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Introduction 計測の基本から高精度測定システム設計まで実験研究に！ 測る電子回路の作り方
中村 黄三
はじめに白物家電や液晶テレビなどが全盛期であった 2000
年代の初頭まで，日本においてはディジタル万能時代の風潮が主流でした．しかし，これらの製品の世界的シェアを近隣諸国に奪われた昨今，電気 / 電子業界は，重電（インフラ）や高度な工業機器への回帰に力を注いでいるように見受けられます．
見方によれば，これはアナログへの回帰ともいえます．つまりこれらの機器は，フィールドの物理的情報をセンサで捉えて，その状況に応じた動作（出力/制御）
専用I C
12〜24ビット
電子炊飯器
分野

810121416182024

分解能ビットADC

ADC

ADC内蔵CPU
8〜16ビットA−D 変換 ICを使いこなす！ 』を配置し（図 4 の左側），「第 1 章 ア
ナログ信号をディジタル信号にするということ」を読んでいただければ ADC を選ぶための予備知識が得ら

CPU内蔵ADC？
16ビット，24ビット

マイコン内蔵の ADC と専用 ADC のすみ分け

取り込み

センサ信号を高精度に A−D 変換するといっても，どのような A−D コンバータ（以下，ADC）を選ぶべきかが最初の課題です．白物家電の電子炊飯器レベルの温度制御ならマイコン内蔵の ADC で事足りますが，IC の製造に使う拡散炉の温度制御では高分解能な専用 ADC が必要になります（図 2）．これは，そのアプリに必要な有効分解能（以下，ENOB ）と変換速度でほ● ADC 選択のための予備知識
そこで最初に基本編として『第 1 部

CPUフィールド
情報

本書の構成

A−D 変換の基礎を理解しよう

CPU

図2

換する手法について解説しています．

ぼ決まります．とりあえず変換速度はさておき，話を単純化してENOB だけで考えてみましょう．
マイコン内蔵の ADC のENOB は 10 ビット程度です．
すると，温度表示 100℃の最小桁を安定に表示するアプリまでは OK といえます（図 3 の上）．1 桁上がって1000℃になると 16 ビットになり，ここから ADC 専用
IC の出番になります（図 3 の下）
．

計測・制御
分野

ADCをしなければならないためです（図 1）．そこで，こうしたトレンドを多少なりともサポートしようと企画したのが本書で，各種のセンサ信号を高精度に A−D 変計測/制御装置

ユーザ・
インターフェース

各種センサ

モニタ
操作

圧力
温度

PMP

プリ・
アンプ

重量
流量
光量

BUF

位置
磁界
電界

6

制御

制御
エレメント

ADC

MPU/
DSP

DAC

BUF

外部装置
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アナログ

実験研究に！ 測る電子回路の作り方

I /O
ディジタルI /O

通信

図1
フィールド情報と計測 / 制御機器

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第1章A − D 変換の基礎と変換方式の違いによるIC の得手，不得手

アナログ信号をディジタル信号にするということ
中村 黄三
最適な A − D コンバータ（ADC）を選ぶには，変換方式による一長一短を知る必要があります．本章では，市場に流通している ADC の代表的な変換方式の原理，長所，短所について解説します．

A−D コンバータ事始め■ 精度が高いことはいいことだ● A−D コンバータは CPU や DSP の窓
A−D コンバータ（以下，ADC）は CPU や DSP がア
ナログ世界の情報を取り入れる大切な窓です．CPU
や DSP で高精度な演算処理をするには，それに見合った窓の大きさ（ビット幅）と，光の通過に対する透明度（雑音レベル）や直進性（ひずみ率）が必要です（図 1）．
身近な例として，エアコンの動作で考えてみましょう．
CPU は，ADC 越しにセンサでとらえたフィールド，つまり空調をする部屋の情報（温度や湿度）を見ます．
この大事な情報が ADC という窓を通過した結果，ひずんでしまったり，雑音混じりになってしまったのでは，高性能な CPU による計算結果や判断分岐も台無しです．結果として，信頼性のないデータを基に間違った制御を行い，蒸し風呂のような部屋へ暖房による追い討ちをかけるという笑い話のような状況に陥ります．
● 自動制御は正しいA−D変換なくしては成り立たない
自動制御システムの制御精度は，センサ，計測回路，

http://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/MSP/MSP201507.htm（a）窓と窓の間隔が広く，分解能が低い．外の情報が伝わらない
図1

