「ADALM1000」で、SMU の基本を学ぶ

アナログ・ダイアログの 2017 年 12 月号では、アクティブ・ラーニング・モジュール「ADALM1000」を紹介しました。この製品は、基本的には SMU(ソース・メジャー・ユニット) として機能します。今回は、このADALM1000 を使用した基本的な測定方法について説明します。なお、ADALM1000 に関する前回の記事には、こちらからアクセスしてください。

図 1 . ADALM1000 のブロック図
図 1 . ADALM1000 のブロック図

それでは、1 つ目の実験から始めましょう。

トピック 1: 電圧と電流の分割

目的

この実験の目的は、抵抗ネットワークにおける電圧と電流の分割について、それぞれの性質を確認することです。電圧の分割、電流の分割は、それぞれ分圧、分流とも呼びます。

背景

電圧や電流の分割を活用すれば、回路の解析を簡素化することが可能になります。例えば、分圧については、直列に接続した抵抗の両端の電圧のうち、いずれか 1 つの抵抗の両端でどれだけが降下するのかを求めることができます。例えば、図 2 の回路では、分圧について以下のような式が成り立ちます。

数式1

数式2

図 2 . 電圧の分割が生じる回路
図 2 . 電圧の分割が生じる回路

一方、分流については、並列に接続された抵抗に流れる全電流のうち、1 つの抵抗にどれだけが流れるのかということを求めることができます。

図 3 . 電流の分割が生じる回路
図 3 . 電流の分割が生じる回路

図 3 の回路では、分流について次のような式が成り立ちます。

数式3

数式4

準備するもの

  • ソフトウェア・モジュール「ALICE」をインストールした ADALM1000(稿末の注記を参照)
  • いくつかの抵抗: 470 Ω 、1 kΩ、4.7 kΩ、1.5 kΩ

手順

1. 分圧を確認します:

  1. 図 2 に示すような回路を構成します。R1 = 4.7kΩ、R2 = 1.5 kΩ に設定し、電圧源 VS として 5 V の固定電源を使用します。
  2. ALICE のデスクトップ・ツールを使い、AWG(任意波形発生器)のチャンネル A 、B を Hi-Z(ハイ・インピーダンス)モードにして電圧 V1 と V2 を測定します。残りの設定は、この時点では重要ではありません。「Curves」のドロップダウン・メニューにおいて「CA-V」、「CB-V」、「CA-I」、「CB-I」のトレースを選択して波形を表示します。なお、「All」をクリックすることで、4 つすべてのトレースを選択することも可能です。
    図 4 . ALICE のドロップダウン・メニュー
    図 4 . ALICE のドロップダウン・メニュー

    CA Meas」と「CB Meas」のドロップダウン・メニューにおいて、「-CA-V-」と「-CB-V-」のセクションにある「Avg」を選択し、各チャンネルの平均電圧を表示します。その状態で緑色の「Run」ボタンをクリックし、測定を開始します。メイン・グリッドの下に測定値が表示されます。

    図 5 . メイン・グリッド
    図 5 . メイン・グリッド

    続いて、R1 = R2 = 4.7 kΩ に設定します。そのうえで上記のステップを繰り返して測定値を記録します。

  3. それぞれのケースについて、式(1)と式(2)を使って、電圧 V1 と V2 の値を求めます。
  4. ステップ 1 の b)、c)の結果を比較します。

2. 分流を確認します:

  1. 図 3 に示すような回路を構成します。R1 = 470 Ω、R2 = 1 kΩ、RS = 470 Ω に設定します。
  2. ALICE のデスクトップ・ツールを使って、電流 IS、I1、I2を測定します。チャンネル A のジェネレータの出力を電圧源 VS として接続します。「CHA」を 5 Vの DC 電圧源として設定します。チャンネル B を電流計として使用し、R1 と R2 の低い方の端子を 0 Vに設定したチャンネル B に接続することで、I1 と I2 を交互に測定します。
    図 6 . I1 と I2 の測定方法
    図 6 . I1 と I2 の測定方法

