JP2005315824A - Ｃｖ変換回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 少ない回路部品で複数の容量を測定するＣＶ変換回路の提供。
【解決手段】 位相や、周波数の異なる信号を容量に印加することで、少ない回路部品で複数の容量の値を測定する事ができるようになった。
【選択図】 図１

Description

この発明は、複数の静電容量の値を電圧に変換するＣＶ変換回路に関する。

従来のＣＶ変換回路としては、図８に示されるような回路が知られていた。即ち、非反転入力端子が接地された演算増幅器１と、前記演算増幅器１の出力端子と、反転入力端子の間に接続された抵抗３と、一端が前記演算増幅器１の反転入力端子に接続され、他端が信号電圧源４に接続された、検出すべき容量２があり、前記信号電圧源４には、ある電圧振幅Ｖとある角周波数ωの信号が与えられている。すなわち、信号電圧源４の信号電圧をＶｓとすれば、（１）式で表される。

Ｖｓ＝Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ） …（１）
図８において、反転入力端子は仮想接地されているため、非反転入力端子の接地電位に等しくなっている。仮に、この接地電位を０Ｖとすれば、容量２に流れる電流Ｉは、容量２の値をＣとすれば、（２）式で与えられる。

Ｉ＝ｊωＣ・Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ） …（２）
従って、演算増幅器１の出力端子５には、抵抗３の抵抗値をＲとすれば、（３）式で与えられる電圧Ｖｏが発生する。

Ｖｏ＝−ｊωＣ・Ｒ・Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ） …（３）
（３）式より、演算増幅器１の出力電圧の振幅Ｖｏは、容量２の値に比例するため、前記振幅Ｖｏを測定する事で、容量２の値を測定する事ができる。

図９に、図８のＣＶ変換回路の各部の時間に対する電圧・電流波形を示す。図９（Ａ）は、信号電圧源４の信号電圧を示している。ここでは、正弦波を与えている。図９（Ｂ）は、容量２及び抵抗３に流れる電流波形であり、図９（Ｃ）は、演算増幅器１の出力端子５に現れる電圧波形である。

複数の容量の値を測定する場合、図８の回路を、測定する容量の数だけ用意する事で、複数の容量値を測定する事ができる（例えば、特許文献１参照。）。
特開2001-124807号公報（図２）

従来のＣＶ変換回路では、測定する容量の数だけ、ＣＶ変換回路が必要となり、複数の容量を測定すると回路の規模が大きくなるという課題があった。

そこで、この発明の目的は従来のこのような課題を解決するために、少ない回路規模で複数の容量を測定することを目的としている。

本願発明にかかるＣＶ変換回路は、非反転入力端子が接地された演算増幅器と、
一端が前記演算増幅器の出力に接続され、他端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続された抵抗と、
一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第一の信号電圧源に接続された第一の容量と、
一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第二の信号電圧源に接続された第二の容量とを有し、
前記第一の電圧源の信号周波数と前記第二の電圧源の信号周波数が等しく、かつ、前記第一の信号電圧源と前記第二の信号電圧源の信号周波数の位相が９０度ずれているＣＶ変換回路。
さらに、本願発明にかかるＣＶ変換回路は、前記第一の信号電圧源の信号周波数に対して前記第二の信号電圧源の信号周波数が整数倍であることを特徴とする。
また、本願発明にかかるＣＶ変換回路は、非反転入力端子が接地された演算増幅器と、
一端が前記演算増幅器の出力に接続され、他端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続された抵抗と、
一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第一の信号電圧源に接続された第一の容量と、
一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第ニの信号電圧源に接続された第ニの容量と、
一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第三の信号電圧源に接続された第三の容量とを有し、
前記第一の電圧源の信号周波数と前記第二の信号電圧源の信号周波数が等しく、かつ、前記第一の信号電圧源と前記第二の信号電圧源の信号周波数の位相が９０度ずれて、かつ、
前記第一と前記第二の信号電圧源の信号周波数に対して、前記第三の信号電圧源の信号周波数が整数倍であることを特徴とする。

また、本願発明にかかるＣＶ変換回路は、非反転入力端子が接地された演算増幅器と、
一端が前記演算増幅器の出力に接続され、他端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続された抵抗と、
一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第一の信号電圧源に接続された第一の容量と、
一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第二の信号電圧源に接続された第二の容量と、
一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第三の信号電圧源に接続された第三の容量とを有し、
前記第一の信号電圧源の信号周波数と前記第二の信号電圧源の信号周波数が等しく、かつ、前記第一の信号電圧源と前記第二の信号電圧源の信号周波数の位相が９０度ずれて、かつ、
前記第一と前記第二の信号電圧源の信号周波数に対して、前記第三の信号電圧源の信号周波数が整数分の１であることを特徴とする。

