ＳＰＥＣＴＲＵＭ開発の”反転レベルシフトＰＬＬ回路”への応用


この章では、D/AコンバータをＰＬＬ周波数の安定性を向上させた（ループフィルタに「ゲタ」を履かせた）反転レベルシフト回路に接続して使うとき必要な制御法を中心に解説します。反転レベルシフトについての詳細は、「秘伝のＰＬＬ設計法」の章をご覧ください。まず、D/Aコンバータとはどんなものかを簡単に説明し、ＧｉｇａＳｔで用いられてきたソニー社製ＣＸＡ１３１５ＰのD/Aコンバータを例にとって解説することにします。

図１．ＧｉｇａＳｔスペアナ（第一世代版）で使用した 　　　　D/Aコンバータ（ＣＸＡ１３１５Ｐ）

（注）第２世代以降のＧｉｇａＳｔスペアナでは、回路構成の変更によりD/Aコンバータ（ＣＸＡ１３１５Ｐ）が使われなくなりました。第一世代からの改造などで不要となった読者の方！この部品をＰＬＬ回路に活用してみませんか。また手持ちにD/Aコンバータがない読者の皆さんには、なにもＣＸＡ１３１５でなければならないということはありません。ＡＫＩ−Ｈ８マイコンにはD/Aコンバータが内蔵されています。ですが、新たにD/Aコンバータを選んだり、使用したりするときに必要になりそうな特性の見方なども説明します。ぜひD/Aコンバータの選び方、使い方をマスターしていってください。

簡単なD/Aコンバータの原理
D/Aコンバータは、ディジタル量をアナログ量に変換する回路なので、中身はさぞ複雑であろうと思う読者の方も多いかもしれませんが、実はとても簡単なものなのです。


（１）重み抵抗型D/Aコンバータの例
図２に示すような、OPアンプを利用した加算回路を考えてみます。

図２．加算回路

この回路で入力電圧をＥ1，Ｅ2，Ｅ3，Ｅ4とすると、出力電圧Ｅoは、


となります。

もし、Ｒ2＝２×Ｒ1，Ｒ3＝４×Ｒ1，Ｒ4＝８×Ｒ1とおくと、


簡単のために、Ｒo／８R1＝１となるようなRo，R1を選ぶと、

Ｅo＝−（８E1＋４Ｅ2＋２Ｅ3＋Ｅ4）　式（３）

となります。
ここで、Ｅ1，Ｅ2，Ｅ3，Ｅ4の入力端子に「０Ｖ」か「１Ｖ」が入った場合に、出力電圧Ｅoがどのようになるか考えてみます。すなわち、
Ｅ1＝０Ｖ，Ｅ2＝０Ｖ，Ｅ3＝０Ｖ，Ｅ4＝０Ｖ　のとき　Ｅo＝　０Ｖ
Ｅ1＝０Ｖ，Ｅ2＝０Ｖ，Ｅ3＝０Ｖ，Ｅ4＝１Ｖ　のとき　Ｅo＝−１Ｖ
Ｅ1＝０Ｖ，Ｅ2＝０Ｖ，Ｅ3＝１Ｖ，Ｅ4＝０Ｖ　のとき　Ｅo＝−２Ｖ
Ｅ1＝０Ｖ，Ｅ2＝０Ｖ，Ｅ3＝１Ｖ，Ｅ4＝１Ｖ　のとき　Ｅo＝−３Ｖ
　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
Ｅ1＝１Ｖ，Ｅ2＝１Ｖ，Ｅ3＝１Ｖ，Ｅ4＝１Ｖ　のとき　Ｅo＝−１５Ｖ

これらの関係をまとめると表１のようになります。これは、あるディジタル量に対し、それに対応するアナログ量を出力する回路、つまりD/Aコンバータ（重み抵抗型）になっていることがわかります。この方式で、ｎビットのD/Aコンバータを作る場合、２^ｎ−１Ｒ〜Ｒという広範囲で、精度よく２倍ずつになる抵抗が必要になるため、高精度のD/Aコンバータには不向きですが、部品点数が少なく簡単な用途に向いています。


