試験および測定機器内のADC

試験および測定におけるADC入門

概要と重要性

A/Dコンバータ (ADC) は、最新の試験・測定機器の分野で極めて重要な役割を果たします。現実世界の信号の大部分がアナログ形式で存在することを考えると、これらのアナログ信号をデジタル形式に変換することは、その後の処理、分析、保存に不可欠なステップになります。試験および測定機器は、設計検証、トラブルシューティング、データ収集などの目的で、さまざまな業界で広く使用されています。目的が周波数スペクトルの精査、電圧レベルの測定、高速信号の捕捉であるかどうかにかかわらず、ADCはこれらの機器が効率的に機能することを可能にする根幹として存在します。

試験および測定におけるADCの重要性は、いくつかの重要な要因に起因します。

精度: 高精度ADCの存在により、デジタル表現がアナログ信号を忠実にミラーリングすることが保証されます。この精度は、正確で信頼性の高い測定を目指すときに最も重要です。

速度: オシロスコープやスペクトラムアナライザのような機器では、高速ADCの組み込みが不可欠になります。これらの部品は、急速に変化する信号を迅速かつ正確に捕捉するために不可欠であり、試験および測定の場合には多くの場合、基本的な要件になります。

分解能: 高分解能ADCを利用することにより、アナログ信号内の微小な変化を検出することができます。この能力は、極限の精度とわずかな変動でも識別する能力を必要とする高感度測定を行うために不可欠です。

試験装置内のADCの一般的な要件

分解能: 試験装置は信号内の微妙な変化を識別する必要性に直面することがよくあります。その結果、アナログ・デジタルコンバータ (ADC) の分解能が重要な要素になります。分解能は信号をどの程度細かく定量化できるかを決定し、それは捕捉できる詳細レベルに大きな影響を与えます。説明するために、16ビットADCは65,536個の離散準位を使用して信号を表現する能力を持ち、4,096個の離散準位しか提供しない12ビットADCよりもはるかに細かいディテールを提供します。

サンプリングレート: ADCがアナログ信号をサンプリングするレートは、信号の正確な表現を保証するために最も重要です。このサンプリングレートはナイキスト・シャノンの標本化定理に従わなければならず、正確な信号表現のための最小要件を定めます。高速過渡信号が含まれる場合、信号ダイナミクスを忠実に捕捉するために、規定の最小値よりも高いサンプリングレートを使用する必要が生じることがあります。

精度と線形性: 精度とは、ADCの出力が入力信号の真の値にどれだけ近いかを意味します。さらに、微分非線形性 (DNL) と積分非線形性 (INL) を含む線形性誤差は、直線からのADCの転移特性の偏差に関係します。これらの非線形性は量子化準位の均一性に影響を与え、精度と一貫性が最も重要な高精度アプリケーションでは特に有害です。

ノイズ性能: オシロスコープにおけるADCの重要な考慮事項は、関心のある信号を不明瞭にしないように十分に低いノイズフロアを維持することです。ADCの全体的な性能を評価するための効果的な指標は、分解能とノイズ特性の両方を考慮した実効ビット数 (ENOB) です。

ダイナミックレンジ: ダイナミックレンジはスペクトル解析のような応用において特に重要です。これは、ADCが正確に測定できる最大信号と最小信号の比を定量化し、さまざまな振幅の信号を正確に捕捉し分析するための重要なパラメータを提供します。

消費電力: 特定のアプリケーションに応じて、低消費電力の要求は、特に携帯またはバッテリー駆動の試験装置において重要な要件となるかもしれません。

インタフェースと互換性: 選択したADCは、オシロスコープシステムに組み込まれている処理エレメントと互換性がある必要があります。効率的なデータ転送と全体的な設計へのシームレスな統合のための適切なインタフェースを提供する必要があります。

オシロスコープ内のADC

信号取得における役割

オシロスコープでは、電気信号を時間の経過とともに視覚的に表現することが主な役割であり、様々な電気信号特性を試験、測定、分析するための非常に貴重なツールになっています。デジタルオシロスコープでは、アナログ・デジタルコンバータ (ADC) の重要な役割が信号取得プロセスで明らかになります。このプロセスでは、アナログ信号をキャプチャし、それをデジタル形式に変換して、その後の表示と分析を行います。

図3 : デジタルオシロスコープを通る信号の流れ

この旅は、アナログ信号 (電圧または電流のいずれか) から始まり、入力増幅器段を介して調整を受けます。これに続き、ADCが一定の間隔で条件付き信号をサンプリングするために介入します。各サンプルについて、ADCは変換を実行し、その特定の瞬間のアナログ振幅を対応するデジタル値に変換します。これらのデジタル値はメモリに保存され、オシロスコープは分析および解釈のために波形をディスプレイに正確に再現できます。

