WO2015166542A1

WO2015166542A1 - アナログ信号出力装置

Info

Publication number: WO2015166542A1
Application number: PCT/JP2014/061913
Authority: WO
Inventors: 智志青木; 慶洋明星
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2015-11-05

Abstract

　コスト及び実装面積を増大させず、高速で低電力なアナログ信号出力装置を得ることを目的として、アナログ信号出力装置１は、負荷抵抗２に接続される２つの端子７ａ，７ｂと、アナログ信号出力回路３と、ＤＣ／ＤＣレギュレータ６と、２つの端子７ａ，７ｂ間の電圧検出回路４と、電圧検出回路４の検出電圧値Ｖ_ｒが入力され、アナログ信号出力回路３及びＤＣ／ＤＣレギュレータ６を制御する制御回路５と、を備え、制御回路５は、アナログ信号出力回路３が出力する電流値の設定を行う電流値設定部５１と、検出電圧値Ｖ_ｒを保持する電圧値監視部５２と、検出電圧値Ｖ_ｒと設定された電流値から負荷抵抗２の抵抗値である負荷抵抗値Ｒ_Ｌを算出する負荷抵抗値算出部５３と、を備え、アナログ信号出力回路３の駆動電源電圧値は、負荷抵抗値Ｒ_Ｌ及びアナログ信号出力回路３の出力電流の設定上限値の積に、設定された電圧マージン値を加算することで算出される。

Description

アナログ信号出力装置

　本発明は、アナログ信号出力装置に関する。

　従来、産業分野（特にＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）分野）において、モータまたはリレー駆動等の制御を行うにあたり、高精度なアナログ信号を出力するためのアナログ信号出力装置が広く用いられている。アナログ信号出力装置は、動作モードとして、一般に、ユーザが設定した電流を出力する電流モードと、ユーザが設定した電圧を出力する電圧モードと、を備える。一般的なアナログ信号出力装置では、例えば、電流モードにおける出力仕様は０ｍＡ～２０ｍＡであり、電圧モードにおける出力仕様は－１０Ｖ～１０Ｖである。また、アナログ信号出力装置は、このような広い電流／電圧レンジに対応するため、出力回路の駆動電源を高く設計されるべきである。特に、電流モードでは、出力回路の発熱を抑えるために、低電力化が強く求められている。さらには、アナログ信号出力装置の高速制御を可能にするために、出力信号の応答性能の向上（高速化）も求められている。

　例えば、特許文献１には、ＤＣ／ＤＣレギュレータを用いて駆動電圧を得る技術が開示されている。特許文献１に開示された技術によれば、負荷抵抗（ＲＬ）に流す出力電流の駆動電圧をＤＣ／ＤＣレギュレータ（スイッチング方式の降圧回路６）で生成し、該ＤＣ／ＤＣレギュレータの出力電圧は、駆動電源制御回路（電源回路）により変更可能である。このような構成とすることで、出力電流に応じて発熱を抑えたエネルギー効率のよい駆動電圧での動作が可能となり、低電力化が図られている。

　また、例えば、特許文献２には、負荷抵抗の電流及び電圧を、アナログ回路によりハードウエア的に監視する技術が開示されている。特許文献２に開示された技術によれば、負荷抵抗に流れる電流と負荷抵抗にかかる電圧をアナログ回路により監視し、これにより負荷抵抗の抵抗値を検知して駆動電圧が制御される。

