アプリケーション要件

精密測定アプリケーションの要件

ADCを選択する前に、精密測定アプリケーションの技術要件を分析することが重要です。

信号周波数幅: 対象となる周波数幅はアプリケーションによって異なります。

分解能の要件: 分解能の要件は、アプリケーションに応じて高いものから非常に高いものまでさまざまです。

ノイズ感度: 精度が重要であるため、ノイズ感度と高いSN比が不可欠です。

サンプリングレート: 必要なサンプルレートはアプリケーションによって異なります。

複雑さとコストの制約: 精密測定アプリケーションの複雑さとコスト制限を考慮します。

較正の必要性: 精密測定アプリケーションでは、最適な性能を得るために定期的な較正が必要です。

ADCの選択

精密測定アプリケーションでは、正確なデータ収集を保証するために、高分解能、高精度、低ノイズのADCが必要です。

高精度測定のための潜在的なADC

精密測定アプリケーションで使用されるADCの例:

SAR (逐次近似レジスタ) ADC: SAR ADCは、速度と精度のバランスが良いため、高精度測定に適しています。これは中～高程度の分解能を持っており、許容可能な速度で正確な測定を行うことができます。データ収集システム、医療機器および科学機器ではSAR ADCがよく採用されています。

デルタ・シグマADC: デルタ・シグマADCは高分解能と低ノイズ性能を提供します。オーディオ、振動解析、ひずみゲージ測定など、信号の完全性と精度を必要とする精密測定アプリケーションで特に効果を発揮します。

パイプライン化されたADC: パイプライン型ADCは、許容可能な分解能と精度を維持しながら、高速変換を提供します。これらは、通信受信機、高周波試験装置、レーダーシステムなど、高データレートでの精密測定を必要とするアプリケーションに最適です。

正確な測定アプリケーション用にADCを選択する場合は、分解能、精度、ノイズ性能、速度、および必要なダイナミックレンジを考慮します。消費電力やコストなどの外部考慮事項も、独自の精度測定要求に最適なADCを選択する際に役立つ場合があります。選択されたADCが必要な性能パラメータに一致することを保証するために、常にメーカーが提供するデータシートとアプリケーションノートを確認しましょう。

高精度測定アプリケーション用のデルタ・シグマADCの選択

このようなシステムのニーズによく対応する特徴から、デルタ・シグマADCは精密測定アプリケーションによく使用されます。デルタ・シグマADCが精密測定に使用できるいくつかの理由を以下に示します。

高分解能: デルタ・シグマADCは非常に高い分解能を達成することができ、16ビットから24ビット以上の幅によくあります。高分解能であるため、入力信号の小さな変化を確実に捕捉し定量化することができ、精密測定アプリケーションにおける物理量の微小な変動を検出するのに優れています。

低ノイズ: オーバーサンプリング法とノイズシェーピング法は、量子化ノイズをより高い周波数領域にシフトさせるためにデルタ・シグマADCで使われています。その結果、低周波ノイズが大幅に低減され、優れた信号対雑音比 (SNR) 性能が得られます。この低ノイズ特性は、特に低レベル信号を扱う場合に、正確で信頼性の高いデータを捕獲するために、精密測定アプリケーションで重要です。

高い線形性: デルタ・シグマ変調プロセスの性質上、デルタ・シグマADCはより高い線形性を持っています。線形性のため、入力信号が正確に表現され、歪みの少ない正確な測定が可能です。

シグナルインテグリティ: デルタ・シグマADCはノイズを整形する能力を持つため、量子化ノイズがそれほど問題になりにくく、シグナルインテグリティが重要な場合に特に適しています。シグナルインテグリティを維持することは、正確な測定結果を得るために不可欠です。

後処理のシンプルさ: デルタ・シグマADCからの最終的なデジタル出力は高周波ビットストリームとして生成され、フィルタして大幅に減らすことが必要です。量子化ノイズをより高い周波数に移動させるノイズシェーピングの能力により、後処理中により容易に除去できるため、この手順はむしろ簡単かもしれません。

