JPH01264308A - 電圧制御発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は指令電圧変化により発振周波数を可変にできる
電圧制御発振器に係り、高周波数のパルス発生の望まれ
るダイレクト・ドライブ・モータ・コントローラの位置
・速度指令パルス生成に好適な電圧制御発振器に関する
。

〔従来の技術〕

従来の電圧制御発振器としては、例えばＯＰアンプ回路
の設計（昭和４８年）ＣＱ出版社第１７１頁から第１７
４頁に記載されている演算増幅器を用いた電圧−周波数
変換器がある。また、特公昭５８−１１７６３号に記載
されているように電圧指令がトランジスタのベースに印
加され、複数のトランジスタのオンオフ動作を利用して
発振させる方式〔発明が解決しようとする課題〕 上記前者の従来技術は、指令電圧に比例する周波数の高
精度・高速応答の矩形波パルス発生が可能なものの、使
用する演算増幅器・コンデンサとしては高精度・高価な
ものが使われ、特に、ＩＭＨｚ以上の高周波パルスを発
生する電圧−周波数変換器は高価であるという問題があ
った。

また、後者の従来技術は、安価な構成で安定した発振が
可能なものの、広い周波数レンジで発振周波数を変化さ
せることができないという問題があった。

本発明の目的は、簡易な電圧制御により高周波数の可変
周波数パルスを発生させることのできる安価な構成の電
圧制御発振器を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的、電圧指令に基づき任意の周波数の矩形波パル
スを発生させる電圧制御発振器において。

第１インバータ素子、第２インバータ素子、第３インバ
ータ素子を有し、前記第１インバータ素子出力端と前記
第２インバータ素子入力端が接続されており、前記第２
インバータ素子出力端と前記第３インバータ素子入力端
が接続されており、前記第１インバータ素子出方端に第
１抵抗の一端が接続され、前記第１抵抗他端に第２抵抗
の一端、コンデンサーの一端が接続されており、前記第
２抵抗の他端が前記第１インバータ素子の六方端に接続
されており、前記コンデンサーの他端が前記第２インバ
ータ素子の出力端と接続されており、前記第１抵抗もし
くは前記第２抵抗を印加電圧により抵抗値の変化する可
変抵抗素子もしくは前記可変抵抗素子と第４抵抗を直列
接続したもので構成し、前記可変抵抗素子周辺に抵抗可
変手段と電圧印加手段を有し、前記第３インバータ素子
出方端より出力をうろことにより達成される。

〔作用〕

上記発振回路は、インバータ素子、抵抗及びコンデンサ
により構成され、インバータ素子が直流電源として作用
し、コンデンサの充放電に伴うインバータ素子入出力側
の電位が各側のしきい電圧値を越える度にインバータ素
子の入出力側の信号レベルが反転することを利用して発
振する動作原理となっている。印加電圧の変化により抵
抗値が可変となる抵抗素子を発振回路中に組み込むこと
により、発振周波数を可変とすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の第１の実施例を第１図〜第１３図により
説明する。第１図は本実施例で述べる電圧制御発振器の
基本回路構成である０本回路について説明する前に、電
圧制御無しの一定抵抗の場合の本発振器の基本回路構成
、発振原理、及び基本発振特性について第２図〜第８図
を用いて説明する。第２図は本発振器の基本回路構成で
あり、第３図は本発振器で用いる第１．第２．第３イン
バータ素子８，９．１０の一回路構成例である。

第３図において、Ａは入力端であり、Ｂは出力端であり
、ＡとＢは反転した信号が得られる。第２図に示すよう
に本発振器は第１．第２．第３インバータ素子８，９．
１０と第１抵抗６，１７、コンデンサ７より構成されて
いる０次に１発振原理について説明する。第１．第２．
第３インバータ素子８，９．１０に電源が投入されると
、１３゜１４．１５，１６各部は隣接番号で反転した信
号が得られる。まず１３，１５がＬｏｗレベル、１４．
１６がＨｉｇｈレベルの信号を出す状態の解析を第４図
に示した等価回路を用いて説明する６１６は１５の反転
信号が得られるので省略した。

ここで、ハイレベルの入力側１４の第２インバータ素子
９側は殆んど電流が流れ出さないため省略して示した。

第３図に示したインバータ素子の入出力のＬｏｗレベル
、Ｈｉｇｈレベルのしきい値を各各ＶＩＬ、　ＶＯＬ、
　ＶＩＨ，Ｖｏｏトすると、１３，１４゜１５の電位を
Ｖ　ｌ　ａ　ｅ　Ｖ　１　ａ　ｖ　Ｖ　ｘ　ｓとし、Ｒ
２，Ｒｓに流れる電流ｉＢ、ｉｃとすると次式が成りた
つ。

