圧力検出

説明

力、圧力、および応力は、一般的にすべて同じ測定カテゴリに分類されます。微妙な違いが存在し、力は物体から他の物体に対して押すまたは引くもの、応力は単位面積当りの物体に加えられた力の結果として歪みを引き起こすもの、圧力は応力の一種で通常は気体または液体によって加えられた力に関するものを言います。ここでは物理学の詳細に立ち入ることはせず、「設計上の考慮点」、「回路」、および「ブロック図」の各ページで、固体、液体、または気体に加えられた各種の力に反応するトランスデューサからの信号を処理する方法、およびアプリケーション用のシグナルチェーンを選択する方法に焦点を絞って説明します。

ページ上部の「設計上の考慮点」、「回路」、および「ブロック図」の各タブをクリックして、設計の構築に役立つ情報をご覧ください。

 

力の測定は、システムの制御を維持するため、あるいは無傷に保つために必要になります。たとえば、特定の厚さの鋼板で作られた蒸気ボイラーは、特定の量の圧力に耐えることができます。圧力が材料のスレッショルドを超えると、ボイラーは破裂または爆発します。ボイラー内の圧力を測定/監視することによって、リリーフバルブやボイラーに加える熱を低減する信号など、確かな制御をボイラーに追加して大惨事の発生を避けることができます。このタイプの力の測定には、圧力トランスデューサが使用されます。もう1つの例として、橋は(通常は)動きませんが、天候(風や温度差)および負荷(構造重量と橋を通る車両)による力を受けます。これらの条件によって材料内に応力が発生し、対応可能な量を超える応力を受けると材料が引き裂かれる可能性があります。これらの力の測定には歪みゲージが使用され、構造に異常な変形があるかどうかを判断することによって障害の発生前に対処することができます。

シグナルチェーンの機能と動作


力、圧力、および応力の高精度の測定には、測定対象の物体にかかっている力、圧力、または応力を反映した信号を提供することができるトランスデューサまたはセンサーが必要です。理想的なトランスデューサは、リニアな出力(圧力または応力の増大とともにリニアに上昇した後、圧力または応力の減少とともにリニアに低下する出力)を提供します。しかし、ほとんどのトランスデューサは動作にある程度の非直線性を伴います。高精度の測定を行うため、通常は入力回路内で信号をリニアライズする必要があります。

ほとんどの力検出トランスデューサは、非常に低い(mV以下から数十mVの範囲の)出力信号レベルを提供します。この範囲は、環境に含まれる電気的ノイズに近い大きさです。そのため、信号を増幅しながらノイズをフィルタまたは除去するように回路を設計する必要があります。幸い、力の測定は非常に高いサンプリングレートを必要としないため、容易にフィルタ処理が可能です。ほとんどのシグナルチェーンは、時間および温度変化に対する低ドリフト性を含めた精度の目標に適合するように設計されます。この回路は、非常に高い信頼性を提供する必要があります。

ほとんどの圧力または力トランスデューサは、電気的にホイートストンブリッジの形式を取ります。

図1. ホイートストンブリッジの図
図1. ホイートストンブリッジの図

ホイートストンブリッジ回路は、平衡状態になった後、ブリッジ内の1つまたはそれ以上の抵抗の値の変化に比例する電圧を出力します。歪みゲージまたはMEMSトランスデューサは、本質的には可変抵抗で、力の測定に使用する場合、ブリッジの出力がゼロになるように他の歪みゲージまたは他の高精度抵抗とともにホイートストンブリッジ回路内に配置されます。1つまたはそれ以上の歪みゲージに応力または変形が発生すると、ブリッジの出力に電圧が現れます。

シグナルチェーンの目的は、非常に小さいアナログ信号を高精度でデジタルに変換することです。そのため、センサーシグナルチェーンは以下の機能を実行します。

1. トランスデューサの励起

センサーの励起には、温度ドリフトの少ない高精度で安定した電圧または電流ソースが必要です。リファレンス電圧の許容誤差の影響を容易に除去するため、センサーの励起とアナログ-デジタルコンバータ(ADC)に同じリファレンスを使用するのが一般的な方法です。これによって信号がレシオメトリックになり、1次許容誤差が除去されるため、より精度の低いリファレンスの使用、または所定のリファレンスからより高い性能の提供が可能になります。

