正弦波の振幅測定（ピークホールド）について

正弦波の振幅を測定しようと考えています。
測定条件として
・周波数：600kHz～1.2MHz
・振幅：300mVp-p～2.8Vp-p
・精度：すべての条件で±5mVp-p以内
・ＤＣでの測定しか出来ない
・ＤＣの測定器精度が±1mV程度

以上のことから正弦波をピークホールドして測定しようとコンパレータを用いて
回路を作製してみたのですが，±5mVp-p以内は難しいです。
コンパレータ（LM311）のスルーレートの制限で振幅が1Vp-p以上になると
少しずつピーク値より低い値になってきます。

皆さんにお聞きしたいことは
１）「こんな部品，回路であれば可能だよ」というアイデア
２）ピークホールド用ＩＣ
３）ピークホールド用モジュール
条件を満たせる方法がありましたら，教えてください。
よろしくお願いします。

No.8 回答者： Teleskope 回答日時： 2005/09/27 01:22

　

　
>>　小振幅では動作良好 <<

http://www.national.com/ds/LM/LM111.pdf
　6page下部に Response Time for Various Input Overdrives の図がL→H、H→Lふたつあります、お使いはL→Hの方と思います。図から overdrive 5mV で 出力は 30V/μsec ほどですよね。　入力信号が最悪値 1.2MHz,1.4Vop で d入力/dt=11V/μsec 、、、　ホールド C が過剰すぎあるいはまさか電源が±5Vで動作域が狭すぎ（推奨±15Vのようです）、、、とかでなけれはやはり LM311 の能力限界なんでしょうね。
　検討： ホールド C の放電路 -15V/1MΩ=15μA、5ページの図から input bias current は 0.06μAで無視可、次段の読み出しアンプの入力バイアス電流も無視可と仮定して、600kHz の一周期 1.7μsec の間の放電電荷は 25.5pc、サグ電圧はホールド C が 0.1μF で 0.255mV だから 0.1μF でも十分すぎっぽいですね。（これはローパスフィルタではないことはお分かりですよね。）
　触った経験のない IC なので想像が走りすぎてるのかも知れません、とりあえず。
　
　

この回答へのお礼

色々と調べていただきありがとうございます。
電源は±15Vです。Cも大きすぎて充電が追いついていない？と思い，小さくしても
変化なし（放電するくらい小さくしてもダメ）
低周波では動作良好の為，できれば簡単なこの回路を使用したいと思い
何か別のいいコンパレータがないかと質問させて頂きました。
あるいはピークホールド用ＩＣやモジュールを使って簡単に済ませてしまいたいと
思っていたのですが，あまりそのような製品はないのでしょうか？

別のことも優先的にやらなければいけないので，少しピークホールド実験は
保留になりますが，今までのアイデアはぜひ試してみたいと思っています。
ありがとうございました。

お礼日時：2005/09/27 12:43

No.7 回答者： Teleskope 回答日時： 2005/09/24 10:45

　

　
>>　正弦波をピークホールドして測定しようとコンパレータを用いて
回路を作製してみたのですが、 <<

　シミュレーション止まりですか？ ホールドの C はどんなものをお使いですか、セラミックでしょうか。放電 R の値もよろしかったらお教えください。


>>　コンパレータ（LM311）、振幅が1Vp-p以上になると少しずつピーク値より低い値に <<

　LM311ですか‥このクラシックタイプは触れる機会がなくて経験談ができないんですが、「1Vpp以下」ではなく「以上」ですか？　下の方は満足できる動作になってるのでしょうか。　このICの内部構成は大まかには

　　　　　　　　　　　　　 7番ピン
　　─|＋＼　　　　　 C┘
　　　 |　　　>───B　　　　　　（図１）
　　─|－／　　　　　 E┐
　　　comparator　　　 1番ピン
　　　本体

ですが、仮に1番ピン側をお使いとして大振幅側が頭打ち気味というのは‥7番ピンの電源が低すぎなのでしょうか？（出力段は単純なトランジスタ1個ではないですが。トランジスタは飽和させずにエミッタフォロァ的な動作をさせてます。）



　いずれにせよ この方式を選んで正解です。裸の受動素子による整流では温度変動を試算してみれば実用に耐えないことは既にお分かりと思います、この方式は；それを帰還ループの中（出力側）に入れて　1/(大利得)　に押さえるという、古くからある教科書的、模範的な構成です。　（　ネットの工作記事ではオペアンプによる絶対値化回路も散見されますが、ピークホールドに特化したこの方式のほうがお奨めです。これ的な機能は私も必要に応じて使ってまして。）

