、この発明は以下の実施の形態に限定しない。また、この発明の実施の形態は発明の最も好ましい一形態を示すものであり、発明の用途や用語はこれに限定しない。

［第１の実施の形態］
先ず、第１の実施の形態について、図１〜３を参照して説明する。図１は、本発明である電圧発生装置１の構成を示すブロック図である。図２は、電圧発生装置１のレンジ切り替え時における各スイッチの動作を例示する概念図である。図３は、電圧発生装置１のレンジ切り替えを例示するタイミングチャートである。

先ず、図１に示すように、電圧発生装置１は、ＤＡＣ１０、電圧保持切替部２０、レンジ切替部３０を有し、ＤＡＣ１０が出力する電圧に基づいた出力電圧Ｖ_０を特に図示しない外部装置に供給する構成である。ＤＡＣ１０は、特に図示しない電圧発生装置１の動作を制御するコントローラやユーザの操作するスイッチからの信号等により、出力電圧を指示する電圧データを受け、この電圧データをデジタルアナログ変換処理して電圧を出力する。

電圧保持切替部２０は、スイッチ２１、２２、２３、コンデンサ２４、アンプ２５を有し、ＤＡＣ１０から入力される電圧を受け付けてレンジ切替部３０へ出力する構成である。スイッチ２１はＤＡＣ１０からの入力をコンデンサ２４側へ導通するスイッチであり、スイッチ２２はＤＡＣ１０からの入力をダイレクトにレンジ切替部３０側へ導通するスイッチである。スイッチ２３は、アンプ２５を介したコンデンサ２４側の出力をレンジ切替部３０側へ導通するスイッチである。

コンデンサ２４はスイッチ２１をＯＮにすることでＤＡＣ１０から入力される電圧と略同電圧を保持する。アンプ２５は、スイッチ２１をＯＦＦにしてスイッチ２３をＯＮにした場合、コンデンサ２４で保持された電圧に基づいた電圧であり、予めスイッチ２１をＯＮにしてコンデンサ２４に保持される、ＤＡＣ１０から入力される電圧と略同電圧の電圧をレンジ切替部３０側へ出力する。

このため、電圧保持切替部２０は、例えば図２に示すように、通常動作時において、スイッチ２１、２２をＯＮにし、スイッチ２３をＯＦＦにしてＤＡＣ１０からの電圧をダイレクトにレンジ切替部３０へ出力するとともに、コンデンサ２４でその電圧を保持することができる。また、電圧保持切替部２０は、レンジ切り替え時におけるＤＡＣ１０の電圧変動時において、スイッチ２１、２２をＯＦＦにし、スイッチ２３をＯＮにすることで、切り替え前の電圧と略同値に保持した電圧をレンジ切替部３０へ出力することができる。

レンジ切替部３０は、レンジ切替入力部３１、スイッチ３２、３３、抵抗３４、３５、３６、アンプ３７を有する構成である。スイッチ３２、３３は、レンジ切替入力部３１から入力される電圧をアンプ３７へ導通させるためのスイッチであり、当該スイッチを相補的に切り替えて抵抗３４、抵抗３５を選択することで、アンプ３７のアンプゲインを切り替える構成である。アンプ３７は、帰還抵抗として抵抗３６が接続されており、レンジ切替入力部３１からの入力に基づいた出力電圧Ｖ_０を出力する。

このため、レンジ切替部３０は、ＤＡＣ１０から出力され電圧保持切替部２０を介してレンジ切替入力部３１から入力される電圧の切り替えに伴ってゲインを切り替えることで、レンジを跨ぐ場合でも連続的な出力電圧Ｖ_０を出力させる構成である。

ここで、電圧発生装置１の通常動作時（レンジ切替動作をしていない場合）及びレンジ切替時の動作について説明する。なお、通常動作時及びレンジ切り替え時における電圧保持切替部２０、レンジ切替部３０の各スイッチの切り替えは、前述したコントローラやスイッチから電圧レンジ切替指示として入力される信号等に基づいて図２に示すような手順で行われている。

先ず、電圧発生装置１の通常動作時について説明する。図２に示すように、通常動作時には、発生させたい出力電圧Ｖ_０に応じた電圧（例えば「−１［Ｖ］」）がＤＡＣ１０から出力され、レンジ切替部３０において、スイッチ３２、３３は所定のレンジで出力するように切り替えが確定されている。また、電圧保持切替部２０において、スイッチ２１、２２はＯＮ状態、スイッチ２３はＯＦＦ状態であり、ＤＡＣ１０の出力をダイレクトにレンジ切替部３０へ入力させるとともに、コンデンサ２４の電位をＤＡＣ１０の出力と略同電位にしている。

