センサー・シグナル・コンディショニング:未加工の測定値から正確な測定値まで
センサーとマイクロコントローラー間のアンプ、フィルター、ADC インターフェースの設計方法RTD、熱電対、ロードセル、電流シャント、4 ～ 20 mA ループについて説明します。
シグナルコンディショニングとは
センサーは、マイクロコントローラーのADC入力と互換性がない、小さい、ノイズの多い信号、または非線形の信号を生成します。シグナルコンディショニングは、これらの信号をデジタル化できるクリーンでスケーリングされた電圧に変換するアナログフロントエンドです。
シグナルチェーン:センサー → 励起 → 増幅 → フィルタ → ADC
各段階で誤差が生じます。[センサー精度バジェット計算ツール] (/電卓/センサー/センサー精度バジェット) を使用して、チェーン全体のシステム精度を追跡します。
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RTD シグナルコンディショニング (PT100/PT1000)
RTD (抵抗温度検出器) は温度によって抵抗値が変化します。PT100はカレンダー・ヴァン・デューセンの式に従います。
「MATHBLOCK_0」
ここで、「マチンライン_10」/°C、「マチンライン_11」/°C²。
[PT100 抵抗計算ツール] (/電卓/センサー/pt100 抵抗) を使用して、任意の温度での R を求めます。
測定回路
従来の手法は、RTDに定電流を流して電圧を測定する方法です。
「マスブロック_1」
3線接続は、電流が流れるリード抵抗とは別にRTD両端の電圧降下を測定することで、リード抵抗誤差を排除します。 4線式 (ケルビン) 接続ではすべてのリード抵抗が不要になり、高精度の電流源で0.01°Cの精度が得られます。主な考慮事項
-自己発熱:励起電流が多すぎると RTD が加熱されます。「MATHINLINE_12」ミリワットを維持してください。 -低ノイズの計装アンプ (INA128、AD8221) を使用してください。 -PT1000 はバッテリ駆動設計に適しています (抵抗値が高い = 励起電流が小さい)
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熱電対シグナルコンディショニング
熱電対は、熱接点と冷接点の温度差に比例して非常に小さい起電力 (マイクロボルトからミリボルト) を生成します。
「MATHBLOCK_2」
ここで、「MATHINLINE_13」はゼーベック係数 (タイプ K: ~41 μV/°C) です。
[熱電対電圧計算ツール] (/電卓/センサー/熱電対電圧) を使用して、予想される起電力値を求めます。
冷接点補償
冷接点は、熱電対ワイヤーがPCBに接続される場所です。温度を測定し (通常はPCBにNTCまたはRTDを取り付けて)、測定値に加算する必要があります。
MAX31855 (タイプK) やLTC2986のような集積ICは、増幅、冷接点補償、およびリニアライゼーションを内部で処理します。使用しない理由がない限り、これらを使用してください。
ディスクリート設計には以下が必要です。 1. 高精度計装アンプによる利得～10 mV/℃ 2.冷接点補償用の独立した温度センサー 3.ファームウェアの線形化ルックアップテーブルまたは多項式---
ロードセル/ストレインゲージシグナルコンディショニング
ロードセルはホイートストン製のひずみゲージブリッジです。フルスケール出力は通常、励起電圧で1～3 mV/Vです。
「マスブロック_3」
励起電圧が5V、感度が2mV/Vの場合、フルスケール=10mVと非常に小さく、ノイズに埋もれています。
[ロードセルアンプカリキュレータ] (/カリキュレータ/センサ/ロードセルアンプ) を使用して、必要なゲインを求めてください。
アンプの選択
INA125P/INA128はクラシックな選択肢です。INA125 には励起用の高精度電圧リファレンスが組み込まれています。-外付け抵抗を 1 本使用してゲインを設定:「MATHINLINE_14」 -RTI ノイズ:最大 8 nV/√Hz (標準) — 24 ビット ADC には十分
HX711 は、ロードセルとブリッジセンサーのインターフェース専用の 24 ビット ADC です。ほぼすべての低コストスケール設計に使用されています。---
シャント抵抗による電流検出
電流は、値の小さいシャント抵抗の両端の電圧降下によって測定されます。