高速ADCの要件

高周波信号はデジタルオシロスコープを用いて解析されることが多いため、使用するADCは極めて高速なデータサンプリングが可能でなければなりません。オシロスコープで使用される高速ADCの仕様には、以下のものがあります。

高いサンプリングレート: オシロスコープに採用されている高速ADCは、非常に高い速度で信号をサンプリングする能力が必要です。これは高周波信号を正確に捕らえて表現するために不可欠です。ナイキスト・シャノンの標本化定理によれば、ADCのサンプリングレートは、対象となる信号内の最高成分の周波数の少なくとも2倍でなければなりません。しかし、現実的なシナリオでは、信号の振る舞いをより詳細かつ正確に表現するために、かなり高いサンプリングレートが好まれることがよくあります。

分解能: 高速サンプリングを実現することは不可欠ですが、分解能を犠牲にしてはなりません。分解能とスピードのバランスを取ることは不可欠です。多くのオシロスコープアプリケーションでは、詳細と高速データ収集の間で適切な妥協を提供するため、8ビットまたは12ビットのADCを使用することが一般的です。

低レイテンシ: リアルタイムアプリケーションでは、レイテンシの最小化が重要です。レイテンシとは、ADCに入力される入力信号とデジタル出力の可用性との間の時間遅延を指します。高速オシロスコープ、特にリアルタイム解析に使用されるオシロスコープでは、この遅延を最小限に抑えることで、信号の挙動を迅速かつ正確に評価できます。

広い帯域幅: ADCは、調査中の信号の全周波数スペクトルを包含する広い帯域幅を持つ必要があります。

例 : デジタルオシロスコープの高速ADC

具体例として、高速通信信号の解析用に設計された高性能デジタルオシロスコープのアプリケーションについて調べてみましょう。このような場合、オシロスコープには高速のA/Dコンバータ (ADC) が搭載されており、多くの場合GSA/s単位で測定される顕著なサンプリングレートを達成することができます。例えば、サンプリングレートが5 GSA/sのADCは、ギガヘルツの周波数で特徴付けられる信号を正確に捕らえることができます。

このプロファイルに適合する注目すべきADCの1つは、テキサス・インスツルメンツのADC12DJ5200RFです。このADCは、10.4GSPs (Giga Samples Per Second) という印象的な最大サンプリングレートを達成するために設計された12ビットコンバータです。その特性により、超広帯域幅と高ダイナミックレンジが要求されるアプリケーションに非常に適しています。高周波信号の解析や高速通信システムの検討など、極めて高い精度と忠実度で信号を捕捉・分析する能力が最も重要な高性能デジタルオシロスコープにおいて、広範に利用されています。

デジタルマルチメータのADC

精密測定

デジタルマルチメータ (DMM) は、電圧、電流、抵抗、静電容量などの電気的特性の範囲を測定するために使用される柔軟なデバイスです。アナログ・デジタルコンバータ (ADC) は、精密測定を可能にするため、DMMの機能に不可欠です。アナログ電気量はデジタル値に変換され、ADCによってDMMに表示および記録することができます。DMMのADCの重要な機能は、高精度、すなわち正確で高分解能の測定を行う能力です。

分解能と精度の要件

分解能: デジタルマルチメータ (DMM) 内のアナログ・デジタルコンバータ (ADC)の場合には、分解能とは、対応するデジタル出力の変化をもたらす可能性のあるアナログ入力信号の最小の識別可能な変化を指します。DMMは解像度を5½桁や6½桁のように数字で表すことがよくあります。桁数が大きいほど分解能が高いことを意味します。DMMを正確に測定するためには、高分解能ADCを使用して、検査中の量のわずかな変動でも検出することが重要です。

精度: 精度は、測定された値と実際の値または真の値との近接性と関連します。DMMでは精度が最も重要であり、較正や試験のようなアプリケーションに正確な測定が不可欠である場合に最も重要です。ADCの積分および微分非線形性 (INLおよびDNL) は、測定の全体的な精度に影響を与える重要な要因です。

ノイズと安定性: 低ノイズレベルと堅牢な熱安定性はDMMのADCの本質的な特性です。ノイズは測定精度に悪影響を及ぼし、温度変動によって誤差が生じる可能性があります。したがって、低ノイズを維持し、さまざまな温度で安定した性能を確保することは重要な考慮事項です。