（２）ラダー抵抗型D/Aコンバータの例
図３に概略回路図を示します。抵抗Ｒと２Ｒがはしご（ｌａｄｅｒ）状に構成されていることから、はしご型（ラダー型）D/Aコンバータと言われます。使う抵抗値がＲと２Ｒの２種類だけで構成されるため、高精度で温度特性も良好です。この方式はＩＣ化しやすいため、多くのD/Aコンバータ用ＩＣが採用しています。そういえば、秋月ＤＤＳキット（１０ビットD/Aコンバータ部）でも使われています。

図３．　ラダー抵抗型D/Aコンバータの回路構成例

ラダー型抵抗の性質を見てみましょう。ラダー型回路は、図３のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄのどの接続点においても等価的に２Ｒの抵抗が３方向に接続されているというものです。これを図４のアニメーションを使って説明します。
例えばＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の４ビットが００１０に設定されていたとするとＥ３入力だけが「１」なので、Ｃ点における抵抗の接続状態が分かります。
（１）まず、Ｅ１＝０ですのでＥ１はＧＮＤに接続されているものと見なされます。
（２）Ａ点での２Ｒ抵抗は並列に接続されているためＲになります。
（３）Ｂ点からＡ点方向を見るとＲが直列に接続されているため２Ｒになります。
（４）同様にして、Ｅ２＝０ですのでＥ２はＧＮＤに接続されているものと見なされ、Ｂ点での２Ｒ抵抗は並列に接続されているためＲになります。
（５）Ｃ点からＢ点方向を見るとＲが直列に接続されているため２Ｒになります。
（６）同様にして、Ｅ４＝０ですのでＥ４はＧＮＤに接続されているものと見なされ、Ｄ点での２Ｒ抵抗は並列に接続されているためＲになります。
（７）Ｃ点からＤ点方向を見るとＲが直列に接続されているため２Ｒになります。
（８）Ｅ３に電圧Ｖを加えると、Ｃ点に電流　Ｉ＝Ｖ／３Ｒが流れ、Ｃ点でそれぞれ、Ｉ／２に分かれます。Ａ，Ｂ，Ｄ点も同様に見ていくと成り立つことが分かります。

図４．ラダー型抵抗の性質（アニメーション）

図５を使って、ラダー抵抗型D/Aコンバータの原理を説明します。
ラダー型抵抗の性質から電流が各接続点で１／２になっていく様子が分かると思います。
（１）ディジタル入力が００１０のとき、Ｅ３に加えられた電圧Ｖにより、Ｅｏ＝（２／２４）Ｖとなります。
（２）ディジタル入力が０１００のとき、Ｅ２に加えられた電圧Ｖにより、Ｅｏ＝（４／２４）Ｖとなります。
以下同様に求めていくと、ディジタル入力値×Ｖ／２４の関係があることがわかります。
したがって、４ビットのD/Aコンバータの場合には、式（４）のようになります。

図５．ラダー抵抗型D/Aコンバータの原理

実際のD/Aコンバータでは、周波数特性や温度特性を向上させるような工夫がされていますし、その他にも様々な種類のD/Aコンバータが存在します。
もし興味があれば、ＣＱ出版社からトランジスタ技術ＳＰＥＣＩＡＬ　「Ｎｏ．１６　Ａ−Ｄ／Ｄ−Ａ変換回路技術のすべて」をご覧ください。



D/Aコンバータ選択上の注意
本スペアナでは、ソニー社製ＣＸＡ１３１５Ｐを使用しましたが、いざD/Aコンバータを買ってみようかとすると、どんなD/Aコンバータを選んだらよいか、迷うものです。ここでは、そんなときに役立ちそうなことを書いておきます。


