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◎はじめに |
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オペアンプ等の実験でいろいろなチェッカー(治具)があると動作チェックに便利な場合があります。 |
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今回は2つの信号を混合(ミキシング)する簡易的な「ミキシングアンプ」を紹介します。 |
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◎システム |
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本装置(以下、MIX
AMPと呼びます)は図1のようにA,Bの2つの入力があり、このA,Bを混合して |
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MIX OUTに出力します。 |
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また、MIX AMPにおいて「DC-OFFSET」機能を持ち、MIX OUTに直流電圧のオフセット電圧を |
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加算することも出来ます。 |
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入出力のA,B,MIX OUTで扱える信号周波数はDC〜約100KHzです。 |
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◎ブロック図 |
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図2にMIX AMPのブロック図を示します。 |
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MIX部はオペアンプを用いた「加算回路」です。この加算回路は入出力の位相が反転する「反転型」です。 |
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したがって、MIX OUTの前に反転アンプ(バッファアンプ)を追加して、全体の位相を合わせています。 |
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◎オペアンプによる加算回路 |
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反転型加算回路(両電源)を図3に示します。 |
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この回路は入力V1,V2を加算したものが出力Vo |
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に現れ、その位相は反転します。 |
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出力は次式で示されます。 |
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抵抗Rcはオペアンプの「バイアス電流によるオフセット電圧」 |
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をキャンセル(低減)させるための抵抗で、値はV1,V2の2入力 |
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であれば、 |
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Rc=R1//R2//Rf |
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となり、多入力では |
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Rc=R1//R2//・・・・//Rf |
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となります。 |
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オフセット電圧が問題にならない場合はRcを省略して、オペアンプのプラス端子をGNDに接続します。 |
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注意:上式で「//」は並列合成を意味します。 |
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@〜B式でRfの前にある「-」は入出力の極性反転を意味しています。 |
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◎回路図 |
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図5に回路図を示します。 |
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○加算回路の利得 |
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加算回路のR5,R6,R7,R8はすべて同じ値です。(10KΩ)前記のB式から利得は1です。 |
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また、IC3Aの反転アンプも利得が1です。したがって、MIX AMPは利得が1で、A,B入力を |
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そのまま混合します。 |
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○A,Bの入力部 |
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A,Bの入力後のスイッチS1,S2は信号の結合をACまたはDCで選択できるようにしています。 |
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DC結合の場合は入力信号そのままをMIX AMP内部で扱い、AC結合時は信号のAC成分のみを |
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取り出して扱うことが出来ます。 |
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R1,R3の値で入力部のインピーダンスが決定され、この例では100KΩになります。 |
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(10KΩでも良いと思います) |
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○DC OFFSET |
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ボリュームVR1のDC電圧をバッファーアンプIC2Bを介して加算します。 |
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スイッチS3はDC
OFFSETのON/OFFスイッチです。 |
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図6にOFFSET ON/OFFの波形例を示します。 |
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OFFSET OFF時は a ) のようにGND(0V)を中心にして波形が振れます。 |
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OFFSET ON時は b ) のように出力波形に対してプラスまたはマイナスのDC電圧を |
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加算させることが出来ます。 |
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○出力部(MIX OUT) |
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位相合わせ用のIC3Aを通ってから、ここでもAC/DC結合の選択スイッチS4を通って出力されます。 |
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R13,R14の600Ωはオーディオ系(測定系)のインピーダンスに合わせています。 |
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なお、この部分のオペアンプはバッファ能力の高い「NJM4556」にしています。 |
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◎製作 |
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○基板 |
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サイズ 72×47mmの片面ユニバーサル基板で製作しました。 |
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配線で特に注意する部分はR5,R6,R7とIC2Aのマイナス端子の接続点を極力短くすることです。 |
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○ケース |
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TAKACHIの「YM-150」に組み込んでみました。 |
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A,B,MIX OUTのコネクタは「絶縁タイプのBNCコネクタ」です。 |
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A,Bへの接続は測定器(発振器、ファンクションジェネレータ等)になりますのでBNCコネクタにして |
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おくと便利です。MIX OUTも同軸ケーブルの「BNC⇔ミノムシクリップ」を使う場合が多いと思います |
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のでこれもBNCコネクタです。 |
