Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍの小部屋

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何はともあれ作っちゃえ！　とりあえず電圧発生器　（参考）

１．背景

　電圧信号を入力して出力特性を測定するために１ｍＶ刻みの電圧発生器が必要なケースがありました。　電圧発生器はハンドル付きで机上据え置きを前提にした大きさです。　とてもそんなものを持ち歩かせるのは大変と思い、思わず「そんなの作っちゃえ！」と冗談（半分、本気半分）で言ったのは言いのですが、何故かそれがいつまでも引っかかっていました。

　しかし、実際に製作しようとすると電圧分解能は最低でも１３ビット程度は欲しいところです。　高価な産業用ＤＡコンバータを使用せずに、個人で安価に入手できる部品でこれを簡単に実現する方法を考える必要があります。　当初はＰＷＭ/ＰＡＭ複合制御で分解能を稼ごうと思っておりましたが、そうこうしているうちに１２ビットのＤＡコンバータが安価で入手できることがわかり、これを利用することにしました。

　しかし、これをお遊びで製作するのは良いのですが手間暇をかけて電圧発生器を製作しても使い道がありません。　とはいえ、思いついたが吉日ではありませんが、「何はともあれ作っちゃえ！」と「とりあえず電圧発生器」の製作スタートです。

（本製作では当初期待していた性能を出せません。　実際に性能を出した「本当に、とりあえず電圧発生器」をご覧願います。　 本ページは参考として公開します。）　

２．「とりあえず電圧発生器」の製作

２．１　仕様

　「とりあえず電圧発生器」の仕様を以下のようにしました。

(1) 1mV分解能で、±4.08Vの範囲で調整できること。

(2) 2.5mV分解能で、±10.20Vの範囲で調整できること。

(3) 1mV分解能と2.5mV分解能の切替はジャンパーピンで切替える。
　　（ソフト＋アナログスイッチ、もしきは、スイッチでの切替は行わない。）

(4) 1mV分解能と2.5mV分解能の切替は電源投入時のみとし、途中での切替えは行わない。

(5) 出力は差動出力とする。　（要注意）　
　　電圧出力の−端子と電源の−端子は絶縁された状態で使用する必要があります。
　　差動出力とした理由は、単電源で±出力を得るためです。
　　「とりあえず電圧発生器」の電源は単独で設けて下さい。
　　負荷側の電源と共用は絶対に行わないで下さい。

(6) 負荷インピーダンスは470kΩ以上。　（要注意）
　　電源電圧発生器ではなく電圧発生器です。
　　手持ち部品で製作したのでこのような仕様となっています。（部品を変えれば変更可能）
　　最大出力時100kΩでも電位降下0.1%発生するようです。

(7) 操作は下記の５個のスイッチで操作。
　　(a) 設定電圧UPスイッチ
    (b) 設定電圧DOWNスイッチ
　　(c) 調整ステップ切替スイッチ
　　(d) 電圧設定メモリ切替スイッチ
　　(e) 電圧設定書込スイッチ　　

(8) 電圧設定メモリとして、1mV分解能／2.5mV分解能それぞれに4CH確保。
　電圧設定メモリの内容は、設定電圧と調整ステップの2つのデータとする。
　電源投入時は電圧設定メモリCH1を選択。

(9) 調整ステップは下記のように4通りをサイクリックに切り替える。
　　  1mV分解能　：　0.0010V、0.0100V、0.1000V、1.0000V
　　2.5mV分解能　：　0.0025V、0.0100V、0.1000V、1.0000V

(10) 使用ワンチップマイコンはPIC16F84Aとする。
　　最近はあまり出番のなくなったPIC16F84Aに再びスポットを当てました。
　　PIC16F646Aにすれば電圧設定が余ったままとなっています。

(11) ＤＡコンバータはマイクロチップ社のMCP4922を使用する。

(12) 電源は12V単電源とする。　電圧範囲としては12〜15V。
　　マイコン用5Vはシガーライタ用携帯電話充電器のDCDCコンバータを使用しました。
　　もともとは電池オペレーションを考えていましたが、適切な電池がなくて諦めています。

２．２　回路図

　今回の回路動作を確認するためにブレッドボードで試作を何度か繰り返しています。　最終的な回路ではありませんが、下図のようにブレッドボードのお世話になりました。　特にアナログ回路部分は、オペアンプの選択に大活躍してくれました。　ちなみのブレッドボードはブレッドボードより一回り大きい空き菓子箱に入れて使っています。　部品がちらからなく、また、収納取り出しに便利です。　

