異なる電圧のオペアンプを使ったインターフェースの製作

質問

現在ＬＭ３９３を使って０～１２ボルトで発振しているアナログ信号をマイコンに取り込むために０～５ボルトのデジタル信号に変える回路を製作したいと思っているのですがなかなかうまくいかず困っています。実際の入力波形は車のイグニッションコイルのマイナス側の０～１２ボルトの波形を０～５ボルトのデジタル波形に変更したいと思っています。色々調べた結果ＬＭ３９３が使えそうな気がしているのですがいざ実際の回路となると色々本を読んでもすぐには理解が出来ず困っています。どなたかオペアンプを使ったコンパレータ回路に詳しい方ご教授ください。

回答No.3

noname#60878 · ベストアンサー

うむむ。私の読み方が悪かったようですね。
車のバッテリーは、マイナスが接地(車体に接続)ですか？
「マイナス側の０～１２ボルトの波形」 というところから、勝手にプラス接地と解釈しておりました。

検出点の電圧が、接地に対して(ここが重要)マイナスに振るのか、プラスに振るのかで、「検出→パルス化」までの回路をプラス接地(負電源)にするか、マイナス接地(正電源)にするか違ってきます。プラスに振るならば、負電源は不要です。
正電源であれば、単電源で使用できるオペアンプやコンパレータＩＣが使える理屈です。(ノイズや入力過大に対しては保護してくださいね。)

それから、今思いついたのですが、「車のイグニッションコイル」とのことですが、電圧は本当に0-12Vですか？
一度シンクロスコープとかで確認してみてくださいね。
断の瞬間には大きなスパイクが乗っていると思います。
検出点を変えるか、検出方法にくふう(トランスの利用とかコンデンサ通して交流的に拾うとか)する方が良いかもしれません。

お礼

ご教授ありがとうございます。やはり私の書き方が悪かったようです。すみません。正電源であればこのオペアンプも使えるようですね、ただお察しのとおりかなりスパイクノイズがあることは確かです。知識の無い私としては実験するために実際の回路を教えていただければ大変助かります。（抵抗値や結線方法など、、、。）何も資料の無い状態で無理な話かもしれませんが、、、。

回答No.4

pochi_won

電圧変換回路ですね。

一般的なのは、Ｔｒ（トランジスター）をオープンコレクタで使う方法です。
Ｔｒのベースに抵抗を通して信号源（１２Ｖ系）を入れます。
このときに、抵抗は、まぁ１０ｋΩ程度でよいでしょう。気が向いたら計算してください。
次に、Ｔｒのコレクタを５Ｖに３ｋΩ程度でプルアップして、その部分をＨ８に入れれば、ＯＫです。
ちなみに、Ｔｒのエミッタは、ＧＮＤにつなぎます。

但し、この場合の波形は、入力波形と反転した波形になりますので、これがまづい場合は、７４ＨＣ０４などで再反転してください。

お礼

ご教授ありがとうございます。波形が反転することは問題ありません。この回路も試してみたいのですが推奨されるトランジスタを知っておられますか？もしご存知でしたらお教えください。

回答No.2

noname#60878

お書きになられた用途ならば、オペアンプＩＣを使用する必要はほとんど無いと思います。というか、信頼性の点では使いたくないです。
（ここでオペアンプＩＣを使いたくない理由は、入力が規定の電圧範囲を越えると破壊される怖れがある。ゲインが高いのでノイズ等の対策が不可欠。入力のスルーレートとノイズの質からから考えてヒステリス特性にはあまり期待できない。電源の変動の影響が大きく同相除去が期待できない。マイナスの単電源で動作させることの不安。などです。）
また、厳密なスレッショルドが必要な訳でも無いようですね。

