計測工学II 【第３回】様々な信号処理回路

今日の内容

•  【第3回】様々な信号処理回路

• DA変換回路、生体計測で混入する雑音の種類や除去方法、ノッチフィルタ、発振回路、リミッタ、クランパ、整流回路、変復調回路、トランジスタの増幅回路、FETを用いた回路などについて学習する。

DA変換回路

• R1=1kΩ R2=2kΩ • R3=4kΩ R4=8kΩ • とすると、

http://infoseek_rip.g.ribbon.to/spectrum123.at.infoseek.co.jp/da_conv/da_conv_1/da_conv_1.htm

ラダー抵抗を用いると、ディジタル信号をアナログ信号に変換できる。

生体計測と雑音

• 生体信号には、雑音が乗る。 •  モーション・アーチファクト(Motion Artifact)という もやっかいな雑音：　

生きている限り「動く！」

• その他の一般的な雑音 •  電源雑音（リップル・サージ雑音）

•  伝送系からのノイズ

•  蛍光灯からの商用交流の誘導

電源回路のリップル雑音

• 交流から必要な直流を取り出す際に、残ってしまった「さざ波」

このページの画像引用元は、現在みつかりませんでした。

電源へのサージ雑音

• サージ雑音：主には落雷などによる。

• サージ雑音対策

• 簡便な方法：フェライトコア

• 根本的には：安定化電源

このページの画像引用元は、現在みつかりませんでした。探し方が不十分かもしれませんが・・。

ノッチフィルタ

• 交流電源周波数帯の雑音除去には、ノッチフィルタを用いる。

• 特定の周波数帯の信号を除去する。

• 交流電源の周波数帯だけこのフィルタを通過できない。

http://inhistime3.sa-suke.com/PGJ00022.html

ノッチとは

• Notch •  V字形の切れ込み, 刻み目, くぼみ；（得点記録などのため棒などにつけ

た）刻み目. •  (MacBook搭載：英和辞典より引用）

• 生体計測では、脈波のディクロティックノッチを通常「ノッチ」と言っている。 •  大動脈弁が閉鎖した直後

圧力の反射波が加算されて できる波形。

• 帯域除去フィルタは、その 周波数特性からノッチ フィルタと呼ぶ。

http://medt00lz.s59.xrea.com/iabp/node7.html

発振回路

• 帰還形発振回路 • 増幅回路の出力の一部を

入力に帰還（フィードバック）させることにより、規則的な電圧の変動を生じさせる

• 弛張型発振回路

• スイッチのオン・オフのタイミングを制御することで断続した電気信号を生じさせる。

発振回路の出力波形

マルチバイブレータ回路

問題[12P19] 分野[ 電子工学（医用電子工学） ] 正しいのはどれか。 a.  非安定マルチバイブレータはパルス発生回路である。 b.  非安定マルチバイブレータはフリップフロップとも呼ばれる。 c.  単安定マルチバイブレータには２個以上のコンデンサが必

要である。 d.  単安定マルチバイブレータがパルスを発生するためにはト

リガが必要である。 e.  双安定マルチバイブレータは２進カウンタに用いられる。 1. a,b,c 2. a,b,e 3.a,d,e 4.b,c,d 5.c,d,e

マルチバイブレータの違い

12P19 →　答えは、a, d, e (3)

リミッタとクランパ

• リミッタ（呼び名は、様々） •  一定以上の電圧がかからないように、上限や下限を設定する回路。 •  クリッパ：　クリップ回路

•  下限を設定する。 •  リミッタ：　リミット回路

•  上限を設定する。 •  スライサ：　スライス回路

•  上限と下限を設定する。

• クランパ：　クランプ回路 •  波形をそのままに、電圧をシフトさせる。

リミッタ回路

• 入力電圧が一定範囲内ならば、線形な出力を行う。

• 範囲を超えた場合には、その上限(下限）レベルを超えないように制限する。

• Limit（リミット）を持たせる回路

http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/lim.html

リミッタとクランパ

このスライドの画像の引用元を、現在見つけられませんでした。（探し方不十分） http://e-publishing.jp/contents/denkidensi/densi050.pdf　がわかりやすいサイトです。