（上述しなかった記号は図参照） コンデンサが充電され、ｌ　Ｂ　ｔ　ｌ　Ｑが増大する
と共に１５の電位が上がり、Ｖ１δ≧ＶＯＷとなると、
全インバータ素子の入出力信号レベルが反転する。

反転した状態（１３，１５：Ｉ（ｊｇｈレベル、１４゜
１６　：　Ｌｏｗレベル）の解析を第５図に示した等価
回路を用いて図示した記号を用いて説明する。

ここでも１６は１５の反転信号が得られるため省略した
。ハイレベルの入力側１３は殆んど電流が流れ出さない
ため省略した。

本状態では次式が成立する。

ここでコンデンサが放電されｉＢ、ｉｃの増大と共に１
４の電位が上がり、Ｖ１４≧ＶＯＨとなると全第１．第
２．第３インバータ素子８，９．１０の入出力の信号レ
ベルが反転する。そして、前述の第４図に等価回路を示
した状態に戻り、以下上述の２つの状態が周期的に繰り
返され発振が持続する。

本発振回路の発振特性実験結果につき次に述べる。ここ
では、インバータ素子として信号の立上り時間の極めて
短いトランジスタ・トランジスタ・ロジック回路７４Ｓ
Ｏ４を用いた。そして、Ｒｔ。

Ｒ１，Ｃを変化させた時の発振周波数の変化を第６図〜
第８図に示した。第６図〜第８図で特性曲線の右端はイ
ンバータ素子の入出力端許容電流から定まる発振限界を
示している１以上の実験結果より、本発振回路の発振周
波数ｆ　（Ｈｚ）は抵抗値Ｒ１ｖ　Ｒｚ　（Ω）、コン
デンサの静電容量Ｃ（Ｆ）との間にほぼ次の関係がなり
たつことがわかった。

ＣＲｘ　　１０５．７）Ｃ 式中の定数はトランジスタ・トランジスタ・ロジック回
路内のトランジスタの特性値、抵抗値などの諸室数から
決まる値であり、他のインバータ素子を用いた場合は変
化すると考えられるが、各受動素子特性値間の定性的関
係は十分示す式であると考えられ、本発振回路の発振周
波数は一般に次式で示されると考えられる。（ただしα
、β、γは正の定数である） （４）式からＲ１もしくはＲｚと印加電圧の間にある関
係を与えれば発振周波数もしくは発振周期と印加電圧を
１次関数で表現することができ、電圧制御を容易とでき
ると考えられる。

本実施例では発振周期と印加電圧を１次関数関係とする
例について示す。

次に、本実施例で用いる可変抵抗素子、抵抗可変手段、
電圧印加手段、及び本発振回路の発振特性について説明
する。本実施例では、可変抵抗素子として光導電索子３
、抵抗可変手段として発光体２を用い、それらが遮光カ
バー４で覆われている例を示す、既存の光導電素子は応
答速度は遅いが安価である特徴がある。また、電圧指令
部（１次側）と光導電索子（２次側）が電気的に分離さ
れているため、コモンモードノイズを遮断できる利点が
ある。光導電素子３としてＣｄＳ素子１発光体２として
タングステンランプを用い、遮光カバー４により外部環
境から遮光されたユニット素子（モリリカ製ＭＣＬ−’
１２３Ｃ）の光導電素子３の抵抗値と発光体２の印加電
圧の関係を第９図に示した０発光体の印加電圧により抵
抗値が大きく変化している。電圧印加手段１の例を第１
０図に示した。電圧制御を行う場合は、中央処理部１９
から電圧指令データを出力し、Ｄ／Ａ変換器からアナロ
グ電圧を出力する方式が汎用的である。

汎用のＤ／Ａ変換器はユニポーラタイプで出力電圧がＯ
〜ＩＯＶであるため、バイアス電圧印加手段をＢ点と発
光体２の間に設けることにより、０〜ＩＯＶで光導電素
子３の抵抗値を所定の範囲で変化させることが可能とな
る。また、（４）式から推測されるように、Ｒ１ｃｔａ
Ｖ＋β（α、β：定数）なる関係となるように選べば１
発振周期と発光体印加電圧の間に１次関数関係をうろこ
とができる。