2. 信号の増幅

多くの設計では、トランスデューサの出力フルスケール範囲が非常に小さいのに対し(たとえば、20mV)、ADCの入力フルスケール範囲は大幅に広くなります(たとえば、2V)。その場合、ADCによってデジタルに変換する前に、トランスデューサの出力信号を増幅し、ADCの入力範囲に適合させる必要があります。

3. フィルタ処理

センサートランスデューサ信号の帯域幅は一般的に狭く、ノイズに対する感度は高くなります。そのため、フィルタ処理によって信号帯域幅を制限し、総ノイズを低減するのが有効です。フィルタ処理は、通常はパッシブフィルタを使用して達成されます。

4. アナログからデジタルへの変換

このプロセスには、変換時にアーチファクトや異常をまったく伴わない、アナログ信号からデジタルへの高精度の変換が必要です。センサーシグナルチェーンで使用される主要なコンバータアーキテクチャは、SARとデルタシグマの2つです。デルタシグマコンバータは、低電力、高分解能(最大24ビット)、および低サンプリングレートでのデジタル信号処理の、優れた組合せを提供します。これは、信号帯域幅の小さい多くのセンサーの要件に適合します。高速SAR ADCは、低電力、中/高分解能(最大20ビット)、高速なセトリング時間、およびレイテンシなしの優れた組合せを提供します。高速のアクイジションまたは多数のチャネルが多重化されて1つのADCに入力される場合、こちらの方が適切である可能性があります。

5. リニアライゼーション

一部のセンサーは、非直線的な出力を備えています。センサーの出力特性が十分に分かっており再現性が高い場合は、出力をリニアライズすることによって設計の精度を高めることができます。最近は、一般にデジタルリニアライゼーションの方がコスト効率と柔軟性に優れています。デジタルリニアライゼーションは、信号がデジタル化された後にルックアップテーブルを使用して、ADCからの各出力コードに対して適正なリニアライズされた値を提供します。より複雑なソリューションでは、トランスデューサおよび要求される精度のレベルに応じて、信号操作、誤差補正、利得、およびフィルタ処理にデジタル信号処理(DSP)技法を使用する必要がある場合もあります。

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シグナルチェーンの物理的要素


力を測定する必要がある設計エンジニアは、通常は以下を含んだシグナルチェーンからスタートします。

  1. 1つのチェーンで複数の信号を処理するための入力マルチプレクサ
  2. 増幅およびフィルタ処理のための1つまたはそれ以上のオペアンプ
  3. アナログ-デジタルコンバータ
  4. 1つまたはそれ以上の電圧リファレンス
  5. デジタル信号処理および通信のためのマイクロコントローラ

必要な性能とコストに正確に適合するようにカスタムシグナルチェーンを設計することができますが、特に主流となっているアプリケーションの設計では、最新の高集積シングルチップAFE製品が設計パラメータに適合する場合もあります。少なくとも、AFE ICはADCとプログラマブルゲインアンプを内蔵しています。詳細については、下記の「高集積シグナルチェーン」の項を参照してください。

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カスタムシグナルチェーンの仕様決定


エンジニアの主な仕事は、所定の不確定性の範囲内で信号測定値を高信頼性で提供するとともに、コストの制約にも適合するシグナルチェーンの仕様を決定することです。特にコストが要素の1つになる場合、利用可能な性能上のトレードオフが数多く存在します。

センサーシグナルチェーンの場合、測定の品質は以下によって考慮されます。

  • 確度または系統誤差
  • 精度または偶然誤差

系統誤差の発生源は、3つの主なカテゴリに分類することができます。

  • 利得誤差
  • オフセット誤差
  • リニアリティ誤差

精度または偶然誤差の発生源には、以下が含まれます。

  • 量子化ノイズ
  • 熱ノイズ
  • ショットノイズ
  • フリッカノイズ

システムの総誤差は、両方の誤差タイプの組合せです。一般論として、それぞれの誤差タイプが総誤差の約半分の原因となるため、シグナルチェーンによって提供される測定の品質を高めるには、両方の誤差タイプを最小限に抑えるように各部品を選択し設定する必要があります。