　よくアマチュアがお使いになってるコンパレータは NJM360です、データシートを見たら 代表的応答時間が約 20ns なので今回にはちょうど手頃でしょう。ただ出力段はLM311と違って単純なTTL回路です。
http://www.njr.co.jp/pdf/aj/aj05004.pdf

　図１に書いた出力トランジスタの動作は「波形のピークでほんのちょっと導通しかかるが、あと大部分はオフ状態」ですよね、使えそうな性能のトランジスタをお持ちでないなら、これもアマチュアに広く使われてる定番、1SS108（ショットキバリアダイオード）で整流するだけでも行けます。必要な特性は、Irの小ささと接合容量の小ささ（ホールドCとの分圧回路ゆえ）です。ダイオードのVfは帰還で抑圧されてしまうのだから、その意味ではショットキに限る必然性はないですが。


　概念的な構成は；

信号入力
　｜
　｜
　└─|＋＼　　　　ダイオード
　　　　|　　　>───┐
　┌─|－／　　　　　 ▼
　｜　例えば　　　　　├──┬────|＋＼
　｜　NJM360　　　　Ｃ　　　 Ｒ　　　　　 ｜AMP>┬─ ピーク値
　｜　　　　　　　　　　｜　　　｜　　　　 ┌|－／　 ｜　　出力
　｜　　　　　　　　　　┷　　　(注1)　　　｜　　　　 ｜
　└─(注2)───────────┴───┘


注１：グランドに落とすのではない理由はお分かりと思います。
注２：バイポーラプロセスでの高速コンパレータの入力インピーダンスは高くないのが常ですからホールドＣの所から帰還せず、電圧フォロア出力からです。そうして電圧フォロアのオフセットも　1/(大利得)　にすることは定石ですね。
注３：電圧フォロアのアンプもコンパレータに見合った高速性を要するのではないのか？　答はノーなのです；　ここは帰還理論のいいトレーニングです。（　PLLをやってる方などはアナロジ的に直ぐ分かったと思いますが。）　いちおう帰還回路ですから過渡応答の安定性とかも念頭に。ぜんぜん単純ですが。（いっぱい書いてしまいました、とりあえずこのへんで。）
　
　

この回答へのお礼

>>シミュレーション止まりですか？ ホールドの C はどんなものをお使いですか、セラミックでしょうか。放電 R の値もよろしかったらお教えください。
実際に動作させてみての結果です。
Cはフィルムコンデンサ0.1uF～0.47uF，電解コンデンサ1uF～4.7uFで確認しましたが
この範囲ではとくに差異は見られませんでした。
Rは（-Vccに接続）1Mオームです。

>>「1Vpp以下」ではなく「以上」ですか？　下の方は満足できる動作になってるのでしょうか。
1Vpp以下では動作しております。
入力の傾きが一定以上になると（つまり周波数が高いか，振幅が大きい），少しずつピーク値が
入力波形の波高値より低下していきます。振幅を上げてもある一定以上(1.2MHzだと0.8V程度）の
電圧よりは上がらなくなります。

ピークホールド用のコンデンサを外すと発振してしまう為，正確には確認できませんが
入力に矩形波を入れ出力の傾きを確認すると，ピーク値がずれてくるのは，この傾きに
近づいた時からです。
このことからコンパレータのスルーレートが限界の為と判断しました。


最後の回路ですが使えそうなコンパレータが入手でき次第，検討してみたいと思います。
ご丁寧な説明，アイデアをありがとうございます。

お礼日時：2005/09/26 10:15

No.6 回答者： pochi_won 回答日時： 2005/09/24 07:11

＃４です。

ダイオードを使ったピークホールド回路で、ダイオードの代わりにトランジスタを飽和させて使う方法は？
↓の物では、IC＝０．１ｍＡで飽和電圧3ｍＶでした。
↓のトランジスタは、適当に参照しただけですので、よく探せば他にも多数種類あるので、低飽和の物があるかもしれません。

