小信号電圧の読み取り

ロードセルや他のウィートストンブリッジ、電流トランスなど、非常に低い電圧出力を持つセンサーを扱ったことがある方は、その測定値を利用するためには非常に精密なアンプと高ビット数のアナログ・デジタル変換器（ADC）が必要であることをご存知でしょう。私の回路基板のほとんどは非常に厳しいサイズ制約を持っているため、より多くのコンポーネントを統合することは常に理想的な解決策ではありません。しかし、プログラマブルゲインアンプ（PGA）を備えた高ビット数ADCを使用することで、基板のスペースを大幅に節約し、一連の基板全体での読み取りの一貫性も向上させることができます。

ロードセル内のひずみゲージは、1ボルトあたりわずか1mVの全範囲出力を持つかもしれませんが、5ボルトで動作させると、センサーの全範囲に対して0-5mVの信号を出力します。これにより、100kgのロードセルは、キログラムあたり50μVの信号を出力し、これは大幅な増幅がなければ使用可能なデータを提供しません。128倍の増幅であっても、満載時の信号はわずか0.64ボルトになり、3.3ボルト8ビットADCでは理想からは程遠い約2kgの解像度を提供します。しかし、ほとんどの現代のARMコントローラーは10ビットまたは12ビットのADCを持っているため、ロードセルの解像度は約125グラムになります。これはまだかなり貧弱ですので、満足のいく解像度を得るためには、はるかに高いビット数を提供する外部ADCを検討することができます。128 V/Vのアンプを備えた24ビットADCを使用すると、100kgのロードセルは今やミリグラムを読み取ることができます。この高解像度により、正確な測定が可能となり、複数トンの全スケール範囲を持つロードセル（例：クレーン、計量橋）や、数千アンペアを扱う必要がある電流センサー（例：オフィスビル、工場）など、精密な産業用途にとって不可欠になります。また、余分な解像度により、信号をフィルタリングして安定した読み取りを保証し、読み取りに対する高い信頼度を提供することもできます。

プログラマブルゲインアンプ

プログラマブルゲインアンプを備えたADCは、同じ解像度の通常のADCよりも少し高価ですが、私のプロジェクトではその追加費用に見合う価値があることが証明されています。また、精密オペアンプ、精密キャパシタ、精密抵抗を使用したADCのソリューションは、統合ユニットのコストとしばしば等しく、したがって実際の利点を提供しません。統合PGAソリューションは、基板スペースを大幅に削減するだけでなく、基板間での信号増幅の一貫性も大幅に向上させます。ゲインが簡単にプログラム可能であるため、異なるセンサーオプションへの切り替えも非常に簡単であり、さまざまなセンサーのフルレゾリューションサポートを提供します。

マイクロコントローラーのADCや統合プログラマブルゲインアンプを搭載していない別の外部ADCを使用している場合、スタンドアロンのPGAも市場で容易に入手できます。Texas InstrumentsのPGA281は、差動または単一終端信号の最大128 V/Vの増幅を提供する非常に人気のある選択肢です。

アナログ・デジタル変換器

上記の例から、良いマイクロコントローラー内の12ビットADCでは、小信号電圧に対して十分ではないことがわかります。Arduinoで人気のATmegaのようなものを使用している場合、8ビットのADCしかなく、これはさらに制限が大きいです。したがって、これらの小さな電圧を十分な精度で読み取り、使用可能なデータを提供するためには、外部ADCが必要です。

高ビット数が重要である一方で、それだけが重要な要因ではありません。小さな電圧を扱う場合、ADCは低ドリフトで、非常に安定した基準電圧を持ち、信号をキャプチャするのに十分な帯域幅が必要です。不安定またはドリフトするADCの高ビット数は、依然として不正確な読み取りを提供します。

私は、非常に安定しており、驚くほど正確なため、電流トランスフォーマーやひずみゲージの読み取りにTexas InstrumentsのADS1220をよく使用します。24ビットのADCですが、内部フィルターにより、実質的に20ビットの使用可能な解像度を提供します。とはいえ、これが私のプロジェクトの1つでADS1220を接続した方法です：

回路の実装はかなり重要です。入力にインダクターではなくフェライトビーズを使用したπフィルターがあり、ここで見ることができるように、荷重セルの入力に非常に基本的なフィルタリングがあります：

この回路は、カナダオリンピックチームがOmega LCM302 2000ニュートン荷重セルを使用してデータを測定するために使用されました。最先端の陸上競技用力板で記録された同じ衝撃と比較すると、ADS1220のデータは秒間960サンプルで読み取りを行っていたため、短期間の衝撃をはるかに正確に読み取ることができ、温度変化に伴う信号のジッターやドリフトが少なかったです。

プログラマブルゲインアンプを使用し、荷重セルをADCから直接電源供給することで、設定変更や過負荷が検出された際に、増幅を変更することにより、より小さい全範囲の荷重セルに簡単に切り替えることができました。これにより、わずかに安価な単一チャネルの兄弟機種であるADS1246よりも、私のアプリケーションにとって4入力のADS1220がはるかに魅力的になります。

市場には他にも多くのオプションがあり、それらの中には特定のアプリケーションにより適したものもあるかもしれませんので、OctopartでADCカテゴリを見て、「PGA」を検索して、いくつかのオプションを探索してみてください。

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