私がやるとすれば・・・
まず、電源の-12Vから-5V程度のノイズの少ない電源(安定化は不要)を作ります。必要であれば、コンバータ等でマイコン用の+5V安定化電源を取ります。できれば、+5V系はグランドもアイソートして、マイコンの近くで車体に接地します(ノイズ対策)。
入力を抵抗で分圧して1/3に(必要以上の電圧をかけないため)します。ここに小容量のコンデンサを並列入れ、ノイズ取りの効果を期待します。直列抵抗を通してPNPトランジスタのBに入れ、(Eは)Cは抵抗とフォトカプラを通して上記-5V電源へ。トランジスタのBにはツェナーダイオードなどで保護を。(このトランジスタのかわりにオヘペアンプ使っても良いのですが、あまりメリットは無いと思います。)
フォトカプラの出力側(ロジック側電源で駆動)に、ワンショットマルチを入れて、細いヒゲ状のパルスを除去します。ワンショットは通常のデジタルＩＣで十分です。費用を気にする用途ならばマイコンでおこなうのですが、信頼性などの点で外部の回路ですることを勧めます。
あとは、マイコンへ入力すれば・・・・

お礼

ご教授ありがとうございます。やっぱりオペアンプを使わない方が良いということですね。残念ながらご教授頂いた内容をすぐには私は理解できないのですが、（後で回路図にしてよく考えて見ます）そこで内容についてもう少し教えて下さい。私の書き方がよくなかったのですが、波形は＋１２ボルトから０ボルトの波形になります。私の知識が無いためかマイナス電源の必要性がわかりません。この回路を作るためにはマイナス電源が必要なのでしょうか？現在マイコンの電源やその他周辺機器の電源は車両の１２ボルトバッテリーよりスイッチング電源回路で５ボルトを作っております。よろしくお願いいたします。

回答No.1

noname#60878

「デジタル波形が欲しい」「コンパレータ回路」ということですが、入力側の波形が欲しいということでは無いのですね．パルス的なタイミングあるいはパルス幅が欲しいのでコンパレータを使うのですね．
波形を観察する必要があるなら、コンパレータではなく、レベルコンバータです．レベル変換したあとで、ＡＤ変換します．

まず、アナログを含む回路では、電源電圧の基準を設定します．用途から見ると、車体を基準に取るのが自然でしょう．マイナス１２を基準として、＋５までの１７Ｖの単電源として設計すると簡単なようですが、電圧変動やノイズを考えると恐いです．
すると、入力が－１２から０Ｖで、出力が０から５Ｖのコンパレータということになります．正負の電源が必要ですね．一般のオペアンプ用の＋１５と－１５で、汎用のコンパレータで可能でしょう．そのままでは、出力は
正負の電源の間を振るだけですから、これをトランジスタを通してやればＯＫです．

問題は、用途から推測すると、かなりノイズが乗るのではないかということ．汎用オペアンプだと、入力保護が必要でしょう．また、電源を通しての回りこみとか．車体が地面から電気的に浮くことも考えると「アイソレート」が必要なように思えます．たとえばコンパレータの出力を高速のフォトカプラで受けてやるとか．出力側がＴＴＬレベルといったフォトカプラは（それ自体がレベル変換になるので）便利ですね．

また、このように電圧が高く、インピーダンスが低い場合では、汎用のオペアンプ等を使うよりも、トランジスタで組んだ方が耐圧などの点で安心な気がします．

お礼

ご回答ありがとうございます。現在マイコン（h8/3664)を使用してエンジンの回転数によって作動する物を製作しています。ご存知のとおり車側の波形は１２～１５ボルトバッテリー電圧が安定していない上にノイズも多く直接はマイコンのタイマーカウンターポートに取り込むことが出来ません。お察しのとおり単純に波形の数でエンジン回転数を知りたいだけなので波形を観察する必要はありません。今回調べた所このオペアンプは単電源作動でこのような異なる電圧のインターフェースに使かわれているらしく購入してみました。本当はトランジスタで行う方が良いのかもしれませんがオペアンプの勉強のためにもこの機会に製作してみたいのですがやはり無理なのでしょうか？
私の調べた所によると出力側を５ボルトでプルアップしてヒステリシス付きの回路を組めば異なる電源のインターフェースが出来るとのことなのですが？
私の方の知識が無いので見当違いをしているのかもしれませんが、、、。
ちなみに車側はエンジンが回転するごとに１２ボルトから０ボルトに変化する波形です。（ノイズが多いですが）どうかご教授ください。