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 3.71 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-CN0554-RPIZ ($133.75) ±10 V Analog Input and ±15 V Analog Output for Raspberry Pi Platforms
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。

LTC2688 No-OS Device Driver

LTC2688 Linux Device Driver

AD7124 IIO Sigma-Delta ADC Linux Driver

AD7124 No-OS Software

機能と利点

  • 8個の疑似差動入力または16個のシングルエンド入力
  • ±13Vまで選択可能な入力電圧範囲
  • 16個のシングルエンド出力
  • ±15Vまで可能な出力
  • 電源レールはすべてRaspberry Piで供給

回路機能とその特長

世界がデジタル化への道を歩み続け、コンピュータの能力やデジタル機能がますます重要になっている一方、環境を計測したり現実世界のデバイスと相互作用したりするには、依然としてアナログ機能が必要です。デジタル領域とアナログ領域の境界で処理を行うために、多くの産業、計測、自動化アプリケーションへの適用を考慮されたプロセッサには、ミックスドシグナルの入出力を備え、またより多くのソフトウェア・プログラマブル・レンジを処理できることが求められます。

図 1 に示す回路は、柔軟なマルチチャンネルのミックスドシグナル・アナログ入出力(I/O)モジュールです。16 個のシングルエンド・アナログ出力は、0V~5V、±5V、0V~10V、±15V のレンジがソフトウェアで設定可能です。また、8 チャンネルの完全差動アナログ入力は、0V~2.5V、±13.75V、0V~27.5Vの入力レンジがハードウェアで選択可能です。

回路は Raspberry Piの上面に直接取り付けるよう設計されているため、広く用いられているこのシングル・ボード・コンピュータにアナログ I/O インターフェースを提供することができます。ソフトウェア制御は、Linux の産業用入出力(I/O)フレームワークを介して行うことができるため、C、C#、MATLAB、Python などの言語に対応した、デバッグ/開発ユーティリティやクロスプラットフォーム・アプリケーション・プログラミング・インターフェース(API)のホストとなることができます。

ソフトウェアは、Raspberry Pi 上でローカルに実行することも、有線またはワイヤレスのネットワーク接続を介してリモートで実行することも可能です。モジュールの 5V 電源は、Raspberry Pi のインターフェース・コネクタを通じて供給されるため、電源を追加する必要はありません。これらの特長によって、ローカルおよびリモートの低消費電力高精度アナログ I/O アプリケーション向けに最適なシステムを構築できます。

 

図 1. CN0554 の簡略化したブロック図
図 1. CN0554 の簡略化したブロック図

 

回路説明

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。

CN0554 は、高精度アプリケーション向けのフル機能アナログI/O システムを可能にします。回路は、A/D 変換(ADC)部とD/A 変換(DAC)部の 2 つの主要部分に分割できます。

アナログ入力

CN0554 は、オンボードの LT5400 外付け整合抵抗ネットワークを通じて減衰した入力に対して最大で 11 倍の電圧のアナログ入力レンジを実現します。このデバイスではジャンパの選択によりアナログ入力電圧レンジを増加します。

表 1 に、CN0554 の全ジャンパ選択とそれに対応するアナログ入力電圧レンジを示します。

表 1. アナログ入力範囲
Jumper Configuration Input Range
Short Pins 1 and 3,
and Pins 2 and 4
±13.75V
Short Pins 3 and 5,
and Pins 2 and 6
0 V to 27.5 V
No Connection 0 V to 2.5 V

A/D 変換

CN0554 は、設定可能なアナログ入力を備えた 24 ビット Σ-Δ ADC AD7124-8 を用いることを特色としています。8 チャンネルの完全差動入力または 16 チャンネルのシングルエンド入力が、プログラマブル・ゲイン、フィルタ設定、出力データ・レートなどと共に、ソフトウェアで設定できます。

外部電圧リファレンスは、AD7124-8 の内部バンドギャップ・リファレンスを用いるか、高精度低消費電力低ノイズ電圧リファレンスである ADR4525 の 2.5V 出力を用いるかを、ジャンパにより選択できます。リファレンス電圧のドリフトは ADC の精度に直接影響するため、CN0554 では外部リファレンスを用いています。内部リファレンスに比べ温度ドリフト性能が優れているためです。

AD7124-8 の Σ-Δ アーキテクチャは、小信号センサー測定において、また更には工業環境などのノイズの多い環境においても、高い分解能とノイズ除去性能を示します。出力データ・レートは、1.17SPS~19.2kSPS の範囲で設定可能で、これに対応して測定分解能は 24nV rms~72µV rms となります。またいくつかのフィルタ・モードが利用できます。これにより、CN0554 の分解能、データ・レート、ノイズ除去性能を、広範なアプリケーションに対して最適化できます。

D/A 変換

CN0554 は、電圧出力 DAC LTC2688 を用い、16 個のシングルエンド 16 ビット・アナログ出力を備えています。各チャンネルは、最大 20mA の電流を入出力できるレール to レール出力バッファを内蔵しています

LT8582 は LTC2688 に±18V の電源レールを供給し、これによりDACは最大±15Vのアナログ出力レンジを十分に活用できます。各チャンネルの出力レンジは、表 2 に示す 5 つのレンジに個別に設定できます。電圧リファレンスは、内部の 4.096V を用いるか、または ADC 用の ADR4525 2.5V リファレンスを用いるかを、ソフトウェアにより設定できます。各チャンネルは、5%のオーバーレンジにも対応します。