次に、カスタムシグナルチェーンの各要素の主な選択基準を説明します。

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ADCの選択


ADCの選択に関係する最も基本的なパラメータは、以下の通りです。

  1. 必要なチャネル数
  2. サンプリングレート
  3. 公称分解能

必要なチャネル数

ほとんどのADCは1つの入力チャネルを備えていますが、一部の製品はマルチプレクサ機能も内蔵しており、マルチ入力機能を提供します。

サンプリングレート:

センサーアプリケーションのサンプリングレートは、技術的に見ると一般的に非常に低いと考えられます。通常は50サンプル/秒で十分であるため、これに同じADCで処理するチャネル数をかけると、必要なサンプリングレートが得られます。たとえコストが主要な要素であっても、今日のADC技術はほとんどの場合これより大幅に高いサンプリングレートを提供します。

分解能:

ADCの分解能とは、ADCが最大入力電圧を分割することができるステップ数、または区分数です。たとえば、12ビットADCは212または4096区分を提供可能で、16ビットADCは216または65536区分を提供することができます。

2nの式によって与えられる分解能は理想的な分解能であり、ほとんどのADCは通常は物理的要因によってこの理想的な分解能を満たしません。特に重要なのが、デバイスおよびシグナルチェーンが発生する熱ノイズです。一部のADCは、「ノイズフリー分解能」の仕様を提示しています。この仕様をコンバータの分解能として使用することで、ノイズの影響を除去することができます。

一例として、郵便はかりを作る場合、10ポンドレンジにおいて最小10分の1オンスでの精度で測定する仕様を満たすには、最小で1,600区分を提供可能なADCが必要になりますが、熱ノイズ、他のコンバータノイズ、その他のシグナルチェーンの誤差を考慮に入れた上で再現性のある精度を得るため、通常はこれを10倍し、このアプリケーションの場合は16,000区分とします。このアプリケーションでは、トランスデューサによって提供される入力がコンバータの入力範囲に近い場合、おそらく16ビットADCが必要な分解能を提供します。

入力(フルスケール)範囲が3Vの標準的な16ビットADCは、3/216または46µVの区分まで入力を分解可能です。増幅の限界によって最大入力信号が1Vにしか達しない場合、ADCが検出可能な最大の区分数は最大値の3分の1、または約22,000区分になります。郵便はかりの例の場合は、これでもまだ十分に仕様を満たします。

分解能に対する熱ノイズの影響

ADC内にノイズ誤差が蓄積されるため、ADCによって生成される実際の出力コードは決して1つの値にはならず、正規分布に近いヒストグラムによって表される値の範囲になります。ADCが入力電圧範囲に対して必要な分解能を確実に提供できるようにするため、コンバータが提供可能なノイズフリー入力区分数を計算するのが有効な方法です(製品の仕様で提供されていない場合)。

統計から、正規分布曲線の場合、最も予想または期待される区分に平均値の中心が位置するとして、出力値の99%が平均値の6.6シグマ内に納まることが知られています。

図2. ノイズフリー範囲の説明
図2. ノイズフリー範囲の説明

この値の計算に役立つのが、ほとんどのADCに含まれているVRMSノイズと呼ばれるパラメータです。データシートでこの値を見つけてください。それに6.6を掛けると、電圧に関してコンバータが提供可能な最小のノイズフリーステップが得られます。次に、入力範囲を最小ノイズフリーステップで割ると、ノイズフリー分解能が得られます。この値がアプリケーションで必要な区分数より大きい場合、選択したADCが適合します。そうでない場合、かつそれ以上センサー素子からの入力を増幅することができない場合は、より低いVRMSノイズ仕様を備えたADCをお探しください。たとえば次のような製品があります。