変換率: 精度が最も重要である一方で、変換率は特に過渡的な事象や急速に変化する信号を捕捉する場合にも重要です。十分に高い変換率により、DMMは動的または急速に変化する量を効果的に捕捉して表現することができ、さまざまな測定状況にわたって機器の汎用性を保証します。

例 : 高分解能ADCを高精度マルチメータに搭載

Agilent 34461Aデジタルマルチメータである、612桁のTruevolt DMMを例にとると、このマルチメータはその顕著な精度で有名であり、高精度の測定アプリケーションで利用されています。

高分解能ADCの存在は、その優れた精度に寄与する要因の1つです。このような高精度マルチメータは、24ビット以上の分解能を有するADCを使用することができます。これらのADCは、DMMが非常に正確な測定を行うことを可能にする非常に細かい分解能をもっています。

例えば、24ビットADCは2^24または約1,670万個の離散準位を表します。部品試験、実験室試験、較正サービスなどの精密測定アプリケーションでは、入力信号のわずかな変化でも検出できることが不可欠です。

スペクトルアナライザのADC

周波数領域解析

スペクトラムアナライザ: スペクトラムアナライザは、様々な信号の周波数成分を精査するために、エンジニアや技術者が利用する不可欠な試験装置です。これらの機器は、電気、音響、光の波形のスペクトル組成を研究するのに優れています。時間領域で機能するオシロスコープとは異なり、スペクトルアナライザは周波数領域でのみ動作します。信号の振幅をY軸に、周波数をX軸にグラフで表します。スペクトラムアナライザは、無線周波数 (RF) 設計、音声解析、通信システムの開発など、多くのアプリケーションで非常に貴重なツールです。

現代のスペクトラムアナライザでは、アナログ・デジタルコンバータ (ADC) が信号解析プロセスにおいて極めて重要な役割を担っています。その主な機能は入力アナログ信号をデジタル形式に変換することであり、その後のデジタル信号処理 (DSP) アルゴリズムがその周波数成分を評価することを可能にします。スペクトラムアナライザが有効であるためには、ADCは広い周波数スペクトルにわたって入力信号の振幅と位相の両方を正確に捕捉する能力を備えていなければなりません。この精度は、様々な用途におけるスペクトル分析の信頼性と精度を確保するために不可欠です。

ADC性能基準

スペクトラムアナライザで使用されるADCの重要な基準は以下のとおりです。

ダイナミックレンジ: スペクトラムアナライザ内のアナログ・デジタルコンバータ (ADC) の重要な考慮事項は、そのダイナミックレンジです。このダイナミックレンジはデシベル (dB) で表され、ADCが正確に測定できる最大信号と最小信号の比率を表します。スペクトルアナライザの分野では、信号の振幅がかなりの変動を示すことが多いため、ダイナミックレンジが最も重要になります。ダイナミックレンジが広いため、堅牢な信号と微弱な信号が共存している場合でも正確に測定できます。

信号対雑音比 (SNR): 信号対雑音比は重要な指標として機能し、バックグラウンドノイズ電力と比較した信号の相対電力を測定します。SNRが高いと、信号出力がノイズレベルを大幅に上回ることを意味し、非常に望ましい状態です。ノイズの中の低レベル信号の検出を目的とするスペクトルアナライザでは、高いSNRが不可欠です。ADCは、ADC自体から発生するノイズが最小限に抑えられ、外部ノイズ源が存在する場合でも測定の精度が維持されるように、立派なSNRを備えている必要があります。

サンプリングレート: A/Dコンバータ (ADC) のサンプルレートは、スペクトラムアナライザが正確に測定できる最高周波数を決定する重要な要素として機能します。ナイキストの定理に従えば、サンプルレートは分析を目的とする信号内の最高成分の周波数の最低2倍でなければなりません。サンプルレートが高いほど、周波数含有量の多い信号を効果的に捕捉できるスペクトルアナライザが備わっています。

分解能帯域幅 (RBW): 分解能帯域幅は、スペクトルアナライザが効果的に解決できる最小の周波数スパンを示します。RBWを低くすると、より複雑な周波数解析が可能になりますが、より長い収集時間が必要になります。スペクトラムアナライザ内のADCでは、希望のRBW仕様を満たすのに十分な分解能が必要です。これにより、スペクトルアナライザは目的の周波数成分を正確に細かく分析できます。

線形性: ADCは優れた線形の特性を示し、解析対象周波数の全範囲にわたって周波数応答の均一性を保証する必要があります。