8A−D コンバータはアナログの世界を見るための窓

第1章

アナログ信号をディジタル信号にするということ（b）窓が汚れていたりゆがんでいたりしている．外の情報が正確に伝わらない

第1部

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基本編
直流信号をディジタル信号に変換する

第１部

第2章

中村 黄三
温度測定は代表的な DC 物理量測定の一つです．本章では，温度センサである熱電対や測温抵抗体をとりあげ，その微小なセンサ信号をいかに高精度にA − D 変換するかについて解説します．

私たちの身の周りにあってなじみ深い物理量といえば温度，圧力，重量などです．
工業でのプロセス制御や商取引で用いる重量計測において，これらの物理量を高精度に測定するため，熱電対やロードセルといったセンサが開発され改良されてきましたが，電気的な視点から見れば昔も今もその動作原理に大きな変化はなく，出力もさほど大きくなっていません．
最大測定量すなわちフルスケールにおいて 10 mV前後と考えればよいでしょう．より細かな量を測ることができるようになったのは，OP アンプや A−D コンバータなどの高性能化（低ノイズ，低ドリフト，高分解能）に帰するところが大でしょう．
本章では，高分解能なΔΣ型 A−D コンバータを用いて 10 mV 程度のセンサ信号を取り込み，10000 カウントまで安定に表示する設計手法を解説します．
例題としては，写真 1 に示す熱電対と測温抵抗体（RTD：Resistive Temperature Detector）による絶対温度測定回路です．熱電対による温度測定で 10000 カウントを目指すとすれば，0 〜 1000℃のレンジを仮定した場合 0.1℃ステップとなります．この場合，センサ出力は数μV/0.1℃と小さい値になりますが，微弱な信号に対する付き合い方が分かれば何の心配も要りません．

Ａ㿌Ｄ変換ＩＣを使いこなす ！

数 mV の直流信号を1 万分の 1 まで高精度に分解

0 〜 500℃，0.1℃精度の温度測定回路
熱電対の信号を取り込む回路の設計

第２部

はんだ槽の温度制御システム用として，表 1 の目標仕様による温度計測回路を設計します．下記のような筆者流の設計プロセスの順で行います（第 2 部で詳述）．
①信号源の調査 → ②構想設計 → ③詳細設計 → ④部
品の選択＋誤差見積 → ⑤試作＋実験 →（手直し）

精密温度計の設計と製作●● 温度によって金属の電気抵抗が変化することを利用
ゼーベック効果により，温度に比例した電圧が発生する
http://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/MSP/MSP201507.htm● 特に白金ことを利用 ● 感度：10 μ〜 60 μV/℃（Pt）は温度特性が良好で経時変化が少ない（a）熱電対写真 1（b）測温抵抗体（RTD：Resistive Temperature Detector）

本章で製作した絶対温度測定回路に使った 2 種類の温度センサ

熱電対の信号を取り込む回路の設計

47

第1部

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基本編
交流信号をディジタル信号に変換する

第１部

第3章

中村 黄三 / 山路 澄子
振動計測は代表的な AC 物理量測定の一つです．本章では，加速度測定に用いられる圧電センサの信号処理を例にします．DSP によるカットオフ周波数
1 kHz，− 72 dB/oct，12 次のディジタル LPF もとりあげます．

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や心電図や脳波を代表とする生体電気などがあります．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．
真空管やトランジスタでアンプを組んでいた時代の心電計は同相モード除去比が脆弱だったため，ベッド本章の目標仕様

構想設計と部品の選定● 構想設計の全体
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記されていますが，ここでポイントを挙げておきます．
● 圧電センサの出力を増幅する前段アンプ回路
Column 1（圧電センサの性質とプリアンプに必要な周波数特性）から，圧電センサの要求に見合う OP アンプの仕様を割り出すと表 2 のようになります．トータル容量 C T がセンサ感度に影響を与えるため，セン第1部 第2章と同じように， 表 1 に示す振動解析回路の目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
1 kHz，− 72 dB/oct. の目標仕様を満たす 12 次のディ

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項

目性質

信号源インピーダンス 誘電体なので極めて高い，1 GΩ
出力信号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

FET 入力型であること
低入力バイアス電流であること（10 pA 以下）

表1（b）前置アンプへの要求

本章で設計する A−D コンバータの仕様
項

目

仕様用

2 μVRMS

入力レンジ± 100 mV一般計測

LPF なし BW ＝ DC 〜 40 kHz

高速処理

測定周波数帯域途

前置アンプ

低周波の精密解析
OPA129 など
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有効信号電圧分解能LPF あり BW ＝ DC 〜 1 kHz，12 次 LPF