    各チャンネルの平均電流を表示するために、「Meas」のドロップダウン・メニューにおいて「-CA-I-」と「-CB-I-」のセクションにある「Avg」を選択します。

    図 7. 「Meas」のドロップダウン・メニュー
    図 7. 「Meas」のドロップダウン・メニュー

    続いて、R1 = R2 = 470 Ω に設定します。そのうえで上記のステップを繰り返し、測定値を記録します。

  3. 式(3)と式(4)を使って電流 I1 と I2 を求めます。
  4. ステップ 2 の b)、c)の結果を比較します。

問題

  1. 測定結果と計算結果をじっくりと比較し、違いを説明してください。
  2. 図 8 に示した回路の I1 と I2 を求めるための分流の式を示し、簡単に説明してください。
図 8. 回路の例
図 8. 回路の例

注記

ALM1000(ALICE Software Suite)を使用する記事では、本稿と同様に、ALM1000 によるコネクタの接続やハードウェアの設定を行う際、以下のような用語を使用することにします。まず、緑色の影が付いた長方形は、ADALM1000 が備えるアナログ I/O のコネクタに対する接続を表します。アナログ I/O チャンネルのピンは「CA」または「CB」と呼びます。電圧を印加して電流の測定を行うための設定を行う場合には、「CA-V」のように「-V」を付加します。また、電流を印加して電圧を測定するための設定を行う場合には、「CA-I」のように「-I」を付加します。1 つのチャンネルをハイ・インピーダンス・モードに設定して電圧の測定のみを行う場合、「CA-H」のように「-H」を付加して表します。

同様に、表示する波形についても、電圧の波形は「CA-V」と「CB-V」、電流の波形は「CA-I」と「CB-I」のように、チャンネル名と V(電圧)、I(電流)を組み合わせて表します。

本稿の例では、ALICE の Rev 1.1 を使用しています。

同ツールのファイル(alice-desktop-1.1-setup.zip)は、こちらからダウンロードすることができます。

ALICE は、次のような機能を提供します。

  • 電圧/電流波形の時間領域での表示、解析を行うための 2 チャンネルのオシロスコープ
  • 2 チャンネルの AWG の制御
  • 電圧と電流のデータの X/Y 軸プロットや電圧波形のヒストグラムの表示
  • 2 チャンネルのスペクトル・アナライザによる電圧波形の周波数領域での表示・解析
  • スイープ・ジェネレータを内蔵したボーデ・プロッタとネットワーク・アナライザ
  • インピーダンス・アナライザによる複雑な RLC 回路網の解析、RLC メーター機能、ベクトル電圧計機能
  • 既知の外付け抵抗または 50 Ω の内部抵抗に関連する未知の抵抗の値を測定するための DC 抵抗計
  • 2.5 V の高精度リファレンス「AD584」を利用して行うボードの自己キャリブレーション。同リファレンスはアナログ・パーツ・キット「ADALP2000」に含まれている
  • ALICE M1K の電圧計
  • ALICE M1K のメーター・ソース
  • ALICE M1K のデスクトップ・ツール
図 9. ALICE Rev 1.1 のデスクトップ・メニュー
図 9. ALICE Rev 1.1 のデスクトップ・メニュー

詳細についてはこちらをご覧ください。

注)このソフトウェアを使用するには、PC にADALM1000 を接続する必要があります。

著者

Doug Mercer

Doug Mercer

Doug Mercerは、1977年にレンセラー工科大学で電気電子工学の学士号を取得しました。同年にアナログ・デバイセズに入社して以来、直接または間接的に30種以上のデータ・コンバータ製品の開発に携わりました。また、13件の特許を保有しています。1995年にはアナログ・デバイセズのフェローに任命されました。2009年にフルタイム勤務からは退きましたが、名誉フェローとして仕事を続けており、Active Learning Programにもかかわっています。2016年に、レンセラー工科大学 電気/コンピュータ/システム・エンジニアリング学部のEngineer in Residenceに指名されました。