特開２０００－２５２７５４号公報特開２０１０－１１９０４１号公報

　しかしながら、上記従来の技術によれば、電圧値の調整には時間を要し、出力電流の応答性能も劣化してしまい、または、出力電流が微小である場合には、検出電圧も微小となるため、抵抗値の算出において等価的に０／０のアナログ演算を要し、回路雑音などの影響により精度が劣化する。精度の改善には、回路の複雑化、コストまたは実装面積の増大が伴う。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コスト及び実装面積を増大させず、高速で低電力なアナログ信号出力装置を得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、接続された負荷抵抗に対してアナログ信号を出力するアナログ信号出力装置であって、前記アナログ信号出力装置は、前記負荷抵抗に接続される２つの端子と、前記２つの端子にアナログ信号を出力するアナログ信号出力回路と、前記アナログ信号出力回路の駆動電源を生成するＤＣ／ＤＣレギュレータと、前記２つの端子間の電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路の検出電圧値が入力され、前記アナログ信号出力回路及び前記ＤＣ／ＤＣレギュレータを制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記アナログ信号出力回路が出力する電流値の設定を行う電流値設定手段と、前記検出電圧値を保持する電圧値監視手段と、前記検出電圧値と設定された前記電流値から前記負荷抵抗の抵抗値である負荷抵抗値を算出する負荷抵抗値算出手段と、を備え、前記ＤＣ／ＤＣレギュレータが出力する前記アナログ信号出力回路の駆動電源電圧値は、前記負荷抵抗値及び前記アナログ信号出力回路が出力する出力電流の設定上限値の積に、設定された電圧マージン値を加算することで算出されることを特徴とする。

　本発明にかかるアナログ信号出力装置は、コスト及び実装面積を増大させず、高速で低電力とすることができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかるアナログ信号出力装置の構成の一例を示す図である。図２は、実施の形態にかかるアナログ信号出力装置の負荷抵抗値算出部における抵抗値の算出方法を示すフローチャートである。図３は、実施の形態にかかるアナログ信号出力装置の試験モードの動作を示すフローチャートである。

　以下に、本発明にかかるアナログ信号出力装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
　図１は、本発明にかかるアナログ信号出力装置の実施の形態における構成の一例を示す図である。図１に示す負荷抵抗２の両端が接続される端子７ａ，７ｂを有するアナログ信号出力装置１は、負荷抵抗２にアナログ信号を出力するアナログ信号出力回路３と、並列に接続された負荷抵抗２の間の電圧を端子７ａ，７ｂを介して検出する電圧検出回路４と、電圧検出回路４の検出電圧値が入力され、アナログ信号出力回路３及びＤＣ／ＤＣレギュレータ６を制御するマイクロコントローラ等の制御回路５（ＣＰＵ）と、アナログ信号出力回路３の駆動電源を生成するＤＣ／ＤＣレギュレータ６と、を備える。制御回路５は、アナログ信号出力回路３が出力する電流値を設定して指示する電流値設定部５１と、電圧検出回路４で検出した電圧値を保持する電圧値監視部５２と、電圧検出回路４が検出した電圧値と電流値設定部５１が設定した電流値とにより負荷抵抗２の抵抗値を算出する負荷抵抗値算出部５３と、を備える。

　図１に示すアナログ信号出力装置１においては、例えば、制御回路５上で動作するソフトウエア（Ｓ／Ｗ）が、レジスタ設定等によってユーザの要求に応じた電流値を電流値設定部５１に設定させる。このとき、負荷抵抗２の両端の電圧は、電圧検出回路４を介して電圧値監視部５２に格納され、ユーザは、レジスタの読み出し等により負荷抵抗２の電圧値を得ることができる。負荷抵抗値算出部５３は、制御回路５上で動作するソフトウエア（Ｓ／Ｗ）の演算処理により検出電圧値を設定電流値により除算することで、負荷対抗２の素子値（抵抗値）を算出する。このようにして、アナログ信号出力装置１に接続された負荷抵抗２の素子値（抵抗値）を得ることができる。

　図１に示すアナログ信号出力装置１では、例えばシステム立上げ時等に、制御回路５が外部に接続された負荷抵抗２の抵抗値を測定するモード（試験モード）に入る設定である。

　図３は、アナログ信号出力装置１の本実施の形態における試験モードの動作を示すフローチャートである。まず、負荷抵抗２が接続されて（Ｓ２１）システム（アナログ信号出力装置１を含む機器）が立ち上がる（Ｓ２２）。