本願発明にかかるＣＶ変換回路は、複数の容量の値を少ない回路で測定できるという効果がある。

上記課題を解決するために、この発明ではＣＶ変換回路において、位相の９０度異なる信号を容量に印加するようにした。さらに、別の容量には、整数倍の周波数の信号を、容量に印加するようにした。

以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第一の実施例を示すＣＶ変換回路である。従来の図８との違いは、２つの容量２と１２の値を、１つの演算増幅器１と、抵抗３によって検出している。

第一の容量２は、従来と同様に、演算増幅器１の反転入力端子と、第一の信号電圧源４の間に接続されている。一方、第二の容量１２は、演算増幅器１の反転入力端子と、第二の信号電圧源１４の間に接続されている。

第一の信号電圧源４の電圧Ｖｓ１は、従来と同様に、（１）式で与えられる。一方、第二の信号電圧源１４の電圧Ｖｓ２は、前記第一の信号電圧源４の電圧に対して、位相を９０度ずらしている。即ち、（４）式で与えられる。

Ｖｓ２＝＝Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ−π／４） …（４）
この時の、図１の各部の横軸時間に対する電圧・電流波形を図２に示す。
図２（Ａ）は、第一の信号電圧源４の信号波形を示している。ここでは、正弦波を与えている。図２（Ｂ）は、容量２に流れる電流波形である。図２（Ｃ）は、第二の信号電圧源１４の信号波形を示している。ここでは、正弦波を与えている。図２（Ａ）と（Ｃ）から明らかなように、信号電圧源４と信号電圧源１４の信号の周波数は等しく、位相が９０度ずれている。図２（Ｄ）は、容量１２に流れる電流波形である。図２（Ｅ）は、抵抗２に流れる電流波形であり、図２（Ｂ）と図２（Ｄ）の和である。図２（Ｆ）は、演算増幅器１の出力端子５に現れる電圧波形である。

即ち、演算増幅器１の出力端子５の電圧Ｖｏは、容量２の値をＣ１、容量１２の値をＣ２とすれば、（５）式で与えられる。

Ｖｏ＝ｊωＣ１・Ｒ・Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ）
+ｊωＣ２・Ｒ・Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ―π／４） …（５）
従って、信号電圧源４に対して、位相を９０度ずらした信号（図２（G））で、演算増幅器１の出力を同期検波し、その出力を平均化すれば、容量２の値を測定する事が可能となり、信号電圧源４と同じ位相（図２（H））で、演算増幅器１の出力を同期検波し、その出力を平均化すれば、容量１２の値を測定する事が可能となる。

同期検波回路の例を図３に示す。スイッチS1〜S4があり、S1とS3及び、S2とS4は相補的にON/OFFする。すなわち、S1がONの時には、S3がOFF、S2がOFFの時には、S4がONとなるように動作する。

いま、図２（Ｇ）の信号で、図３の回路のスイッチのS1〜S4を制御することで、図１の容量２の値を検波することができ、図２（Ｈ）の信号で、図３の回路のスイッチのS1〜S4を制御することで、図１の容量１２の値を検波することができる。図３の検波回路は、検出する容量の数だけ必要になる。

図２（Ｇ）の信号が禰狽フ時に、図３のS2とS3をON(S1とS4をOFF)とし、図２（Ｇ）の信号が猫狽フ時に、図３のS1とS4をON(S2とS3をOFF)とすることで、図１の容量２の値を検波する。

同様に、図２（H）の信号が禰狽フ時に、図３のS1とS4をON(S2とS3をOFF)とし、図２（Ｇ）の信号が猫狽フ時に、図３のS2とS3をON(S1とS4をOFF)とすることで、図１の容量１２の値を検波する。

すなわち、一つの演算増幅器と一つの抵抗で、２つの容量値の測定が可能となる。

図４は、本発明の第二の実施例を示すＣＶ変換回路の各部の横軸時間に対する電圧・電流波形ある。図４（Ａ）と（Ｂ）は、図２のそれらと同じである。図２との違いは、図４（Ｃ）の第二の信号電圧源１４の信号波形が、第一の信号電圧源４の信号周波数の整数倍となっている点である。仮に、第二の信号電圧源１４の信号周波数を、第一の電圧源４の信号周波数の２倍とすれば、第二の信号電圧源１４の電圧Ｖｓ２は（６）式で与えられる。