（１）D/Aコンバータの分類
D/Aコンバータを選ぶという立場で分類してみました。

• 低価格で一般用のD/Aコンバータ　
  普通の用途にはこのグループのD/Aコンバータで十分です。ただし、周辺の温度がかなり変化する場合、高い精度が要求される場合などには向きません。
• 一般用ですが、それより少し性能がよいD/Aコンバータ
  価格が少し高くなるのが欠点ですが、環境の変化に強く、もっとも扱いやすいD/Aコンバータです。初めてD/Aコンバータを使う場合にも、このクラスのものを使用すればまず失敗はないでしょう。
• 高速度変換可能なD/Aコンバータ
  一般用のD/Aコンバータの変換時間は、数μ秒のものが多いのですが，高速D/Aコンバータは、ディジタル量を高速にアナログ量に変換する必要がある場合の回路に使われます。例えば、画像表示装置など
• 高分解能を持ったD/Aコンバータ
  通常は、８，１０，１２ビットぐらいのD/Aコンバータが一般的ですが、高い分解能を得る必要がある場合には，１６，１８ビットぐらいのD/Aコンバータが使用されます。これらのD/Aコンバータでは、ほんとに高い精度が得られるように、直線性や安定性にも気が配られており、価格はかなり高くなります。
• ディジタル部を内蔵しているD/Aコンバータ
  このD/Aコンバータでは、データを一時保っておくラッチなどが、同一チップ内にあるので、マイコンのバスラインに直接つないで、使用することができます。
  

以上、D/Aコンバータを選ぶ立場から、いくつかの分類を行いましたが、よく使用される分類に、「電圧出力タイプ」、「電流出力タイプ」があります。一般的には、電圧出力タイプのD/Aコンバータの方が使いやすく、セトリング時間が短いことが要求される特殊な応用例を除いては、電圧出力タイプのD/Aコンバータでよいと思います。電流出力タイプのD/Aコンバータは、その電流を抵抗に流して電圧を得るなどの使い方が一般的で、高精度の電圧出力を得るのには向きません。ただし、交換に要する時間はかなり速いので、高速性が要求される回路には、よく使われます。また、一般的に、電流出力タイプの方が安価な場合が多いので、ちょっとした試作などには、電流出力タイプのD/Aコンバータがよく用いられます。


（２）D/Aコンバータを選ぶときの注意
それでは、D/Aコンバータを使用した回路を作るとき、実際にどのD/Aコンバータを選べばよいのでしょうか。それには次の手順で選ぶと、割と選びやすいと思います。

• まず最も重要なのが分解能です。
  これから作る回路は何ビットのディジタル値をアナログ量に直す必要があるかを調べ、適当なビット数のD/Aコンバータに対象を絞ります。一般に複雑な変化をしているデータについては、ビット数の多いものを、変化が単純なものはビット数が少ないものを選べばよいでしょう。反転レベルシフトＰＬＬ回路の「ゲタ電圧」としては、チャージポンプ側で微調がなされるため、D/Aコンバータ側では高い分解能は必要ありません。
• 次に、D/A変換に要する時間がどのくらいかかるかを調べます。
  これは、D/A変換をどのくらいの時間間隔で行うかにより、かなり影響されます。また、非常に速い速度で、D/A変換を行う場合には、D/Aコンバータにディジタル入力が入ってから、アナログ出力が規定値に達するまでにかかる時間も注意しなければなりません。狭帯域版スペアナの周波数可変範囲は狭く，ゲタ電圧を掃引するまでには至りませんので、変換時間は気にしなくてもよいと思います．
• 出力が０Ｖを中心に正負の両方の電圧を出せるか否かです。
  D/Aコンバータの選択にあたっては注意する必要がありますが、反転レベルシフトＰＬＬでは、D/Aコンバータ次段の回路でレベルを合わせることもできますので、どちらのタイプでも構いません。
• D/Aコンバータからの出力は、電流出力か電圧出力かも重要です。電流出力のD/Aコンバータの方が比較的安価で、変換速度も速いわけですが、出力電流を電圧に変換するための回路が必要になります。電圧出力タイプのD/Aコンバータの方が使いやすいので、ここは迷わず電圧出力タイプを選びましょう。
• D/Aコンバータの入力、つまりディジタル入力についても、いろいろな規格がありますが、もっとも一般的に使用されているのはＴＴＬレベル、つまりＴＴＬのＩＣの出力を入力につなぐものですし、ロジックのコードはたくさんありますが、たいていのD/Aコンバータが幾つかのコードを使えて、使用者が選択できるようにもなっています。従って、これらの条件で選択の幅が狭くなることはありません。
• どのくらいの温度範囲で安定に使用できるかも考える必要があります。通常は常温で使用できるものを使えばよいのですが、安価なものは意外と温度変化に弱いようです。特に、D/Aコンバータ周辺の温度があがり、特性が不安定になる場合もあります。
• どんな種類の電源が必要かも調べておく必要があります。
  正負の電圧が出力できるD/Aコンバータでは、一般に正負の電源が必要です。

