AC/DC Excitation両対応という強み

ロードセルなどのブリッジ型センサーでは、一般的にDC Excitationが用いられます。構成がシンプルで扱いやすい一方、熱起電力や温度ドリフト、1/fノイズといったDC成分の誤差が測定結果に重畳する課題があります。

これに対しAC Excitationでは、励起電圧の極性を矩形波状に正負反転させながら測定をおこないます。励起極性が反転するとセンサー信号は正負反転しますが、オフセットなどのDC誤差成分は反転しません。そのため、正負それぞれの出力を平均・演算することで、DC誤差をキャンセルし、真のセンサー信号のみを抽出できます。

AC Excitationの詳細な理論については専門的な解説記事に委ねますが、以下の図に示すような「正負反転と平均化による誤差キャンセル」のイメージを押さえておけば十分です。

正負反転と平均化による誤差キャンセル
参考：Transducer/Sensor Excitation and Measurement Techniques | アナログ・デバイセズ

AD4170-4はDC/AC Excitationの両方に対応しており、評価ボードを使えば同一環境で励起方式のみを切り替えた比較評価が容易におこなえる点が大きな特長です。

接続してみる

まず、SDP-K1をEVAL-AD4170-4を、評価ボードに実装された120ピンコネクターを介して接続します。次にSDP-K1とPCを付属のUSBケーブルで接続します。そして最後にロードセルをEVAL-AD4170-4に接続します。この時に、精密ドライバーを使用する程度で、特別な工具などは必要としません。

ロードセルの各線とJ2端子No.の対応は以下の通りです。

-No.2：電源+

-No.4：出力+

-No.5：出力-

-No.6：電源-

-No.8：シールド

接続に際しては、これらのソースを参考にしました。

・ad4170_schematic.pdf

・Hardware Guide [Analog Devices Wiki]

Hardware Guideでは、ロードセルの電源を二股に分けてJ2端子と接続していますが、EVAL-AD4170-4のLK6とLK9をShortすることで等価回路となりますので、今回はJ2端子のNo.3とNo.7は使用しておりません。

ACEの設定（DC Excitation）

接続および評価ボード設定が完了したら、次にACEを用いてソフトウェアの設定をおこないます。ここでは、実際に操作した画面の流れに沿って説明します。

1. ACE起動・評価ボードの認識確認

　 ACEを起動すると、接続されているハードウェアが自動的に認識され、AD4170 Board が表示されます。
　 評価ボードが正しく認識されていることを確認したら、AD4170 Board を選択して設定画面へ進みます。

2. AD4170 Board Configuration画面

　 次に、AD4170 Board タブを開くと、評価ボード全体の構成を俯瞰できるGUIが表示されます。
　 ここでは、電源構成や入力系、リファレンス構成などを視覚的に確認できます。
　 この段階では、特別な設定変更は行わず、AD4170を選択して設定に移ります。

3. チャンネル設定

　 続いて、チャンネル設定をおこないます。ここでは、使用するチャンネルとアナログ入力の組み合わせを指定します。
　 まずはMUXを選択、

　 チャンネルとアナログ入力を選択します。今回はChannel0を選択し、AIN+[0]：AIN5、AIN-[0]：AIN6に設定します。

4. リファレンス設定

　 次に、Reference Inputoを設定します。本評価では、評価ボード上のリファレンス構成を使用し、ADコンバーターのリファレンス入力として AVDD / AVSS を選択しています。
　 まずはReference MUXを選択、

　 つぎにAVDD, AVSSを選択します。

5. デジタルフィルター設定

　 続いて、Filter設定画面で、デジタルフィルターおよびデータレートを設定します。
　 まずはDIGITAL FILTER ENGINEを選択、

　 今回はSinc Filter5+Avgに、Data Rateは500に設定します。このData Rateの数字はFilter Wordを意味しているのでご注意ください。
　 Data RateとFilter Wordの関係性については、AD4170-4のデータシートを参照ください。ここでいう500とは、1kspsを意味します。

　 参考：Data RateとFilter Wordの関係性について（AD4170-4データシートより抜粋）

6. メモリーマップ設定

　 最後に、Memory Map 画面を用いて、チョッピングやAC Excitation関連の設定が無効になっていることを確認します。
　 まずは「Proceed to Memory Map」を選択、

　 検索バーに「misc」と打ち、関連するレジスタを検索します。Channel0に設定しているため、Misc[0]を選択し、最下段のChop_lexc[0]を「No Chopping」に設定します。

　 以上で、DC Excitationによる測定設定が完了です。お疲れさまでした。

いざDC Excitationの測定へ！

ACEの設定が完了したので、DC Excitationによる測定をおこないます。

「Proceed to Waveform Analysis」を選択し、

Sample Countを設定後（今回は1000にしました）、Run Onceを押すと…

以下のような結果が得られました。

DC Excitation時の出力の平均値は約170μVとなっています。

この値が大きいか小さいかについては、本章の時点では評価をおこないません。本測定はあくまで DC Excitation時の挙動を把握するための基準測定として位置づけているためです。なお、測定時にはロードセルに負荷を与えず、周囲からの振動や外乱の影響を極力受けない環境で測定をおこないました。そのため、本結果は ロードセルおよび測定系が静的な状態にある場合の出力を示しています。

AC Excitationの設定

まずは評価ボードの設定を変更します。基本的にはHardware Guideの通りですが、DC-Excitation実施時同様に、LK8はShortしてAVSSとつながなければいけない点にご注意ください。また、LK6とLK9もShortします。LK7はここではHardware Guideと同じくAに設定します。

次にACEの設定です。Memory Map 画面を用いて、「Proceed to Memory Map」を選択し、検索バーに「misc」と打ち、関連するレジスタを検索します。Misc[0]を選択し、最下段のChop_lexc[0]を「Chop lexc A-B C-D」に設定します。

以上でAC Excitationの設定は完了となります。

いよいよAC Excitationの効果を体感！？

DC Excitationと同様の手順で測定を実施した結果、AC Excitation時の出力の平均値は約58μVとなりました。DC Excitationの結果（約170μV）と比較すると約1/3の出力となりました。

しかし、本評価で使用したロードセルは、無負荷状態におけるオフセットがもともと小さく、測定環境においても振動や温度変動などの外乱を極力抑えた条件で評価をおこなっています。そのため、DC Excitationの時点で既に測定系が十分に安定しており、AC Excitationによるオフセットキャンセル効果が結果として目立ちにくかった可能性があると考えました。

そこで、次のフェーズではあえてオフセットを発生させて、DC / AC Excitationの差がより明確に現れる状況での比較を検討することとしました。

オフセット付加後の測定結果

外付け抵抗によってブリッジバランスを崩した状態で、DC / AC Excitationの測定を実施しました。

その結果、以下の値が得られました。

DC Excitation時： 約7 mV

　

AC Excitation時： 約57 µV

　

DC Excitationでは、意図的に付加したオフセットがそのまま出力に現れ、mVオーダーの出力が確認されました。一方、AC Excitationに切り替えた場合、同一の配線・同一の評価条件にもかかわらず、出力は µVオーダーまで大きく低減しています。これは、AC Excitationによる励起極性反転と内部処理によって、ブリッジの不平衡に起因するDC成分がキャンセルされた結果と考えられます。

アナログ・デバイセズ メーカー情報 Top へ

アナログ・デバイセズ メーカー情報 Top ページへ戻りたい方は、以下をクリックください。