電子計測　講義

電子計測　講義 （第４巻）３年次前期２単位選択担当：　玉野　和保

単元8（1/20） 第８単元　アナログ・ディジタル変換講義で話したいこと計測回路システム計測回路システムの構成プリアンプ A/D変換Ａ／Ｄ変換・Ｄ／Ａ変換抵抗はしご並列型変換器逐次変換型積分型飛行法によるディジタル化標本化定理と量子雑音

単元8（2/20） 計測回路システムの要件具備しなければいけないこと • 入力情報を忠実に検出し、伝達する（正確性、忠実性） • できるだけ外部から雑音が混入しない・させない • できるだけ内部から雑音を発生しない • 計測値が安定しており、何度計測しても同一の値を表すこと（再現性）

単元8（3/20） 計測回路システム構成プリアンプ信号処理計測対象センサどちらかＡ／Ｄ変換ディジタル信号処理計測回路システム

単元8（3/20） 計測回路システム構成 • 忠実性 • 直線性 • インピーダンスマッチング • 周波数応答の正確さ • 再現性 • ドリフト • ダイナミックレンジの広さプリアンプが持つべき条件プリアンプ信号処理計測対象センサどちらかＡ／Ｄ変換ディジタル信号処理計測回路システム

単元8（4/20） プリアンプの特性再現性ダイナミックレンジドリフト忠実性：　周波数特性の領域カバー、直線性、再現性の総合特性

単元8（5/20） 講義で話したいこと計測回路システム計測回路システムの構成プリアンプ A/D変換Ａ／Ｄ変換・Ｄ／Ａ変換抵抗はしご並列型変換器逐次変換型積分型飛行法によるディジタル化標本化定理と量子雑音

単元8（6/20） Ａ／Ｄ変換とＤ／Ａ変換コンピュータやディジタル機器Ａ／Ｄ変換Ａ／Ｄ変換アナログ信号ディジタル処理Ｄ／Ａ変換あるいはコンピュータやディジタル機器Ｄ／Ａ変換ディジタル信号アナログ表示あるいは制御アナログ表示外部アナログ信号と比較

単元8（7/20） 加算回路によるD/A変換

単元8（8/20） 抵抗はしごによるD/A変換

単元8（9/20） 抵抗はしご

単元8（10/20） 抵抗はしごの出力電圧計算２R SW(2) OUT R I２２R SW(1) R I１２R SW(0) ２R I０

単元8（10/20） 抵抗はしごの出力電圧計算２R ２R SW(2) OUT R I２２R SW(1) R I１２R SW(0) ２R I０

単元8（11/20） Ａ／Ｄ変換法の種類アナログ信号をディジタル信号に変換：　量子化・並列変換型：高速変換、回路が複雑、高価　（直接変換方式、フラッシュ変換型）・逐次変換型：ｎビットでは、n+2クロック必要・積分方式：アナログの特徴を含む　積分の精度が重要　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　カウンターでディジタル表示 Read Digit Errorを考慮・飛行法によるディジタル化：アナログの特徴を含む　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　カウンターでディジタル表示 Read Digit Errorを考慮

単元8（12/20） 並列型Ａ／Ｄ変換器

単元8（13/20） 並列型Ａ／Ｄ変換器の実際２ビットエンコーダ

単元8（13/20） 並列型Ａ／Ｄ変換器の実際直接型変換器、フラッシュ変換器とも呼ばれる • （特徴） • 変換が早い。　１～２クロックでビット数に無関係に出力できる。 • 配線数が多く、回路が複雑 • コンパレータが多く必要なので高価 • 分圧抵抗の安定化が必要２ビットエンコーダ

単元8（14/20） 逐次変換型のA/D変換の手順（手順）最上位ビット：１ならば1/2以上　０ならば1/2以下その下のビット：１ならば1/4以上　０ならば1/4以下・・・

単元8（15/20） 逐次変換の手順事例１クロック毎に判定しビットをセットアナログ電圧 5.0　［V］比較器 D/A変換器解説スタート！　「変換実行」をPush クロック変換実行

単元8（15/20） 逐次変換の手順事例１クロック毎に判定しビットをセットアナログ電圧 5.0　［V］大きいか小さいか？比較器大きすぎた！８［V］ D/A変換器解説 D3をセットクロック変換実行

単元8（15/20） 逐次変換の手順事例１クロック毎に判定しビットをセットアナログ電圧 5.0　［V］大きいか小さいか？比較器取り消し！０［V］ D/A変換器解説 D3をリセットクロック変換実行

