１．背景

　とりあえず製作した「何はともあれ作っちゃえ！　とりあえず電圧発生器」は 、もともとは１２ビットＤＡコンバータの出力を利用しようとし、ついでに単純に増幅回路を設けて信号発生器としたため、回路構成に無理があるまま回路拡張を行い、結果として期待した性能を出せませんでした。　

　ちょっと悔しい思いもあり、若干回路構成や部品の見直しを行い、それなりの電圧発生器を製作しました。　しかし、「何はともあれ作っちゃえ！　とりあえず電圧発生器」の最終版を目指したのですが、本当に「とりあえず」な電圧発生器となってしまいました。　また、最終版ができたにしても、一番の問題は相変わらずそれほど使い道が無いという点です。　本製作例、こんなもんもあると思って見て下さい。

２．「何はともあれ作っちゃえ！　とりあえず電圧発生器」の見直し

２．１　仕様

　「本当に、とりあえず電圧発生器」の仕様は結果として以下のようになりました。

(1) １ｍＶ分解能で、±４．０００Ｖの範囲で調整できること。

(2) ２．５ｍＶ分解能で、±１０．００Ｖの範囲で調整できること。

(3) １ｍＶ分解能と２．５ｍＶ分解能の切替はスイッチで切替える。

(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−端子と本機器の電源の−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。
　　「本当に、とりあえず電圧発生器」の電源はこれ専用に設けて下さい。
　　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１ｋΩ以上。　（要注意）
　　電源電圧発生器ではなく電圧発生器です。
　　前回より改善しました。　 １ｋΩより低い負荷では出力電圧低下を起こします。
　
(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。
　　　このＭＣＰ４９２２はおもちゃであることを痛感させられました。　詳細は４項を参照願います。

(12) 電圧範囲としては定格としては６〜９Ｖとしておきます。（１２Ｖでも大丈夫でしょう。）
　　シリーズレギュレータで安定化された＋５Ｖをつくり、この＋５Ｖから＋１２Ｖの電圧を作っています。
　　また、ＡＣアダプタの他、単五乾電池×４個でも使用できるようにしました。
　

２．２　 「本当に、とりあえず電圧発生器」での変更点

２．２．１　仮想０Ｖ電位

　前回は仮想０Ｖ電位の考え方を導入せずに、ＤＡコンバータの出力電圧をそのまま増幅するとの考え方で回路拡張を行ったため、オペアンプ出力（電圧）を０Ｖ付近で動作させていました。　このため、オペアンプの定格出力範囲を逸脱した使い方となっていたため、負荷インピーダンスが４７０ｋΩ以 下で直線性が悪化するという、役に立たない回路となっていました。

　差動出力で±出力を得るためには０Ｖ設定時にオペアンプ出力を電源電圧の１／２で動作させることで、オペアンプ出力（電圧）を０Ｖ付近、もしくは＋電源電圧から遠ざけて動作 することができます。　このために、オペアンプ回路電源電圧１２Ｖの１／２である６Ｖを仮想０Ｖ電位としました。　これにより、本機の０Ｖ出力時には＋側、−側のオペアンプの出力電圧はいずれも（ほぼ）６Ｖ出力となっています。

２．２．２　オペアンプの変更

　前回使用したオペアンプはRail-To-Railのオペアンプではありませんでした。　このため、０Ｖ、電源電圧付近での動作は全くあてにならないもの になっていました。　これにより、０Ｖ付近はそれなりの精度で電圧をえることができましたが、出力電圧の絶対値の大きい領域では直線性が急激に低下し、また、負荷インピーダンスの影響も大きい回路となっていました。

　今回の用途のように片電源で０Ｖ付近や電源電圧付近を使用するならばRail-To-Railのオペアンプにすべきです。　部品は秋月電子通商で極力調達するために何種類かの片電源Rail-To-Railのオペアンプを入手しました。

　今回は、当初、オペアンプの値段の安いＮＪＵ７０３２Ｄで製作したのですが、負荷抵抗１ｋΩをまともにドライブできません。　やはりデータシートはちゃんと読まないといけませんね。　ＮＪＵ７０３２Ｄの出力電流は１ｍＡです。　目標使用の１ｋΩをドライブするためには１０ｍＡ出力電流を確保する必要があります。　この対応として、購入個数に余裕のあったＬＭＣ６４８２に置き換えることで目標を達することができましたので、今回の公開はＬＭＣ６４８２を使用した回路とさせて頂きました。　他にも今回の用途に合った何種類かのオペアンプがありますので、ＬＭＣ６４８２に拘る必要はありません。　電源電圧１２Ｖ時にオペアンプ出力電圧＋１〜＋１１Ｖの範囲でシンク電流１０ｍＡ、ソース電流１０ｍＡを流せるオペアンプならばいくらでも代替えできます。

