概要

設計リソース

設計サポートファイル

  • 回路図
  • 部品表
  • ガーバーファイル
  • アセンブリファイル
  • レイアウトファイル
設計ファイルのダウンロード 4.98 M

評価用ボード

型番に"Z"が付いているものは、RoHS対応製品です。 本回路の評価には以下の評価用ボードが必要です。

  • EVAL-ADICUP3029 ($49.50) Ultralow Power Cortex-M3 Arduino Form Factor Compatible Development Board
  • EVAL-CN0548-ARDZ ($89.00) Isolated, High Voltage and Current Measurement Board
在庫確認と購入

デバイス・ドライバ

コンポーネントのデジタル・インターフェースとを介して通信するために使用されるCコードやFPGAコードなどのソフトウェアです。

AD7799 - Microcontroller No-OS Driver

機能と利点

  • 広い電流(+/-10A)および電圧(80V)入力の範囲
  • 設定可能なゲイン/減衰
  • ガルバニック絶縁
  • Arduinoフォーム・ファクタ対応

回路機能とその特長

電源システムを工業用設定や通信用設定でテスト/評価するには、多くの場合、複数の電圧測定や電流測定が必要です。個々の電源が異なるグラウンドを基準とする場合、正または負の極性を持つ場合、または、他の電源ドメインと明確な関係性を持たずにフロート状態になっている場合があります。そのような状況では、個別にフロート状態のマルチメータを使用するか、チャンネルごとに絶縁してマルチチャンネル・メータを使用する必要がありますが、これらは物理的に複雑でコストもかかります。

 

図 1. CN0548 のブロック図
図 1. CN0548 のブロック図

 

図 1 に示す回路は、工業、通信、計測器、自動試験装置(ATE)などのアプリケーション向けのフル機能絶縁型電流電圧測定システムです。システムはガルバニック絶縁がなされており、ホスト・コントローラと測定グラウンドの間で最大+/−250V を許容できます。この絶縁設計には、デジタル・データと電源ドメイン信号の両方が含まれており、測定される回路に電源を追加する必要はありません。

電流入力範囲は+/−10A で、電圧入力範囲は 16V~80V の間でいくつかのレンジを選択可能です。電圧入力と電流入力は共に、出力データ・レートと信号帯域幅が調整可能な 16 ビットの分解能で、50Hz と 60Hz の電源ライン・ノイズを除去するモードを備えています。

回路は Arduino フォーム・ファクタのプラットフォーム・ボードに対応し、ロジック電圧は 1.8V~5Vです。オープンソースのファームウェアの例と組み合わせると、アプリケーション・ソフトウェアは、C、C#、MATLAB、Python、LabVIEW とのバインドを含む libiio ライブラリを使用し、Linux の産業用入出力(IIO)フレームワークを通じてリファレンス設計と容易にやり取りを行うことができます。

回路説明

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 2. +15V のハイ・サイド電流および電圧の測定
図 2. +15V のハイ・サイド電流および電圧の測定

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 3. +15V のロー・サイド電流および電圧の測定
図 3. +15V のロー・サイド電流および電圧の測定

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 4. −48V の電圧および電流の測定
図 4. −48V の電圧および電流の測定

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。

図 5. +250V システムの電流測定
図 5. +250V システムの電流測定

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。

図 6. 電圧のレンジと極性の回路構成
図 6. 電圧のレンジと極性の回路構成

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。

表 1. 電圧レンジのジャンパ設定
Input Range Attenuation +INA +INB +INC -INA -INB -INC
80V 20 OPEN -VIN +VIN OPEN +VIN -VIN
40V 10 +VIN OPEN OPEN -VIN OPEN OPEN
27V 6.67 -VIN OPEN +VIN +VIN OPEN -VIN
20V 5 OPEN +VIN OPEN OPEN -VIN OPEN
16V 4 OPEN OPEN +VIN OPEN OPEN -VIN

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。

表 2. ユニポーラ/バイポーラ電圧設定
Measurement Mode LT1997-2 REF AD7798 AIN3- Input Range (80V span)
Unipolar GND GND 0 V to 80 V
Bipolar 2.048 V 2.048 V -40 V to +40 V

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。

図 7. 電流入力信号コンディショニングと極性の回路構成
図 7. 電流入力信号コンディショニングと極性の回路構成

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。

表 3. ユニポーラ/バイポーラ電流設定
Measurement Mode AD8418A REF AD7798 AIN1- Input Range
Unidirectional GND GND 0 V to 14 A
Bidirectional 2.048 V 2.048 V -10 V to +10 A

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。

図 8. AD7798 のフィルタ応答、16.7Hz の更新レート・モード
図 8. AD7798 のフィルタ応答、16.7Hz の更新レート・モード

AD7798 のアナログ入力は完全差動型で、入力範囲は 

Formula for the input range.