16ビットADCのMAX11205が提供する熱ノイズ仕様:720nVRMSノイズ

増幅されたセンサー電圧入力が1Vの場合、このADCが提供可能なノイズフリー入力区分数は次の通りです。

            1 / (.00000720 x 6.6) = 213,000

MAX11205は非常に低いVRMSノイズ仕様を備えているため、上記のアプリケーションで必要なノイズフリー分解能を容易に提供可能です。

ノイズフリー分解能の計算が関係するその他の表現として、ノイズフリーカウントまたは範囲内のコード数があります。

ほとんどの高精度ADCのデータシートは、熱ノイズを入力換算ノイズとして規定し、RMSノイズまたはピークツーピークノイズの形で仕様を示しています。デルタシグマコンバータのデータシートには、通常は入力換算ノイズまたはピークツーピークノイズとデータレート出力の関係が記載されています。入力換算ノイズは、通常は入力を短絡して測定され、ノイズヒストグラムのプロットからノイズが計算されます。

シングルエンドまたはダブルエンド入力

ADC ICには、シングルエンド入力と差動入力の製品があります。高精度および非常に小さい入力電圧の変化の検出が必要な設計には、差動入力を備えたADCが推奨されます。差動入力は、最高のノイズ除去と、シングルエンド入力より広いダイナミックレンジを提供します。詳細については、アプリケーションノート1108 「Understanding Single-Ended, Pseudo-Differential and Fully-Differential ADC Inputs」をご参照ください。

INL – 積分非直線性

10ビット~16ビットコンバータなどの、より低分解能のADCを必要とする設計では、INLパラメータがデバイスの精度を決定する重要なパラメータになります。INL誤差は、実際の伝達関数と直線との偏差として説明され、単位はLSBまたはフルスケール範囲(FSR)に対する%です。最高の精度を提供するADCを選択するため、他の条件がすべて等しい場合、より低いINLパラメータを備えたADCを選択してください。詳細については、チュートリアル283 「高速アナログ-デジタルコンバータ(ADC)のINL/DNL測定」をご参照ください。

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オペアンプの選択


シグナルチェーンにおけるオペアンプの機能は、トランスデューサの最大出力がADCの入力範囲とほぼ一致するように、トランスデューサの出力をリニアな形で増幅することです。これによって、シグナルチェーンの分解能が最大化されます。

ほとんどのロードセルは、励起1V当りのセルの出力の最大変化を示す「スパン」または「感度」の仕様を提供しています。一般的なロードセルでは2mV/V~20mV/Vの範囲です。通常、励起電圧の範囲は3V~5Vです。以上の条件から、このタイプのトランスデューサによって提供される最大出力は10mV~100mVの範囲になる可能性があり、非常に広範囲ですが選択するトランスデューサによって大幅に異なります。

アンプは、この範囲をADCが対応可能な最大入力範囲に変換する必要があります。通常は、ADCの有効入力範囲は2.5V~3.3Vです。そのため、入力アンプはアプリケーションに応じて50~200の利得を提供する必要があります。

入力オペアンプは、µV~mVの範囲の信号を増幅する必要があります。これは、自然に発生するノイズと同じレベルです。増幅段階で誤差が発生するのを防ぐため、この回路を適切に選択し、適切にレイアウトすることが重要です。このアプリケーション用に、超低オフセット電圧(VOS)、低温度ドリフト、および低オフセットドリフトを備えたローノイズアンプ(LNA)をお探しください。

ほとんどの小信号設計では、低ノイズの「オートゼロ」オペアンプが最も広く使用されているオペアンプのタイプです。これによって、シグナルチェーン内でオフセット誤差が発生する可能性が最小限に抑えられます。MAX44246は、このタイプのオペアンプの例です。下図は、標準的なオペアンプの配置を示します。2つのシングルエンドオペアンプを計装アンプの代わりに使用していることに注意してください。この方式を差動入力ADCとともに使用すると、より良い結果が得られます。