２．２．３　ＤＣＤＣコンバータ

　今回は可搬性をもたせるために乾電池駆動できるようにしました。　このため、メインの電圧を５Ｖとし、オペアンプ用１２Ｖ電源は５ＶからＤＣＤＣコンバータを使って １２Ｖを得ることにしました。

　このＤＣＤＣコンバータは前回使用したＤＣＤＣコンバータにも使用されていたＭＣ３４０６３を使うか、秋月電子通商の「MAX662 DIPモジュール [I-01165]」を使用するか迷いました。　ＭＡＸ６６２はチャージポンプ式なので電流を得られないのではと思っていましたが、念のため両者の出力電流、変換効率について性能比較することにしました。　なお、ＭＣ３４０６３はデータシートのStep-Up回路を作成してデータを採取しました。

【　MC34062出力性能　】

【　MAX662 DIPモジュール出力性能　】

　意外にもＭＡＸ６６２もよく頑張っていることが分かりました。　出力電流はほぼ同等で、今回の用途ではいずれも使用できますが、変換効率、及び、部品スペースの面でＭＡＸ６６２を採用することにしました。　ただし、「MAX662 DIPモジュール [I-01165]」に使用している変換基板は感心できません。　繋がっていればいいだろうという基板を使うのは止めて欲しいですね。

　参考までに今回製作した「本当に、とりあえず電圧発生器」の５Ｖ，１２Ｖのリップルを測定した結果を下記に掲載します。 　実際のリップルだけではなく、ノイズも拾っていますので正しい波形ではないと思います。　参考として下さい。

【　電源リップル測定例　】

２．２．４　ＬＣＤバックライト

　今回は乾電池駆動を考えていますので、ＬＣＤのバックライトをオンオフできるようにしました。　ＬＣＤの右上に小型のスライドスイッチを設け、このスイッチを使ってバックライトをオンオフするようにしました。　　このスイッチは秋月電子通商の「[P-01665]　超小型スライドスイッチ　ＩＳ−１２５０（４個入）」を使用しています。　（「[P-02627]　超小型スライドスイッチ ＩＳ−２２３５（４個入）」でも構いません。）

【　ＬＣＤ表示面側　】

【　ＬＣＤハンダ面側　】

２．３　製作例

２．３．１　回路図

　２．２項の改善を反映した「本当に、とりあえず電圧発生器」の回路図を下記に掲載します。　今回は操作部のスイッチなどを操作し易い位置に実装するためにこれらの部品を別基板としました。　また、これにより未実装スペースできましたのでここを乾電池にすることにしました。

【　「本当に、とりあえず電圧発生器」　回路図　】

• 　出力電圧調整に関わる可変抵抗器による回路の調整箇所は、本来、８ヶ所あります。　そのうち２ヶ所はラフな調整でよいので固定抵抗調整としますが、残りのＶＲ１〜ＶＲ６は多回転の可変抵抗器を使用して下さい。　今回は秋月電子通商の「[P-01031]　多回転半固定ボリューム　たて型 ３２９６Ｗ（２ｋΩ）」を使用しています。　１ｍＶレベルの調整となりますので、多回転式でないと調整できませんし、再現性の問題も生じます。　くれぐれも１回転式の可変抵抗を使用しないで下さい。　なお、ＬＣＤの輝度調整ＶＲ７は１回転式で構いません。　各ＶＲの 用途を下記に掲載します。

• 　回路図中のＲａ１・Ｒａ２及びＲｂ１・Ｒｂ２は下記の電圧調整を２本の固定抵抗の組み合わせを変えることで調整します。　この部分も可変抵抗器にすれば簡単ですが、部品実装上の制約もあり固定抵抗としました。

　実際には基板製作後に抵抗を何通りか組み合わせて上記目安電圧範囲内に入るように抵抗を選びます。　下図のように調整時には丸ピンＩＣソケット（例えば「[P-00241]　丸ピンＩＣソケット（シングル２０Ｐ）」）を使って抵抗を差し替えできるようにしています。　その結果、今回は上記回路の定数となりました。　このとき［Ｐ６Ｖ］信号は６．００２Ｖ、［Ｐ１０Ｖ］信号は９．８６４Ｖでした。
　丸ピンＩＣソケットに抵抗を実装したまま使用すると接触抵抗変化が問題となる可能性があるので、最終的にはこれらの抵抗をハンダ面にはんだ付けします。