センサとの統合: デルタ・シグマADCは、抵抗ブリッジセンサ、熱電対、ひずみゲージなどのさまざまなセンサと組み合わせるのが簡単です。この統合により、精密測定システムの設計が簡素化され、余分なシグナルコンディショニング装置を使用せずに直接センサとインタフェースすることを可能にします。

低消費電力: デルタ・シグマADCの通常の消費電力は最小限であり、バッテリー駆動または低電力の精密測定アプリケーションに適しています。

デルタ・シグマADCは、産業機器、科学研究、温度検出、ひずみ測定、圧力検出、および精度と信頼性が重要な他の多くの分野のような精密測定アプリケーションで頻繁に使用されます。これは、高分解能、低ノイズ、優れたシグナルインテグリティ特性によります。デルタ・シグマADCが、目下の特定の精度測定タスクに最適な選択であることを確認するには、アプリケーションのニーズと、サンプリングレートやレイテンシなどのトレードオフを徹底的に分析することが重要です。

デルタ・シグマADC入門

デルタ・シグマADCアーキテクチャの要約

高分解能アプリケーションでは、デルタ・シグマ (ΔΣ) ADCと呼ばれるシグマデルタADCを頻繁に使用します。デルタ・シグマADCは、従来のADCとは根本的に設計が異なります。これはデルタ・シグマ変調器の後に来るデジタルフィルタを含みます。入力信号は非常に高いレートでオーバーサンプリングされます。これがデルタ・シグマ変調器の動作方法です。量子化ノイズをより高い周波数にシフトするために、ノイズシェーピングと呼ばれる技術を使用します。次のデジタルフィルタは、変調されたサンプルを平均化することによって高周波ノイズを除去することに成功しました。非常に単純なアナログ回路では、オーバーサンプリングとノイズシェーピングを使用することでデルタ・シグマADCで非常に高い分解能を達成することができます。

図2 : デルタ変調器

図3 : 一次シグマデルタADC

精密測定における高分解能の重要性

精密測定を行うアプリケーションでは、高分解能が不可欠です。目的の信号が微弱な場合 (ノイズフロア付近) や、信号レベルの微妙な変動を認識する必要がある場合には、高分解能ADCが必要になります。デルタ・シグマADCは、ノイズシェーピングとオーバーサンプリング機能を備えているため、他のADCと比較して分解能が向上します。高分解能は、以下の状況で特に重要です。

センサデータの取得: 高分解能ADCにより、温度、圧力、ひずみなどの物理的要因をモニタリングする際に、最小の変化でも確実に記録されます。

オーディオ処理: 高音質オーディオには、ダイナミックレンジ全体を捉えるために高分解能のADCが必要です。

医療機器: 生体信号の振幅が非常に小さい可能性があるため、高分解能ADCはECGやEEG機器などの医療機器に不可欠です。

科学機器: 分光計やクロマトグラフなど、科学研究に用いられる機器では、多様な物質の特性を正確に評価するために、高分解能ADCが必要です。

産業用制御システム: 産業オートメーションや制御システムにおいて、運転管理を維持し、品質と安全を保証するためには、正確な測定が不可欠です。

産業用制御システム

仕様

ADCの仕様を確立することは、設計と統合のプロセスの最初の段階です。分解能 (ビット数)、最大サンプリングレート、ダイナミックレンジ、信号対雑音比 (SNR)、全高調波歪み (THD) は重要な特性の一つです。ADCの分解能は、アプリケーションにとって重要な信号のわずかな変化でも記録するのに十分である必要があります。ナイキスト・シャノンの標本化定理はさらに、最大サンプリングレートは対象の信号を正しくサンプリングするのに適切であることが必要だと述べています。

回路設計の考慮事項

要件が定義された後は、回路設計に焦点を当てます。デルタ・シグマADCについて議論する際には、いくつかの要因を考慮する必要があります。

アナログ入力: ノイズと歪みを減らすためには、アナログ入力ステップでかなりの計画を立てなければなりません。優れたオペアンプと受動素子を利用することが推奨されます。