以上、D/Aコンバータを選ぶときに役立ちそうなことを書いておきました。実際には規格表をみて必要な項目をチェックし、少し高めの価格のものを選べば間違いはないでしょうが(^^;)、狭帯域版スペアナのＰＬＬ回路のゲタ電圧に使うのであれば、さほど高い分解能と速度は必要ありませんので、選択の幅はそれほど狭くはないと思います。



D/Aコンバータ（ＣＸＡ１３１５）についての解説
本スペアナのD/Aコンバータでは、ソニー社製ＣＸＡ１３１５Ｐを取り上げ、その使い方の紹介をします。ＣＸＡ１３１５Ｐの外観を図１に示します。このD/Aコンバータのピン配置は、図６のようになっていて１６ピンのＤＩＰタイプです。ＣＸＡ１３１５は、I²C　ＢＵＳ対応の８ｂｉｔ ５ｃｈ D/Aコンバータとして開発されたＩＣです。表２にピンの機能をまとめてみました。

図６．ソニー社製D/Aコンバータ（ＣＸＡ１３１５）のピン配置図

ＣＸＡ１３１５の特長

1. I ²C BUS によるシリアルコントロール
2. 8bit D ／A コンバータを5ch 内蔵
3. 汎用　I ／O ポート4 本内蔵（デジタル入出力）
4. 各ポートは独立に入出力指定可能
5. アドレスセレクト端子（3 本）の設定により，8 つのスレーブアドレスを選択可能

ここで、Ｉ^２Ｃという言葉が出てきましたが、Ｉｎｔｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　の頭文字から由来しています。この方式は、フィリップス社が提唱したもので、２本の接続線で１個のマスターに対し複数のスレーブとの間でパーティラインを構成し、最大４００ｋｂｐｓの通信が可能となっています。D/Aコンバータ以外にも、Ａ／Ｄコンバータ、ＥＥＰＲＯＭ、表示制御デバイスなどで、Ｉ^２Ｃインターフェースを内蔵した製品が各社から発売されています。Ｉ^２Ｃの特徴は、ここのスレーブがアドレスを持っていて、データの中にアドレスが含まれていることと、１バイト転送ごとに受信側からＡＣＫ信号の返送をして、互いに確認をとりながらデータ転送を行っていることです。

フィリップス社のＩ^２Ｃの英文の仕様書は、下記からダウンロードできます。
http://www-us.semiconductors.philips.com/i2c/facts/#speciication

シリアルデータの設定法について
ＣＸＡ１３１５は、I ²C BUS によるシリアルコントロールで、SDA （Serial Data ）,SCL （Serial Clock ）の2 本の信号があります。SDA は双方向で、図７のようにH,L,Hi-Z の３値出力をとります。

図７．ＳＤＡの３値出力レベル

I ²C通信の流れを簡単に説明すると、図８のようになります。
（１）クロック（ＳＣＬ）がｈｉｇｈのときに、データ（ＳＤＡ）が立ち下がると通信スタート
　　　すなわち、Start Condition 「Ｓ」の状態
（２）クロック（ＳＣＬ）がｌｏｗになるごとに順次１ビットずつデータそのものを送信していく。
（３）クロック（ＳＣＬ）がｈｉｇｈのときに、データ（ＳＤＡ）が立ち上がると通信ストップ
　　　すなわち、Stop Condition「Ｐ」 の状態