それと＃２でＡＤコンバーターについてちょっと書きましたがアパーチャ時間を考慮すると難しそうでした。
参考までに、アパーチャ時間が仮に４０ｎＳで、1.2ＭＨｚを取ろうとすると、θ＝１７．２８度ですので、かなり変動します。
ちなみに、コンパレーターは200ｎＳ程度で、もっと鈍重です。

参考URL：http://www.semicon.toshiba.co.jp/td/ja/Transisto …

この回答へのお礼

何度もご回答ありがとうございます。
ダイオードの代わりにトランジスタを使う・・・
今まで考えもつかなかった色々なアイデアがあるものですね。
大変参考になりました。ありがとうございます。
たくさんのアイデアを頂きましたので，順番に検討させてもらいます。

お礼日時：2005/09/26 10:11

No.5 回答者： foobar 回答日時： 2005/09/23 20:04

アイデアとしては、#4さんの最後の書かれてるのと類似の方法で、

1. 出力の直流電圧と入力電圧をコンパレータで比較する。
2. コンパレータが、出力電圧>入力電圧ピーク、と応答している間、少しずつ出力電圧を下げる（コンデンサを放電）。
3. コンパレータが、出力電圧<入力電圧ピーク,と応答すると、出力電圧を上げる
（コンデンサに充電）という回路を組んでも良いかもしれません。

3.はコンパレータ出力を逆流防止ダイオードを介して、RCのLPFに入力して実現し、
2.はCの両端に高抵抗をつないで、徐々に電荷を放電させることで実現できるかもしれません。
（RC回路および放電抵抗の値を適切に選んで、充放電の時定数を適切に選定する必要があるでしょうが）

この回答へのお礼

色々なアイデアを頂きありがとうございます。
ご意見を参考にいろいろ検討していきたいと思います。

お礼日時：2005/09/26 10:12

No.4 回答者： pochi_won 回答日時： 2005/09/23 16:14

＞入力を一旦ボルテージフォロアで受けたとしてもコン

＞パレータが同じであれば改善されないと思うのですが？
＞違うでしょうか？
ボルテージフォロアはインピーダンス変換回路だったような気がします。
入力インピーダンスが下がれば若干応答が良くなると思いました。まぁ適当に聞き流してください。

ピークホールドしたいのなら＃１が言っているようにするのが、一般的で、質問者様が仰るような仕様でなければ充分な解答だと小生も理解しています。
＃１さんが＃３でも言っているように、順方向電流が小さい領域では順方向電圧降下は小さくなるので、これに期待してみては如何でしょうか？
このレベルの精度保証をお手軽にやろうって思考自体に問題がありそうな気もしますが・・・

＃３に付け足しで、順方向電圧降下特性を信じて信号の受け側を定電流負荷にして、さらに温度保証することで、電圧降下分を定数とすれば安定した数値が期待できそうな気がします。
但し、定電流負荷側の精度保証も必要ですので、なるべく高速なスイッチング素子を使ってさらに、自己補正回路に温度保証などの考慮が必要になりますけど・・・
１０００回位、繰り返し測定して精度保証してあげれば、お客さんも納得してくれませんか？

その他に、思いつく案としては、基準電源を用意して、そこに高スルーレートのオペアンプで増幅させれば、基準電圧以上に比較結果が得られないところへ、基準電圧を調整して解を求めるような方法が思いつきます。
ゲインを高めにすれば、基準電圧を動かしていくと正（または負）方向で増幅するかしないかの所が出てきます。それをオシロか何かで確認するような方法です。
コンパレーターは鈍重ですからね。
但し、一般のスイッチング電源でも数十ｍVのリップルがあります（低リップルのリニア電源でも数ｍV）ので、電源には相当注意しないといけません。

この回答へのお礼

＞このレベルの精度保証をお手軽にやろうって思考自体に問題がありそうな気もしますが・・・
はい，その通りです＾＾；　実際に実験してみてかなり難しいということが分かり，ＩＣやモジュールで何かいいものがないかと質問してみました。

＞＃３に付け足しで、順方向電圧降下特性を信じて信号の受け側を定電流負荷にして、さらに温度保証することで、電圧降下分を定数とすれば安定した数値が期待できそうな気がします。
ピークホールドした電圧は測定するだけなので，ほとんど電流は流しません。
（測定器側の入力インピーダンスは数十Ｍオームあります）
正直言うと電圧降下分が周波数や振幅が変わっても一定であるかどうか疑問ではありますし，
周囲温度が常に一定とは言えないので可能性は低いと思います。
ただし，せっかく頂いたご意見ですし，自分の先入観（固定概念）が間違っているかもしれませんので
手頃なダイオードを見つけて実験してみたいと思います。
アドバイスありがとうございます。