　試験モードでは、抵抗値Ｒ_Ｌを用いるため、これを算出する（Ｓ２３）。図２は、抵抗値Ｒ_Ｌの算出方法を示すフローチャートである。抵抗値Ｒ_Ｌの算出は、負荷抵抗値算出部５３で行われる。まず、電流値設定部５１がアナログ信号出力回路３を介して試験電流値Ｉ_ｔｅｓｔを外部負荷である負荷抵抗２に出力する（Ｓ１１）。ここでは、試験電流値Ｉ_ｔｅｓｔはＩ_ｔｅｓｔ＝１ｍＡとする。電圧検出回路４は、このときの負荷抵抗２の電圧値Ｖ_ｒを検出し（Ｓ１２）、検出電圧値Ｖ_ｒは、電圧値監視部５２に入力される。負荷抵抗値算出部５３は、試験電流値Ｉ_ｔｅｓｔと検出電圧値Ｖ_ｒから負荷抵抗２の素子値（抵抗値）Ｒ_ＬをＲ_Ｌ＝Ｖ_ｒ／Ｉ_ｔｅｓｔにより算出する（Ｓ１３）。その後、制御回路５は試験電流値Ｉ_ｔｅｓｔの出力を停止し（Ｓ１４）、試験モードを終了する。

　その後、制御回路５は、出力電流仕様から出力電流の設定上限値である最大出力電流値Ｉ_{ｏ＿ｍａｘ}と、予め設定された電圧マージン値Ｖ_{＿ｍａｒｇｉｎ}と、を読み出す（Ｓ２４）。最大出力電流値Ｉ_{ｏ＿ｍａｘ}及び電圧マージン値Ｖ_{＿ｍａｒｇｉｎ}は、制御回路５に含まれるメモリに記憶されていればよい。制御回路５は、負荷抵抗２の素子値（抵抗値）Ｒ_Ｌから、アナログ信号出力回路３の必要最小限の駆動電源電圧値Ｖ_ｏｕｔを下記の式（１）により算出する（Ｓ２５）。

　ここで、Ｉ_{ｏ＿ｍａｘ}は例えば出力電流仕様が０～２０ｍＡであればＩ_{ｏ＿ｍａｘ}＝２０ｍＡである。また、Ｖ_{＿ｍａｒｇｉｎ}は駆動電源電圧値Ｖ_ｏｕｔにマージンをもたせるために設定された電圧マージン値であり、例えば１Ｖとする。

　制御回路５は、上記算出した必要最小限の駆動電源電圧値Ｖ_ｏｕｔによりＤＣ／ＤＣレギュレータ６を制御する。その後、制御回路５は試験モードを終了し、通常動作へ移行する（Ｓ２６）。

　アナログ信号出力回路３の駆動電源の電圧は、上記の式（１）により算出された必要最小限の駆動電源電圧値Ｖ_ｏｕｔに設定され、負荷抵抗２の抵抗値Ｒ_Ｌは固定値であるため、低電力化を実現することができる。この駆動電源電圧値Ｖ_ｏｕｔの設定はシステム立上げ時に行われ、通常動作に移行しても駆動電圧は変化しない。そのため、アナログ信号の出力応答は、ＤＣ／ＤＣレギュレータ６の制御の応答に律速されず、高速化が可能である。

　また、本発明では、負荷抵抗２の素子値（抵抗値）の検出のための試験電流値Ｉ_ｔｅｓｔは、マイクロコントローラ等により制御回路５に対してユーザが設定することが可能な値である。そのため、アナログ回路などのハードウエア（Ｈ／Ｗ）で抵抗値の検知を行う従来技術において、抵抗値の検知精度改善のための回路の複雑化を防止することができる。すなわち、ハードウエア（Ｈ／Ｗ）で抵抗値を検知する従来技術では、出力電流が微小である場合、検出される電圧値Ｖｒも微小値となるので、抵抗値を得るためには等価的に０／０のアナログ回路演算が必要となり、検知精度が低下するが、この対策として、検知方法を切替えるなどの他の回路が個別に必要となり、回路構成の複雑化、コストの増加及び実装面積の増加を招いていた。本発明によれば、負荷抵抗の検知のための試験電流値Ｉ_ｔｅｓｔは、マイクロコントローラ等によりユーザが設定できるため、従来技術にて必要であった０／０の演算の問題が解決され、回路の複雑化を防止することができる。