デジタルフィルタリング: デジタルフィルタリングはデルタ・シグマADCによって高分解能を達成するために使用されます。ADCのレイテンシと周波数応答はフィルタの選択によって影響を受けるため、適切なフィルタを選択することが不可欠です (例えば、sincフィルタ)。

オーバーサンプリングレート: 処理制約を考慮しながら適切なノイズ形状を得るためには、オーバーサンプリングレートを慎重に選択する必要があります。

消費電力: 特にバッテリー駆動システムでは、電力使用量を最適化するように注意する必要があります。

較正と誤差補正

精度は精密測定を含むアプリケーションで重要です。誤差低減の較正手順が使用されています。デルタ・シグマADCでは、オフセット、ゲイン、および線形性の欠陥をすべて考慮する必要があります。既知の基準信号をモニタし、それに応じてADCの出力を変更することで、誤差補償を達成することができます。デジタル後処理によってさらなる誤差低減を達成することができます。

測定システムへの統合

デルタ・シグマADCを測定システムに統合するには、慎重な計画が必要です。

インタフェース: マイクロプロセッサ、FPGA、メモリなどの他のシステムエレメントはADCに接続する必要があります。高速で信頼性の高いデータ転送のために、インタフェース (SPI、I2Cなど) は慎重に選択する必要があります。

同期: マルチチャネルシステムでは、さまざまなADCを同期させることが重要である場合があります。

ファームウェアとソフトウェアの開発: ソフトウェアとファームウェアの作成は統合プロセスの重要なステップです。ADCの制御、データ処理、他のシステムエレメントとの相互作用がすべて含まれています。

試験と検証: システム全体を統合後にテストし、必要な要件に適合していることを確認する必要があります。これには、システム全体の環境内でADCの性能を評価し、実際の動作状況下でアプリケーションのニーズを満たしていることを確認することが含まれます。

結果と分析

データの取得と分析

デルタ・シグマADCが測定システムに正常に統合され次第、データ収集と解析が開始されます。データは、アプリケーションに応じて、常に収集することも、一気に収集することもできます。得られたデータの完全性を確認する必要があり、特に小さな変化でも結果に大きな影響を与える可能性がある高分解能アプリケーションでは特に必要です。高度な分析アルゴリズムは、データを分析し、必要な特性や情報を抽出するために使用される場合もあります。

正確性と精度の評価

測定システムの正確性と精度を評価することが極めて重要です。正確性は測定値が実際の値とどれだけ密接に一致するかを示しますが、精度は読み取り値の一貫性を示します。誤差ヒストグラム、周波数領域分析、統計的アプローチを含む戦略を用いてシステムを評価することができます。

高分解能デルタ・シグマADCのノイズフロア、ダイナミックレンジ、リニアリティには特に注意が必要です。ADC、アナログ入力段、デジタルフィルタリング、またはその他のシステムコンポーネントに原因があるかどうかを確認するには、あらゆる異常を調査する必要があります。

さらなる発展のための推奨事項

評価と比較に基づいて、今後の改善のための提案がなされる場合があります。これらの提案は次のもので構成されます。

ハードウェアの機能強化: 例えば、電源設計を強化したり、本質的に優れた性能を持つADCを採用したりします。

フィルタリングと較正の改善: これは較正プロセスの改善や、より洗練されたデジタルフィルタリングアルゴリズムの使用を伴うかもしれません。

アルゴリズムの最適化: 複雑なアルゴリズムを使用してデータを分析し、誤差を修正します。

システムレベルの最適化: 熱制御の改善、物理レイアウトの改善、部品統合の改善などがあります。

代替テクノロジーの探索: デルタ・シグマアーキテクチャに本質的な制約がある場合、代替ADCテクノロジーやハイブリッド戦略を検討する価値はあるでしょう。