OPA350 など
OPA656（f BW ＝ 100 MHz）など（c）用途別の前置アンプ構想設計と部品の選定

63

精密温度計の設計と製作

表2

第２部の上にシールド用のシーツを敷いて誘導ハムを軽減していたと聞いています．しかし，高性能 OP アンプの登場やアクティブ・ドライブなどの回路技術の発達により，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析，アナログ式では不可能だった低周波における高次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．
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動センサをテーマにした実践への応用について解説します．

ジタル・ロー・パス・フィルタを実現します．
目標仕様では，交流の信号処理といっても直流成分も含んでいるので，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す．直流誤差や雑音の見積もりは前章を参照いただくとして，この章では，アンプ系の周波数特性（ゲイン・フラットネス），AC ゲイン誤差，THD（総合ひずみ）にフォーカスします．

Ａ㿌Ｄ変換ＩＣを使いこなす ！

数百 mV の交流信号を10 万分の 1 に分解する

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第4章

ホール素子やフォト・ダイオードの広レンジ出力をワンチップで変換

0.1 pA 以下の微小電流や100 A 級大電流の A−D 変換
中村 黄三
センサの多くは電圧出力ですが，電流出力のセンサ，あるいは電流で出力した方が直線性のよいセンサもあります．本章では，これらのセンサからの電流信号をダイレクトに A − D 変換する方法について解説します．

センサが出力するアナログ信号をディジタル変換して CPU に取り込むまでの信号経路が複雑なほど，多くの誤差が混入するため，回路はできるだけシンプルにしたいものです．回路をシンプルに構成する方法の一つに，用途に特化した ASSP（Application SpecificStandard Product）と呼ばれる IC を利用するものがあります．
本章ではこの ASSP を利用して，次に示す信号を検出できる A−D 変換回路を 2 例紹介します．
（1）
電流により発生する磁束によって抵抗値が変化するホール素子を使った DC 大電流検出● 有効分解能（実効値）：14 ビット
有効電流分解能（測定最大電流 100 A 時）：7.6 mARMS●

回 路 非 直 線 性（ セ ン サ 出 力 ± 100 mV 時 ）：0.012％最大●

変換速度：156.25 kS/ 秒

レンジ組み合わせによる有効分解能（実効値）：27.85 ビット（オプション使用時は 30.8ビット）●

有効電流分解能：83 fARMS●

回 路 非 直 線 性： 読 み 取 り 値 の 0.025％± 1 ppm

100 A 級の電流を10 mA 以下の分解能で検出する● 大電流を検出する方法
抵抗を挿入して両端に生じる電圧降下をとらえる
電力ケーブルの電流経路に挿入した抵抗（シャント抵抗と呼ぶ）の両端に発生する電圧から電流を割り出すことができます．この方式は，本来存在しない抵抗を回路に挿入することになるので，この影響ができるだけ小さくなるように，0. 数Ωの超低抵抗を使います．
測定できる最大値は約 100 A です．

▲

周波数帯域幅：40.9 kHz ＠− 3 dB
（2）
分光式の成分分析機器で使われるフォト・ダイオードが出力する 1 pA 以下の微小電流の検出● フルスケール入力レンジ数：10 n 〜 20μA の●各レンジのビット分解能：20 ビット

●

▲

●

8 レンジ，オプション使用で最大 156 μA●▲

トランスを利用して誘起電圧をとらえる
100 A を越える電流を測定するときは，非接触方式を採用します．実用化されている方法は，リング状のコアに電力ケーブルを通し，コアに巻かれた 2 次巻き線への誘起電圧を測定するものです．このトランスを
AC カレント・トランス（ACCT）と呼びます．
ホール素子で磁束の変化をとらえる
図 1 に示すように，磁気センサであるホール素子をコアのギャップ部に挿入して測る方法があります．このトランスは，交流電流だけでなく直流電流も測れるため，DC カレント・トランス（DCCT）と呼びます．
どちらも非接触なので，感電防止や回路保護のための強化絶縁が不要です．

http://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/MSP/MSP201507.htm● ホール素子のしくみと性質
ホール素子は，半導体の薄い板に磁束を通過させる
図 1 交流 / 直流の電流が測定できる DC カレント・トランスと，その抵抗成分が磁束密度によって変化することを（DCCT）の構造

