JPH0552874A - 交流オートレンジ回路の切り換え動作制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 入力信号に波形ひずみ等があった場合でも適
正レンジが速やかに定まるようにした交流オートレンジ
回路の切り換え動作制御方法を提供すること。 【構成】 入力信号の実効値等がそのレンジに定められ
た表示範囲を下回った場合には当該レンジを下位レンジ
に切り換えるが、その際、入力信号に波形ひずみなどが
あってそのピーク値が入力信号振幅監視用に設けられた
高、低２つのしきい値電圧の高レベルしきい値電圧より
小さく低レベルしきい値電圧より大きい場合には、上記
下位レンジへの切り換えを停止し、当該レンジを適正レ
ンジとして設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、交流入力信号の実効
値又は平均値等を測定する際、入力信号のレベルの大小
に応じて装置入力部のレンジを切り換える交流オートレ
ンジ回路の切り換え動作制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４にはオートレンジ回路の従来例が示
されているが、図示しない信号源の交流電流信号や交流
電圧信号は他の手段にて一定の対応関係を有する電圧信
号に変換され、レンジ切換回路２１に加えられる。この
レンジ切換回路２１は例えば図示しない増幅器と、同増
幅器の入力抵抗または帰還抵抗の値を切り換えてその増
幅度をステップ状に変化させる図示しないスイッチとを
備え、スイッチの抵抗値切換段数がレンジ段数となって
いる。なお、このスイッチは例えばコンパレータ２５か
らレンジアップ信号又はレンジダウン信号が加わると動
作するようになっている。

【０００３】上記レンジ切換回路２１の図示しない各レ
ンジにはそれぞれ分担する信号レベル範囲の最大値を付
して例えば１ボルトレンジ（以下、ボルトを「Ｖ」と記
す。）、２Ｖレンジ、４Ｖレンジ、…とよんでいる。こ
のレンジ称呼電圧「１」Ｖとか「２」Ｖとは交流入力電
圧の最大振幅ではなく、通常その実効値を言うことにし
ている。なお、分担レベル範囲は例えば１Ｖレンジが最
低レンジなら１Ｖ以下所定値まで、２Ｖレンジは１Ｖを
超え２Ｖ以下とし、レンジに付した電圧値をそのレンジ
のフルスケール電圧などとよんでいる。ここで、１Ｖレ
ンジと２Ｖレンジを比べると、入力信号電圧に対する増
幅度は２Ｖレンジが１Ｖレンジの１／２、したがって感
度も１／２であるから１Ｖレンジは高感度で２Ｖレンジ
は低感度ということになる。２Ｖレンジと４Ｖレンジに
ついても同様に、２Ｖレンジが高感度で４Ｖレンジは低
感度と言うことができる。

【０００４】ところで、レンジ切り換えの説明に使用さ
れるレンジアップ、レンジダウンなどの用語は、技術分
野によりレンジの感度の高低を指す場合と、レンジのフ
ルスケール電圧の大小を指す場合とがある。すなわち前
者の場合には低感度のレンジから高感度のレンジに切り
換えること、例えば４Ｖレンジから２Ｖレンジに切り換
えることを「レンジアップ」又は「レンジを上げる」と
言い、その逆を「レンジダウン」又は「レンジを下げ
る」と言っている。

【０００５】レンジのフルスケール電圧の大小を指す後
者の場合には、フルスケール電圧の小さいレンジからフ
ルスケール電圧の大きいレンジに切り換えること、例え
ば２Ｖレンジから４Ｖレンジに切り換えることを「レン
ジアップ」又は「レンジを上げる」と言い、その逆を
「レンジダウン」又は「レンジを下げる」と言ってい
る。この明細書においては上記後者の例にならって説明
することにする。

【０００６】上記レンジ切換回路２１を経た交流電圧は
例えば絶対値回路２２に加えられる。絶対値回路２２は
加えられた交流電圧の各半波をその波形に沿って正又は
負のいずれか一方の極性の脈流電圧に整流し、上記交流
電圧の絶対レベルを検出する。この検出電圧は絶対値／
実効値変換回路２３において例えば上記交流電圧の実効
値を表す直流電圧に変換され、Ａ／Ｄコンバータ２４に
てディジタル変換されたのち制御部２７に送られる。制
御部２７は例えばこの入力データに必要な処理を施し、
表示部２８にその結果を表示する。

