エンベデッドシステムスペシャリスト 2014年 午前2 問14
問題文
PWM（パルス幅変調）で変調された信号をアナログ電圧として復調する回路はどれか。
選択肢
ア：（正解）
イ：
ウ：
エ：
🔒 解説は解答すると表示されます
PWM信号のローパス復調【午前2解説】
正解の理由
正解はアです。抵抗を入力側に直列に接続し、出力側の節点からコンデンサーを接地する回路は、RCローパスフィルターです。
PWM信号は、パルスの幅、つまりデューティ比によって平均電圧が変わります。この回路では、コンデンサーがパルスの細かな変化を平滑化するため、出力にはPWM信号の平均値に対応したアナログ電圧が得られます。
解法ステップ
- PWM信号をアナログ電圧にするには、パルスの細かな変化をならす必要があると考えます。
- 平滑化には、低い周波数成分を通し、高い周波数成分を抑えるローパスフィルターを使います。
- 抵抗が入力に直列、コンデンサーが出力側から接地される構成を選びます。
- この構成に一致するのがアです。
選択肢別の誤答解説
- ア：抵抗と、出力側から接地されたコンデンサーで構成されるRCローパスフィルターです。PWM信号を平滑化してアナログ電圧にする用途に適しています。
- イ：コンデンサーが入力側に直列、抵抗が出力側から接地されています。これはRCハイパスフィルターの構成で、PWM信号の平均値を取り出す用途には適しません。
- ウ：入力側も出力側の接地側も抵抗です。抵抗による分圧はできますが、コンデンサーによる平滑化がないため、PWMのパルス変化が出力に残ります。
- エ：コンデンサーが入力側に直列で、出力側から接地する側にもコンデンサーがあります。出力を安定した直流電圧にするRCローパスフィルターの構成ではありません。また、入力側の直列コンデンサーは直流成分を通しません。
よくある誤解
- コンデンサーがあれば、どの位置にあっても平滑化できる
位置が重要です。出力側の節点から接地するコンデンサーが、抵抗と組み合わさってローパスフィルターを構成します。 - PWMのパルス幅を変えると、パルスの高さが変わる
通常、PWMではパルスの高さは一定で、デューティ比が変化します。平均電圧はデューティ比に応じて変わります。 - 時定数は大きければ大きいほどよい
時定数が大きいほどリップルは抑えやすくなりますが、出力電圧の変化への応答は遅くなります。平滑化と応答速度の両方を考慮します。
補足コラム
PWM信号の周期を 、パルスがオンである時間を とすると、デューティ比 は次の式で表されます。
振幅が と のPWM信号を理想的に平均化した場合、平均電圧はおおよそ次のようになります。
実際の回路では、抵抗 とコンデンサー による時定数 を、PWMの周期や必要な応答速度に合わせて設計します。
FAQ
Q. ローパスフィルターとは何ですか？
A. 低い周波数の信号を通し、高い周波数の信号を弱める回路です。PWMのパルス変化を弱め、平均値に近い電圧を取り出すために使われます。
A. 低い周波数の信号を通し、高い周波数の信号を弱める回路です。PWMのパルス変化を弱め、平均値に近い電圧を取り出すために使われます。
Q. コンデンサーの容量を大きくすると、どうなりますか？
A. 時定数が大きくなり、出力電圧の変動は小さくなりやすい一方、PWMのデューティ比が変わったときの応答は遅くなります。
A. 時定数が大きくなり、出力電圧の変動は小さくなりやすい一方、PWMのデューティ比が変わったときの応答は遅くなります。
Q. 抵抗とコンデンサーの位置を逆にしてもよいですか？
A. この問題では、回路の接続位置によってフィルターの性質が変わります。出力側にコンデンサーを接地する構成が、求められるローパスフィルターです。
A. この問題では、回路の接続位置によってフィルターの性質が変わります。出力側にコンデンサーを接地する構成が、求められるローパスフィルターです。
関連キーワード: PWM、パルス幅変調、デューティ比、RCローパスフィルター、時定数、アナログ電圧
\ せっかくなら /
エンベデッドシステムスペシャリストを
クイズ形式で学習しませんか？
クイズ画面へ遷移する→
すぐに利用可能！