図８．　Ｉ2Ｃ転送のタイミングチャート

図９に、Ｉ²Ｃデータの書き込み時のタイミングチャートを示します。横に長くなるため、３段に分けて掲載しています。まず、Start Condition「Ｓ」を出力し、続いてＡｄｄｒｅｓｓ（スレーブアドレス）とＲｅａｄ／Ｗｒｉｔｅ要求を入力します。Ｒｅａｄ／Ｗｒｉｔｅ要求では、書き込み時の場合は［Ｌ］です。スレーブアドレスの構成については図１０に示します。セットされたアドレスと一致したデバイスだけがその後のデータを受け取り動作します。
つまり、図６のピン配置図でＳＡＤ２，ＳＡＤ１，ＳＡＤ０端子がありますが、これらの端子を例えばＧＮＤに接続したならば、ＳＡＤ２＝[L]，ＳＡＤ１＝[L]，ＳＡＤ０＝[L]となります。また、電源端子に接続したならば、ＳＡＤ２＝[Ｈ]，ＳＡＤ１＝[Ｈ]，ＳＡＤ０＝[Ｈ]となります。Ａｄｄｒｅｓｓが完了すると自動的にデバイスは、ＡＣＫビット（Ｈｉ−Ｚ）を返送します。

図９．　Ｉ2Ｃデータの書き込み時のタイミングチャート

図１０．　I 2C Bus レジスタの定義＜スレーブアドレス＞

次に、ＳｕｂＡｄｄｒｅｓｓを入れます。表３にレジスタ表を示します。ＤＡＣ０へ出力をするならば、サブアドレスは［ｘｘｘｘｘ００１］ですが、Ｘは［０］でも［１］でもよいため、ここでは例えば［０００００００１］としておきます。このあとは、指定された方向でD/Aコンバータのディジタルデータ入力値を送ります。サブアドレスは、オートインクリメントされていきますので、順にデータを入力すればＤＡＣ０〜４まで設定できます。データそのものの通信では、ＳＣＬのクロックに従って順次８ビットのデータを入力し、デバイス側が受信の完了を確認するとアクノリッジ（ＡＣＫ）信号を返送します。最後のデータを送り終わり、ＡＣＫの返送後、ＳＤＡをＬｏｗにしてクロックを停止してＨｉｇｈにしてから、ＳＤＡをＨｉｇｈにすることで、Stop Condition「Ｐ」 の状態となり、通信が完了します。これが基本の転送手順です。

表３．　レジスタ表

• 全てのレジスタは、ＩＣリセット時に［０］にリセットされます。
• ＊：未定義
• Ｘ：Ｄｏｎ’ｔ　ｃａｒｅ
• サブアドレスは、オートインクリメントされます。
• ＤＡＣ０〜４のレジスタの下位２ビットを［０］に固定すれば、６ビットのD/Aコンバータとして使用できます。ただし、８ビットで使用する場合に比べ、ＤＡ出力の最大電圧値が１００ｍＶ程度低下するので注意すること。

＜レジスタ説明＞（）内はbit 数

• REF （1）：D ／A コンバータのリファレンス電圧切り換え
  　　　　0 ：内部のレギュレータを基準にします。
  　　　　1 ：VCC から抵抗分割した電圧を基準にします。
  
• SW0 〜3 　（1）：1,2,9,10pin のON ／OFF 切り換え
  （各端子はNPN トランジスタのオープンコレクタ出力となっています。）
  　　　　0 ：OFF
  　　　　1 ：ON
  
• DAC0 〜4 　（8）：D ／A コンバータのデジタルデータ入力レジスタ
  　　　　０ ：出力電圧が最小になります。
  　　２５５ ：出力電圧が最大になります。
  
• PONRES （1）：POWER ON RESET を検出
  　　　　0 ：マスタがバスを介してこのステータスを読み取った後に［0]にセット
  　　　　1 ：電源投入時，またはパワーディップがあった時に［1］にセット
  
• ST0 〜3 （1）：1,2,9,10pin の端子電圧の状態を返します。
  　　　　0 ：1.5V 以下
  　　　　1 ：3.0V 以上
  　　　　注）SW0 〜3 が“0 ”の時に有効
  