【回路試作状況】

　試作を経て最終的に落ち着いた回路図を下記に掲載します。
　

（クリックすると原寸大の回路図をダウンロードできます。）

【　「とりあえず電圧発生器」回路図　】

• 　アナログ部分でゲイン、オフセット調整が沢山あります。　ＶＲ２〜ＶＲ７の６個のＶＲは多回転のポテンショメータを必ず使用するようにして下さい。　当方は80円／個の秋月電子通商のＢＯＵＲＮＳ社高精度多回転ボリューム 3296Wを使用しました。　試作時にデジットでもポテンショメータを購入しましたが200円／個もしましたので、最終制作時での採用は見送りました。
  　

• 　問題はオペアンプでした。　今回のような回路ではRail To Railの単電源用オペアンプを使用するのが当然です。　しかし、一番最初に記載のように「使い道のない」「とりあえず電圧発生器」です。　手持ちのオペアンプを一生懸命捜しました。　ついでに不要部品再活用も大いに利用します。
  　出力電圧のオフセット調整は加算回路を使えばよかったのですが、計算がついつい面倒なのと、反転回路多用するとオペアンプが沢山いるので何年か振りにオペアンプのオフセット端子を使用しようと決めてしまいました。　この条件を付けることで極端に選択の幅が狭くなりました。　結果的にTLC271CPを使用することにしました。　このオペアンプは不要部品再活用の小部屋で公開していますので、必要でしたらご利用下さい。
  （結論から言えばこれが失敗の元でした。　２．１(6)の制限はこのオペアンプの選定が原因です。）
  　

• 　マイコン用５Ｖ電源はDCDCコンバータを使用することにしました。　これは、電池オペレーションを想定して、少しでも12V電源の消費電流を低減するためです。
  　当初は自作しようとしましたが、適切なICが手元にありませんでした。　結局、DCDCコンバータは下図に示すようにシガーライタ用携帯電話充電器を分解して内部のDCDCコンバータを利用しました。　もし、電源をACアダプター前提とするならば、３端子レギュレータでもよいかと思います。　但し、液晶のバックライトＬＥＤを使用する場合は３端子レギュレータには放熱板を付けることをお勧めします。
  　

【　シガーライタ用携帯電話充電器　】

シガーライタ部を分解しました。

【　内部構成　】

【　DCDCコンバータ基板外観　】

• 　Ｌ１のインダクタンスは気持ちで設けたものです。　必須ではありませんので、入手できなければ不要です。　電線で短絡した回路に読み替えて下さい。　また、インダクタンスを設けるならば何μＨ、ｍＨでも構いません。　定格電流は20mA以上であればよいでしょう。
  　

• 　バイパスコンデンサC1、C3、C4、C5、C6、C7は必須ではありません。　製作時の部品実装に合わせて使用箇所を増減して下さい。
  　C5、C7は静電容量が大きい積層セラミックコンデンサものを使用しています。　特に容量にこだわる必要はありません。　最悪0.1μFでもよいです。　この場合、10μF（程度）の電解コンデンサを並列接続して下さい。
  　C1〜C5のコンデンサの耐圧は最低でも16V、できれば25V、望ましくは35V以上が望ましいです。
  　

• 　ＬＣＤ液晶は秋月電子通商のＬＣＤキャラクタディスプレイモジュール（１６×２行バックライト付） [SC1602BSLB(-SO-GS-K)]を使用しました。　電池オペレーションを想定して、バックライト機能は結局未使用のままとなりました。
  　

• 　電源入力部のD1は逆電圧印加防止用です。　レギュレーションや電池オペレーションにおいては無いにこしたことはありません。　絶対に逆電圧を加えることはないと自信があればD1は不要です。
  　自信の無い方はD1を設けることをお勧めします。　但し、0.5Aクラス以上の整流用ショットキーバリヤダイオードを使用して下さい。　くれぐれも普通のダイオードや信号用のショットキーバリヤダイオードを使用しないようにして下さい。
  　当方は、まだ手持ち残数の多いRK16を使用しています。　今回の回路ではVf=0.25V以下でした。　RK16の替わりに秋月電子通商で入手できる1S3や1S4で良いかと思います。　
  　

２．３　製作例

　以上のようにして製作した基板を下図に示します。

【　製作例１　】

【　製作例２（LCD取り外し時）　】

【　製作例３（ハンダ面）　】

• 　ユニバーサル基板は秋月電子通商の片面ガラス・ユニバーサル基板　Ｂタイプ（９５ｘ７２ｍｍ）を使用しました。　ＴＨ穴が外周部までありますのでとても重宝しています。
  　

• 　秋月電子通商のアクリルケースＳＫ−１６を想定してユニバーサル基板を選定しています。　但し、このケースを使用する場合、基板を固定するスペーサは5mm程度にないと高さ方向の余裕がないようです。
  　なお、操作スイッチについては基板上に付けていますので、ケースのフタを開けての操作と割り切っています。
  　「何はともあれ作っちゃえ！」と「とりあえず電圧発生器」なので、ケースの準備までで、加工までする元気が出ませんでした。
  　

