CN0582

Rev.0 を翻訳したものです。最新版は英語資料をご覧ください。

CN0582 は、付属のソフトウェアまたは API ライブラリを使用してアナログ・センサーのデータを測定できる、フル機能のソリューションです。

このシステムは、様々なセンサー応答を読み出すためのテスト・スティミュラスとして外部振動台を駆動する、可変振幅および可変周波数のサイン波信号を生成します。

このソリューションには、全ボード機能を完全に制御する評価ソフトウェアが付属しています。これらの機能には、電流源および AC または DC カップリングの有効化、入力バイアス調整、時間および周波数の両領域におけるデータ・キャプチャ、単一トーンまたは掃引サイン波、データ・エクスポートなどがあります。

オプションのソフトウェア API ライブラリは、多くの多様な環境に対応可能で、LabVIEW、C#、Python を用いてテストされています。API を使用することで、ユーザ独自のカスタム機能を開発し、アプリケーションを完成できます。

このソリューションの主な特長は次のとおりです。

• 4 チャンネルの同時データ・アクイジション
• オンボードの IEPE 励起
• IEPE 入力チャンネルのオフセット
• 信号発生器：
  • 単一トーンまたは線形掃引
  • 電子的ループバック・テスト
  • 振動台励起
• CN0582 評価用ソフトウェア
• システム設定
• グラフィカル表示
• ファイル・エクスポート（データ・アクイジション、振動テスト）

 

表 1. ハードウェア仕様

仕様		最小値	代表値	最大値	単位／備考
電源条件
入力	電圧	4.5	5	6	V
	電流	500		600	mA
アナログ入力
IEPE	フルスケール	0.1m*		10	V
	バイアス			13	VDC
	電流源		4		mA
4mA～20mA（CH3）	抵抗			249	Ω
	消費電力			0.25	W
THD + N			−87	−84	dB、1kHzで3.3Vp-p
SNR			99		dB、20Hz～20kHzで10Vp-p
精度				1	%誤差（100mVを超える電圧の場合）
アナログ出力
電圧		0.5		7	V、ピークtoピーク
周波数		0.02		25	kHz
THD + N			-52	-55	dB、20Hz～20kHzで7Vp-p
精度				1	%誤差

* PGA の設定は 1。

振動センサーのタイプ

圧電センサーと MEMS センサーの比較

従来、圧電型加速度センサーは振動モニタリングのベンチマークとなっており、現在でも、最高感度が要求されるアプリケーションや非常に大きな加速度が発生するアプリケーションにおいて選択されるセンサーです。これまでマイクロマシン（MEMS）センサーは、帯域幅、g 範囲、周波数全体でのノイズ性能が限られていたため、使用できないものと考えられていました。

しかし、最近の MEMS センサー技術（特に周波数応答およびノイズ性能）の進歩により、多くの CbM アプリケーションにおいて MEMS センサーは現実的な代替センサーとなっています。通常、MEMS センサーの方がより小型かつ低コストで、DC（0Hz）まで延びる周波数応答を備えています。その 1 つの例が CN0532で、これは、回路に IEPE インターフェースを備えた、代表的なMEMS ベースのセンサーです。

CN0582 は、圧電型 IEPE センサーに対応する他、他の技術に基づく IEPE 互換センサーにも対応します。励起電流源は無効化できるため、電圧出力センサーに接続できます。

IEPE インターフェース

未調整の圧電型センサーは出力インピーダンスが高く、任意の長さのケーブルを駆動することは困難または不可能です。また、これらのセンサーは、ケーブルの動きや電磁干渉にも敏感であり、高精度で高インピーダンスのシグナル・コンディショニング回路が必要となります。

IEPE は一種の標準となっており、シグナル・コンディショニング用電子回路がセンサーに統合されています。内蔵された電子回路が、高インピーダンスの電荷出力を低インピーダンスの電圧信号に変換するため、伝送が容易になります。また、IEPE では、1 つの導体を用いて電力と信号の両方を供給するため、ケーブルが複雑になるのを最小限に抑えることができます。

