JPH0346331Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 技術分野 本考案は、入力に対して出力が指数関数的に変
化する非線形素子の出力に線形化処理を施す非線
形素子の線形化回路に関する。

背景技術 温度検出用センサとして汎く用いられているサ
ーミスタは、温度に対する抵抗変化が指数関数的
であり、例えば温度上昇に対して指数関数的に抵
抗が減少する負極性のサーミスタでは、高温時ほ
ど温度変化に対する抵抗変化が少なくなるため、
分解能が低下するという宿命があつた。また、サ
ーミスタの抵抗変化を電圧変化に変えてデジタル
表示する場合なども、第１図に示した従来の温度
センサ１にみられるように、サーミスタ２に対し
基準電圧V₁，V₂，…Vnが指数関数的に変化する
如く設定された複数の比較器３₁，３₂，…３ｎを
接続しなければならず、このため基準電圧V₁，
V₂…Vnの設定及び管理が面倒である等の欠点が
あつた。

さらにまた、サーミスタ２を車輛等の空調用温
度センサが或いは冷却水温度センサ等に適用した
場合、一定の分解能が保証できる温度範囲が狭
く、使用条件の変更等があれば、大幅な設計変更
が要求される等の欠点があつた。

考案の開示 本考案は、上記欠点を除去したものであり、非
線形素子の出力を、この出力の分数関数で表わさ
れる時間幅に変換し、この時間幅期間中積分動作
する積分回路を用いて閉ループを形成した演算回
路により、前記分数関数を線形関数に変換するこ
とにより、非線形素子の入力に対して線形関係に
ある出力を得るようにした非線形素子の線形化回
路を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本考案は入力に対し
て出力が指数関数的に変化する非線形素子と、該
非線形素子を帰還抵抗とした第１の演算増幅回
路、非反転入力端子に充・放電回路が接続された
第２の演算増幅回路、前記第１、第２の演算増幅
回路の出力を比較する比較回路を有し、前記充・
放電回路の放電が開始されてから、前記第１の演
算増幅回路の出力と前記第２の演算増幅回路の出
力が一致するまでの時間に対応した長さのパルス
を出力することにより、前記非線形素子の出力を
該出力の分数関数で表わされるパルス幅の信号に
変換する変換回路と、該パルスの立上りにより動
作するスイツチを介して供給される入力を時間積
分する積分回路、該積分回路の出力とあらかじめ
設定した基準値とを加算して定数倍した信号を前
記スイツチを介して前記積分回路に入力する入力
回路によつて閉ループを形成し、前記分数関数中
の非線形要素を除去し、前記非線形素子の入力に
対して線形関係にある出力を得る演算回路とから
構成したことを要旨とするものである。

本考案によれば、非線形素子の出力をこの出力
の分数関数で表わされる時間幅に変換し、この時
間幅期間中積分動作する積分回路を用いて閉ルー
プを形成した演算回路により、前記分数関数を線
形関数に変換する構成としたから、基本的には変
換回路と演算回路があればよく、入力に対して出
力が指数関数的に変化する非線形素子の出力を、
指数関数の逆関数特性をもつ複雑な変換回路によ
つて変換するのではなく、きわめて簡単な回路構
成で線形化することが、これにより例えば絶対温
度の変化が指数関数的に抵抗値変化となつて表わ
れるサーミスタ等の非線形素子の出力の線形化等
に有効である等の優れた効果を奏する。

発明を実施するための最良の形態 以下、本考案の実施例について第２図以下を参
照して説明する。第２図は、本考案の非線形素子
の線形化回路を適用した温度センサの一実施例を
示す概略回路構成図、第３図は、第２図に示した
温度センサの具体的回路図、第４図ＡないしＥ
は、それぞれ第２図に示した温度センサの各部の
信号波形図である。

第２，３図中、温度センサ２１は、温度変化に
伴なうサーミスタ２２の抵抗変化を電圧変化とし
て出力するものであり、温度変化に対する出力電
圧の変化は直線的（線形）である。この温度セン
サ２１は、サーミスタ２２の温度に対する抵抗変
化から、絶対温度Ｔに比例するパルス幅の信号を
得る変換回路２３と、変換回路２３の出力に含ま
れる非線形要素を除去し、温度変化に対応する出
力電圧を得る演算回路２４及び、変換回路２３と
演算回路２４の動作を制御する制御回路２５等か
らなる。