単元8（15/20） 逐次変換の手順事例１クロック毎に判定しビットをセットアナログ電圧 5.0　［V］大きいか小さいか？比較器小さすぎた！４［V］ D/A変換器解説 D2をセットクロック変換実行

単元8（15/20） 逐次変換の手順事例１クロック毎に判定しビットをセットアナログ電圧 5.0　［V］大きいか小さいか？比較器そのまま４［V］ D/A変換器解説 D2をセットのまま残すクロック変換実行

単元8（15/20） 逐次変換の手順事例１クロック毎に判定しビットをセットアナログ電圧 5.0　［V］大きいか小さいか？比較器大きすぎた！６［V］ D/A変換器解説 D1をセットクロック変換実行

単元8（15/20） 逐次変換の手順事例１クロック毎に判定しビットをセットアナログ電圧 5.0　［V］大きいか小さいか？比較器取り消し！４［V］ D/A変換器解説 D1をリセットクロック変換実行

単元8（15/20） 逐次変換の手順事例１クロック毎に判定しビットをセットアナログ電圧 5.0　［V］大きいか小さいか？比較器同じだった！５［V］ D/A変換器解説 D0をセットクロック変換実行

単元8（15/20） 逐次変換の手順事例１クロック毎に判定しビットをセットアナログ電圧 5.0　［V］大きいか小さいか？比較器そのまま５［V］ D/A変換器解説 D0をセットのままで残すクロック変換実行

単元8（15/20） 逐次変換の手順事例１クロック毎に判定しビットをセットアナログ電圧 5.0　［V］比較器５［V］ D/A変換器解説変換終了：　変換値は0101 クロック変換実行

単元8（16/20） 二重積分によるディジタル変換

単元8（16/20） ［手順］（１）入力未知電圧eiを一定時間T積分（２）その時間をロックをゲート回路で計数：N （３）入力スイッチを既知基準電圧esに切替え（４）積分量が０になるまで積分（５）その時間T1をカウンタで計数しN1を得る。（６）入力未知電圧eiはN、N1、es あるいはT、T1、esで ei＝（T1/T）es　　あるいは　ei＝（N1/N）es 二重積分によるディジタル変換

単元8（16/20） ［手順］（１）入力未知電圧eiを一定時間T積分（２）その時間をロックをゲート回路で計数：N （３）入力スイッチを既知基準電圧esに切替え（４）積分量が０になるまで積分（５）その時間T1をカウンタで計数しN1を得る。（６）入力未知電圧eiはN、N1、es あるいはT、T1、esで ei＝（T1/T）es　　あるいは　ei＝（N1/N）es 二重積分によるディジタル変換 • ［特徴］ • Nを切りの良い数値、たとえば100や1000とし、 esも切りの良い値、たとえば１［V］にすると、　測定値eiはカウンタの数値N1だけで表される。 • 積分後、必ず０［V］まで戻すので、積分器特有の　ドリフトの影響を受けない。

単元8（17/20） 飛行法によるディジタル化数値Nで時間T［s］を計数液体量Qは、　Q=注液速度q［m3/s］×T よって、　Q＝係数×N　［ m3 ］　で計測測定の基本の考え AMP T［s］ AND ゲート Q［m3］ N個発信器

単元8（18/20） ディジタル計器の得失数字に対応した離散的な状態で表される信号を扱う計測器 • 数値を扱うことから雑音や処理装置の特性変化で影響を受けない • 記憶や数値処理に適しており、コンピュータやディジタル信号処理装置との接続性がよい • 扱える細かさが標本化定理に従い、量子雑音が必ず付随する • 数値としての情報は空間的な広がりを意味しない。たとえば時間間隔の空間的イメージが表現できないたとえば、「あと、15分（イメージでは時計文字盤の角度が一周の1/4）！」のイメージがディジタル時計では数値の情報だけしか伝わらない！

単元8（19/20） 量子化での問題量子化雑音：標本化定理で示す細かさの最小値　　　　　・音声では量子化雑音と呼ばれる振動音を生じる・８ビット以上の階調数が選択　画像処理の場合に生じる量子化の具体的な問題疑似輪郭：　階調の差による明度差で生じる　　　　　・１６階調（４ビット）以下の場合、影響が大きい　　　・ディスプレイの照明にもよるが、64階調（６ビット）以上