図3. 圧力検出シグナルチェーン内での標準的なオペアンプの配置
図3. 圧力検出シグナルチェーン内での標準的なオペアンプの配置

ヒント:ほとんどの圧力トランスデューサは、ホイートストンブリッジの形を取ります。ホイートストンブリッジ回路の使い方の詳細については、チュートリアル3426 「抵抗ブリッジの基礎:パート1」をご参照ください。

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マルチプレクサの選択


マルチプレクサの選択時、設計エンジニアは第一に基本である入力チャネル数を把握する必要があります。さらに、マルチプレクサは全入力電圧範囲に対応可能である必要があります。さらに、スイッチング速度がアプリケーションにとって十分高速であることを確認してください。一般に、コストの目標に適合するものの中で最も低い「オン」抵抗を備えた製品が最適です。

ヒント:「Beyond-the-Rails」マルチプレクサおよびADCの説明をご覧ください。

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リファレンスの選択


電圧リファレンスは、既知の電圧レベルを高精度で提供します。規定のリファレンスレベルに少しでもずれがあると、システム内に誤差が発生します。センサー測定アプリケーションの場合、リファレンスの出力はADCまたはAFEへの入力として、またトランスデューサへの励起として使用されます。そのため、ノイズまたは他の異常によってリファレンス電圧が変化した場合、センサー入力とADCの両方に同一の変化が作用するため、総誤差は減少します。

電圧リファレンスは、系統誤差と偶然誤差の両方に影響を与えます。リファレンスノイズソースは、ADCのノイズ性能を低下させます。そのため、ADCより高性能のリファレンスを選択する必要があります。高精度システムでのリファレンスの初期誤差と温度および時間によるドリフトは、利得誤差の最も重要な原因の1つです。較正が行われるシステムでは、温度および時間によるドリフトが最も重要なパラメータになります。

リファレンスの選択における重要なパラメータには、負荷ドライブ, 初期精度、ノイズ、温度ドリフト、および安定性があります。トランスデューサを駆動する必要があるため、圧力センサーアプリケーションでの負荷ドライブは、他の多くのアプリケーションより高くなる可能性があります。トランスデューサの負荷は、標準的な圧力トランスデューサの場合で、ADCによって要求される値 + 10~20mAの範囲になります。

MAX6325/MAX6341/MAX6350は、0.5ppm/℃ (typ)の超低温度係数と±0.02%の優れた初期精度を備えた、低ノイズ、高精度電圧リファレンスです。16ビットまたはそれ以上の分解能のADCを使用するシグナルチェーンには、これらのリファレンスが推奨されます。

電圧リファレンスの選択の詳細については、次のアプリケーションノートをご参照ください。

アプリケーションノート2879 「最適な電圧リファレンスの選択」

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誤差の補正


アプリケーションで高精度を達成するには、リニアライゼーション誤差、部品のオフセット誤差、およびシステムノイズを補正することができる必要があります。

回路の動作電圧を算出するために必要な計算を行う過程で、丸め誤差や測定の許容誤差によって容易に誤差が蓄積します。

たとえば、ロードセルからオペアンプおよびADCを経由するデバイスのリニアリティによって、設計に誤差が追加されます。幸い、現在ではデジタルリニアライゼーションによって非常に容易に誤差を補正することができます。本質的に、このプロセスは実際に受信した各デジタル出力に対して理想的な予想デジタル出力を提供するルックアップテーブルを使用します。デジタルリニアライゼーションの鍵は、再現性のある誤差を除去することができるという点です。

各回路で使用する部品間のわずかな値の違いによる誤差は、較正によって除去する必要があります。通常、これは1回のみの調整です。ノイズに起因する誤差は、複数の読取り値の平均を最終的な出力として提供することによって除去する必要があります。デルタシグマアルゴリズムを使用するADCは、このタイプの平均化処理を内蔵しています。

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高集積シグナルチェーン


シグナルチェーンアプリケーションの多くは、高集積AFEチップによって実装することが可能です。シングルチップまたは高集積シグナルチェーンICを使用する利点として、設計が大幅に簡易化され、部品の選択、レイアウト、およびトラブルシューティングにかかる時間が短縮されるとともに、アプリケーションに対する仕様も一般に改善されます。入力オペアンプとADCを1つのチップに内蔵することで、システム全体の性能が大幅に向上します。この方式を使うトレードオフとして、コストの面で最適化が不十分になる可能性があります。