【０００７】この場合、上記Ａ／Ｄコンバータ２４のデ
ィジタル変換データはコンパレータ２５にも送られるよ
うになっている。同コンパレータ２５はこの入力データ
を例えば上、下限のしきい値データ２６と比較し、入力
データが上限しきい値データを超えた場合には上記レン
ジ切換回路２１へレンジアップ信号を発する。また、入
力データが下限しきい値データ以下となった場合はレン
ジダウン信号を発するようになっている。

【０００８】この従来例においては、入力信号がほぼｓ
ｉｎ波形であれば信号レベルの大小に応じて適正レンジ
が自動的に設定されるが、それ以外の波形については必
ずしも適正レンジが設定されないことがある。その例を
図５により説明すると、同図イは入力信号がｓｉｎ波形
であるから適正レンジが設定される。すなわち、入力信
号電圧の最大値をＶｍ、同信号の実効値をディジタル変
換してその直流アナログ相当電圧をＶｅとし、この電圧
を基準化して１とすると最大値電圧Ｖｍは１．４１とな
る。

【０００９】いま、装置が線形動作可能なダイナミック
レンジを±Ｖｄ、コンパレータ２５の上限しきい値電圧
と下限しきい値電圧を正のＶｕ，Ｖｌとし、例えばそれ
ぞれ Ｖｄ＝１．５ Ｖｕ＝１ Ｖｌ＝０．４ に設定されているものとすると、上記イの場合は Ｖｌ＜Ｖｅ≦Ｖｕ の範囲にあるから、現在のレンジが適正レンジとなる。
かつ、その実効値Ｖｅが Ｖｅ＝１＝Ｖｕ であるとすると、この信号は現在レンジにおける最大入
力信号すなわちフルスケール入力電圧となる。よってこ
の信号より大きい入力電圧については Ｖｅ＞Ｖｕ となり、コンパレータ２５からレンジアップ信号が発せ
られて１ステップ上位のレンジに切り換えられる。ま
た、入力信号レベルが例えば上記フルスケール入力電圧
の４０％以下の場合には Ｖｅ≦０．４＝Ｖｌ となるからコンパレータ２５からはレンジダウン信号が
発せられ、１ステップ下位のレンジに切り換えられる。

【００１０】図５のロは入力信号が方形波の場合である
が、その実効値Ｖｅを上記イのｓｉｎ波形入力信号と同
様に１とすると、方形波の最大振幅Ｖｍの絶対値と実効
値Ｖｅとは等しく、かつ、ダイナミックレンジＶｄ（絶
対値）より小さい。すなわち Ｖｅ＝１＝｜Ｖｍ｜＜｜Ｖｄ｜ である。レンジの切り換えは上記ｓｉｎ波入力信号の場
合と同様に、 Ｖｅ＞Ｖｕ になるとレンジアップで、 Ｖｅ≦Ｖｌ ならばレンジダウンとなる。

【００１１】図５のハは入力信号が三角波形の場合であ
る。実効値Ｖｅを上記ｓｉｎ波入力信号と同様に１とす
ると、その最大振幅Ｖｍ（絶対値）は１．７３となり、
ダイナミックレンジＶｄ（絶対値）の値１．５より大き
くなる。すなわち ｜Ｖｍ｜＞｜Ｖｄ｜ である。したがって入力信号はＶｄのレベルで飽和現象
を生じ、実際の最大振幅Ｖｍ′は例えばダイナミックレ
ンジＶｄとほぼ等しいとすると ｜Ｖｍ′｜＝｜Ｖｄ｜ となり、それに伴ってＡ／Ｄコンバータ２４から得られ
る実効値データＶｅ′は、三角波入力信号の真の実効値
Ｖｅより小さくなる。すなわち、 Ｖｅ′＜Ｖｅ この場合、コンパレータ２５の上限しきい値電圧Ｖｕが
上記イ、ロと同様に１に設定されていると、 Ｖｅ′＜Ｖｕ であり、同コンパレータからはレンジアップ信号が発せ
られない。したがって、例えば制御部２７がこの電圧Ｖ
ｅ′を入力信号の実効値として測定すると誤差を生じ
る。