次に、電圧発生装置１のレンジ切替時について説明する。図２に示すように、レンジ切替時におけるＤＡＣ１０が出力する電圧の切り替えに先立って、スイッチ２１、２２をＯＦＦ、スイッチ２３をＯＮに同時に切り替える（手順１）。この手順１の時点では、コンデンサ２４はＤＡＣ１０の出力と略同じ電位であるので、アンプ２５を介したレンジ切替入力部３１の電位も切り替え前のＤＡＣ１０の出力と略同じであり、出力電圧Ｖ_０に変化はない。

次いで、各スイッチの状態を手順１のまま、ＤＡＣ１０の出力を切り替えるレンジに応じたレベルに変化（例えば、「−１［Ｖ］」→「−２［Ｖ］」へ変化）させる（手順２）。この手順２の時点では、コンデンサ２４に保持された電位に基づいて、切り替え前のＤＡＣ１０と略同電位の電圧がレンジ切替入力部３１に入力されるため、切り替え前と同じ出力電圧Ｖ_０が維持されている。

次いで、予め設定された時間であり、ＤＡＣ１０の出力切り替えに必要な遅延時間と応答時間とを含む程度の時間が経過したところで、レンジ切替部３０のゲイン切り替え（スイッチ３２、３３のＯＮ、ＯＦＦの切り替え）と電圧保持切替部２０における各スイッチを前述した通常状態への切り替えを同時に行う（手順３）。この手順３の時点では、ＤＡＣ１０の出力は切り替えるレンジに応じたレベルに変化しており、ＤＡＣ１０の出力をダイレクトにレンジ切替部３０に出力する電圧保持切替部２０の切り替えとレンジ切替部３０のレンジ切り替えを同時に行うため、切り替え前と同じ出力電圧Ｖ_０が維持される。

以上のようなレンジ切替を行うことで、電圧発生装置１は、レンジを跨ぐ場合でも連続的な出力電圧Ｖ_０を出力させることができる。具体的には、図３に示すように、時刻ｔ１で電圧レンジ切替指示があった場合、電圧保持切替部２０の各スイッチを切り替え、ＤＡＣ１０の出力を切り替えている切替時間Ｗ３の間のレンジ切替部３０への入力を、コンデンサ２４で予め保持していた電位を元にした切り替え前のＤＡＣ１０の出力と略同値にし、ＤＡＣ１０の出力が切り替わった後に、電圧保持切替部２０の各スイッチを元に戻すと同時にレンジ切替部３０における切り替えを行う。切替時間Ｗ３は、前述したＤＡＣ１０の切り替えに必要な遅延時間と応答時間とを含む程度の時間である。このため、電圧発生装置１の出力電圧は、グリッチＧが出現することなく、電位が一定の連続的な出力電圧波形Ｏｕｔとなる。

以上のように、電圧発生装置１は、ＤＡＣ１０とレンジ切替部３０との間において、レンジ切替の際のＤＡＣ１０の電圧変動時に電圧の変動前の電圧と略同値の電圧をレンジ切替部３０に供給する電圧保持切替部２０を有する構成である。

このため、電圧発生装置１は、レンジ切替時にＤＡＣ１０の電圧の変動に伴って出力電圧に発生するグリッチを低減させることができる。

また、電圧発生装置１は、レンジ切替前の電圧をスイッチ２１をＯＮにすることでコンデンサ２４で保持し、レンジ切替時の電圧変動時において、スイッチ２３をＯＮにすることでコンデンサ２４で保持した電圧を元に変動前の電圧と略同値の電圧をレンジ切替部３０へ入力する構成である。

このため、電圧発生装置１は、レンジ切替前のＤＡＣ１０の電圧をコンデンサ２４で予め保持し、当該保持した電圧をレンジ切替部３０に供給することで、出力電圧に発生するグリッチを低減させることができる。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態について、図４を参照して説明する。図４は、電圧発生装置２の構成を示すブロック図である。なお、簡略化のため、前述と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図４に示すように、電圧発生装置２は、ＤＡＣ１０、前述したスイッチ２１、コンデンサ２４、アンプ２５の代わりにＤＡＣ２６を有する電圧保持切替部２０ａ及びレンジ切替部３０を備える構成である。

ＤＡＣ２６は、特に図示しない電圧発生装置１の動作を制御するコントローラやユーザの操作するスイッチからの信号等により、ＤＡＣ１０と略同値の電圧を出力する。また、ＤＡＣ２６の出力は、ＤＡＣ１０の出力切り替えに係る時間であり、前述した遅延時間と応答時間とを含む程度の時間、ＤＡＣ１０の出力に対して遅延した出力を行うように予め設定されている。