バイアス電圧印加手段の例を第１０図に示した。

本手段を用いた場合のバイアス電圧特性例を第１１図に
示した０本バイアス電圧印加手段を用いてパイアイ電圧
を光導電素子３の抵抗値Ｒと発光体印加電圧の関係が、
第１２図実線に示すようにほぼ双曲線特性となるように
選んだ、そこで光導電索子３と並列に抵抗（抵抗値Ｒ４
）を設けると、合成抵抗Ｒｚは第１２図−点鎖線に示す
ように印加電圧の１次関数で示される。第１図の各受動
素子の特性値をＣ：１０００ｐＦ、Ｒｚ＝３６０Ω。

Ｒａ＝１００Ω、Ｒａ＝１６０Ω　と定めると、発振周
期１発振周波数と印加電圧の間には第１３図に示す関係
が得られた。これから、発振周期と発光体印加電圧の間
に１次関数関係があることが確認された。本実施例の方
式は１発振周期の電圧制御を容易にできる利点がある。

また５本発振器は、指令電圧０（ｖ）であっても発振パ
ルスを発生するため１本発振器の出力側と接続される機
器の誤動作を防止するため、出力端１６にバッファ素子
２０を設け、中央処理部１９の信号無くして発振パルス
が出力されないようにすることにより、安全性を高める
ことができる。

次に本発明の第２の実施例を第１４図、第１５図を用い
て説明する０本実施例は第１の実施例と同一の可変抵抗
素子、抵抗可変手段を用いて１発振周波数と発光体印加
電圧の間に１次関数関係をもたせ、発振周波数の電圧制
御を容易とするものである。第１４図に本実施例の発振
回路の基本回路硝成を示した。第１の実施例と同一番号
は同一の意味を示すものとする０本実施例の回路構成に
おける第１の実施例と異なる点は、光導電素子３と並列
に抵抗を設けない点である。第１２図実線に光導電素子
３の抵抗特性例を示したように、抵抗値と印加電圧の間
に双曲線関係があるため、（４）式から、推測されるよ
うに、Ｒ＋Ｒδ−γ＝−二二一となるようバイアス電圧
、Ｒ６を選ぶこξＶ＋η とにより（ξ、η：定数、Ｒｃｃｌ／（ａＶ＋ｂ）であ
ればＲｓ＝γと選ぶ）発振周波数、発振周期は印加電圧
との間に第１５図に示すような関係が得られる。従って
、発振周波数と発光体印加電圧は一次関数で示され、発
振周波数の電圧制御を容易とできる利点がある。

次に本発明の第３の実施例を第１６図、第１７図を用い
て説明する０本実施例は本発明の第１゜第２の実施例と
同一の可変抵抗素子、抵抗可変手段を用い、発振周波数
と発光体印加電圧の間に１次関数関係を第２の実施例と
別の構成により実現するものである。第１６図に本実施
例の発振回路の基本回路構成を示し、第１７図にその発
振特性を示した。第１６図において、第１図と同一の光
導電素子３、発光体２部分の詳細は省略して図示した。

これから、Ｒ，Ｒ４の合成抵抗が第１２図−点鎖線に示
したように発光体印加電圧に対して一次関数特性を示す
場合は、発振周波数と発光体印加電圧の間に１次関数関
係が得られ、発振周波数の電圧制御が容易となる利点が
ある。

また、本実施例と同様の構成で並列抵抗Ｒ番を除いた回
路構成も考えられるが、この構成では、発振周波数１発
振周期共発光体印加電圧に対して一次関数関係とするこ
とはできない。