• 　出力端子台は手持ち品を使用しましたが、秋月電子通商のターミナルブロック ２ピン（緑小）相当だと思います。　また、ケースの外部に端子を取り出せるように基板に横付けして出っ張らしています。

２．４　ワンチップマイコンPIC16F84A仕様

(1) 　今回のPIC16F84Aのソフトを下記に掲載します。　下記をクリックするとダウンロードできます。

　　　　　　jsk41b.hex　　  　 ６，１０４バイト
　

(2)　ＰＩＣマイコン　ＩＯピン割り当てを下表に示します。　

(3) ＰＩＣマイコン内のEEPROMのデータ設定を下記に記載します。

ご参考　電源投入時LCD表示文字　２行目の１０〜１６文字には、選択された分解能表示を行います。

　　　　   1mV分解能時　：　"S1.0mV"

　　　2.5mV分解能時　：　"S2.5mV"

３．動作例

３．１　動作表示例

　通電時のLCD表示例を下記写真に示します。

【　電源投入時表示　】

【　操作画面表示　】

３．２　調整例

　ＶＲ調整は結構面倒です。　＋側はゲイン調整しかできないようにしています。　＋側に合うように−側のゲイン、オフセット調整を行います。
　下記の方法ではDAコンバータの直線性が思った以上に悪いため、うまく調整するのは難しいようです。　とりあえず０Ｖ付近の精度がよくなるように調整し、−領域より＋領域の出力が合うように調整しています。　この場合、−側の直線線が悪くなっています。　どうもDAコンバータの最上位ビットの精度を期待するのは間違いのようです。　細かい数値にはこだわらず、まあ近ければいいやと割り切りの気持ちが必要です。

(a) 1mV分解能設定で立ち上げます。
(b) GNDと＋出力に電圧計を接続します。
(c) 0V設定時に2.048V、-3.6Ｖ設定時に0.248V、+3.6V設定時に3.848Vが目安になります。
(d) -3.6V設定と+3.6V設定の電圧差が3.6VになるようにVR2を調整します。
(e) GNDと−出力に電圧計を接続します。
(f) 0V設定時に2.048V、-3.6Ｖ設定時に3.848V、+3.6V設定時に0.248Vが目安になります。
(ｇ) -3.6V設定と+3.6V設定の電圧差が3.6VになるようにVR3を調整します。
(h) ＋出力と−出力に電圧計を接続します。
(i) 0V設定時に出力電圧が0.000VとなるようにVR6を調整します。
(j)　 -3.6V設定と+3.6V設定で出力測定を行います。
　　　調整が必要でしたら(b)からの再度調整を繰り返して下さい。
(k) 2.5mV分解能設定で立ち上げます。
(l) GNDと＋出力に電圧計を接続します。
(m) 0V設定時に5.120V、-9.0Ｖ設定時に0.620V、+9.0V設定時に9.620Vが目安になります。
(n) -9.0V設定と+9.0V設定の電圧差が9.0VになるようにVR4を調整します。
(o) GNDと−出力に電圧計を接続します。
(p) 0V設定時に5.120V、-9.0Ｖ設定時に9.620V、+9.0V設定時に0.620Vが目安になります。
(q) -9.0V設定と+9,0V設定の電圧差が9.0VになるようにVR5を調整します。
(r) ＋出力と−出力に電圧計を接続します。
(s) 0V設定時に出力電圧が0.000VとなるようにVR7を調整します。
(t)　 -9.0V設定と+9.0V設定で出力測定を行います。
　　　調整が必要でしたら(l)からの再度調整を繰り返して下さい。
　

　調整にはできれば分解能0.1mVで5〜6桁の電圧計が欲しいところですが、とてもそのような高価な測定器はありません。　今回は秋月電子通商で購入したポケット・デジタルマルチメータ　Ｐ−１６を使用しました。　この場合、6V未満は1mV、それ以上は10mVの分解能での調整となりました。

３．２　最大出力領域動作確認

　オペアンプ、及び、DAコンバータの出力制限のため、最大出力付近の挙動が気になりましたので、製作後動作確認を行いました。　下記結果より1mV分解能の設定上下限を決めました。　2.5mV分解能では未確認です。

【　＋側出力状態　】

【　−側出力状態　】

３．３　出力電圧特性

　出力特性と誤差を測定した結果を下記に示します。　なお、負荷は無負荷状態です。

【　１ｍＶ分解能時特性　】

【　２．５ｍＶ分解能時特性　】

４．その他

　もし1mV分解能だけで十分ならば５Ｖ単一電源で済みます。　この場合の回路図を下記に掲載します。
但し、スパン、オフセット調整はできません。　でも諦めがついてよいかと思います。

（クリックすると原寸大の回路図をダウンロードできます。）

【　１ｍＶ分解能専用回路図　】

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