単元8（20/20） ディジタル信号の標本化と標本化定理 • 標本化：　信号を順次走査することで • 数字列にすること • 　　　　　　　　・画像処理では画面を上から下へ、また左から右へ • 　　　　　　　　・アドレス表現から、８ビットでは　256×256 • 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 10ビットでは1024×1024 • 標本化定理：　 • 　　取り扱っている信号の最大周波数がｆmaxのとき、　　２ｆmax以上の周波数で標本化する必要がある。 • 　　　標本化周期がτのとき、２τ以下の周期をもつ振動の　　　早い信号は正確に取り込めない。

単元9（1/28） 第９単元　電圧・電流の測定講義で話したいことメータによる計測各種メータ別の測定上の特徴電圧・電流測定上の留意点高電圧測定・大電流測定微小電圧・電流測定高周波電圧・電流測定倍率器・分流器電位差計・電流ブリッジフォロワーとインピーダンス変換

単元9（2/28） 電圧・電流測定用のメータ信号の時間変化による分類直流用：可動コイル型、可動鉄片型、電流力計型交流用：整流型、可動鉄片型、電流力計型交直両用：可動鉄片型、電流力計型高周波用：熱線型、真空管電圧計（Val-Vol）、熱伝導型信号の大きさによる分類微小測定用：可動コイル型高電圧・大電流用：分圧器・分流器を併用した可動コイル型、静電型光ファイバ電圧・電流計、ホール素子の応用

単元9（3/28） 電圧・電流測定の留意点 • 電圧測定：電位だけを測定。メータにできるだけ電流を流さない電源とメータの内部抵抗で測定電圧が下がる（鳳=テブナンの法則） • 電流測定：電荷の移動だけを測定。メータにできるだけ電圧降下を生じさせないメータの内部抵抗で測定電流が減少する

単元9（4/28） 電圧計の内部抵抗の影響

単元9（5/28） 鳳=テブナンの定理ｎ個の電源、E1、E2、・・・Enで構成の回路網の端子、aーbの開放電圧がE a－b間インピーダンスがZ0であるときそれにインピーダンスZの回路を接続すると、それに流れる電流 I は、

単元9（5/28） 鳳=テブナンの定理ｎ個の電源、E1、E2、・・・Enで構成の回路網の端子、aーbの開放電圧がE a－b間インピーダンスがZ0であるときそれにインピーダンスZの回路を接続すると、それに流れる電流 I は、証明：　重ねの理を利用インピーダンスに直列に電圧Eと－Eの電源を接続する。　Eの電源はa-b間の電圧と平衡するので打ち消し合う。　－Eの電源だけで電流Iが流れる。　その値は、式で示される値に等しい

単元9（6/28） 電圧計の内部抵抗の影響

単元9（7/28） 電流計の内部抵抗の影響メータの内部抵抗Rmが０のときの電流をIとするとで表される　　　

単元9（8/28） 高電圧・大電流計測 • 高電圧測定：漏洩電流を防ぐ＝絶縁性を良くする絶縁破壊を防ぐコロナ放電を防ぐメータに倍率器をつけ、メータ部分は低電圧にする交流はトランス（計器用変圧器）で低電圧に変換する • 大電流測定：メータの内部抵抗を低く＝リード線は太く短く接触不良部分を少なくする接続部分の発熱に注意メータに分流器をつけ、メータ部分の電流を減少させる交流はトランス（変流器）で小電流に変換する（注）計器用変圧器、変流器は、まとめて計器用変成器と呼ばれる。

単元9（9/28） 微小電圧・電流計測 • 微小電圧測定：誘導・静電気を防ぐ接触部分の熱起電力を防ぐ＝温度を一定に微小電流計で計測する交流は増幅器で中電圧に変換する • 微小電流測定：漏れ電流を防ぐ絶縁物も良導体と心得るメータに高電気抵抗をつけ、中電圧に変換する交流はベース接地・ゲート接地回路でインピーダンス変換後、増幅する

単元9（10/28） 高周波電圧・電流計測 • 高周波電圧測定：離れた導体間に流れる変位電流を考慮　　　変位電流：　　I＝ωCV　　V:高周波電圧電流密度：　i＝εωE　　E:高周波電界の強さ • 高周波電流測定：表皮効果による導体の抵抗分の増加離れた導体に誘導する渦電流を考慮　　　渦電流の電圧　V＝ωLi i:高周波電流

単元9（11/28） 磁界が時間変化する場合（電磁調理器の原理）電磁誘導の法則より微小空間のOhmの法則合わせると磁界の時間変化が激しいと（高い周波数）渦電流が大きい

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