図 2 に、IEPE インターフェースのハイレベル・ブロック図を示します。電力は定電流源を通じてセンサーに供給されます。その後、センサーは、測定した振動に応じて出力電圧を変調します。それにより、信号が電源と同じラインで測定できるようになります。

 

 

IEPE の励起と制御

IEPE センサーを適切に動作させるには、定電流源を用いて給電する必要があります。2mA～20mA の定電流範囲以外に、電流源のコンプライアンス電圧を 24V～30V とする必要があります。この値は、代表的な IEPE バイアス電圧である 8V～12V の 2 倍以上です。図3 に、LT3092をベースとする IEPE高電圧定電流源回路を示します。

 

式 1 を用い、CN0582 の定電流源は 4mA に設定されています。

 

ここで、
I_OUTは定電流出力、
R_OUTは電流出力設定抵抗、
R_SETは電流入力設定抵抗です。

 

電流源は、ADG5401 高電圧低抵抗スイッチによって、有効化や無効化が可能です。

ソフトウェアからボードに送られるコマンドによって、対応するチャンネルが目的の状態に切り替えられます。

電流源と同じ 26Vの電源でADG5401への給電を行うことで入力電圧を制限値内に維持できる一方、6.5Ω のオン抵抗は十分小さい値で、信号レベルに対し有効です。

電流源を無効化すると、各チャンネルの入力は典型的な高インピーダンス電圧入力 A/D コンバータ（ADC）の測定値として機能します。チャンネル 3 にはオンボードの負荷抵抗があり、これを用いて 4mA～20mA のセンサー・データを接続し測定できます。また、この値は式 2 を用いて計算できます。

 

ここで、
V_SENSORは変換後のセンサー電圧、
R_LOADは負荷抵抗（249Ω）、
I_SENSORはセンサー出力電流です。 

 

入力保護

入力回路のどの部分もオーバードライブされることのないよう、電圧トランジェント圧縮（TVS）ダイオードが入力コネクタに付加されています。これらのダイオードによって、入力が最大40V の電圧に耐えられるようになるため、影響を受けやすいアナログ入力回路を危険な電圧レベルから保護できます。

AC/DC カップリング

AC カップリングと DC カップリングのどちらが適切かは、センサーによって異なります。DC カップリングは、応答がゼロ Hzまで延び、オフセット電圧が明確に規定された小さな値のセンサーに適用できます。AC カップリングは、本質的にハイパス応答で動作条件によって変化する大きな DC オフセットがあるセンサーに適しています。

図 4 に、ADG5436 ラッチアップ・プルーフの高電圧デュアルSPDT スイッチに制御された AC カップリングおよび DC カップリングのパスを示します。

 

 

このスイッチは、−5V または 26V のバイポーラ・電源で給電され、代表的なIEPEセンサー出力に対応する他、0V～5V、±5V、0V～10V の各範囲の電圧出力のセンサーにも対応できます。ACカップリング・パスにはハイパス・フィルタがあり、そのカットオフ周波数は式 3 で計算できます。

 

ここで、
fc はハイパス・カットオフ周波数です。

IEPE 入力のオフセット

IEPE 信号は本質的に、DC バイアスが高く、また複数のピークto ピーク値があるため、範囲の狭い一般的なコンバータとインターフェースを取ることは困難です。この課題を克服するため、レベル・シフト回路が用いられています。

図 5 に、ADA4522 をベースとするレベル・シフタの回路例を示します。入力の中心を可能な限りゼロに近づけることで±4.096Vの ADC 入力範囲全体を利用できるよう、減衰と電圧のシフト量が設計されています。

 

 

必要な電圧シフトは、式 4 を用いて計算することができます。

 

ここで、
V_SHIFTはレベル・シフト電圧、
V_{IEPE_INPUT}は入力バイアス電圧、
V_{IEPE_SHIFTED}は 2.52（VOCM に等しいことが必要）、
G は 0.3（ R_FB/R_INで計算）です。

 

レベル・シフト電圧（V_SHIFT）は、AD5686R D/A コンバータ（DAC）から供給されます。V_SHIFTの値は、式 5 を用いてプログラムできます。

 