ＰＬＬ回路で使用するときには、D/Aコンバータはデータの読み込みはしませんが、図１１に参考のためＩ^２Ｃデータの読み込みのタイミングチャートを掲載しておきます。

図１１．　Ｉ2Ｃデータの読み込み時のタイミングチャート

反転レベルシフトＰＬＬ回路への応用上の注意点

（１）ＣＸＡ１３１５の電源電圧について
電源電圧範囲ですが、８．２Ｖ〜９．８Ｖです。絶対最大定格は１２Ｖですので、９Ｖ程度の電源が必要です。


（２）ゲタ電圧の設定について
図１２の加算器の非反転端子側に入力される「ゲタ電圧」ですが、ＰＯＳシリーズのＶＣＯと組み合わせて使う場合には、なるべく周波数範囲を広くとるために、コントロール電圧を２０Ｖまで必要とします。ＣＸＡ１３１５の出力電圧範囲は、０．４Ｖ〜８．５Ｖ（ＴＹＰ）となっています。したがって８．５Ｖを２０Ｖまで、すなわち２０／８．５＝約２．３５倍に拡大（増幅）することになります。図１２のＯＰ３でD/A変換出力を増幅しますが、このときのＲＡ，ＲＢの抵抗値を求めてみましょう。ＯＰ２の加算器側で２倍の増幅度がありますので、ＯＰ３側では２．３５／２＝約１．１８倍にする必要があります。（１＋ＲＢ／ＲＡ）＝１．１８より、ＲＡ＝１０ｋΩとすると、ＲＢ＝１．８ｋΩになります。
ただし、反転レベルシフトですので、ＭＢ１５０１のチャージポンプの電圧分（約１Ｖ〜３Ｖ）が差し引かれますので、２０Ｖ＋αで少し出力電圧範囲に余裕を持たせた方がよいでしょう。（あまり高いと、ＶＣＯのコントロール電圧の耐圧をオーバーするので注意）
ＲＢ＝１．８ｋΩ＋数１００Ωの半固定可変抵抗を接続しておきます。半固定可変抵抗の接続位置ですが、なるべくＲＢとＯＰ３の出力端子側に直列接続します。非反転端子側は、比較的インピーダンスが高くなりますので、ノイズの影響を受けないようになるべく短く配線します。

図１２．ＤＤＳ＆反転レベルシフトＰＬＬ回路図

（３）チューニング電圧の設定ノウハウ
図１３にＰＯＳ−５３５のチューニング電圧に対する出力周波数特性を示します。例えば、５００ＭＨｚの周波数では、チューニング電圧は約１２Ｖになっています。ここで、D/Aコンバータの出力電圧との関係を求めますが、反転レベルシフトですので、ＭＢ１５０１のチャージポンプの電圧分（約１Ｖ〜３Ｖ）を＋αしておきます。α＝２Ｖと設定するならば、ゲタ電圧は、１２＋２＝１４Ｖになります。前項で求めたようにD/A変換出力電圧を約２．３５倍とすると、１４／２．３５＝約６ＶにD/A変換出力を設定します。同様に３００ＭＨｚの周波数では、チューニング電圧は約２Ｖですので、ゲタ電圧は２＋α＝４Ｖとなり、４／２．３５＝約１．７Ｖに設定します。
さて、図１３を見るように、チューニング電圧に対する出力周波数特性は、厳密には直線的ではありません。したがって、D/Aコンバータの出力電圧もその特性に合わせて、それぞれ設定していかなくては・・・と思われる前にノウハウを公開しておきます。レベルシフト法は、D/Aコンバータの出力電圧と出力周波数特性の関係を直線的に設定できるのです。非直線部分は、ＭＢ１５０１のチャージポンプ電圧が＋α分を自動的に調節してくれるのです。

図１３．ＰＯＳ−５３５　チューニング電圧に対する出力周波数特性

---

---

Gポイントポイ活　Amazon Yahoo 楽天

無料ホームページ 楽天モバイル[UNLIMITが今なら1円] 海外格安航空券 海外旅行保険が無料！