76

第4章

0.1 pA 以下の微小電流や 100 A 級大電流の A−D 変換第2部

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製作編
章

部品代 1 万円で，誤差± 0.03℃の精密温度計の設計・製作にチャレンジ

第１部

序

中村 黄三
アナログ部は精度を，MPU 上で走るソフトウェアは機能を提供し，この二つを合せることで高性能測定器が実現できます．本章では，これが実感できる精密温度計の新規設計手法に関して，その全体のあらすじについて紹介します．

● 分解能 0.01℃，誤差± 0.03℃の温度計を設計する
電子温度計を設計したことがある方なら，分解能0.1℃で誤差± 0.3℃の達成は簡単でも，もう 1 桁上げて 0.01℃± 0.03℃とするのは容易でないことは分かる

表1

製作に際して与えられた目標スペック

▲▲
▲

0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0.00
−0.01
−0.02
−0.03
−0.04
−0.05

▲

0204060

80 100 120 140 160 180 200
測定温度［℃］▲

温度換算の DAC 出力誤差．

LCD Module（購入品）
DMC16117A+5V 電源コネクタ

写真 1
安 価 な MPU と Δ Σ
ADC の コ ラ ボ で 分 解
能 0.01 ℃， 誤 差 ±0.03℃を達成した温度計のケースと基板

センサ入力

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DAC 出力ミーリング加工により製作した基板上に部品を搭載して完成 : 写真 2 参照

精密温度計の設計と製作の概要

85

精密温度計の設計と製作

図 1 製作した精密温度計の DAC 出力による精度検証実験結果のグラフ

第２部■精密温度計の製作目的
顧客向けセミナにおける高精度ロー・コスト例の提示
セミナ終了後は実験室にある温度計の準基準器に流用■表示範囲と分解能
0 〜 200.00℃，表示分解能 0.01℃■付属機能としてアナログ出力
0 V 〜 2 V，アナログ分解能 100 μV（2.0000 V の 5 桁出力）
■要求精度
表示安定性：最下位桁がちらつかない
表示誤差：± 0.03℃（ゲイン，直線性，オフセットを含む）
アナログ出力の誤差：± 300 μV（ゲイン，直線性，オフセットを含む）
使用温度範囲：25℃± 5℃（実験室内でのみ使用）
精度の保持：定期校正により保持する（外部の校正業者に委託）でしょう．
以前，筆者が所属していた半導体メーカのマーケティング部門から，顧客向けセミナの題材として，同様の性能を持つ温度計の製作依頼を受けました（表 1）．
中途半端な性能では使用している IC の宣伝にならないとの理由でしたが，なるほどもっともな話です．
筆者自身は，精密温度計（以下，温度計）の設計経験はなかったのですが，2 回の挑戦で何とかものにできました（写真 1，図 1，表 2）．いろいろ試行錯誤をした

DAC出力誤差［℃］

精密温度計の設計と製作の概要

Ａ㿌Ｄ変換ＩＣを使いこなす ！

安価なMPUとΔΣ型 A−D コンバータのコラボで測定精度をもう 1 桁上げる

第2部

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製作編

まずは，センサの物理的な性質を読み解く
ことから始める

第１部

第1章

中村 黄三
最適なセンサを選ぶには，物理的な特性から関連規格まで可能な限り吟味しなければなりません．本章では予備調査として，熱電対と測温抵抗体について物理的特性の優劣と，それらを規定する JIS 規格の意味を徹底調査します．

ここでは，使用する温度センサとして熱電対と測温抵抗にフォーカスを合わせ，製作に必要な点を調査していきます．

熱電対と測温抵抗体■ 使用する温度センサの検討
温度を測定するためのセンサとして，サーミスタやシリコン・ダイオード，熱電対，測温抵抗体などいろいろあります．しかし，広い測定温度のレンジと精度で絞り込むと第 1 部 第 2 章でも紹介した熱電対と測温抵抗体（RTD）に軍配が上がります．これらには素子単体で販売しているものと［写真 1（a），（b）］，温度測定用プローブとして素子を金属管に密閉封止したシース型とがあります［写真 2（a），（b）］．さらにシース型
は，外被金属管と素子との間にセラミックなど挿入し，電気的絶縁も図られています．

