令和元年度 電験3種 理論 問18の過去問解説

令和元年度 電験3種 理論 問18

図1は、二重積分形A-D変換器を用いたディジタル直流電圧計の原理図である。次の(a)及び(b)の問に答えよ。

(a)図1のように、負の基準電圧$-V_r\left(V_r>0\right)\left[\mathrm{V}\right]$と切換スイッチが接続された回路があり、その回路を用いて正の未知電圧$V_x\left(>0\right)\left[\mathrm{V}\right]$を測定する。まず、制御回路によってスイッチが$S_1$側へ切り換わると、時刻$t=0\mathrm{s}$で測定電圧$V_x\left[\mathrm{V}\right]$が積分器へ入力される。その入力電圧$V_i\left[\mathrm{V}\right]$の時間変化が図2(a)であり、積分器からの出力電圧$V_o\left[\mathrm{V}\right]$の時間変化が図2(b)である。ただし、$t=0\mathrm{s}$での出力電圧を$V_o=0\mathrm{V}$とする。時刻$t_1$における$V_o\left[\mathrm{V}\right]$は、入力電圧$V_i\left[\mathrm{V}\right]$の期間$0$~$t_1\left[\mathrm{s}\right]$で囲われる面積$S$に比例する。積分器の特性で決まる比例定数を$k$($>0$)とすると、時刻$t=T_1\left[\mathrm{s}\right]$のときの出力電圧は、$V_m=$(ア)$\left[\mathrm{V}\right]$となる。
定められた時刻$t=T_1\left[\mathrm{s}\right]$に達すると、制御回路によってスイッチが$S_2$側に切り換わり、積分器には基準電圧$-V_r\left[\mathrm{V}\right]$が入力される。よって、スイッチ$S_2$の期間中の時刻$t\left[\mathrm{s}\right]$における積分器の出力電圧の大きさは、$V_o=V_m-$(イ)$\left[\mathrm{V}\right]$と表される。
積分器の出力電圧$V_o$が$0\mathrm{V}$になると、電圧比較器がそれを検出する。$V_o=0\mathrm{V}$のときの時刻を$t=T_1+T_2\left[\mathrm{s}\right]$とすると、測定電圧は$V_x=$(ウ)$\left[\mathrm{V}\right]$と表される。さらに、図2(c)のようにスイッチ$S_1$、$S_2$の各期間$T_1\left[\mathrm{s}\right]$、$T_2\left[\mathrm{s}\right]$中にクロックパルス発振器から出力されるクロックパルス数をそれぞれ$N_1$、$N_2$とすると、$N_1$は既知なので$N_2$をカウントすれば、測定電圧$V_x$がディジタル信号に変換される。ここで、クロックパルスの周期$T_s$は、クロックパルス発振器の動作周波数に(エ)する。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)及び(エ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(ア) (イ) (ウ) (エ)
(1) $kV_xT_1$ $kV_r\left(t-T_1\right)$ $\frac{T_2}{T_1}V_r$ 反比例
(2) $kV_xT_1$ $kV_rT_2$ $\frac{T_2}{T_1}V_r$ 反比例
(3) $k\frac{V_x}{T_1}$ $k\frac{V_r}{T_2}$ $\frac{T_1}{T_2}V_r$ 比例
(4) $k\frac{V_x}{T_1}$ $k\frac{V_r}{T_2}$ $\frac{T_1}{T_2}V_r$ 反比例
(5) $kV_xT_1$ $kV_t\left(t-T_1\right)$ $T_1T_2V_r$ 比例

 

図1 図2

(b)基準電圧が$V_r=2.0\mathrm{V}$、スイッチ$S_1$の期間$T_1\left[\mathrm{s}\right]$中のクロックパルス数が$N_1=1.0\times{10}^3$のディジタル直流電圧計がある。この電圧計を用いて未知の電圧$V_x\left[\mathrm{V}\right]$を測定したとき、スイッチ$S_2$の期間$T_2\left[\mathrm{s}\right]$中のクロックパルス数が$N_2=2.0\times{10}^3$であった。測定された電圧$V_x$の値$\left[\mathrm{V}\right]$として、最も近いものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(1)0.5  (2)1.0  (3)2.0  (4)4.0  (5)8.0

解答・解説

正解(a):(1)、(b):(4)

(a)

図2(a)で示されている面積$S$は、

$$S=V_xT_1$$

であり、積分器の出力電圧の最大値$V_m$は、積分器によって決まる定数$k$を用いて、

$$V_m=kS=kV_xT_1$$

となります。

同様に、スイッチが切り換わり積分器に$-V_r$が入力されれば、その面積分だけが減算されるので、

$$V_o=V_m-kV_r\left(t-T_1\right)$$

になります。

積分器の出力電圧が0となるとき、

$$kV_xT_1=kV_rT_2$$

が成り立つので、未知電圧$V_x$は、

$$V_x=\frac{T_2}{T_1}V_r$$

と計算できます。

また、文章中にある周期と周波数の関係性について、クロックパルスの周期とクロックパルス発振器の動作周波数に反比例します。

以上より、(ア)$kV_xT_1$、(イ)$kV_r\left(t-T_1\right)$、(ウ)$\frac{T_2}{T_1}V_r$、(エ)反比例となるので、正解は(1)です。

(b)

(a)の結果より、時間とクロックパルス数が比例するので、

$$V_x=\frac{T_2}{T_1}V_r=\frac{N_2}{N_1}V_r$$

となるので、

$$\left\{\begin{matrix}V_r=2\\N_1=1.0\times{10}^3\\N_2=2.0\times{10}^3\\\end{matrix}\right.$$

を代入すれば、

$$V_x=4\left[\mathrm{V}\right]$$

となります。よって正解は(4)です。

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