　なお、本実施の形態においては、システム（機器）立上げ時にアナログ信号出力回路３の駆動電源の制御を行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、ユーザがアナログ信号出力回路３の動作モードを電圧モードから電流モードへ切替えたタイミングで試験モードに移行し、アナログ信号出力回路３の駆動電源の制御を行ってもよい。この場合にも同様の効果を得ることができる。

　以上説明したように、本実施の形態のアナログ信号出力装置は、負荷抵抗に流す試験電流値と、電圧検出回路により検出した負荷抵抗間の検出電圧値から、マイクロコントローラの演算機能を用いて負荷抵抗値を算出し、この負荷抵抗値に基づき、最大電流出力時に生じる電圧振幅より大きい範囲で最小の駆動電源電圧を出力するようにＤＣ／ＤＣレギュレータを制御する。

　この制御は、通常動作前のシステム立上げ時または電流モード移行時に行うため、通常動作時には、駆動電源の変更は発生しない。そのため、出力信号の応答劣化が生じず、高速なアナログ信号出力装置を得ることができる。負荷抵抗の検知のための試験電流値は、マイクロコントローラによりユーザが設定できるため、抵抗値の検知精度にも問題は生じない。

　なお、上記説明では電源生成回路の一例としてＤＣ／ＤＣレギュレータを例示して説明しているが本発明はこれに限定されるものではない。ＤＣ／ＤＣレギュレータに代えてシリーズレギュレータを含む電源生成回路を用いてもよい。

　以上のように、本発明にかかるアナログ信号出力装置は、モータまたはリレー駆動等に高精度なアナログ信号が用いられる機器に有用であり、特にＦＡ分野において有用である。

　１　アナログ信号出力装置、２　負荷抵抗、３　アナログ信号出力回路、４　電圧検出回路、５　制御回路、６　ＤＣ／ＤＣレギュレータ、７ａ，７ｂ　端子、５１　電流値設定部、５２　電圧値監視部、５３　負荷抵抗値算出部。

Claims

　接続された負荷抵抗に対してアナログ信号を出力するアナログ信号出力装置であって、
　前記アナログ信号出力装置は、
　前記負荷抵抗に接続される２つの端子と、
　前記２つの端子にアナログ信号を出力するアナログ信号出力回路と、
　前記アナログ信号出力回路の駆動電源を生成する電源生成回路と、
　前記２つの端子間の電圧を検出する電圧検出回路と、
　前記電圧検出回路の検出電圧値が入力され、前記アナログ信号出力回路及び前記電源生成回路を制御する制御回路と、を備え、
　前記制御回路は、
　前記アナログ信号出力回路が出力する電流値の設定を行う電流値設定手段と、
　前記検出電圧値を保持する電圧値監視手段と、
　前記検出電圧値と設定された前記電流値から前記負荷抵抗の抵抗値である負荷抵抗値を算出する負荷抵抗値算出手段と、を備え、
　前記電源生成回路が出力する前記アナログ信号出力回路の駆動電源電圧値は、前記負荷抵抗値と前記アナログ信号出力回路が出力する出力電流の設定上限値との積に、設定された電圧マージン値を加算することで算出されることを特徴とするアナログ信号出力装置。
　前記アナログ信号出力装置が接続された機器の立ち上り時には前記アナログ信号出力回路の駆動電源電圧を制御し、通常動作時には前記駆動電源電圧は一定とすることを特徴とする請求項１に記載のアナログ信号出力装置。
　前記アナログ信号出力回路は、動作モードとして電流モードと電圧モードとを備え、
　前記アナログ信号出力回路が前記電流モードに設定されたタイミングで、前記アナログ信号出力回路の駆動電源電圧を制御し、通常動作時には前記駆動電源電圧は一定とすることを特徴とする請求項１に記載のアナログ信号出力装置。