「MATHBLOCK_4」
10Aで10mΩのシャントを行うと100mVが得られます。これはディファレンス・アンプとしては妥当な信号です。
[電流シャント計算ツール] (/電卓/センサー/電流シャント) を使用して、シャント電圧、消費電力、ADC 分解能を確認してください。
ハイサイドとローサイドのセンシング
ローサイド (負荷とGND間のシャント): 最も簡単です。シングルエンドアンプが動作します。問題:負荷が真のグランドにありません。 ハイサイド (電源と負荷の間のシャント): 負荷は真のグランドに留まり、負荷グラウンドシフトは発生しません。ディファレンス・アンプまたは双方向電流センス IC (INA219、INA240) が必要です。シャント抵抗の選択方法
「マスブロック_5」
ターゲット「MATHINLINE_15」= フルスケールで 50～100 mV小さすぎる → SNR が低い。大きすぎる → 消費電力が大きすぎる (「MATHINLINE_16」)。
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フォトダイオード/光センサーシグナルコンディショニング
フォトダイオードは、入射光に比例した電流を生成します。トランスインピーダンスアンプ (TIA) はこれを電圧に変換します。
「マスブロック_6」
「MATHINLINE_17」= 100 kΩ の10μAの光電流では、1Vの出力が得られます。
帯域幅とノイズを見つけるには、[フォトダイオードTIA計算ツール] (/電卓/センサー/フォトダイオード-トランスインピーダンス) を使用してください。
安定性
TIAはフィードバックコンデンサがなくても発振できます。「MATHINLINE_19」の両端に「MATHINLINE_18」を追加すると安定します。
「MATHBLOCK_7」
通常、「MATHINLINE_20」= 1～10 pF の場合、十分な帯域幅を維持しながら安定性が得られます。
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4—20 mA 電流ループ
産業用センサーは、長いケーブル (最大 1 km) にわたって4～20 mAの電流ループを使用します。電流エンコーディングはケーブル抵抗の影響を受けません。
-4 mA = 範囲の 0% (トランスミッタにも電力を供給) -20 mA = レンジの 100%
ループ電流からセンサー値を求め、電圧バジェットを確認するには、[4—20 mA トランスミッター計算機] (/電卓/センサー/4-20maトランスミッター) を使用してください。
信号の受信
レシーバでは、250Ωの高精度抵抗が4～20mAを1～5Vに変換します (0～5VのADCの場合)。
「マスブロック_8」
この1～5Vの範囲は、ケーブルの断線 (0V) やセンサーの故障 (<1V) を示すのに便利です。
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精度バジェットの構築
シグナル・チェーンのすべてのコンポーネントがエラーの原因となります。
| ソース | 標準エラー |
|---|---|
| センサーの非直線性 | 0.1— 0.5% FS |
| アンプのオフセット | 0.02— 0.2% FS |
| ADC 量子化 | LSB/2 |
| 温度ドリフト | 50—500 ppm/°C |
| リファレンス電圧 | 0.05— 0.5% |
「MATHBLOCK_9」
[センサー精度バジェット計算ツール] (/電卓/センサー/センサー精度バジェット) を使用して、温度範囲におけるシステムの精度をモデル化します。
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まとめ
| センサータイプ | 標準出力 | 推奨IC |
|---|---|---|
| PT100 RTD | 100—400 Ω | INA128+ 定電流ソース |
| 熱電対 | 1—50 mV | 最大31855 |
| ロードセル | 1—10 mV | HX711 または INA125 |
| フォトダイオード | 1 nA—100 μA | TIA と OPA2134 |
| 電流シャント | 10—100 mV | INA219 または INA240 |
| 4—20 mA ループ | 1—5 V (250 Ω経由) | ADC ダイレクト |