以上第１〜第３の実施例は、光導電素子３としてＣｄＳ
素子、発光体２としてタングステンランプを用いたユニ
ットにバイアス電圧を印加することにより、光導電素子
抵抗と発光体印加電圧の関係が双曲線関係となる性質を
利用し、発振周波数もしくは発振周期を発光体印加電圧
に対し一次関数関係となるよう構成したものである。し
かし、一般の可変抵抗素子はより複雑な非線形特性を示
す、そこで他の可変抵抗素子の印加電圧による変化特性
の例を第１８図〜第２０図に示した。第１８図実線は、
光導電素子３としてＣｄＳ素子を用い１発光体２として
ＬＥＤを用いたユニット（モリリカ類ＭＣＤ　７３５）
の特性である。３Ｖ程度のバイアス電圧をかけたとして
も３ｖ以上の発光体印加電圧に対し、抵抗は発光体印加
電圧の２次関数になっている。可変抵抗素子を磁気抵抗
素子２３で構成し、抵抗可変手段を電磁石（コイル２１
及びコア２２）により構成した例を第１９図に示し、そ
の抵抗と印加電圧の関係を第２０図実線に示した。磁気
抵抗素子は応答速度が速く高速周波数制御に適した素子
である。この場合も磁束の飽和により非線形な特性とな
っている。これらの可変抵抗素子を用いた本発明の発振
回路は、可変抵抗素子周辺に設ける受動素子の配置、特
性値の調整のみでは発振周波数もしくは発振周期を印加
電圧に対して１次関数関係とすることはできない。しか
るにこれらの特性も第１８図、第２０図破線に示すよう
な直線、双曲線に近似できる領域で用いれば、第１〜第
３の実施例で述べた簡易な回路構成で発振周波数もしく
は発振周期と印加電圧をほぼ１次関数関係とすることが
できる０次に非線形特性、温度変化等の外乱によらず安
定した高精度のパルス発振を可能とする第４の実施例を
第２１図を用いて説明する。本実施例は第１の実施例で
示した発振回路を例に出力部１６のパルスをカウンタ回
路２４に導き、中央処理部１９より指示されるサンプリ
ング時間毎にパルスを計数し、発振周期を計測し、所要
の発振周期との偏差相当のデータをＤ／Ａ変換器に送り
、発振周期（発振周波数はその逆数）のフィードバック
制御を行うものである。また、可変抵抗素子の発振周期
と印加電圧の非線形特性をメモリにテーブルとしてあら
かじめ書き込んでおき、参照することにより、速やかに
目標発振周期に到達することができる０本実施例によれ
ば、回路構成はやや複雑となるものの温度等の外乱によ
らず安定したパルス発振と高速周波数制御が可能となる
１本実施例は第１の実施例で示した発振回路を例に示し
たが、第１．第２抵抗いずれかを可変抵抗にする場合で
も適用可能である。

次に１本発明の第５の実施例を第２２図を用いて説明す
る。本実施例は、第１の実施例で示した発振回路におい
て、第２抵抗６と並列に複数の抵抗値の大きく異なる抵
抗を設け、またコンデンサ７と並列に複数の静電容量の
大きく異なるコンデンサを設け、各々マルチプレクサ２
５ａ、２５ｂを設け、中央処理部１９からの信号により
所要発振周波数近傍で高精度な発振が可能となるような
抵抗コンデンサを各１ケ選択するように形成している。

このような構成とすることにより、広周波数域にわたり
、高精度な発振が可能となる０本実施例では、第２抵抗
６として４ケの抵抗を並列に設けたが、抵抗個数は多い
ほど広周波数域で高精度な発振が可能となる。この点は
コンデンサ７についても同様である。また、並列抵抗は
第２抵抗６に設けず第３抵抗５あるいは第４抵抗５と並
列に設け、同様にマルチプレクサ２５を設けることもで
きる。また、本実施例は、可変抵抗素子を第１抵抗部に
設ける場合に限定されるわけではなく、第２抵抗部に設
けた場合にも適用可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、簡易な回路構成で、極めて高周波数の
可変周波数矩形波パルスを電圧制御により発生させるこ
とができるので、高周波数のパルスを用いて機器の制御
を行う場合、制御回路を簡素で安価にできるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例の電圧制御発振器の基本
回路構成図、第２図は発振器の基本回路構成図、第３図
はインバータ素子の例を示す図、第４図、第５図は発振
器の動作原理を説明する等価回路図、第６図、第７図、
第８図は、発振器の発振特性を示す図、第９図は本発明
の第一の実施例の電圧制御発振器における光導電素子の
抵抗と発光体印加電圧の関係を示す図、第１０図は電圧
印加回路の例を示す図、第１１図はバイアス電圧印加回
路の特性を示す図、第１２図は本発明の第１の実施例の
電圧制御発振器における可変抵抗素子の抵抗値の発光体
印加電圧との関係を示す図、第１３＠は本発明の第１の
実施例の電圧制御発振器の発振特性を示す図、第１４図
は本発明の第２の実施例の電圧制御発振器の基本回路構
成図、第１５図は本発明の第２の実施例の電圧制御発振
器の発振特性を示す図、第１６図は本発明の第３の実施
例の電圧制御発振器の基本回路構成図、第１７図は本発
明の第３の実施例の電圧制御発掘器の発振特性を示す図
、第１８図、第１９図、第２０図は非線形特性を有する
可変抵抗素子及びその抵抗値と印加電圧の関係を示す図
、第２１図は本発明の第４の実施例の電圧制御発振器の
基本回路構成を示す図、第２２図は本発明の第５の実施
例の電圧制御発振器の基本回路構成を示す図である。 １・・・電圧印加手段、２・・・発光体、３・・・光導
電素子。 ４・・・遮光カバー、５・・・第３抵抗、６・・・第２
抵抗、７・・・コンデンサ、８，９．１０・・・第１．
第２．第３インバータ素子、１１・・・第４抵抗、１７
・・・合成第１抵抗、１８．２０・・・バッファ素子、
１９・・・中央処理部、２１・・・コイル、２２・・・
コア、２３・・・磁気抵抗素子、２４・・・カウンタ回
路、２５・・・マルチ牙斗図　　　　　￥Ｓ図 Ｖｒｓ　＜Ｖ’（ＩＬ　　　　　　　　　　　Ｖ　＋ｓ
　＞　Ｖｏｓ化椛Ｒ，（功　　　　　　化抗遥（勾 コンテ゛ン？膚争で容ｉこ、（どＦ） Ｌγｆ）ｒｙ賽圧Ｖ　（ｖ） ＊　　　ｌノ　　ムロ Ｂ、苧、印７７１：ｌ電厄（す ２チ　７フ／γ１．！Ｊ訃

