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二重積分型ADCによるデータロガー作成

秋月で購入可能な電子部品のみを用い,それなりに実用になるデータロガーを作る.

仕様

項目	値
変換方式	二重積分型
分解能	5桁
変換レート	100ms/s
直線性	TBD
入力範囲	FS±20mV/2V/200V 3レンジ
入力インピーダンス	10MΩ
動作温度範囲	20℃～30℃
表示	キャラクタLCD
電源	USBバスパワー
絶縁	USB-ADC間 500V機能絶縁

なぜ作るのか

24bitΣ⊿型ADCが数百円で手に入る現状において,二重積分型を,ましてディスクリートで自作する意味はどこにもない.
が,温故知新を実感したい.

回路方式

入力段

アナログスイッチ式アッテネータ(スルー or 1/100)-PGA(ゲイン1 or 10)
入力インピーダンスは10MΩなので,バッファアンプはCMOSタイプを使用する.
過電圧入力でも破損しないように,保護ダイオードを設ける.

二重積分型ADC

教科書には必ず載っている,基本的なAD変換方式.

電圧配分の検討

• 二重積分のためには,変換対象とは逆極性の基準電圧が必要となる.多くの場合,基準電圧は負電圧とする.
• 変換対象は正負電圧

負電圧の生成には,チャージポンプなり,正負出力DCDCが必要で,回路が面倒.
そこで,正電圧を分圧して得た電圧を仮想GNDとし,仮想GND-本当のGNDの電位差を負の基準電圧にすることにする.
仮想GNDのレベルは,2.465Vとする.シャントレギュレータNJM1431Aを使って生成する.

もう一つ面倒な要素が,入力電圧が正負であるということである.
入力電圧の正負に応じて,基準電圧の正負を入れ替えるのは面倒である.
そのため,入力電圧に直流オフセットを加算し,常に正電圧になるようにする.
直流オフセットは,仮想GNDレベルの2倍の4.93Vとする.仮想GNDレベルをゲイン2の非反転増幅回路で増幅することで得る.

これで,電源は,正電源一系統でまかなえることになった.

積分定数

積分オペアンプの出力が飽和しないようにすることを制約として,積分定数を決定する.
入力電圧の積分時間は,20msまたは,16.7msの切り替えとする.(言わずもがな,50Hz,60Hzの一周期である.)
入力電圧は0V以上(仮想GND基準)であるから,積分を開始すると,積分器の出力は負電圧方向(仮想GND基準)に増加する.
20ms積分して,積分器出力が電圧レールを叩かないようにすれば良い.電圧レールは仮想GNDと等しい.
レールギリギリまでは使えないので,-2.4Vを狙いとする.

積分器出力電圧は次式


とすると,

と求まる.
積分コンデンサに0.1uFを使うとすると,R=372.1kΩとなる.
E6系列に合わせて,470kΩとする.
オペアンプはLMC6482AINを選定.CMOSタイプで入出力RtR,動作電圧15Vまでなので十分.

絶縁

500V機能絶縁を実現する

電源

5V単電源を絶縁する