高集積シグナルチェーンICは、少なくともプログラマブルゲインオペアンプとADCを内蔵しています。一部のAFE ICは、1~4チャネルを実装するための入力マルチプレクサも備えています。AFEの出力は伝統的にシリアルデジタルで、I2CおよびSPIがインタフェース規格として広く使用されています。

高集積AFEの選択は、ディスクリート部品のシグナルチェーンの選択とほぼ同じですが、利用可能な設計オプションは少なくなります。たとえば、アンプの利得が制限されるため、おそらく一部のパラメータを過剰仕様にすることで全体として所望の性能を実現する必要があります。

ディスクリート部品のシグナルチェーンの選択と同様に、AFE (たとえばPGA + ADC)を選択する際には、必要なチャネル数、サンプリングレート、および公称分解能の選択後、系統誤差と偶然誤差に最大の影響を与える仕様(確度と精度に最大の影響を与えるもの)を注意深く評価することが重要になります。ほとんどの場合、これは熱ノイズとノイズフリー分解能です。

通常はデータシートにノイズ性能の仕様およびAFEが識別可能な固定入力レベルを示すノイズフリー範囲や有効分解能などの項目が記載されています。これらのアプリケーションに対する別の表現として、ノイズフリーカウントや範囲内のコード数が使われる場合もあります。

熱ノイズに関しては、ほとんどの高精度AFEのデータシートが入力換算ノイズをRMSノイズまたはピークツーピークノイズの形で記載しています。入力換算ノイズは、通常は入力を短絡して測定され、ノイズヒストグラムのプロットからノイズが計算されます。デルタシグマコンバータとPGAを使用するAFEのデータシートは、通常は入力換算ノイズまたはピークツーピークノイズをデータレート出力およびPGA利得との関係を示す表の形で記載しています。

圧力センサーアプリケーションでの使用に最適なマキシムの高集積シグナルチェーン製品の例としては、PGA内蔵2チャネル16ビットADCのMAX1415と、PGA内蔵ハイエンド24ビットADCのMAX11270があります。

詳細情報:

IC回路の例を見るには、「回路」タブをクリックしてください。

精選センサー関連最終製品、機能別に利用可能な推奨マキシム製品を見るには、「ブロック図」タブをクリックしてください。

このページ内および「技術資料」に記載されたアプリケーションノートで、追加の設計情報を提供しています。

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3.5V~36V、2A/3A、同期整流バックコンバータ、15µA自己消費電流および低EMI

MAX17242

信頼性動作(入力過渡保護42V)、長いバッテリ寿命(15µA IQ)およびEN55022 EMI性能。

2.75V~4.8V入力、10mA出力、35µVRMS超低ノイズ/リップルのブーストレギュレータ

MAX77231

わずか35µVRMSリップル/ノイズの小型ブースト。

300mA、バックコンバータ、1.1µA IQ

MAX77596

このスイッチを内蔵した小型、同期整流バックコンバータは、3.5V~24Vの入力電圧で最大300mAを供給可能で、無負荷時の自己消費電流はわずか1.1µAです。

0.4V~5.5V入力、同期整流ブーストレギュレータ

MAX17222

300nAのIQを95%のピーク効率で提供し、ソリューションサイズを最大50%削減


ハイエンド計量器 - 60000ステップ


リファレンス 監視回路  LCDディスプレイ RS-232 RS-485 USB IO-Link 温度センサー ステップダウンDC-DC LDO バッテリ電源 バッテリチャージャ 24ビットDS AFE

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高集積16ビットIO-Link圧力センサー


リファレンス IO-Link LDO ステップダウンDC-DC AFE

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低コストポータブル圧力較正器


リファレンス 監視回路 LNA オーディオアンプ  LCDディスプレイ RS-232 USB LDO DC-DC バッテリチャージャ ADC

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電流ループ出力を備えた低コスト圧力センサー


LDO アンプ駆動 LNA LNA LNA

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