つまり、電圧保持切替部２０ａは、レンジ切替時におけるＤＡＣ１０の出力レベルを切り替える間のレンジ切替部３０への入力を、ＤＡＣ１０の出力に対して遅延した出力を行うＤＡＣ２６に切り替えることで、切り替え前のＤＡＣ１０の出力と略同値にする構成である。このため、レンジ切替の際の電圧発生装置２の出力電圧には、グリッチが出現しない。

上述した電圧発生装置２のように、レンジ切替時におけるＤＡＣ１０の出力レベルを切り替える間に、レンジ切替部３０へ入力する切り替え前の電圧と略同値の電圧を出力する構成については、少なくともＤＡＣ１０の出力切り替えに必要な遅延時間と応答時間とを含む程度の間、ＤＡＣ１０の出力を遅延させる遅延要素を用いる構成であってよい。例えば、この遅延要素としては、ＤＡＣ１０の出力に対して上述した程度遅延するＤＡＣ２６などであってよい。

なお、ＤＡＣ２６は、ＤＡＣ１０の出力切り替えに必要な遅延時間と応答時間とを含む程度の時間（前述した切替時間Ｗ３の間）、変化前のＤＡＣ１０と略同値の電圧を出力する構成であればよいのであり、上述した電圧発生装置２のように、ＤＡＣ１０に対して常に遅延した出力を行ってＤＡＣ１０に追従させる必要はない。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態について、図５を参照して説明する。図５は、電圧発生装置３の構成を示すブロック図である。なお、簡略化のため、前述と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図５に示すように、電圧発生装置３は、ＤＡＣ１０、電圧保持切替部２０、レンジ切替部３０ａを備える構成である。レンジ切替部３０ａは、相補的に切り替えるスイッチ３２ａ、３３ａと、当該スイッチにより選択されるアンプ３７の帰還抵抗である抵抗３４ａ、３５ａとを有する。つまり、レンジ切替部３０ａは、このスイッチを切り替えて帰還抵抗を選択することで、ゲインを切り替える構成である。

上述した電圧発生装置３のように、ゲインの切り替えについては、帰還抵抗を選択して切り替える構成であって良く、特に限定するものではない。

本発明である電圧発生装置１の構成を示すブロック図である。 電圧発生装置１のレンジ切り替え時における各スイッチの動作を例示する概念図である。 電圧発生装置１のレンジ切り替えを例示するタイミングチャートである。 電圧発生装置２の構成を示すブロック図である。 電圧発生装置３の構成を示すブロック図である。 従来の電圧発生装置１００の構成を示すブロック図である。 理想的なレンジ切り替えを例示するタイミングチャートである。 電圧発生装置１００のレンジ切り替えを例示するタイミングチャートである。

符号の説明

１、２、３ 電圧発生装置
１０ ＤＡＣ
２０、２０ａ 電圧保持切替部
２１〜２３ スイッチ
２４ コンデンサ
２５ アンプ
２６ ＤＡＣ
３０、３０ａ レンジ切替部
３１ レンジ切替入力部
３２、３３、３２ａ、３３ａ スイッチ
３４〜３６、３１ａ、３４ａ、３５ａ 抵抗
３７ アンプ
Ｏｕｔ 出力電圧波形
ｔ１ 時刻
Ｖ_０ 出力電圧
Ｗ１ 遅延時間
Ｗ２ 応答時間
Ｗ３ 切替時間
Ｇ グリッチ

Claims (5)

1. 入力される電圧レンジ切替指示に対応する電圧データをアナログ電圧に変換するＤ／Ａ変換器と、前記電圧レンジ切替指示に伴って生じる前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化に対応して出力電圧の電圧レンジを切り替えるレンジ切替部と、を備え、
   前記Ｄ／Ａ変換器とレンジ切替部との間に、前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化時に当該アナログ電圧の変化前の電圧を前記レンジ切替部に供給する電圧保持切替部が接続されていることを特徴とする電圧発生装置。
2. 前記電圧保持切替部は、前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化時に、少なくとも前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化時に係る時間分、前記Ｄ／Ａ変換器に対して遅延した電圧を前記レンジ切替部に供給することを特徴とする請求項１に記載の電圧発生装置。
3. 前記電圧保持切替部は、前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化前の電圧を予め保持し、前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化時に当該保持した電圧を前記レンジ切替部に供給することを特徴とする請求項１に記載の電圧発生装置。
4. 前記電圧保持切替部は、
   前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化前の電圧を蓄電するコンデンサと、
   前記電圧レンジ切替指示入力時に前記レンジ切替部の入力端を前記Ｄ／Ａ変換器の出力端から前記コンデンサ側に切り替えて接続するスイッチと、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の電圧発生装置。
5. 前記電圧保持切替部は、前記Ｄ／Ａ変換器のアナログ電圧の変化時に当該アナログ電圧の変化前の電圧を出力する第２のＤ／Ａ変換器からの出力を供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電圧発生装置。

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