最後の案は考えていませんでした。面白い案ですね。
基準電圧はＶＩソースを備えていますので自由に設定可能です。±2mVくらいは誤差でますが。
少し検討してみたいと思います。ありがとうございました。

お礼日時：2005/09/23 17:30

No.3 回答者： foobar 回答日時： 2005/09/22 21:23

Ge点接触ダイオードやSiSBDの順方向立ち上がり特性は比較的なだらかで、順方向電流が小さい領域では順方向電圧降下はかなり小さくなります。

（どの程度まで小さくなっているか、一度データシートで確認していただければ、、。）
このため、直流を高インピーダンスで受けてやれば（直流側コンデンサがピーク電圧で充電されてる状態を維持できるなら）、ダイオードの順電流を小さく抑え、順方向電圧降下を小さく抑えることは可能かと。
ただし、ダイオードの逆電流による影響がどの程度あるか考慮する必要はありますが。
（周波数がそれほど高くないので、浮遊容量の影響は無視できる程度ではないかと思います）

この回答へのお礼

＃４の方にまとめて書いてしまいましたが，実験はしてみたいと思います。
アドバイスありがとうございました。

お礼日時：2005/09/23 17:31

No.2 回答者： pochi_won 回答日時： 2005/09/22 17:28

＞・ＤＣでの測定しか出来ない

との事ですので、ＡＣをピークホールドしてデジタルマルチメータで計るような感じだと思いますが・・・５ｍＶを取ろうと思ったら、簡単な方法や回路は難しいと思います。
２．８Ｖで約０．１７％ですよね・・・測定器は精度保障されていたとしても、周りの部分は、どうやって精度保障するつもりですか？
仮に、質問者様が言うようなコンパレータの回路のスルーレートが解決しても、これを正しいと実証するのは難しいのでは？

＞コンパレータ（LM311）のスルーレートの制限で振幅
＞が1Vp-p以上になると少しずつピーク値より低い値に
＞なってきます。
は、ボルテージフォロアで受けてから、やってみては？

あとは、可能性の話で言えば、高インピーダンスのＡ／Ｄで受けて、ソフト的に最高値を探すとか。

この回答へのお礼

＞２．８Ｖで約０．１７％ですよね・・・測定器は精度保障されていたとしても、周りの部分は、どうやって精度保障するつもりですか？
＞仮に、質問者様が言うようなコンパレータの回路のスルーレートが解決しても、これを正しいと実証するのは難しいのでは？
はい，とても難しくて困ってます。
ただ，量産するわけではなく１品物ですから，正確な正弦波を入力し，そのときのＤＣ電圧がピーク値の5mV以内であればＯＫと判断するつもりです。
手元にある装置では正弦波の生成も測定も1mV程度の確度で可能なので確認はできます。
実際に使用する場所にも同じ測定器があれば，苦労ないのですが・・・

＞は、ボルテージフォロアで受けてから、やってみては？
実際に試した回路はＴＩ社のＬＭ３１１のデータシートにあるピークホールド回路です。
入力を一旦ボルテージフォロアで受けたとしてもコンパレータが同じであれば
改善されないと思うのですが？違うでしょうか？

＞あとは、可能性の話で言えば、高インピーダンスのＡ／Ｄで受けて、ソフト的に最高値を探すとか。
こちらでは不可能ですが，アイデアをありがとうございます。

お礼日時：2005/09/22 18:10

No.1 回答者： foobar 回答日時： 2005/09/22 16:26

Geの点接触ダイオードとコンデンサを組み合わせたピーク検出器

（整流回路+平滑回路）の出力をバッファアンプで受ける
（必要なら、高速バッファで入力もアイソレートする)

というのではまずいでしょうか。
(Geダイオードの代わりに小信号用ショットキーバリアダイオードが使えたかな）

小信号時の非線型性が気になるなら、直流信号で構成もできそうなきもします。

この回答へのお礼

最も基本的なピークホールド回路のことですよね？
ダイオードの順方向電圧分ずれてくると思うので，検討していません。
もし私の勘違いでしたらどのような回路なのか教えていただけると助かります。

お礼日時：2005/09/22 16:45