【００１２】図５のニは入力信号がのこぎり波の場合で
あるが、上記三角波の場合と同様に最大振幅Ｖｍはダイ
ナミックレンジＶｄのレベルで飽和し、実際に得られた
実効値Ｖｅ′は真の実効値Ｖｅより小さい値となる。図
５のホは入力信号が台形波の場合であるが、実線で示す
ようにその最大振幅ＶｍがダイナミックレンジＶｄ以内
であれば、正確な値の実効値Ｖｅが得られる。しかし１
点鎖線で示すように、その実効値が上記実線波形の実効
値と等しく振幅がそれより大きい台形波信号は無数に存
在する。ここで図示の１点鎖線で示す信号の振幅が大き
くなってダイナミックレンジＶｄに達し、それ以上の振
幅が飽和したとすると最大振幅Ｖｍ′は例えば ｜Ｖｍ′｜＝｜Ｖｄ｜ となる。この場合、その実効値Ｖｅ′は１点鎖線で示す
台形波入力信号の真の実効値Ｖｅより小さい値となり、
上記三角波入力信号やのこぎり波入力信号の例と同様に
測定誤差が生じる。

【００１３】上記のように従来のオートレンジ回路にお
いては、入力信号の最大振幅が例えば回路のダイナミッ
クレンジのレベルで飽和しているような場合でも、入力
信号の波形によってはその実効値がコンパレータの上限
しきい値電圧を超えないことがある。そのためレンジア
ップがなされなくなり、制御部などで測定した実効値デ
ータには誤差が入り込むことになる。

【００１４】そこで本出願人は、特願昭６１−１７９４
６６号（特公平３−１６６２２号）明細書において上記
の欠点を解消した交流オートレンジ回路の発明を先に提
案した。以下、その概要を図６により手短かに説明する
と、レンジ切換回路１０ないし表示部１６は前記従来装
置（図４）のレンジ切換回路２１ないし表示部２８とほ
ぼ同様に構成されている。この先行技術例においては、
例えば絶対値回路１１の出力から入力信号の最大振幅Ｖ
ｍを検出して保持するピークホールド回路１７と、所定
のしきい値電圧Ｖｄを有するしきい値電圧源１８と、上
記入力信号レベルのピーク値Ｖｍをしきい値電圧Ｖｄと
比較し、 Ｖｍ＞Ｖｄ のときにはレンジアップ信号を発するコンパレータ１９
と、同コンパレータ１９から発せられたレンジアップ信
号をコンパレータ１４から発せられたレンジアップ信号
又はレンジダウン信号より優先的に選択してレンジ切換
回路１０へ転送し、上記コンパレータ１９がレンジアッ
プ信号を発してしない場合はコンパレータ１４の発する
レンジアップ信号又はレンジダウン信号を上記レンジ切
換回路１０に転送するゲート回路２０とを備えている。

【００１５】ここで、上記先行技術例におけるしきい値
電圧Ｖｄは、例えば回路のダイナミックレンジ｜Ｖｄ｜
とほぼ等しい値に設定されているものとすると、入力信
号の波形が前記図５のハ、ニ、ホに示すようなｓｉｎ波
以外であって振幅のピーク値がダイナミックレンジを超
えるような場合には、コンパレータ１９の発するレンジ
アップ信号によりレンジ切換回路１０のレンジが適正レ
ンジに切り換えられ、制御部１５などにおいて正確な実
効値を測定することができる。なお、適正レンジが設定
されると Ｖｍ≦Ｖｄ となるからコンパレータ１９のレンジアップ信号は無く
なる。レンジ切換回路１０はゲート回路２０からのレン
ジアップ信号が無くなったことを検知すると、例えばピ
ークホールド回路１７へリセット信号を発してそれまで
の保持動作を解除し次のピーク値入力に備えるようにな
っている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記図６に示すオート
レンジ回路の先行技術例は既に実用に供されており、三
角波、のこぎり波、台形波等のひずみ波形入力信号につ
いては、その実効値又は平均値を高精度で測定できるこ
とが確かめられている。