【　調整時の抵抗実装　】

　

【　完成時の抵抗実装　】

　

• 　操作スイッチは秋月電子通商の「[P-02561]　タクトスイッチ（大）１０個セット」を使用しました。　操作スイッチ部が大きいので操作し易い大きさでした。　また、スイッチを色で識別できるのでこの面でも使いやすくなっています。
  　

• 　バイパス用コンデンサは秋月電子通商で取り扱っている何種類かのコンデンサを使用して使っています。

• 　Ｌ１，Ｌ２は「[P-01269]　電源用インダクタ（コイル）２２μＨ（４個入）」を使用しています。　もう少しインダクタンスを大きくしたかったのですが、抵抗成分 の小ささと、入手性（価格）の面でこれにしました。　
  　

• 　５Ｖ電源用３端子レギュレータはTA45M05Fを使用しています。　端子番号が通常と違いますが、番号の割り当てが順番どおりになっていないだけで実際の接続は一般的な３端子レギュレータと同じです。　付属のデータシートをよく確認願います。
  　　なお、この型式に拘る必要はなく、０．２Ａ以上取り出せる低ドロップタイプの３端子レギュレータであれば何でもよいです。　例えば「[I-00537]　３端子レギュレータ（低ドロップタイプ） ５Ｖ １Ａ ＴＡ４８０５Ｓ｝でもよいです。
  　

• 　ＳＷ６，ＳＷ７は本来は連動させるべきですが３回路以上のスライドスイッチを入手できませんでしたので「[P-02627]　超小型スライドスイッチ ＩＳ−２２３５（４個入）」を２個使用しました。　それほど使用頻度が高くないので、これで良しとします。

【　ＳＷ６，ＳＷ７実装例　】

• 　ダイオードＤ１，Ｄ２は順方向電圧降下の小さい整流用ショットキバリヤダイオードを使用して下さい。　Ｄ３は一般的な信号用ダイオードで買いませんし、Ｄ１，Ｄ２と同じものでも構いません。
  　　

• 　単５乾電池の電池ボックスは鈴商で買いだめしてたものを流用しました。　乾電池運用をしない場合は電池ボックス及びダイオードＤ２が不要となります。
  　　

• 　電圧出力は端子台は「[P-01308]　ターミナルブロック　２ピン（緑）［縦］」を使用しました。　このターミナルブロック の固定は、操作部基板部品面にスズメッキ線を通し、下図写真のようにハンダ付けしています。　これでも結構、丈夫にできています。

【　出力端子固定方法　】
　

２．３．２　製作例

　今回製作した「本当に、とりあえず電圧発生器」の外観を下記に掲載します。　今回はケースに入れて、操作スイッチも使いやすい位置に配置するようにしています。　なお、左側面には回路図に未記載の電源オンオフ用スライドスイッチを追設しています。　このスイッチは必須ではありませんので必要に応じて設けて下さい。

ケースは「[P-00075]　アクリルケース　ＳＫ−１６」を使用。

【　「本当に、とりあえず電圧発生器」完成外観　】

【　操作部を取り外した外観　】

【　基板部品面　外観　】

【　基板ハンダ面　外観　】

【　操作部基板ハンダ面外観　】

２．４　ワンチップマイコンＰＩＣ１６Ｆ８４Ａ仕様

• 　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。　本ソフトではＶｅｒ表示が１．１になります。

　　　　　　jsk42a1.hex　　  　 ６，１０４バイト

　今回のソフトは前回に対し、ＤＡＣのＶｏｕｔＡとＶｏｕｔＢの設定先を逆にしているだけです。　これば前回はＤＡＣの出力をオペアンプで非反転出力していたものを今回は反転出力に変えたためです。
　と、いうことは、上記回路図のＶｏｕｔＡとＶｏｕｔＢを逆にすれば前回のソフトを使用できることを意味しています。　これで対応しなかったのは、ただ単に回路構想への拘りというつまらない理由からです。

• 　ＰＩＣマイコン　ＩＯピン割り当てを下表に示します。　

• 　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　調整方法

　今回のＶＲ調整は多少はやりやすくなっています。　特に１ｍＶ分解能と２．５ｍＶ分解能回路を分離しましたので、個々の回路単位の調整で済みます。

　使用する測定器はテスタのみですが、１ｍＶ単位の測定が必要です。　今回は秋月電子通商で取り扱っているＰ−１６（「[M-01159]　ポケット・デジタルマルチメータ　Ｐ−１６」）を使用しています。　このテスタは±５．９９９表示 まで可能です。　ただし、６Ｖ以上は分解能が１０ｍＶとなるため、１／２の分圧回路を用いて０−６Ｖの範囲で０−１２Ｖの測定を行っています。　このため、測定分解能は２ｍＶでの調整となっています。　分解能１０ｍＶでは調整を追い込めないので、精度の向上ができないと思います。　また、調整途中で測定器を変えないようにして下さい。　測定器間ばらつきも結構大きいです。　このような点が１ｍＶの調整の難しさだと思います。