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電圧指令に基づき任意の周波数の矩形波パルスを発
   生させる電圧制御発振器において、第１インバータ素子
   、第２インバータ素子、第３インバータ素子を有し、前
   記第１インバータ素子出力端と前記第２インバータ素子
   入力端が接続されており、前記第２インバータ素子出力
   端と前記第３インバータ素子入力端が接続されており、
   前記第１インバータ素子出力端に第１抵抗の一端が接続
   され、前記第１抵抗他端に第２抵抗の一端、コンデンサ
   ーの一端が接続されており、前記第２抵抗の他端が前記
   第１インバータ素子の入力端に接続されており、前記コ
   ンデンサーの他端が前記第２インバータ素子の出力端と
   接続されており、前記第１抵抗もしくは前記第２抵抗を
   印加電圧により抵抗値の変化する可変抵抗素子もしくは
   前記可変抵抗素子と第４抵抗を直列に接続したもので構
   成し、前記可変抵抗素子周辺に抵抗可変手段と電圧印加
   手段を有し、前記第３インバータ素子出力端より出力を
   うることを特徴とする電圧制御発振器。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、前記可
   変抵抗素子と並列に第３抵抗を設けたことを特徴とする
   電圧制御発振器。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項記載のものにお
   いて、前記可変抵抗素子を光導電素子（例えばＣｄＳ）
   で構成し、前記抵抗可変手段を発光体（例えばタングス
   テンランプ）で構成し、前記光導電素子と前記発光体を
   外部環境から遮光する遮光カバーを設けたことを特徴と
   する電圧制御発振器。 ４、特許請求の範囲第１項または第２項記載のものにお
   いて、前記可変抵抗素子を磁気抵抗素子（例えばＩｎＡ
   ｓ）で構成し、前記抵抗可変手段を電磁石で構成し、前
   記電磁石のコアの空隙に前記磁気抵抗素子を挿入したこ
   とを特徴とする電圧制御発振器。 ５、特許請求の範囲第１項または第２項記載のものにお
   いて、前記電圧印加手段をＤ／Ａ変換器及びバイアス電
   圧付与手段により構成し、前記電圧印加手段に電圧指令
   データを与える中央処理部を有することを特徴とする前
   記電圧制御発振器。 ６、特許請求の範囲第１項または第２項記載のものにお
   いて、前記第１抵抗乃至第４抵抗のうちいずれか一つと
   並列に抵抗値の大きく異なる複数の抵抗を設け、また前
   記コンデンサと並列に静電容量の大きく異なる複数のコ
   ンデンサを設け、前記光導電素子を除く前記第１抵抗乃
   至前記第４抵抗のうちいずれか一つの抵抗及びその並列
   設置抵抗の中から１ケの抵抗を選択する選択手段及び前
   記コンデンサ及び並列設置コンデンサの中から１ケのコ
   ンデンサを選択する選択手段を有することを特徴とする
   電圧制御発振器。 ７、特許請求の範囲第１項、第２項及び第５項のうちい
   ずれか一つに記載のものにおいて、前記第３インバータ
   素子出力端にカウンタ回路を設け、発振周期を検出し、
   その結果に基づきながら電圧印加手段の発生電圧を制御
   し、所定の発振周波数をうる周辺装置を有することを特
   徴とする電圧制御発振器。 ８、特許請求の範囲第１項または第２項記載のものにお
   いて、前記第３インバータ素子出力端にバッファ素子よ
   りなるスイッチを設けたことを特徴とする電圧制御発振
   器。