 

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 0.5ppmP-P または平均 1.24µVP-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。

図 9. 4.096V の ADC リファレンス
図 9. 4.096V の ADC リファレンス

LT6656 は、2.048V のバイアス電圧を VSENSE アンプ、ISENSE 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 1µVP-Pです。LT6657 の出力ノイズは約 2µVP-Pです。1µVP-Pと 2.0µVP-Pの合計値(二乗平均平方根)は 1.7µVP-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 2.3µVP-Pです。ゲインが 20 の場合、出力に反映されるノイズは 20 × 2.3µVP-P、つまり 46µVP-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。

図 10. 上層の PCB 絶縁
図 10. 上層の PCB 絶縁
図 11. 下層の PCB 絶縁
図 11. 下層の PCB 絶縁

バリエーション回路

高分解能 ADC には、24 ビットの Σ-Δ ADC である AD7799 を代わりに使用できます。AD7798/AD7799に2.5Vのリファレンスが必要な場合は、低ノイズ低消費電力リファレンスであるADR381 または ADR391 を推奨します。

フルスケール電流の小さいアプリケーションには、ゲイン60V/Vの双方向ゼロドリフト電流検出アンプAD8417を使用できます。

信号入力の減衰と増幅の両方が必要なアプリケーションでは、LT1997-3 が代替アンプとなります。LT1997-3 は高精度オペアンプと高度にマッチングした抵抗が組み合わされており、電圧を正確に増幅するためのワンチップ・ソリューションを形成できます。0.006%(60ppm)の精度を備えた最大 0.0714 の減衰と最大+14 のゲインが、外付け部品を用いずに実現できます。

CN0548 のグラウンド間の最大電位差は、+/−250V で、これは470pF のスティッチング・コンデンサで制限されています。より高電圧のアプリケーションでは、このスティッチング・コンデンサの変更または除去が必要となりますが、LTM2886 自体はグラウンド間に 2500VRMS が生じても 1 分間耐えることができます。

絶縁側により高い電圧が必要なアプリケーションでは、LTM2883 が代替デバイスとなります。LTM2883 は、全機能内蔵型の 6 チャンネル・ガルバニック・デジタル µModule®アイソレータです。絶縁側には、公称電圧が±12.5V および 5V の電源を備え、それぞれ 20mA を超える負荷電流を供給できます。1 個の外部抵抗を用いることで、各電源電圧を公称値から調整できます。

回路の評価とテスト

EVAL-CN0548-ARDZ は 、EVAL-ADICUP3029 超低消費電力Cortex-M3 Arduino フォーム・ファクタ開発ボードを使用してテストされています。セットアップの全容やその他の重要な情報については、CN0548 ユーザ・ガイドを参照してください。

必要な装置

  • マルチメータ
  • EVAL- ADICUP3029
  • EVAL-CN0548-ARDZ
  • ベンチ・トップ可変電源(例:Agilent e3631)
  • USB ケーブル micro タイプ B−タイプ A
  • バナナ−バナナ・ジャック 2 個
  • シリアル端子付きおよび Python3.6 以降インストール済みのWindows、Linux、または Mac コンピュータ。