Ｖｓ２＝＝Ｖ・ｓｉｎ（２ωｔ） …（６）
図４（Ｄ）は、容量１２に流れる電流波形である。図４（Ｅ）は、抵抗２に流れる電流波形であり、図４（Ｂ）と図３（Ｄ）の和である。図４（Ｆ）は、演算増幅器１の出力端子５に現れる電圧波形である。

即ち、演算増幅器１の出力端子５の電圧Ｖｏは、容量２の値をＣ１，容量１２の値をＣ２とすれば、（７）式で与えられる。

Ｖｏ＝ｊωＣ１・Ｒ・Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ）
+ｊωＣ２・Ｒ・Ｖ・ｓｉｎ（２ωｔ） …（７）
従って、信号電圧源４に対して、位相を９０度ずらした信号（図４（G））で、演算増幅器１の出力を同期検波し、その出力を平均化すれば、容量２の値を測定する事が可能となり、信号電圧源１４に対して、位相を９０度ずらした信号（図４（H））で、演算増幅器１の出力を同期検波し、その出力を平均化すれば、容量１２の値を測定する事が可能となる。

すなわち、一つの演算増幅器と一つの抵抗で、２つの容量値の測定が可能となる。

図５は、本発明の第三の実施例を示すＣＶ変換回路である。図１との違いは、第三の容量２２が、演算増幅器１の反転入力端子と、第三の信号電圧源２４の間に接続されている点である。

第一の信号電圧源４及び第二の信号電圧源１４の信号電圧は、実施例１と同等とする。また、第三の電圧源の信号周波数を第一及び第二の電圧源の信号周波数の倍とする。この時の、図５の各部の横軸時間に対する電圧・電流波形を図６に示す。図６（Ａ）〜（Ｄ）は、図２（Ａ）〜（Ｄ）と同等である。図６（Ｅ）は、図６（Ｂ）と図６（Ｄ）の電流波形の和を示している。図６（Ｆ）は、第三の信号電圧源２４の電圧波形を示している。図６（Ｇ）は、第三の容量２２に流れる電流波形を示している。図６（Ｈ）は、抵抗３に流れる電流波形（図６（Ｅ）と（Ｇ）の和）を示している。図６（Ｉ）は、演算増幅器１の出力端子５に現れる電圧波形である。

即ち、演算増幅器１の出力端子５の電圧Ｖｏは、容量２の値をＣ１、容量１２の値をＣ２、容量２２の値をＣ３とすれば、（８）式で与えられる。

Ｖｏ＝ｊωＣ１・Ｒ・Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ）+ｊωＣ２・Ｒ・Ｖ・ｓｉｎ
（ωｔ―π／４）＋ｊ・２・ωＣ３・Ｒ・Ｖ・ｓｉｎ（２ωｔ） …（８）
従って、信号電圧源４に対して、位相を９０度ずらした信号で、演算増幅器１の出力を同期検波し、その出力を平均化すれば、容量２の値を測定する事が可能となり、信号電圧源４と同じ位相で、演算増幅器１の出力を同期検波し、その出力を平均化すれば、容量１２の値を測定する事が可能となり、信号電圧源２４に対して、位相を９０度ずらした信号で、演算増幅器１の出力を同期検波し、その出力を平均化すれば、容量２２の値を測定する事が可能となる。

すなわち、一つの演算増幅器と一つの抵抗で、３つの容量値の測定が可能となる。

図７は、本発明の第四の実施例を示すＣＶ変換回路の各部の横軸時間に対する電圧・電流波形である。図６との違いは、信号電圧源２４の信号周波数が、異なる点である。

第一の信号電圧源４及び第二の信号電圧源１４の信号電圧は、実施例３と同等とする。また、第三の電圧源の信号周波数を第一及び第二の電圧源の信号周波数の1/2倍とする。この時の、図５の各部の横軸時間に対する電圧・電流波形を図７に示す。図７（Ａ）〜（Ｅ）は、図６（Ａ）〜（Ｅ）と同等である。図７（Ｆ）は、第三の信号電圧源２４の電圧波形を示している。図７（Ｇ）は、第三の容量２２に流れる電流波形を示している。図７（Ｈ）は、抵抗３に流れる電流波形を示している。図７（Ｉ）は、図５の演算増幅器１の出力端子５に現れる電圧波形である。