【００１７】ところで入力信号がパルス状波形の場合、
そのピーク値は従来必要により測定されることもあった
が、実効値等の測定は通常ほとんど行われていなかっ
た。しかし最近はユーザ側からパルス状波形の実効値測
定についてまま要望されることがある。この場合上記先
行技術の回路においては、例えば図７の（Ａ）に示すよ
うに絶対値回路１１の出力からそのピーク値Ｖｍをピー
クホールド回路１７が検出して保持し、コンパレータ１
９はそのピーク値Ｖｍを例えば正のしきい値電圧Ｖｄと
比較して Ｖｍ＞Ｖｄ のときにはレンジアップ信号を発するようになってい
る。

【００１８】これにより同図（Ｂ）に示すように１ステ
ップ高いレベルを入力範囲とするレンジに切り換えら
れ、このレンジが適正レンジであればピークホールド回
路１７のピーク値保持動作がいったんリセットされるよ
うになっている。この場合、パルス状信号の波形にもよ
るがその実効値Ｖｅがたまたまコンパレータ１４の下限
しきい値電圧＋Ｖｌ以下になると、同コンパレータ１４
から１ステップ低いレベルを入力範囲とするレンジへ切
り換えるレンジダウン信号が発せられ、上記設定した適
正レンジが不安定になることがある。

【００１９】この発明は上記の事情を考慮してなされた
もので、その目的は、先願発明の機能をより拡大してパ
ルス状波形の入力信号についても安定にレンジ設定がで
きるようにしたオートレンジ回路の切り換え動作制御方
法を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】この発明の実施例を示す
図１を参照すると、レンジ切換回路１、Ａ／Ｄコンバー
タ３、表示部６などはそれぞれ前記先行技術例（図６）
のレンジ切換回路１０、Ａ／Ｄコンバータ１３、表示部
１６とほぼ同様に構成されている。また、同図１の整流
回路２は、例えば前記先行技術例における絶対値回路１
１と絶対値／実効値変換回路１２を１つのユニットで構
成したものとする。同図１においては、上記の課題を解
決するため下記（イ）ないし（ハ）の手段を備えてい
る。

【００２１】（イ） 例えば実効値にて表した複数の電
圧レンジの各フルスケール電圧値に対してそれぞれｍ倍
のしきい値電圧を有し、入力信号の振幅が上記しきい値
電圧を超えたとき警告信号を発する高レベルの振幅監視
回路７。

【００２２】（ロ） 例えば上記各レンジのフルスケー
ル電圧値に対してそれぞれ上記ｍより小さいｎ倍のしき
い値電圧を有し、入力信号の振幅がそのしきい値電圧を
超えたとき警告信号を発する低レベルの振幅監視回路
８。

【００２３】（ハ） 例えば入力信号の実効値が現在レ
ンジのフルスケール電圧値を超えたときには自動的に上
位レンジに切り換え、上記入力信号の実効値がフルスケ
ール電圧値の４０％を超え同フルスケール電圧値以下の
ときは上記高レベル振幅監視回路７からの警告信号の
有、無により現在レンジを上位レンジに切り換え、もし
くは現在レンジを維持し、入力信号の実効値がフルスケ
ール電圧値の４０％以下のときは上記低レベル振幅監視
回路８からの警告信号の有、無により現在レンジを維持
し、もしくは現在レンジを下位レンジに切り換える制御
部９。

【００２４】

【作用】この発明においては前記先行技術例（図６）に
おける入力信号の最大振幅すなわちピーク値Ｖｍを監視
するコンパレータ１９の機能を例えば上記（イ）の高レ
ベル振幅監視回路７と、（ロ）の低レベル振幅監視回路
８の２つにて行うようになっている。また、前記先行技
術例における入力信号の実効値を監視するコンパレータ
１４の機能と、同コンパレータ１４が発するレンジアッ
プ信号又はレンジダウン信号及び前記コンパレータ１９
が発するレンジアップ信号とからその１つを選択して前
記レンジ切換回路１０へ送出するゲート回路２０の機能
とを例えば上記（ハ）の制御部９に取り込み、そのソフ
トウェアにより実行するようになっている。したがって
この発明においては、例えば入力信号の実効値がフルス
ケール電圧値の４０％以下になったとき低レベル振幅監
視回路８から警告信号が出ていなければ制御部９は現在
レンジを下位レンジに切り換え、同振幅監視回路８から
警告信号が出ていれば実効値がフルスケール電圧値の４
０％以下であってもレンジを下げることは無意味と判断
して駆動信号を送出しない。これにより現在レンジが維
持される。