開始にあたって

EVAL-CN0548-ARDZ と関連ソフトウェアのセットアップを行うには、次の手順に従います。

  1. 図12 に示すように、EVAL-CN0548-ARDZ を EVAL-ADICUP3029 プラットフォーム・ボードの上に接続します。
  2. 用意した micro USB ケーブルで EVAL-ADICUP3029 を PC に接続します。
  3. PC 上で、事前構築した.hex ファイルを DAPLINK ドライブにドラッグ・アンド・ドロップします。最新の hex ファイルについては、ユーザ・ガイドを参照してください。
  4. 3029_RESET ボタンを押すか、USB プラグを外して再挿入することで、ADICUP3029 をリセットします。
  5. デバイス・マネージャ(Windows)または TTY デバイス・ファイル(Linux)を使用して EVAL-ADICUP3029 COM ポートを決定します。
  6. Python スクリプト例の CN0548_simple_plot.py を開きます(スクリプトの場所についてはユーザ・ガイドを参照してください)。画面の指示に従い、ジャンパをセットアップし COM(または tty)ポート番号を入力します。
  7. 電圧検出測定には、バナナ・コネクタを図 13 と図 14 に示すように DC 主電源に接続します。出力電圧値を 5.99V~6Vに、電流制限値を 3.9A~4A に設定します。
  8. 電流検出測定には、バナナ・コネクタを図 17 と図 18 に示すように DC 主電源に接続します。

図 12. ホスト・コンピュータの接続
図 12. ホスト・コンピュータの接続

電圧測定テストのセットアップ

EVAL-CN0548-ARDZ のテストは、ユニポーラ・モードでは 0~40V の入力電圧範囲、バイポーラ・モードでは−40~+40V の入力電圧範囲を、100mV ステップで掃引して行いました。EVALCN0548-ARDZ ボードの読出し値は、図 13 と図 14 に示すように、Keithley DMM7510 7-1/2 桁マルチメータと比較しました。LT1997-2 の減衰は 20 に設定し、AD7798 および LT1997-2 の電圧リファレンスは、ユニポーラ電圧測定モードでは 0V、バイポーラ電圧測定モードでは 2.048V に設定しています。

図 13. 電圧入力テストのセットアップ
図 13. 電圧入力テストのセットアップ
図 14. 電圧入力テストのセットアップ写真
図 14. 電圧入力テストのセットアップ写真

ユニポーラおよびバイポーラ電圧テストの結果

図 15 と図 16 に 3 つの別々の CN0548 ボードからの未補正出力を示します。これらの結果は、LT1997-2、LT6657、AD7798 の各精度仕様と整合しています。伝達関数の非線形な「ステップ」は、LT1997-2 が「オーバーザトップ」モードに入るポイントです。

図 15. ユニポーラの精度(未キャリブレーション)
図 15. ユニポーラの精度(未キャリブレーション)

図 16. バイポーラの精度(未キャリブレーション)
図 16. バイポーラの精度(未キャリブレーション)

電流測定テストのセットアップ

EVAL-CN0548-ARDZ のテストは、ユニポーラ・モードでは 0A~9A の入力電流範囲、バイポーラ・モードでは−9A~+9A の入力電流範囲を、100mA ステップで掃引して行いました。EVAL-CN0548-ARDZ ボードの読出し値は、図 17 と図 18 に示すように、Keithley DMM7510 高分解能 7½桁マルチメータと比較しました。

 

図 17. 電流入力テストのセットアップ
図 17. 電流入力テストのセットアップ

 

 

図 18. 電流入力テストのセットアップ写真
図 18. 電流入力テストのセットアップ写真

 

ユニポーラとバイポーラの電流測定テスト結果

図 19 と図 20 に 3 つの別々の CN0548 ボードの未補正精度を示します。ゲイン誤差は、電流検出抵抗の±1%の許容誤差が主要因となっています。

 

図 19. ユニポーラ電流の測定誤差
図 19. ユニポーラ電流の測定誤差

 

 

図 20. バイポーラ電流の測定誤差
図 20. バイポーラ電流の測定誤差

 

製品サンプル

評価用ボード

表示されている価格は、1個あたりの価格です。

analog.comサイトから購入できるボードは、最大で2枚までとなります。3枚以上の購入をご希望の場合は、正規販売代理店からご購入ください。

価格は1個当たりの米ドルで、米国内における販売価格(FOB)で表示されておりますので、予算のためにのみご使用いただけます。 また、その価格は変更されることがあります。米国以外のお客様への価格は、輸送費、各国の税金、手数料、為替レートにより決定されます。価格・納期等の詳細情報については、弊社正規販売代理店または担当営業にお問い合わせください。なお、 評価用ボードおよび評価用キットの表示価格は1個構成としての価格です。