« 2013年1月 | トップページ | 2013年5月 »

2013年2月14日 (木)

アナログ壁面センサ用のハイパスフィルタ設計

久しぶりにマイクロマウスの話題です。先週末の3連休は、マイクロマウスのアナログ壁面センサに使用するためのハイパスフィルタについてPSpiceを使って試行錯誤していました。Spiceというのは電子回路のシミュレータで、PSpiceというのはその一種です。Amazonでこの本を買って入手しました。

まず、アナログ壁面センサの外乱になる光としては、蛍光灯や白熱灯、水銀灯、スポットライトなどがあり、これらは商用電源の周波数の2倍の周波数で点滅していることが知られています。すなわち、1Hz以下の定常的な外乱以外に、東日本なら100Hz、西日本なら120Hzの外乱があるわけです。

このような外乱を抑え込むには、一般的にはハイパスフィルタを使います。今回初めてハイパスフィルタを自分で設計してみようと思ったわけですが、そこで遭遇した考慮すべき事項を幾つかあげてみます。

  • どのような出力を期待するのか?
  • 回路は複雑になってもよいのか?
  • 部品点数は多くてもよいのか?
  • どうやって狙った特性が出ていることを確認するのか?

一番シンプルにCR回路によるハイパスフィルタを採用することを考えると、遮断周波数をいくつにするかが問題になります。外乱が120Hzだから遮断周波数を120Hzにするとどうなるでしょうか? 遮断周波数は電力比で考えた時に1/2になる周波数ですから、電圧比だと1/√2(約0.7)になります。これでは外乱を十分に抑え込めるとは言えません。

この外乱を半分まで抑え込みたい場合、取れる手段としては2つ考えられます。

1つ目は遮断周波数を高くすること。2つ目はハイパスフィルタを2段にすることです。遮断周波数を高めにとる場合、例えば遮断周波数を240Hzで設計すると、120Hzの外乱に対して約 6.8dB減衰させるので電圧比でいえば約0.46倍で、狙い通り半分以下に抑え込めます。

CR回路によるハイパスフィルタは特性が比較的のっぺりしているので、もう少し急峻な特性を得たいと考えると、ハイパスフィルタを2段にすることが考えられます。これが2つ目のの手段です。遮断周波数 120HzのCRハイパスフィルタを2段にすると、120Hzの外乱が約 9.7dB減衰され、電圧比で約0.34倍になります。これなら、外乱を十分抑え込めたと言えるでしょう。

どちらの手段を用いるにせよ、ハイパスフィルタの出力は尖ったものが出るので、CPUのADCで読み込むタイミングが悪いとピークを拾えません。なので、簡単なピークホールド回路は必要になるものと思います。これもPSpiceでピークホールドできることを動作確認しました。

では、1次(=1段)のCRハイパスフィルタで遮断周波数を高めにとるのと、2次(=2段)のCRハイパスフィルタにするのと、どちらが良いでしょうか? 部品点数から考えれば部品点数が少ない方が良いに決まっています。遮断周波数を高くした場合のデメリットは何かあるでしょうか?

受光素子にフォトダイオードを使用した場合、フォトダイオードの応答速度は約100ns、フォトトランジスタを使用した場合、フォトトランジスタ (東芝 TPS601A)の応答速度は約 2us。ですから、遅い方を取って受光素子の立ち上がり時間にさらにマージンを見て20usとしても、フィルタの特性に対して特に悪い影響はなさそうです。確認のためPSpiceで受光素子の出力に見立てた信号の立ち上がりを100usまで遅くして過渡解析をしてみましたが、それでも大した影響は見られませんでした。

ということで、結論です。部品点数は少ないほどよいので、遮断周波数を240HzとしてCRハイパスフィルタを設計し、それにピークホールド回路を追加したものを採用することにします。

2013年2月11日 (月)

全科履修生になろうかな

放送大学の期末試験も終わり、次は何を受講しようかなぁと物色していたところ、放送大学の事務局から電話がありました。

「来期はどうするの? 何か困ってることある?」みたいな電話だったのですが、その中で「毎年選科履修生として登録すると1年ごとに入学申請しなきゃいけないのが面倒。なんか手はない?」と質問してみたところ、「全科履修生になれば10年は在籍できるよ。卒業を目指さなくてもOK。手続きに高校の卒業証書のコピーが必要だから探してね。」という回答。なるほど、卒業目指さなくても良いんですね、全科履修生でも。

私の場合、完全に趣味の生涯学習(+仕事の足しになればそれでOK)で講義をつまみ食いしているだけなので、今更大学を卒業する気はありません。去年、大学院レベルの講義を1年間みっちり受けてきたばかりだし。良いこと聞いたので、これから実家に高校の卒業証書のコピーを送ってもらえるようお願いしようかな。

« 2013年1月 | トップページ | 2013年5月 »

最近の写真