【００２５】

【実施例】振幅監視回路７と８は図２の（Ａ）に示すよ
うに例えばそれぞれウインドゥ形コンパレータ７（ａ）
と単安定マルチバイブレータ７（ｂ）、及びウインドゥ
形コンパレータ８（ａ）と単安定マルチバイブレータ８
（ｂ）とからなっている。この２つの回路においてはコ
ンパレータ７（ａ）と８（ａ）のしきい値電圧、すなわ
ち入力信号に対する正、負の監視レベルが異なるが、そ
れ以外は同一構成になっている。図２の（Ｂ）には、例
えばレンジ構成を１Ｖ、２Ｖ、４Ｖ、８Ｖの４レンジと
した場合における振幅監視回路７と８の監視レベルの一
例が示されている。なお、同図（Ｂ）の±１２Ｖは回路
のダイナミックレンジとほぼ等しい値になっているもの
とする。

【００２６】制御部９は例えば実効値の測定、測定デー
タとレンジの表示範囲との比較、及びレンジ切換回路１
に対する適正レンジの切り換え制御、表示回路６へ測定
データなどの表示を行う。各レンジの表示範囲は前記先
行技術例と同様に例えばそのフルスケール電圧の４０％
を超える値から同フルスケール電圧値までとなってい
る。入力信号がｓｉｎ波形の場合には、制御部９は例え
ばその実効値を現在レンジの表示範囲と比較し、表示範
囲に入っていれば現在レンジにて表示させる。また、上
記実効値が現在レンジのフルスケール電圧値を超えてい
る場合には、制御部９はレンジ切換回路１へ駆動信号を
送出して上位レンジに切り換え、実効値がフルスケール
の４０％以下であれば逆極性の駆動信号を送出して下位
レンジに切り換え、それぞれ表示させるようになってい
る。

【００２７】入力信号がひずみ波形の場合にはまず上記
のレンジ制御方法を基本とし、高レベルの振幅監視回路
７と低レベルの振幅監視回路８から警告信号の有無によ
り適正レンジを選択的に設定するようになっている。以
下、具体例により説明する。

【００２８】 いま、レンジ切換回路１に加わる入力
信号は、例えばその実効値が１．５Ｖで振幅のピーク値
が６．５Ｖのパルス状波形であったとする。この場合、
１Ｖレンジでは実効値の表示値がレンジのフルスケール
電圧値を超えるから、まずレンジを１段上げて２Ｖレン
ジにする。

【００２９】 ２Ｖレンジでは実効値の表示範囲は適
切であるが、上記ピーク値が高レベル振幅監視回路７の
監視レベルを超え、警告信号が発生せられる。よって更
にレンジを１段上げ、４Ｖレンジにする。

【００３０】 ４Ｖレンジにおいては上記振幅監視回
路７の警告信号が無くなり、装置が入力信号のピーク値
に対して線形動作可能な状態になる。その反面、実効値
の表示値は４Ｖレンジの表示範囲下限値１．６Ｖ（４Ｖ
×０．４）を下回る。この場合、前記先行技術例（図
６）においては例えばコンパレータ１４が発するレンジ
ダウン信号によりレンジを１段下げるが、それにより入
力信号のピーク値がピーク値検出動作状態にリセットさ
れたピークホールド回路１７により検出され、コンパレ
ータ１９は該ピーク値がしきい値電圧Ｖｄを超えるので
レンジアップ信号を発する。このためレンジが定まらず
不安定になる。