即ち、演算増幅器１の出力端子５の電圧Ｖｏは、容量２の値をＣ１、容量１２の値をＣ２、容量２２の値をＣ３とすれば、（９）式で与えられる。

Ｖｏ＝ｊωＣ１Ｒ・Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ）+ｊωＣ２Ｒ・Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ―π／４）
＋ｊ・０．５・ωＣ３Ｒ・Ｖ・ｓｉｎ（０．５ωｔ） …（９）
従って、信号電圧源４に対して、位相を９０度ずらした信号で、演算増幅器１の出力を同期検波し、その出力を平均化すれば、容量２の値を測定する事が可能となり、信号電圧源４と同じ位相で、演算増幅器１の出力を同期検波し、その出力を平均化すれば、容量１２の値を測定する事が可能となり、信号電圧源２４に対して、位相を９０度ずらした信号で、演算増幅器１の出力を同期検波し、その出力を平均化すれば、容量２２の値を測定する事が可能となる。

すなわち、一つの演算増幅器と一つの抵抗で、３つの容量値の測定が可能となる。

以上、実施例１〜４では、演算増幅器１の非反転入力端子は全て、０Ｖに接地しているが、０Ｖである必要はなく、ある任意の電圧であれば、その任意の電圧を基準に、演算増幅器１の出力電圧が発生する。以上説明したように、本発明によればＣＶ変換回路おいて、少ない回路で複数の容量を測定することが可能となる。

本発明のＣＶ変換回路は、少ない回路部品で複数の容量を測定する技術として利用可能である。

本発明の第一の実施例のＣＶ変換回路である。 本発明の第一の実施例のＣＶ変換回路の電圧電流波形である。 同期検波回路の例である。 本発明の第二の実施例のＣＶ変換回路の電圧電流波形である。 本発明の第三の実施例のＣＶ変換回路である。 本発明の第三の実施例のＣＶ変換回路の電圧電流波形である。 本発明の第四の実施例のＣＶ変換回路の電圧電流波形である。 従来のＣＶ変換回路である。 従来のＣＶ変換回路の電圧電流波形である。

符号の説明

１ 演算増幅器
２，１２，２２ 容量
３ 抵抗
４，１４，２４ 信号電圧源

Claims (4)

1. 非反転入力端子が接地された演算増幅器と、
   一端が前記演算増幅器の出力に接続され、他端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続された抵抗と、
   一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第一の信号電圧源に接続された第一の容量と、
   一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第二の信号電圧源に接続された第二の容量とを有するＣＶ変換回路において、
   前記第一の信号電圧源の信号周波数と前記第二の信号電圧源の信号周波数が等しく、かつ、前記第一の電圧源と前記第二の信号電圧源の信号周波数の位相が９０度ずれていることを特徴とするＣＶ変換回路。
2. 前記第一の信号電圧源の信号周波数に対して前記第二の信号電圧源の信号周波数が整数倍であるＣＶ変換回路。
3. 非反転入力端子が接地された演算増幅器と、
   一端が前記演算増幅器の出力に接続され、他端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続された抵抗と、
   一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第一の信号電圧源に接続された第一の容量と、
   一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第二の信号電圧源に接続された第二の容量と、
   一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第三の信号電圧源に接続された第三の容量とを有するＣＶ変換回路において、
   前記第一の信号電圧源の信号周波数と前記第二の信号電圧源の信号周波数が等しく、かつ、前記第一の信号電圧源と前記第二の信号電圧源の信号周波数の位相が９０度ずれて、かつ、
   前記第一と前記第二の信号電圧源の信号周波数に対して、前記第三の信号電圧源の信号周波数が整数倍であることを特徴とするＣＶ変換回路。
4. 非反転入力端子が接地された演算増幅器と、
   一端が前記演算増幅器の出力に接続され、他端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続された抵抗と、
   一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第一の信号電圧源に接続された第一の容量と、
   一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第二の信号電圧源に接続された第二の容量と、
   一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第三の信号電圧源に接続された第三の容量とを有するＣＶ変換回路において、
   前記第一の信号電圧源の信号周波数と前記第二の信号電圧源の信号周波数が等しく、かつ、前記第一の信号電圧源と前記第二の信号電圧源の信号周波数の位相が９０度ずれて、かつ、
   前記第一と前記第二の信号電圧源の信号周波数に対して、前記第三の信号電圧源の信号周波数が整数分の１であることを特徴とするＣＶ変換回路。

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