変換回路２３は、一対の演算増幅回路２６，２
７と比較回路２８を有している。一方の演算増幅
回路２６は、その帰還路にサーミスタ２２（抵抗
値R_Tが介挿してあり、反転入力端子に接続した
入力抵抗２９（抵抗値Raとの抵抗比R_T／Raに応じ た入力電圧−V_Aを増幅する構成としてある。従
つて、演算増幅回路２６の出力VaはR_T／RaV_Aとな り、サーミスタ２２の抵抗値R_Tに比例する。と
ころで、サーミスタ２２の抵抗値R_Tは、測定温
度が絶対温度でＴのとき、サーミスタ定数をＢと
すれば、 R_T＝Roexp｛Ｂ（１／Ｔ−１／To）｝ で表わされる。ただし、Roは、基準温度Toにお
けるサーミスタ２２の抵抗値である。従つて、温
度変化（１／Ｔ−１／To）に対する演算増幅回路２６ の出力電圧Vaの関係は Va＝Ro／RaV_Aexp｛Ｂ（１／Ｔ−１／To）｝ となる。

他方の演算増幅回路２７は、その非反転入力端
子にコンデンサ３０ａ（容量値C₁）と抵抗３０ｂ
（抵抗値R₁）の並列接続回路にスイツチS₁を直列
接続してなる充・放電回路３０を介して入力電圧
V_Aを印加するようにしてある。比較回路２８は、
演算増幅回路２６，２７の出力電圧VaとVbを比
較し、演算増幅回路２７の出力電圧Vbが演算増
幅回路２６の出力電圧Vaよりも大であるときに、
ハイレベルの信号を出力する。いま、スイツチS₁
が閉成してコンデンサ３０ａが入力電圧V_Aで充
電されている状態において、スイツチS₁を閉成し
た場合、コンデンサ３０ａに充電されていた電荷
は、抵抗３０ｂを介して放電される。このとき、
演算増幅回路２７の出力電圧Vbが電圧Vaに等し
くなるまで電圧降下するに要する時間ｔは、 ｔ＝C₁R₁lnV_A／Va ＝C₁R₁lnRa／Ro−C₁R₁B（１／Ｔ−１／To） で表わされる。

ここで、Ra＝Roに設定すればC₁R₁lnＲ／Roの項 を消すことができ、 ｔ＝C₁R₁B（Ｔ−To）／ToT となる。すなわち、変換回路２３は、測定温度Ｔ
と基準温度Toの差θの分数関数 ｔ＝C₁R₁Bθ／To（To＋θ） で表わされる時間幅（パルス幅）をもつ信号を出
力することになる。

演算回路２４は、上記変換回路２３で得られた
パルス幅がｔ（＝C₁R₁Bθ／To（To＋θ））で表わさ れる信号を、温度差θに正比例する出力電圧Vd
（＝V_A／Toθ）が得られるような線形化演算を行な う回路であり、スイツチS₂を介して接続した一対
の演算増幅回路３１，３２の後段側から前段側に
負帰還をかける構成としてある。前段の演算増幅
回路３１は、入力回路に相当し、非反転入力端子
に抵抗３３（抵抗値Rx）を介して入力電圧V_Aが
印加され、また抵抗３３と同じ抵抗値Rxを有す
る抵抗３４を介して後段の演算増幅回路３２の出
力端子にそれぞれ接続してある。この前段の演算
増幅回路３１の出力電圧V_Cは、帰還抵抗３５が
抵抗値R_Yであるとすれば、 V_C＝−R_Y／Rx（V_A＋Vd） で表わされる。但し、Vdは後段の演算増幅回路
３２の出力電圧である。

一方、後段の演算増幅回路３２は、積分回路に
相当し、反転入力端子がスイツチS₂と抵抗３６
（抵抗値R₂）を介して前段の演算増幅回路３１の
出力端子に接続されており、またその帰還路には
抵抗３７とスイツチS₃が積分コンデンサ３８（容
量値C₂）に対して並列接続された並列接続回路
が介在させてある。

ところで、スイツチS₁とS₃は、温度計測の開始
と同時に開成されるのに対し、スイツチS₂は、変
換回路２３の出力によつて閉成される。従つて、
後段の演算増幅回路３２による積分動作は、時間
ｔの間行なわれることになり、出力電圧Vdは−
Vo／C₂R₂ｔ，すなわちR_Y／Rx（Va＋Vd）ｔ／C₂R₂で表 わされることなる。この関係からVdは、帰還回
路に特有の分数式 Vd＝R_YV_A／RxC₂R₂ｔ／１−R_Y／RxC₂R₂ｔ に書き改められ、時間ｔの分数関数で表わされる
ことになるのである。そして、ここで、
R_Y／RxC₂R₂＝To／BC₁R₁のように定数を決め、ｔ＝ C₁R₁Bθ／To（To＋θ）を用いて上式をさらに書き 改めれば、 Vd＝V_A／Toθ の如く、出力電圧Vdと温度差θが基準温度Toと
入力電圧V_Aの比を定数とする線形関係で結ばれ
ることになる。