【００３１】 この発明によると現在４Ｖレンジにお
いては、振幅監視回路７からの警告信号は上記したよう
に無くなるが、低レベルの振幅監視回路８からはピーク
値に対する警告信号が発せられられており、制御部９は
レンジを下げることは無意味と判断することができる。
よって駆動信号は送出しない。これにより、上記２Ｖレ
ンジを４Ｖレンジに切り換えたの段階でレンジ設定は
終了する。

【００３２】ちなみに、図３にはレンジ切り換え動作制
御方法の一例が流れ線図で示されている。同図におい
て、ＦＳとはレンジの称呼電圧値を指し、そのレンジで
表示し得る最大電圧すなわちフルスケール電圧を表す。
また、表示値とは例えば制御部にて測定した入力信号電
圧の実効値を指すものとする。

【００３３】

【効果】以上、詳細に説明したようにこの発明において
は、例えば入力信号電圧の実効値がレンジ切換回路１に
おける現在レンジのフルスケール電圧より大きい場合に
は、制御部９は上記実効値がフルスケール電圧の４０％
を超えた値から同フルスケール電圧値以下の範囲に入る
まで自動的に現在レンジを上位レンジに切り換える。

【００３４】また、例えば入力信号電圧の波形ひずみに
よりそのピーク値が高レベル振幅監視回路７の監視電圧
を超えた場合には、制御部９は上記振幅監視回路７が発
する警告信号を受けて同信号が消滅するまで現在レンジ
を上位レンジに切り換える。

【００３５】さらに、上記実効値が例えば現在レンジに
おけるフルスケール電圧値の４０％以下であった場合に
は、制御部９は同実効値がフルスケール電圧の４０％を
超えた値からフルスケール電圧値以下の範囲に入るまで
そのレンジを自動的に下位レンジに切り換える。ここ
で、例えば入力信号電圧に波形ひずみによるピーク値が
あるためレンジ切り換えの途中で低レベル振幅監視回路
８から警告信号が発せられた場合には、制御部９はその
レンジ以下に切り換えることは無意味と判断し、駆動信
号の送出を中止して当該レンジを最終レンジとする。

【００３６】これにより、波形ひずみを有する入力信号
に対してレンジの上げ下げを繰り返すようにことが無く
なり、速やかに適正レンジを設定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を適用した装置の電気的構成を示すブ
ロック線図。

【図２】（Ａ） 振幅監視回路の構成を示すブロック線
図。 （Ｂ） 各レンジに対する振幅監視回路の監視レベル説
明図。

【図３】レンジ切り換え動作制御方法の一例を示すフロ
ーチャート。

【図４】従来装置の電気的構成を示すブロック線図。

【図５】従来装置におけるレンジ切り換え動作説明用の
波形図。

【図６】他の従来装置の電気的構成を示すブロック線
図。

【図７】他の従来装置におけるレンジ切り換え動作説明
用のパルス状入力信号波形図。

【符号の説明】

１ レンジ切換回路 ２ 整流回路 ６ 表示回路 ７ 高レベル振幅監視回路 ８ 低レベル振幅監視回路 ９ 制御部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力信号電圧を複数のレンジのいずれか
   を介して取り込みその実効値（もしくは平均値）を検出
   し、該検出値がそのレンジのレベル表示範囲以下又はレ
   ベル表示範囲を超えた場合は当該レンジを自動的に下位
   レンジ又は上位レンジに切り換え、上記入力信号電圧の
   ピーク値がそのレンジに設定された入力信号振幅監視用
   のしきい値電圧を超えた場合には、当該レンジが低いこ
   とを知らせる警告信号に基づいてそのレンジを上位レン
   ジに切り換える交流オートレンジ回路の切り換え動作制
   御方法において、 上記振幅監視用しきい値電圧はレンジにより高、低２つ
   の電圧を有し、上記入力信号の実効値（もしくは平均
   値）が現在レンジのレベル表示範囲を下回るため下位レ
   ンジに切り換える際、同入力信号振幅のピーク値が現在
   レンジの低圧しきい値電圧より大きいことを知らせる警
   告信号が発せられた場合には下位レンジへの切り換えを
   停止し、当該警告信号が発せられたときのレンジを適正
   レンジとして設定することを特徴とする交流オートレン
   ジ回路の切り換え動作制御方法。