Last Update 2022/05/25
A-Dコンバータ,OPアンプそしてマイコンを使ってスマートに
TRSP No.131 実験研究に!測る電子回路の作り方
B5判 176(4C;16,2C;64)ページ
定価2,640円(税込)
JAN9784789846714
2015年7月1日発行
好評発売中！
■見本PDF(2.33MB) 本書は，センサ活用の基礎から高精度測定の実例までを詳細に解説する1冊です．多くの設計に役立つツールやプログラムを紹介し，効率的な設計手法も紹介しています．
電圧/温度/明るさ/重量などのアナログ量を高い精度で制御するには，高精度でアナログ量を検出しなければなりません．それには，高性能なA-D変換専用のIC(A-Dコンバータ)やその使い方を知る必要があります．
前半の第1部では微小信号からAC信号まで，各種アナログ信号を確実にディジタル信号へと変換するテクニックを詳しく解説しています．
また，後半の第2部では，誤差±0.03℃を実現する超精密温度計の設計・製作プロセスを詳述します．定電流源と白金測温抵抗体によって，温度計は高精度なレシオメトリックを実現しています．さらにA-D変換後，超低消費電力マイコンMSP430によってデータ補正をします．これによりロー・コストで超精密な温度計システムを実現しています．
電圧/温度/明るさ/重量などのアナログ量を高い精度で制御するには，高精度でアナログ量を検出しなければなりません．それには，高性能なA-D変換専用のIC(A-Dコンバータ)やその使い方を知る必要があります．
前半の第1部では微小信号からAC信号まで，各種アナログ信号を確実にディジタル信号へと変換するテクニックを詳しく解説しています．
また，後半の第2部では，誤差±0.03℃を実現する超精密温度計の設計・製作プロセスを詳述します．定電流源と白金測温抵抗体によって，温度計は高精度なレシオメトリックを実現しています．さらにA-D変換後，超低消費電力マイコンMSP430によってデータ補正をします．これによりロー・コストで超精密な温度計システムを実現しています．
目 次
計測の基本から高精度測定システム設計まで
Introduction 実験研究に！測る電子回路の作り方
第1部 基本編 A-D変換ICを使いこなす！
A-D変換の基礎と変換方式の違いによるICの得手，不得手
第1章 アナログ信号をディジタル信号にするということ
〇A-Dコンバータ事始め
■精度が高いことはいいことだ
■アナログ信号をディジタル化するとどうなる？
〇A-D変換の原理が分かればA-DコンバータICの適材適所が分かる！
〇逐次比較型(SAR)
■逐次比較型の長所と変換原理
■逐次比較型の生かし方
■逐次比較型の短所
〇フラッシュ型
■フラッシュ型の長所と変換原理
■フラッシュ型の長所を生かした使い方
■フラッシュ型の短所
〇パイプライン型
■パイプライン型の長所と変換原理
■パイプライン型の長所を生かした使い方
■パイプライン型の短所
〇ΔΣ型
■ΔΣ型の長所
■ΔΣ型の回路動作を追う
ディジタル・フィルタでマルチ・ビット・コードを生成
■ΔΣ型A-Dコンバータの基本的な性質
■ΔΣ型の短所を踏まえて逐次比較型と使い分ける
A-Dコンバータの用語が分かる
Appendix A データシートの読み方ガイド
データシートの記述は簡素化されている
静特性を読み解く
サンプリングについての基礎知識
サンプリング特性を読み解く
動的特性を読み解く
16ビット以上の高分解能ADCに関する仕様
直流信号をディジタル信号に変換する
第2章 数mVの直流信号を1万分の1まで高精度に分解
〇0〜500℃，0.1℃精度の温度測定回路
熱電対の信号を取り込む回路の設計
ステップ1…センサ(信号源)の仕様や性質を調べる
■熱電対
■RTD
ステップ2…情報の整理と予備実験
ステップ3…詳細設計を行う
ステップ4…試作して実験を行う
ステップ5…回路のシンプル化の検討
〇フルスケール数mV，分解能1μVのひずみ測定回路
交流信号をディジタル信号に変換する
第3章 数百mVの交流信号を10万分の1に分解する
本章の目標仕様
構想設計と部品の選定
A-Dコンバータ・モジュールの設計
カットオフ周波数1kHz，-72dB/oct.の12次LPFの実現
■A-Dコンバータの出力をパソコン上でリアルタイムに評価する
ホール素子やフォト・ダイオードの広レンジ出力をワンチップで変換
第4章 0.1pA以下の微小電流や100A級大電流のA-D変換