ここで、V_SHIFTはレベル・シフト電圧、
V_REFは AD5686R の電圧リファレンス、
Gain は AD5686R のゲイン設定値、
D はデジタル・コード、
N は AD5686R のビット数（16 ビット）です。

 

プログラマブル・ゲイン・アンプ（PGA）

入力信号カップリング・オプションやレベル・シフト・オプション以外に、CN0582 はより小さな入力信号にゲインを追加する機能も備えています。ゲインはアナログ入力チャンネルごとに設定できます。

図 6 に、LTC6910 を使用する PGA 回路例を示します。他のシグナル・コンディショニング段からのコモンモード電圧は、AGND ピンに接続され、アンプ用リファレンスの役割を果たします。

 

選択するゲイン・オプションに応じて、CN0582 の有効入力範囲も変化します。表 2 は、各ゲイン設定で許容可能な入力電圧範囲を示しています。有効入力範囲外の電圧は、信号の歪みやクリッピングの原因となります。

表 2. EVAL-CN0582-USBZ の PGA 設定と入力電圧の関係

PGA設定	最大AC入力
1	10 Vp-p
2	5 Vp-p
5	2 Vp-p
10	1 Vp-p
20	500 mVp-p
50	200 mVp-p
100	100 mVp-p

注：システムは 100µVp-p の信号振幅を測定できますが、S/N 比（SNR）は低下します。そのため、推奨する最小入力振幅は 500µVp-p です。

完全差動アンプ（FDA）

PGA の出力信号はコモンモード2.5V の疑似差動信号であるため、ADC のフル・スケール入力範囲 8.192Vp-p を最大限に利用するには、これを増幅して完全差動信号に変換する必要があります。

図 7 に、PGAの疑似差動信号を ADC 用の完全差動信号に変換するために用いられる、ADA4945 完全差動 ADC 用ドライバを示します。

 

 

VOCM を基準とする PGA 出力は、ADA4945 によって式 6 に示すゲインで完全差動信号に増幅され変換されます。

 

入力とゲインの組み合わせによって低電圧または過電圧となる場合、ADA4945 は出力を+VS または−VS にクランプし、後段の敏感な ADC 入力段を保護します。 

全シグナル・チェーン・ゲイン

アナログ入力パスでの合計ゲインは、レベル・シフタ、FDA、PGA によって生じ、式 7 を用いて計算できます。

 

ここで、
G は CN0582 の全システム・ゲイン、
G1 はレベル・シフトによる減衰のゲイン（0.3）、
G2 は FDA のゲイン（2.667）、
G_PGA は PGA のプログラマブル・ゲイン（1、2、5、10、20、50、100）です。

 

アナログ入力パスで許容可能な最大ACまたは DC 電圧は、各チャンネルのゲイン設定に直接関係します。式 8 は、PGA のゲイン設定を1とした場合の DC 入力電圧の計算方法を示すものです。

 

最大の DC バイアス入力電圧は次のとおりです。 

 

 

ここで、
VIN_{DC_MAX}は CN0582 に印加できる最大 DC 電圧、
V_{SHIFT_MAX}は AD5686R の最大出力電圧（5V）、
G1 はレベル・シフトによる減衰のゲイン（0.3）、
VOCM は AD7768-4 のコモンモード電圧（2.52V）です。

PGA ゲイン設定を 1 とすると、AC 入力電圧は式 9 を用いて計算できます。

 

ピーク to ピーク入力電圧振幅の最大値は次のとおりです。 

 

ここで、
VIN_{AC_MAX}は CN0582 に印加できる最大 AC 入力電圧、
V_{REF_ADC}は AD7768-4 の内部電圧リファレンス（4.096V）、
G2 は FDA のゲイン（2.667）、
G1 はレベル・シフトによる減衰のゲイン（0.3）です。

 

