特集＊ A − D変換ICを使いこなす！
第 3 章 数百 mV の交流信号を10 万分の 1 に分解する

交流信号をディジタル信号に変換する
中村 黄三/山路 澄子
Kozo Nakamura/Sumiko Yamaji

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でご案内します．

〈編集部〉

解析すべき物理情報の中には地震や発電タービンなどの振動，心電図や脳波を代表とする生体電気などが標仕様を実現する設計プロセスで話を進めます．
前半で A − D コンバータ・モジュール単体での目標あります．これらは直流成分を含む交流信号で，センサや電極から発生する信号レベルはいずれも微弱です．

仕様を実現します．多くの振動が 1 kHz 以下であることから，後半では DSP を使い，カットオフ周波数真空管やトランジスタでアンプを組んでいた時代のぜいじゃく
心電計は同相モード除去比が脆 弱だったため，ベッド1 kHz，− 72 dB/oct.の目標仕様を満たす 12 次のディジタル・ロー・パス・フィルタを実現します．の上にシールド用のシーツを敷いて誘導ハムを軽減し目標仕様では，交流の信号処理といっても直流成分ていと聞いています．しかし，高性能 OP アンプの登場，アクティブ・ドライブなどの回路技術の発達によも含んでいるので，アンプ・ゲインが大きい場合はオフセットとドリフトなどにも注意を払う必要がありまり，信号だけを取り込む技術は格段に進歩しています．
これに加え DSP の普及は，信号のリアルタイム解す．直流誤差や雑音の見積もりは第 2 章を参照頂くとして，この章では，アンプ系の周波数特性（ゲイン・析，アナログ式では不可能だった低周波における高次フラットネス），AC ゲイン誤差，THD（総合ひずみ）のフィルタリングを可能にしました．今日ではディジ・アナ一体の高性能・高機能機器が出現しています．にフォーカスします．

ここでは前章の直流の微小信号処理の発展編として，微小な交流信号処理の基礎と，圧電素子を使用した振構想設計と部品の選定

動センサをテーマにした実践への応用について解説し● 構想設計の全体ます．

図 1 は構想設計行うためのラフなメモ書きです．モジュールの仕様，ブロック図，信号レベル線図などが本章の目標仕様記されていますが，ここでポイントを挙げておきます．

第 2 章と同じように，表 1 に示す振動解析回路の目
項 目

仕 様

有効信号電圧分解能

2 μVRMS

入力レンジ± 100 mV

測定周波数帯域

表1
本章で設計する A − D コンバータの仕様

LPF なし BW ＝ DC 〜 40 kHz
LPF あり BW ＝ DC 〜 1 kHz，12 次 LPF

Keywords
DSP，AC ゲイン誤差，THD，圧電素子，ドライブ，FPGA，VC5509，閉ループ・ゲイン，開ループ・ゲイン，スルー・レート，ひずみ，ディジタル・フィルタ，ロー・パス・フィルタ，リアルタイム処理，DSP，DSK，TMDSDSK5509，CCS，USB，A − D コン
バータ，TMS320VCV5509A，固定小数点，符号ビット，IIR フィルタ，SPI，ADC1271

2006 年 12 月号

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ADCのTHD を抑えるために差動でドライブOPA1632

センサの感度が低下しないようにアンプとセンサを近づける

Vref ＋5V＋5V ＋12V
圧電センサ

ΔΣ
ADC

A2A10V
低雑音FET入力型アンプ
OPA365DSP
VC5509A

USB経由で上位のシステムへ

SPI で通信

−12V
差動電圧
±2.5V

0V

ADCの制御とfC ＝1kHzのディジタル・ロー・パス・フィルタ

フラットなディジタル・フィルタ特性のADS1271B

電圧（a）回路

G ＝12.5倍
2.5V

5V

G ＝2倍
＋2.5V

−2.5V

200mV

2.5V

・圧電センサ出力：0〜200mVP-P
・測定周波数帯域：DC〜40kHz
DC〜1kHz（ディジタル・ロー・パス・フィルタ適用時）
・ADC入力レンジ：±2.5V（差動入力）

0V（b）レベル・ダイヤグラム

図 1 信号処理モジュールのブロック図と入出力電圧のレベル線図
設計の最優先事項を精度としている● 圧電センサの出力を増幅する前段アンプ回路
コラム（p.160）から，圧電センサの要求に見合う OP

表 2 圧電素子を使ったセンサの性質と出力アンプに必要な仕様

アンプの仕様を割り出すと表 2 のようになります．ト

信号源インピーダンス 誘電体なので極めて高い，1 GΩ

ータル容量 CT がセンサ感度に影響を与えるため，センサの近傍に前段アンプ A1 を配置しバッファします

出力信号

項 目

性 質
振動に比例した電荷，100 p 〜 1,000 pC

出力形態

加速度に比例（a）圧電式センサの性質（点線のボックスで囲われた部分）．この措置は極めて効果的で，筆者の場合は，圧電素子を封入するケース

FET 入力型であること内にバッファ・アンプを置いていました．センサとモ

低入力バイアス電流であること（10 pA 以下）

ジュール間の配線を減らすため単一電源アンプを使い，電源 2 本（1 本はグランド）とセンサ・アンプの出力 1（b）前置アンプへの要求用 途

前置アンプ本で合計 3 本とします．配線には 2 芯シールド線を使い，グラウンド線は電源リターン路も兼ねるので，配低周波の精密解析

OPA129 など

一般計測

OPA350 など

線抵抗が小さいシールド用の網線をあてます．

高速処理

A 1 には単電源ながらひずみ特性が良好な CMOS
OP アンプの OPA365 を選択します．
● OP アンプの選択
モジュール側ですが ADC は差動でドライブします．

OPA656（f BW ＝ 100 MHz）など（c）用途別の前置アンプのフィルタが追加できます．
図 2 にフィルタ全体の応答カーブとパス・バンド・リプルがわかるカーブを示します．とりあえず平坦な

ADC の直線性を引き出すことは結果としてひずみ特性の改善につながります．このため，差動入力 ADC

このフィルタ特性を利用すると，40 kHz の広帯域測定レンジと，外部 DSP のディジタル・フィルタによをドライブするために開発された，差動入出力のアンプ OPA1632 を選択します．

る 1 kHz の狭帯域レンジがカバーできることがわかります．

● A − D コンバータ IC はΔΣ型を選ぶ

表 3 には，ADS1271 の AC 特性を示します．ダイナ
ミック・レンジに関する仕様①，フィルタのパス・バ

最近ではΔΣ型 ADC の高速版が多数発売されていンド（通過域）リプル②，フィルタのフラットネス③がますので，これを選ぶことにします．理由はビット分解能が高いので信号をそれほど増幅しなくても ADC目標仕様に合致しています．

へ入力できるためです．候補として，ディジタル･フィルタの特性が平坦な ADS1271 を選択します．フィ● ディジタル・フィルタを追加する
ディジタル・フィルタを構成するだけなら FPGA

ルタ特性がフラットなら，外部の DSP で好きな特性でも可能ですが，同時に ADC の制御をしてフレキシ

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