● 熱電対（TC）とはどんなものか？
熱電対は，ゼーベック効果と呼ばれる現象を利用した温度センサで，測定温度に比例した熱起電力を発生する感温発電素子です．写真 1（a）で示した素線 A，Bに異なる金属を用いて先端を接合すると，接合部とプラグ間の温度差に比例した熱起電力が発生します．
プラグの端子を開放状態にすると熱起電力を電圧として取り出せます．単位温度当たりの発生電圧の大きさは素線 A，B の材質によって異なり，また JIS 規格
により材質ごとの起電力についても基準値が定められています（詳細は後述）．

TO-99 系のケース

第２部端子を開放状態で受けると，熱起電力を電圧で取り出せる

溶接した
接合部

専用プラグ（b）機器組み込み用の測温抵抗体（RTD*1）薄膜型の測温抵抗体をエポキシ樹脂で封止した例．熱電対の冷接点補償などに利用（写真は Pt100*2）

http://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/MSP/MSP201507.htm＊1：Resistive Temperature Detector の略（a）熱電対（TC）
材質が異なる 2 本の線を先端で接合すると，ゼーベック 効果により測定温度に比例した熱起電力が発生する（写真は K 型熱電対）＊2：プラチナが材料で，公称抵抗が 100Ωの測温抵抗体を指す（詳細本文）

代表的な温度測定用センサ（開放型）の外観

熱電対と測温抵抗体

95

精密温度計の設計と製作

この間の温度差に比例して熱起電力が発生

写真 1

Ａ㿌Ｄ変換ＩＣを使いこなす ！

事前調査・検討〜温度センサの選定〜

見本 PDF

精度出しの第 1 歩は，適切なセンサのドライブ方法の見極め

第2章

事前調査・検討〜温度センサの扱い方〜
中村 黄三
回路内での信号処理は電圧がベースなので，抵抗性信号源である RTD をドライブして電圧で引き出す（R −V 変換する）必要があります．本章では，ベストな R −V 変換および本体との接続方法について考察し，選択します．

接励起する方法［図 1（a）］と，電流制限抵抗（負荷抵抗）を介して定電圧源に接続する方法［図 1（b）］とがあります．いずれも，Pt100 の両端電圧を電圧出力V O（以RTD のR −V 変換方式の検討下，センサV O ）として取り出します．

■ 抵抗性信号源の励起によるR −V 変換● 励起やR −V 変換とは何か
Pt100 のような抵抗値の変化を信号とする信号原を，抵抗性信号源と呼びます．抵抗性の信号に対して回路における信号処理は電圧ベースなので，抵抗性から電圧への信号変換（以下，R −V 変換）が必要です．R −V変換とは，抵抗性信号源に電流を流すことで発生する両端電圧を，電圧性信号として取り出す変換方式です．
ここで，抵抗性信号源（ここでは Pt100）のような能動素子に，電流や電圧を与えて活性化する措置を励起（エキサイテーション）と呼び，ストレイン・ゲージなどの他の抵抗性信号源にも用語として同様に使われています．
● 励起の方法
電流を流す方法として，Pt100 を定電流源により直図 1（a）に示した定電流源（丸に矢印のシンボル）は，実際に回路で組むとなるとかなり複雑になり，コスト面から見ると負荷抵抗 1 本で済む図 1（b）の電圧励起方式の方が有利です．
● シミュレーションにより励起方法の回路方式を検討ならば “即，電圧励起を採用” とするのは早計です．
この構想設計の段階で，回路方式に関して慎重に検討する必要があります．何の調査もせずに決めてしまうと後でツケが回ってくるかもしれません．幸い現在では，部品購入費と製作労力が発生しない，回路シミュレータを使う解析という手段があるので，候補回路の全てを前もって評価することができます．
▶電子回路シミュレータもフリーで入手
シミュレータも同じくフリーで入手できる TINA−TI の Ver.9 日本語版（以下，シミュレータ）を使います．

負荷抵抗

電圧出力

RL

VO

IS100Ω

VE

IE

0.2V

Rt
Pt100

100Ω
at 0℃

Rt

抵抗性信号源

Pt100（a）電流励起による R −V 変換
Pt100に電流を流し，その両端電圧を電圧出力（VO ）として取り出す方法

第2章

100Ω
at 0℃

抵抗性信号源http://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/MSP/MSP201507.htm
励起電圧源
図1

励起電流源

104

電圧出力

VO

IE

事前調査・検討〜温度センサの扱い方〜（b）電圧励起による R −V 変換
RL とPt100との分圧効果により電圧出力（VO ）を得る方法

抵抗性信号（Pt100）から電圧信号に変換（R −V 変換）する方法

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