NI myDAQ利用のRLC直列共振回路実験への検討

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"直列共振回路の電気的特性が使用する測定機器の操作性に影響されず短時間でデータ収集することが可能だった。NI myDAQは電気系実験には非常に効率の良い有効なデータ収録機器と成り得ることが認められた。 "

- 河井 敏博氏, 大阪医専 教務部/臨床工学学科 教官

The Challenge:
共振回路の実験に既存の信号発生器を利用すると出力インピーダンスの影響が無視できないため共振回路に比べ十分出力インピーダンスの低い信号発生器の利用を検討する。 オシロスコープもチャネル毎に独立して使用できる差動入力を持ったオシロスコープの使用を検討する。

The Solution:
NI myDAQの仕様ではアナログの出力インピーダンスは既存の信号発生器に比べ十分低い1Ω、アナログ入力も差動入力が2chあるので関数発生器(図1.)のアナログ出力を直列共振回路に接続し、2箇所の電圧を差動入力に入力しソフトフロントパネル(SEP)で測定する。関数発生器で発生した信号を直列共振回路に加え、2chのオシロスコープ(図3.)でR,L,Cの2素子の電圧を同時に計測し、1本の入力を繋ぎかえることで残りの1素子を測定する。(図2.)

Author(s):
河井 敏博氏 - 大阪医専 教務部/臨床工学学科 教官

【背景】
電気系で行うRLC直列共振回路の実験は信号発生器(FG)の周波数を変えながらR、L、Cの電圧をオシロスコープで観測する。使用する信号発生器、オシロスコープ等の特性を十分理解していないと正確なデータは得られなかった。出力インピーダンスが50Ωの信号発生器はCやLが負荷になると出力電圧が設定値と大きく異なり、設定周波数を変更するたび回路にかかる電圧が一定になるよう調節する作業が必要であった。また測定するR、L、Cの電圧も、オシロスコープのそれぞれのチャネルのグランドが共通であるため同時に異なる素子の電圧を測定するのは難しく、オシロスコープのプローブを繋ぎなおしながら測定する必要があった。データ収集には半日かかる実験であった。

実験の目的は共振回路の電気的特性を理解するのであるが、時間の大部分を機器の操作に費やしてきた。容易に効率よく実験データを収集するためにNI myDAQの利用を検討する。

【課題】
共振回路の実験に既存の信号発生器を利用すると出力インピーダンスの影響が無視できないため共振回路に比べ十分出力インピーダンスの低い信号発生器の利用を検討する。

オシロスコープもチャネル毎に独立して使用できる差動入力を持ったオシロスコープの使用を検討する。

【システム構成】
NI myDAQの仕様ではアナログの出力インピーダンスは既存の信号発生器に比べ十分低い1Ω、アナログ入力も差動入力が2chあるので関数発生器(図1.)のアナログ出力を直列共振回路に接続し、2箇所の電圧を差動入力に入力しソフトフロントパネル(SEP)で測定する。関数発生器で発生した信号を直列共振回路に加え、2chのオシロスコープ(図3.)でR,L,Cの2素子の電圧を同時に計測し、1本の入力を繋ぎかえることで残りの1素子を測定する。(図2.)

図1.関数発生器       

図2.ブレッドボード上の回路         

  図3.オシロスコープ

今回の使用した素子はR:75Ω、L:47mH(直流抵抗120Ω)、C:0.1μF、印加電圧0.8VPP、

周波数の範囲:100Hz~6kHz(図4.)

 図4.RLC直列共振回路

【結果】
計測を行うと50点の周波数で150個のデータが1時間ほどで収集できるようになった。関数発生器の出力インピーダンスが1Ωと非常に低いため、適切な回路素子を選べば周波数による負荷電圧変動の影響を十分に小さくすることが可能であった。

NI myDAQを使用することで関数発生器の最大出力電流2mA以内で使用すれば出力インピーダンスの影響は0.5%程度に抑えられた。

直列共振回路の電気的特性が使用する測定機器の操作性に影響されず短時間でデータ収集することが可能だった。

収集したデータをもとにRLC直列共振回路の電圧周波数特性(図5.)と電流周波数特性(図6.)を示す。

図5.RLC電圧--周波数特性      

図6.電流--周波数特性

NI myDAQは電気系実験には非常に効率の良い有効なデータ収録機器と成り得ることが認められた。

 

 

Author Information:
河井 敏博氏
大阪医専 教務部/臨床工学学科 教官

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