ダイオードの等価回路

•  ダイオードがON/OFF切り替わった際に、 •  ON – 導通状態　→　単なる電線に置き換えて読む。 •  OFF – 絶縁状態　→　回路をそこで切って読む。

•  入力信号が-Eより大きいとき→逆バイアス　→ OFF →　Dの部分を絶縁と置き換える　 →　入力がそのまま出力される。

•  入力信号が-Eより小さいとき→準バイアス　→　ON →　導通状態 →　-Eがそのまま出力

第11回午後問題19　　（クランパ）

• 図１の電圧波形を図２の回路に加えた。充分に時間が経過した後の出力電圧波形はどれか。ただし、Ｄは理想ダイオードとする。　　（答）5

第23回午後問題51　（スライサ）

• 図1の電圧Viを入力したときに、図2の電圧VOを出力する回路はどれか。ただし、ダイオードは理想ダイオードとする。

答　（5）

定期試験に 出題します。

変調と復調 • 変調

•  信号波を、搬送波に畳重（じょうちょう）させる。 •  単なる波形の加算ではない。

• 復調 •  変調波から、元の信号波を取り出す。

• なぜ、変復調するか？ •  遠距離までデータを伝送する。

•  周波数が高いとアンテナが短くて済む、など。

変復調回路

• 振幅変調回路 •  搬送波の振幅を、信号波で変化させ、アンテナに出力

• 復調回路

•  アンテナの電位変化を取り出し、信号波を取り出す。

このページの画像引用元は、みつかりませんでした。探し方が不十分かもしれませんが・・。

エミッタ接地トランジスタ増幅回路

•  もオーソドックスなトランジスタの増幅回路は、エミッタ接地で構成されます。

• この回路では、IC-VCE特性に負荷線を引いて増幅度を求めます。(次のページの図では、パラメータがIBですが・・・）

http://www.kairo-nyumon.com/analog_load.html

第16回午後　問題13

• 図はトランジスタの出力特性（ＶCE−ＩC曲線）とこのトランジスタを使った増幅器の負荷線を示している。ベース電流ＩBが０．１ｍＡから０．２ｍＡに変化したとき、ベース電流ＩBの変化量に対するコレクタ電流ＩCの変化量の比率に も近いのはどれか。1. ５０2. １５０3. ２５０4. ３５０5. ４５０

答　2

第23回午前　問題53

図の回路について正しいのはどれか。 ただし、トランジスタは理想トランジスタとする。1. コレクタ電流が増加するとコレクタ電圧も増加する。2. ベース電流が流れないときコレクタ電圧はゼロである。3. Viが負のときベース電流が流れる。4. ベース電流によってコレクタ電流を制御できる。5. ベース電流はエミッタ電流より大きい。

答　4

http://www.kairo-nyumon.com/analog_basic.html

FETのソース接地増幅回路

• バイポーラトランジスタのエミッタ接地と、電界効果トランジスタ（FET）のソース接地は、ほぼ同等に考えることができる。

http://www.kairo-nyumon.com/analog_basic.html

前のページの図と 同等の回路ですが、

わかりますか？

今日のまとめ

• 実際の計測装置では、電源雑音の除去など、信号増幅以外に様々な信号処理回路が用いられる。

• 増幅回路では、オペアンプ以外にトランジスタ回路や、FETを用いた回路もある。

• ダイオードを用いたリミッタ、クランパについては、ダイオードの向きによって様々な電圧制限が行われる。

• マルチバイブレータは、安定の状態によって発振器として動作したり、フリップフロップとして動作する。

次回予告　【第４回】　アナログ信号の処理

• アナログ信号の処理

• ブリッジ回路、増幅回路、負帰還回路、演算増幅器の回路、差動増幅、同相弁別比、受動フィルタ、能動フィルタ、ロックイン増幅器などについて学習する。

• 教科書では、P218〜P228です。