100A級の電流を10mA以下の分解能で検出する
0.1pA以下の直流電流を検出する
■フォト・ダイオードからの微小な光電流出力を取り出す方法
■フォト・ダイオードの光電流検出専用のA-Dコンバータ
第2部 製作編 精密温度計の設計と製作
部品代1万円で，誤差±0.03℃の精密温度計の設計・製作にチャレンジ
序 章 安価なMPUとΔΣ型A-Dコンバータのコラボで測定精度をもう1桁上げる
精密温度計の設計と製作の概要
今回採用した新規設計手法のアウトライン
■設計・製作に当たって実施した新規設計の手順
まずは，センサの物理的な性質を読み解くことから始める
第1章 事前調査・検討 〜温度センサの選定と出力信号の処理方法の検討
熱電対と測温抵抗体〜
■使用する温度センサの検討
■熱電対と測温抵抗体，どちらを選ぶべきか？
熱電対と白金測音抵抗体の特性を比べる
白金測温抵抗体の特性を調べる
精度出しの第1歩は，適切なセンサのドライブ方法の見極め
第2章 事前調査・検討 〜温度センサの扱い方〜
RTDのR-V 変換方式の検討
■抵抗性信号源の励起によるR-V 変換
アナログ・フロントエンドの設計
■Pt100とアンプ回路との接続方法を探る
表計算ソフトのグラフ機能を活用して，補正式を楽々導出
第3章 事前調査・検討 〜Pt100の非直線性補正の検討〜
表計算ソフトを活用して補正する方法を検討する
■表計算ソフトを使ってらくらく補正
表計算ソフトの活用と補正式を得る方法
■表計算ソフトに補正式を表示させよう
■得られた式で現実のセンサVO を補正しよう
■小さなMPUでも荷が重くない補正式を探る
目標仕様から製品開発の流れでは，事前に立てる動作・性能のプランが重要
第4章 構想設計 〜原理試作の結果を検証して実用化への構想を練る〜
原理試作の検討内容と方法
■一次試作の結果に対する評価・検討
二次試作の検討内容と方法
■一次試作の結果を踏まえた二次試作の回路検討
目標仕様を達成するためには，部品選びもバッチリ計算式を立てて検討
第5章 詳細設計ハードウェア編 〜部品選択から回路図作成まで〜
スプレッドシートを使ったハードウェアの詳細設計の概要
■部品の選定段階からスプレッドシートを活用
部品の選定と詳細設計
■信号収集/処理部の構成と動作概要
■表示/電源部の構成と動作概要
表計算ソフトによるスプレッドシートがものをいう
第6章 詳細設計ソフトウェア編 〜センサ入力からDAC出力まで伝達式を導出〜
スプレッドシートの内容と意味
■表1：PGA入力からPGA出力までの式と，許容できる最大同相モード電圧まで
■表2：ADC出力からセンサVO の非直線性補正前の誤差確認まで
■表3：補正定数の拾い出しからLCDによる表示誤差まで
■表5：DAC用データ生成からDACのアナログ出力まで
■表6：内部REF基準のアナログ出力からADCのPGA入力(AIN-3)まで
■表7：ADC出力からDAC用元データの再構築と温度換算による最終確認まで
μVオーダの信号を観測する実験では，外部誤差要因の徹底排除が重要な要素
第7章 製作した精密温度計の精度検証実験と考察
■実験準備
精度検証実験のための抵抗ボックスの製作
実験環境の研究
精度検証実験と考察
■抵抗ボックスに変わる次世代ジグの考察
外部へ出した校正表
Appendix B 精密温度計の一次試作詳細回路図
計測の基本から高精度測定システム設計まで
Introduction 実験研究に！測る電子回路の作り方
第1部 基本編 A-D変換ICを使いこなす！
A-D変換の基礎と変換方式の違いによるICの得手，不得手
第1章 アナログ信号をディジタル信号にするということ
〇A-Dコンバータ事始め
■精度が高いことはいいことだ
■アナログ信号をディジタル化するとどうなる？
〇A-D変換の原理が分かればA-DコンバータICの適材適所が分かる！
〇逐次比較型(SAR)
■逐次比較型の長所と変換原理
■逐次比較型の生かし方
■逐次比較型の短所
〇フラッシュ型
■フラッシュ型の長所と変換原理
■フラッシュ型の長所を生かした使い方
■フラッシュ型の短所
〇パイプライン型
■パイプライン型の長所と変換原理
■パイプライン型の長所を生かした使い方
■パイプライン型の短所
〇ΔΣ型
■ΔΣ型の長所
■ΔΣ型の回路動作を追う
ディジタル・フィルタでマルチ・ビット・コードを生成
■ΔΣ型A-Dコンバータの基本的な性質
■ΔΣ型の短所を踏まえて逐次比較型と使い分ける
A-Dコンバータの用語が分かる
Appendix A データシートの読み方ガイド
