CN0548

電圧および電流測定の接続

CN0548 は、様々な測定局面に対応できるよう設計されています。電流検出入力は、正または負の電圧入力端子のいずれか、または両方の間の電圧を基準とし、測定のグラウンドは、開発プラットフォームおよび接続されているホスト・コンピュータのグラウンドから絶縁されています。

図 2 は、15V 電源および負荷が接地されている回路を測定するための接続図です。負荷電流は負荷のハイ・サイドで測定されます。

図 3 は、負荷のロー・サイド（グラウンド・リターン）で負荷電流を測定するための接続図です。

図 4 は、電流を負荷のグラウンド・リターンで測定して−48V 電源を測定するための回路図です。

図 5 は、250V という高電圧の電源を使用するハイ・サイド電流測定の接続図です。電圧測定チャンネルの入力は損傷を受けることなく最大+/−250V の電圧に耐えることができますが、出力は飽和するため、有効な測定値を得ることはできません。

電圧入力

マッチングした抵抗ネットワークを内蔵した高精度高電圧ファンネル・アンプ LT1997-2 は、ADC の入力範囲内に入力電圧をスケーリングします。このデバイスのゲイン誤差は 0.006%、ゲイン・ドリフトは 1ppm/ºC です。38 通りの減衰係数が、+INA、+INB、+INC、−INA、−INB、−INCの各入力をピンストラップすることで選択できます。このピンストラップは CN0548 のジャンパを使用して実行できます。

表 1 に、ほとんどのアプリケーションおよびこの回路の許容入力電圧に対応できる 5 種類のジャンパ設定を示します。減衰係数の全リストについては、LT1997-2 のデータシートを参照してください。ゲイン設定ジャンパは、CN0548 を活線回路に接続する前に設定する必要があり、活線回路に接続した場合はジャンパを移動できない点に注意してください。

CN0548 の電圧入力は、LT1997-2 の REF ピン電圧と AD7798 のAIN3 ピン電圧を表 2 のように設定することで、ユニポーラまたはバイポーラの入力レンジに設定できます。

電流入力

AD8418A は、双方向、高電圧、ゼロドリフトの電流検出アンプです。20V/Vの固定ゲインを備え、10kHzの帯域幅を動作温度範囲全域で最大±0.15%のゲイン誤差で実現します。アンプの出力電圧は、チャンネル 1、つまり ADC の AIN1−および AIN1+に、直接インターフェースできます。AD8418A は、−2V～+70V で優れた入力同相ノイズ除去比を提供します。

表 3 に示すように、AD8418A は、ISENSE入力端子間の 10mΩ、2W の電流検出抵抗で双方向電流測定を行います。最大入力電流はバイポーラ・モードで+/−10Aです。ユニポーラの入力範囲は 0A～14Aで、検出抵抗の消費電力で制限されています。AD8418A の出力には GNDに対し 32mV のヘッドルームが必要です。ユニポーラとバイポーラの電流測定テスト結果のセクションを参照してください。

A/D 変換

AD7798 は、低消費電力、高精度の 16 ビット∑-∆ A/D コンバータ（ADC）で、圧力変換器、重量計、高精度測定アプリケーションなどの、ダイナミック・レンジが広い低周波数信号を測定することを目的としています。AD7798 には、プログラマブル計装アンプへの 3 個のバッファ付き差動入力があり、また、デジタル・フィルタリング機能が内蔵されています。100mV～5.25Vの外部リファレンス電圧によって、フルスケール入力範囲が決まります。AD7798 の出力データ・レートは、4.17sps～470spsの範囲でユーザがプログラムでき、測定帯域幅とそれに伴うノイズ感度は出力データ・レートに比例します。ほとんどの電源測定アプリケーションでは高サンプリング・レートが不要であるため、低出力データ・レート・モードで提供される狭帯域幅を利用できます。更に、サンプリング・レートが 16.7sps 以下の場合、50Hz と 60Hz の電源ライン・ノイズを同時に除去できます。AD7798 では、内部ノイズ源の影響を最小限に抑えるため、出力データ・レートに応じて、使用するフィルタ・タイプがわずかに異なります。図 8 に、16.7Hz モードでのフィルタ応答を示します。全てのフィルタ・モードの詳細な説明についてはAD7798のデータシートを参照してください。