　なお、本調整では無負荷状態で調整しています。

３．２　出力誤差

　前回問題となりましたオペアンプ、及び、DAコンバータの出力制約による性能低下の改善具合を確認してみました。　１ｍＶ分解能、及び、２．５ｍＶ分解能に対する実出力の誤差を以下に示します。　負荷は４．７ｋΩの抵抗を接続して測定しています。 　なお、テスターはＰ−１６を１／２の分圧器を設けて測定していますので２ｍＶ分解能での実測となっています。

　また、最大、最小領域で誤差が大きくなるのはＭＣＰ４９２２の問題と思われます。　これ以上を望むのは無理なのでしょう。

【　１ｍＶ分解能時誤差　】

【　２．５ｍＶ分解能時誤差　】

３．３　電圧降下特性

　負荷インピーダンスとして抵抗を接続したときの電圧降下測定結果を下記に掲載します。

【　１ｍＶ分解能時特性　】

【　２．５ｍＶ分解能時特性　】

３．４　電圧降下特性

　出力波形測定結果を下記に掲載します。

　下記波形はＣｆ１〜Ｃｆ８を追加したときの波形です。　これらのコンデンサがないと設定変更時にオーバーシュートが発生します。

　測定波形がガタガタしていますが、これは測定器側の問題です。　なお、ＤＡコンバータ出力波形は設定電圧にステップ的に変化させています。

　変化開始後約２０μｓ後の波形に変曲点があります。　これはＤＡコンバータの出力設定をＶｏｕｔＢ→ＶｏｕｔＡの順番で設定しており、この設定のタイミングがずれているためです。
　

０Ｖ　→　＋１０Ｖ　設定変更時	＋１０Ｖ　→　０Ｖ　設定変更時
−１０Ｖ　→　０Ｖ　設定変更時	０Ｖ　→　−１０Ｖ　設定変更時
−１０Ｖ　→　＋１０Ｖ　設定変更時	＋１０Ｖ　→　−１０Ｖ　設定変更時

３．５　消費電流

　消費電流の測定結果を下記に掲載します。

４．その他

　上記のように、当初予定していた性能に近いところまでもってこれたと思います。　しかし、もう一台製作しなさいと言われると、出来ませんと回答すると思います。

　今回の紹介が遅くなった大きな原因はＭＣＰ４９２２自体の問題でした。　当初、本機を組み立てて直線性の確認を したのですが、スパン調整・オフセット調整までは容易にできるのですが、最後の段階の出力電圧確認を行うと誤差が予想以上に大きくなっており、紹介できるような性能で はありませんでした。

　原因を調査すると、スパン調整時のＤＡＣの出力自体に問題があることが判明しました。　かき集めた７個のＭＣＰ４９２２で＋３．６Ｖ、０Ｖ、−３．６Ｖ設定時における出力電圧を測定した結果を下記に示します。　 今回使用したのはサンプル１での結果です。　あと使いものになりそうなのはサンプル５くらいです。　これもあまり良いとは思えませんが。

　ここまで測定して、改めてＭＣＰ４９２２のデータシートの特性を見ました。　見るべきパラメータは当然ＩＮＬエラーです。　まさかここまで酷いとは思いませんでした。　今回のような用途にこのＩＣを採用すること自体間違っていることに初めて気付きました。　値段が安いので性能は見ても仕方ないと思っていましたが、ここまで酷いとは。。。。。　（それとも産業用のＤＡＣの性能に慣れている当方が悪いのか。）

　前回の「とりあえず電圧発生器」とは手持ち部品でまずは製作してみようという意味の「取り敢えず」でしたが、今回の「本当に、とりあえず電圧発生器」は、部品選別を行って我慢できる程度の性能がどうにか出せたという意味の「とりあえず」となってしまいました。

　ということで、今回の製作は終了することにしました。　最初はそのつもりはなかったのですが、本当に「とりあえず」になってしまいました。　そのうち、まともなＤＡＣが入手できれば、「まともにつかえる電圧発生器」でも製作してみましょう。（懲りていないというより意地かな？）