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スイッチS1〜S4はすべて「パネル付けタイプの3Pスライドスイッチ」です。 |
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ケースの穴加工が大変ですが、少しスイッチに触れただけでは切り替わらないので誤操作に |
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対しては良いです。図7にフロントパネルの部品配置図を示します。 |
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電源供給(接続)用の端子(コネクタ)は「ジョンソンターミナル」です。 |
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シャーシGNDは図8のようにGNDの電源端子を「アースラグ」に接続し、アースラグは金属スペーサ |
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とケースに共締めします。 |
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写真1,2にケース外観、内部の様子を示します。 |
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基板が小さいので内部配線は楽です。 |
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◎使い方 |
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A,Bの2つの入力を混合して出力するだけですが、色々な使い道があります。 |
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応用例として「コンパレータ回路の評価」に用いる場合を以下に紹介します。 |
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○コンパレータ回路の信号源に用いる |
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図9のようにコンパレータ回路ではノイズを含む信号では「チャタリング」を生じます。 |
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チャタリングは「Eoのエッジを検出」するような仕様の場合、余計にカウントしてしまうので誤動作の |
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原因になります。 |
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チャタリングが問題になるような場合は、チャタリングの防止として「ヒステリシスコンパレータ」を用います。 |
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ヒステリシスコンパレータは専用のコンパレータICではなく図10のように抵抗R1,R2を追加して実現出来ます。 |
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ヒステリシスコンパレータは次のように動作します。図10のように、 |
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入力電圧Eaが「下→上」に変化する場合 |
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・Erの値を越えたVth(H)のポイントで出力Eoが反転 |
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入力電圧Eaが「上→下」に変化する場合 |
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・Erの値から下がったVth(L)のポイントで出力Eoが反転 |
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となり、ノイズの影響を受けません。 |
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ここで、各反転ポイントを |
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Vth(H) 上限スレッショルド電圧 |
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Vth(L) 下限スレッショルド電圧 |
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と言い、Vth(H)〜Vth(L)の幅を「ヒステリシス幅」と言います。 |
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このようにヒステリシスコンパレータはEaにノイズが重畳していても、一旦、出力が反転すれば、これがさらに |
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反転するためにはノイズ成分より大きな入力信号の変化が必要になり、ノイズによる誤動作に対して |
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強くなります。 |
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このようにヒステリシスの評価用として図11のように「ノイズを含む信号」をMIX AMPを用いて作ります。 |
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A,Bの信号源は「ファンクションジェネレータ」等の発振器を用い、この例ではAを本来の信号、 |
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Bをノイズ成分の信号源として用います。 |
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評価回路は図12のとおりで、 |
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実際の波形を図13、図14に |
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示します。 |
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図13はヒステリシス無しの場合で、 |
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Eoにチャタリングが生じているのが |
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分かります。 |
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図14はヒステリシス有りの場合で、 |
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適切なヒステリシスをかけることに |
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より、チャタリングは発生していません。 |
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図13,14におけるノイズを含む信号の作成は図15のようにして行っています。 |
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2台のファンクションジェネレータを用意し、それぞれの設定は図15のとおりです。 |
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MIX AMPはA,B入力はAC結合とし、MIX OUTはDC結合です。A,Bの信号振幅レベルはそれぞれの |
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ファンクションジェネレータにより行い、MIX OUTの出力が0-5VとなるようにMIX AMPのOFF SETを |
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調整します。 |
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写真3に実験風景を示します。 |
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◎使用感 |
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写真3のように信号源(ファンクションジェネレータ等)の接続は「BNC同軸ケーブル」が基本に |
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なりますのでこのような治具のコネクタもBNCにしておくと便利です。 |
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ケースは、「微少信号」を扱わないのであれば金属ケースではなくプラスティックケースでも |
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良いと思います。 |
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電源は外部にプラスマイナスのDCを供給しますが、少し面倒な気がします。 |
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(写真3ではこのDC電源は写っていません) |
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少し大きめのケースにして電源内蔵にすればさらに使い勝手の良いものになります。 |
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◎その他の応用例 |
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加算回路はオーディオ的に言えば「ミキサー」です。 |
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加算回路の応用例として図16に「オーディオ用ミキサー」の回路例を示します。 |
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各チャンネル(CH)を独立して音量制御し、ミキサー信号(出力)にも音量ボリュームを設けたものです。 |
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