制御回路２５は、上記変換回路２３と演算回路
２４中に設けられた３個のスイツチS₁，S₂，S₃の
開閉成を制御するものであり、計測開始信号と変
換回路２３の出力とが入力端子に供給されるナン
ドゲート回路３９と、計測開始信号とハイレベル
の定電圧信号Vccを入力するとナンドゲート回路
４０及び、ナンドゲート回路３９の出力とハイレ
ベルの定電圧信号Vccを入力とするナンドゲート
回路４１とから構成され、ナンドゲート回路４０
の出力がハイレベルであるときに、スイツチS₁と
S₃が閉成し、ナンドゲート回路４１の出力がハイ
レベルであるときに、スイツチS₂が閉成する。

従つて、計測開始とともに温度センサ２１の電
源を投入すると、計測開始信号によりナンドゲー
ト回路４１の出力がハイレベルとなり、ナンドゲ
ート回路３９と４０の出力はともにローレベルと
される。その結果、第４図ＡないしＥに示した如
く、スイツチS₁とS₃が開成し、スイツチS₂が閉成
する。

これにより、出力電圧Vbは電圧降下を開始し、
出力電圧Vbが電圧Vaに等しくなつたときに、ナ
ンドゲート回路３９の出力がローレベルとなつて
ナンドゲート回路４１の出力がハイレベルとなる
ため、スイツチS₂が閉成する。その結果、出力電
圧Vdは、スイツチS₂の閉成期間中前述の計算式
Vd＝V_A／Toθに従つて上昇することになる。

このように、温度センサ２１によれば、絶対温
度Ｔに対して抵抗値R_Tが指数関数的に変化する
非線形素子であるサーミスタ２２の出力変化を、
変換回路２３と演算回路２４の演算機能によつて
線形化し、基準温度Toとの温度差に比例した出
力電圧Vdを得ることができる。

以上説明したように、上記構成になる温度セン
サ２１によれば、非線形素子であるサーミスタ２
２の出力をこの出力の分数関数で表わされる時間
幅に変換し、この時間幅期間中積分動作する演算
増幅回路３２を用いて閉ループを形成した演算回
路２４により、前記分数関数を線形関数に変換す
る構成としたから、基本的には変換回路２３と演
算回路２４があればよく、入力に対して出力が指
数関数的に変化する。サーミスタ２２の出力を、
指数関数の逆関数特性をもつ複雑な変換回路によ
つて変換するのではなく、きわめて簡単な回路構
成で線形化することができる。

なお、非線形素子としては、サーミスタ２２に
限らず、入力に対して出力が非線形に変化するも
のであれば、他の素子でもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の温度センサの一例を示す概略
回路構成図、第２図は、本考案の非線形素子の線
形化回路を適用した温度センサの一実施例を示す
概略回路構成図、第３図は、第２図に示した温度
センサの具体的回路図、第４図ＡないしＥは、そ
れぞれ第２図に示した温度センサの各部の信号波
形図である。 ２１……温度センサ、２２……サーミスタ、２
３……変換回路、２４……演算回路、２５……制
御回路。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 入力に対して出力が指数関数的に変化する非線
   形素子と、 該非線形素子を帰還抵抗とした第１の演算増幅
   回路、非反転入力端子に充・放電回路が接続され
   た第２の演算増幅回路、前記第１、第２の演算増
   幅回路の出力を比較する比較回路を有し、前記
   充・放電回路の放電が開始されてから、前記第１
   の演算増幅回路の出力と前記第２の演算増幅回路
   の出力が一致するまでの時間に対応した長さのパ
   ルスを出力することにより、前記非線形素子の出
   力を該出力の分数関数で表わされるパルス幅の信
   号に変換する変換回路と、 該パルスの立上りにより動作するスイツチを介
   して供給される入力を時間積分する積分回路、該
   積分回路の出力とあらかじめ設定した基準値とを
   加算して定数倍した信号を前記スイツチを介して
   前記積分回路に入力する入力回路によつて閉ルー
   プを形成し、前記分数関数中の非線形要素を除去
   し、前記非線形素子の入力に対して線形関係にあ
   る出力を得る演算回路とからなる非線形素子の線
   形化回路。