AC 入力振幅の理論値は 10.23Vp-p ですが、CN0582 ではアンプのヘッドルーム条件を満たすために、10Vp-p までしかテストを行っておりません。同じ考え方は最大 DC バイアスにも当てはまり、テストは 13VDC までしか行っておりません。V_SHIFT を調整して ADC の出力がゼロを中心とすることで、IEPE__SHIFTED 信号は VOCM に等しくなります。

データ・キャプチャとデジタル・コントローラ

A/D変換は、4チャンネルの24ビット同時サンプリングΣ-Δ ADCである AD7768-4によって行われます。このデバイスには電力スケーリング、フィルタ、サンプル・レート・オプションがあり、ノイズ、帯域幅、消費電力などの様々な制約事項に対し最適化できます。

AD7768-4 は、ソース同期トランスミッタとして機能し、各チャンネルのデータは 4 つのデータ・ラインのいずれかでシリアライズされます。データはデジタル・コントローラで受信され、USB を介してホスト・コンピュータにストリーミング送信されます。

また、デジタル・コントローラは、アナログ入力チャンネルの設定も担い、電流源の有効化、ADC モードの設定、波形発生器の設定を行います。

電源アーキテクチャ

CN0582 は 5V/900mA を供給する USB 3.0 ポート 1 つを使用して給電され、複数の DC/DC コンバータが必要な電圧レールを生成します。システムのパワー・ツリーは、アナログ回路のノイズを最小限に抑えるためのリニア・ドロップアウト・レギュレータを伴う昇圧コンバータと、デジタル回路の効率を最大化するための降圧コンバータで構成されています。図 8 に、CN0582 のパワー・アーキテクチャの全体像を示します。

 

 

波形生成と制御

CN0582 は、IEPE センサーのテストやキャリブレーションの際に有用な振動台の励起や制御に用いる波形発生器を備えています。

図 9 に、600mVp-p の定電圧出力と 0Hz～12.5MHz の間で設定可能な 28 ビットの分解能の周波数出力を備えたプログラマブル波形発生器、AD9833を用いるブロック図を示します。出力周波数は式 10 を用いて計算できます。

 

ここで、
F_OUTは出力周波数、
F_REFはリファレンス・クロック周波数、
F_REQは周波数レジスタの値です。.

 

 

 

CN0582 の周波数出力は 25kHzに帯域が制限されていますが、この周波数はほとんどの振動アプリケーションや CbM アプリケーションに適したものです。その後、この出力周波数は、ADA4522をハイパス・フィルタ構成で用いて増幅およびコンディショニングが施されます。これによって、多くの振動台入力の条件である DC オフセット除去が行われます。

ADA4522 の最大設定ゲインは、式 11 を用いて計算できます。

 

ここで、
Output_Amplitude_MAXは ADA4522 で設定される最大振幅、
Rf は 102kΩ、
Rdiff は 7.5kΩ です。 

 

信号発生器は、最大 8.16Vp-p の信号を発生できますが、グラフィカル・ユーザ・インターフェース（GUI）では出力電圧が 7Vp-pに制限されています。

CN0582 の信号発生器の出力振幅は、図 10 に示すように電流／電圧変換トポロジで設定された、AD5543 電流出力 DAC により制御されます。

 

 

振幅は式 12 に従って制御できます。

 

ここで、
Output_Amplitude は変調された出力振幅、
D はデジタル・コード値です。 

 

目的の出力振幅と周波数を設定した後は、広帯域ノイズを低減するために、必要に応じてポスト・フィルタリング回路を使用することもできます。この回路の DAC 出力には、安定性と高入力インピーダンス特性を備えていることから、ADA4522 がサレンキー・ローパス・フィルタ構成で用いられています。カットオフ周波数は 26kHz に設定されていますが、これは式 13 を用いて計算できます。

 

カットオフ周波数は、減衰が無視できる程度になるよう、目的の IEPE 帯域幅（10kHz）の 2 倍以上となるように調整されています。

図 11 に示す出力セレクタ段では、振幅コントローラのフィルタリング出力と未フィルタリング出力の間に ADG1219 スイッチを用いています。その後、選択された出力がバッファされ、回路は出力コネクタから絶縁されます。