AD7798 のアナログ入力は完全差動型で、入力範囲は 

です。絶対電圧は、入力が非バッファ・モードで計装アンプが無効化されている場合は、いずれかの電源レールまで広げることができます。この条件は CN0548 がデフォルトで使用する設定です。

CN0548 は、AD7798 に高レベルのバッファ付き信号を送信するため、ゲインを 1 に設定すると共にバッファを無効化して入力範囲を最大化できます。4.096V のリファレンス電圧により+/−4.096V の入力範囲を実現でき、ADC の入力がグラウンドまたはそれをわずかに下回る場合でも読み取り値は有効です。

リファレンス電圧

CN0548 ボードでは 2 つの電圧リファレンスを使用しています。図 9 に示す Aグレードの LT6657 は、AD7798 の 4.096V のリファレンス電圧を供給します。このデバイスは、バンドギャップ・リファレンス用に、0.1Hz～10Hz の帯域幅でわずか 0.5ppm_P-P または平均 1.24µV_P-P という、極めて低ノイズの性能を持っています。安定性は大きな出力コンデンサを配置することで確保します。このコンデンサは高周波ノイズを低減すると共に、AD7798の動的なサンプリング電流に対し低インピーダンスを実現します。4.096Vの出力リファレンスに対する LT6657 のライン・レギュレーションは、通常、1ppm/V を十分に下回っています。負荷レギュレーションも 2µV/mA 未満です。負荷電流が 5mA 変化しても出力電圧のシフト量はわずか 10µV です。

LT6656 は、2.048V のバイアス電圧を V_SENSE アンプ、I_SENSE アンプ、ADC 負側入力に供給し、これらの入力端子がバイポーラ・レンジに対応できるようにします。

ノイズ性能

LT1997-2 の最高出力ノイズ電圧は 4 分の 1 に減衰され、約 1µV_P-Pです。LT6657 の出力ノイズは約 2µV_P-Pです。1µV_P-Pと 2.0µV_P-Pの合計値（二乗平均平方根）は 1.7µV_P-Pとなります。AD7798 の量子化ノイズは 62.5µV なので、電圧測定ではこれが支配的なノイズ源となります。80V の入力レンジでの入力換算ノイズはおよそ 1.2mV です。

電流測定モードでの AD8418A の入力ノイズ電圧は、0.1Hz～10Hzの範囲で 2.3µV_P-Pです。ゲインが 20 の場合、出力に反映されるノイズは 20 × 2.3µV_P-P、つまり 46µV_P-Pとなります。この場合でも AD7798 の量子化ノイズよりわずかに小さい値です。ある程度のフリッカのコードがノイズのない一定の入力に対し予想されますが、それでも AD7798 を支配的なノイズ源と見なすことができます。

電源と SPI の絶縁

5V シリアル・ペリフェラル・インターフェース（SPI）バージョンのLTM2886 µModuleにより、絶縁型+/−5V電源と絶縁型SPIの通信を行うことができます。外付け部品は不要で、デカップリング・コンデンサはモジュールに組み込まれています。LTM2886 は、グランド・プレーン間の同相トランジェントに対する耐性が極めて高く、30kV/us を超える同相トランジェント時もエラー・フリー動作を維持できます。LTM2886 には、独立したロジック電源ピンがあり、ホスト側のロジック・レベルを1.62V～5.5V の任意の電圧にすることができます。

回路基板の絶縁

回路基板の絶縁障壁を図10と図 11に示します。基板は、グラウンド間の沿面距離が最大となるよう設計されており、250V 定格のタイプ Y2安全コンデンサを2 個直列に配置し、LTM2886の内部スイッチング・レギュレータからの伝導ノイズを抑えています。