データシートの記述は簡素化されている
静特性を読み解く
サンプリングについての基礎知識
サンプリング特性を読み解く
動的特性を読み解く
16ビット以上の高分解能ADCに関する仕様
直流信号をディジタル信号に変換する
第2章 数mVの直流信号を1万分の1まで高精度に分解
〇0〜500℃，0.1℃精度の温度測定回路
熱電対の信号を取り込む回路の設計
ステップ1…センサ(信号源)の仕様や性質を調べる
■熱電対
■RTD
ステップ2…情報の整理と予備実験
ステップ3…詳細設計を行う
ステップ4…試作して実験を行う
ステップ5…回路のシンプル化の検討
〇フルスケール数mV，分解能1μVのひずみ測定回路
交流信号をディジタル信号に変換する
第3章 数百mVの交流信号を10万分の1に分解する
本章の目標仕様
構想設計と部品の選定
A-Dコンバータ・モジュールの設計
カットオフ周波数1kHz，-72dB/oct.の12次LPFの実現
■A-Dコンバータの出力をパソコン上でリアルタイムに評価する
ホール素子やフォト・ダイオードの広レンジ出力をワンチップで変換
第4章 0.1pA以下の微小電流や100A級大電流のA-D変換
100A級の電流を10mA以下の分解能で検出する
0.1pA以下の直流電流を検出する
■フォト・ダイオードからの微小な光電流出力を取り出す方法
■フォト・ダイオードの光電流検出専用のA-Dコンバータ
第2部 製作編 精密温度計の設計と製作
部品代1万円で，誤差±0.03℃の精密温度計の設計・製作にチャレンジ
序 章 安価なMPUとΔΣ型A-Dコンバータのコラボで測定精度をもう1桁上げる
精密温度計の設計と製作の概要
今回採用した新規設計手法のアウトライン
■設計・製作に当たって実施した新規設計の手順
まずは，センサの物理的な性質を読み解くことから始める
第1章 事前調査・検討 〜温度センサの選定と出力信号の処理方法の検討
熱電対と測温抵抗体〜
■使用する温度センサの検討
■熱電対と測温抵抗体，どちらを選ぶべきか？
熱電対と白金測音抵抗体の特性を比べる
白金測温抵抗体の特性を調べる
精度出しの第1歩は，適切なセンサのドライブ方法の見極め
第2章 事前調査・検討 〜温度センサの扱い方〜
RTDのR-V 変換方式の検討
■抵抗性信号源の励起によるR-V 変換
アナログ・フロントエンドの設計
■Pt100とアンプ回路との接続方法を探る
表計算ソフトのグラフ機能を活用して，補正式を楽々導出
第3章 事前調査・検討 〜Pt100の非直線性補正の検討〜
表計算ソフトを活用して補正する方法を検討する
■表計算ソフトを使ってらくらく補正
表計算ソフトの活用と補正式を得る方法
■表計算ソフトに補正式を表示させよう
■得られた式で現実のセンサVO を補正しよう
■小さなMPUでも荷が重くない補正式を探る
目標仕様から製品開発の流れでは，事前に立てる動作・性能のプランが重要
第4章 構想設計 〜原理試作の結果を検証して実用化への構想を練る〜
原理試作の検討内容と方法
■一次試作の結果に対する評価・検討
二次試作の検討内容と方法
■一次試作の結果を踏まえた二次試作の回路検討
目標仕様を達成するためには，部品選びもバッチリ計算式を立てて検討
第5章 詳細設計ハードウェア編 〜部品選択から回路図作成まで〜
スプレッドシートを使ったハードウェアの詳細設計の概要
■部品の選定段階からスプレッドシートを活用
部品の選定と詳細設計
■信号収集/処理部の構成と動作概要
■表示/電源部の構成と動作概要
表計算ソフトによるスプレッドシートがものをいう
第6章 詳細設計ソフトウェア編 〜センサ入力からDAC出力まで伝達式を導出〜
スプレッドシートの内容と意味
■表1：PGA入力からPGA出力までの式と，許容できる最大同相モード電圧まで
■表2：ADC出力からセンサVO の非直線性補正前の誤差確認まで
■表3：補正定数の拾い出しからLCDによる表示誤差まで
■表5：DAC用データ生成からDACのアナログ出力まで
■表6：内部REF基準のアナログ出力からADCのPGA入力(AIN-3)まで
■表7：ADC出力からDAC用元データの再構築と温度換算による最終確認まで
μVオーダの信号を観測する実験では，外部誤差要因の徹底排除が重要な要素
第7章 製作した精密温度計の精度検証実験と考察
■実験準備
精度検証実験のための抵抗ボックスの製作
実験環境の研究
精度検証実験と考察
■抵抗ボックスに変わる次世代ジグの考察
外部へ出した校正表
Appendix B 精密温度計の一次試作詳細回路図