表 2. 電圧出力レンジのスケーリング
Output Range Scaling Internal Reference
(VREF = 4.096 V)
External Reference
(VREF = 2.5 V)
0 V to 5 V × (VREF / 4.096) 0 V to 5 V 0 V to 3.05 V
0 V to 10 V × (VREF / 4.096) 0 V to 10 V 0 V to 6.10 V
±5 V × (VREF / 4.096) ±5V ±3.05V
±10 V × (VREF / 4.096) ±10V ±6.10V
±15 V × (VREF / 4.096) ±15V ±9.15V

トグルおよびディザ機能

CN0554 は、トグルとディザの両機能をサポートします。トグル機能では、SPI トランザクションを用いることなく、DAC 出力を 2 つの異なる DAC コード間で高速に切り替えることができます。そのため、通信のトランザクションは不要となります。トグル機能の例としては、微小な DC バイアスを除去することや、オン状態とオフ状態を独立して切り替えることが挙げられます。

ディザリングは高精度アプリケーションにおける量子化誤差を除去するもので、非直線性を複数の出力コードに広げることによって行われます。この機能は、信号の平均 DC 値を中心として AC 信号を重ねることが必要な多くのアプリケーションにおいて有用です。1 つの例は光学アプリケーションで、この場合、光経路の2 次特性が微小AC信号に対する応答によって測定できます。更に、ディザによって、スプール・バルブなどの機械システムでの静止摩擦が低減できるため、スプールの位置が変わった場合の応答速度が向上できます。

トグル動作


図 2 に示すように、各チャンネルがトグル動作に対応しており、ソフトウェアで設定された 2 つの値の間における出力電圧の切替えを制御できます。この切替えは、トグル信号によって制御されます。この信号は、Raspberry Pi から供給された 3 種類の外部デジタル入力(TGP0、TGP1、TGP2 と記しています)のいずれか、または内蔵のソフトウェア制御レジスタから供給されます。3 種のデジタル信号のうちの 2 つ、TGP0 および TGP1 は、Raspberry Pi のデジタル出力に接続され、パルス幅変調(PWM)をサポートします。

図 2. トグル動作とディザ動作のブロック図
図 2. トグル動作とディザ動作のブロック図
 

図 3 は、CN0554 が実行するトグル動作の一例を示すものです。出力電圧は、トグル・ピンに応じてゼロスケールとフルスケールの間を上下し、ピーク to ピーク電圧の測定値は 1kHz で 33.0Vです。

 

図 3. ゼロスケールからフルスケールへの出力電圧トグル
図 3. ゼロスケールからフルスケールへの出力電圧トグル

 

ディザ動作


CN0554 では、各チャンネルが、アナログ出力にサイン波ディザ信号を付加するディザ動作をサポートしています。このサイン波は、式 1 から導かれる値からなるルックアップ・テーブルを用いて生成されます。

 

数式1

 

ここで、
n = 0, 1, 2, … N − 1、
N は信号周期、
φ0は、信号位相角の初期値です。 

CN0554 では、ディザ信号の振幅、周期、位相角が設定可能です。

ディザ信号の振幅はソフトウェアで設定でき、その範囲は 0 から設定最大出力電圧の 25%までです。

ディザの周波数を設定するには、ディザ・クロック入力が必要で、これは、Raspberry Pi から供給される 3 つの外部デジタル入力 TGP0、TGP1、TGP2 のいずれかを選択できます。外部入力のうち TGP0 および TGP1 の 2 つは、PWM 機能を持つ Raspberry Piのデジタル出力に接続されているため、クロック周波数が容易に設定できます。

ディザ信号の周波数は、ディザ・クロック入力をソフトウェア設定可能な分周器で 4、8、16、32、または 64のいずれかに分周して設定されます。したがって、発生するディザ信号の周波数は、式 2 を用いて計算できます。

 

数式 2

 

ここで、
fsignalは、発生するディザ信号の周波数、
fPWMは、PWM クロック周波数、
N は分周数です。

ディザの位相角は、0、90、180、270 の 4 通りの値に設定できます。これらのすべてのパラメータにより、ディザリングするDAC チャンネル出力を高精度に制御できます。

図 4 に、最大信号周期時のミッドスケール出力電圧におけるCN0554 のディザ動作例を示します。ディザ・クロックが 1kHzの場合にピーク to ピーク電圧は 15.04V となっています。

 

図 4. 最大信号周期時のミッドスケール出力電圧
図 4. 最大信号周期時のミッドスケール出力電圧

 

図 5 には、最小信号周期時のミッドスケール出力電圧でのディザ動作を示します。ディザ・クロックが 1kHzの場合にピーク toピーク電圧は 17.6V となっています。

 

図 5. 最小信号周期時のミッドスケール出力電圧
図 5. 最小信号周期時のミッドスケール出力電圧

 

システム性能

アナログ入力のノイズ性能


図 6 にミッドスケール入力(5V)でのノイズ特性、図 7 にフルスケール(10V)でのノイズ特性を示します。

 

図 6. ミッドスケール・アナログ入力のノイズ・ヒストグラム
図 6. ミッドスケール・アナログ入力のノイズ・ヒストグラム

 

 

図 7. フルスケール・アナログ入力のノイズ・ヒストグラム
図 7. フルスケール・アナログ入力のノイズ・ヒストグラム

 

アナログ出力のノイズ性能


LT8582 のスイッチング・レギュレータ出力は、バイパスしてフィルタリングすることでノイズを低減できます。図 8 にゼロスケール出力でのAC結合信号ノイズを示します。最小ピークtoピーク・ノイズが 14.4mV であることが示されています。

 

図 8. ADC チャンネルと DAC チャンネルのループバックからのゼロスケール AC 結合ノイズ信号
図 8. ADC チャンネルと DAC チャンネルのループバックからのゼロスケール AC 結合ノイズ信号

 

図 9 には、ミッドスケール出力でピーク to ピーク・ノイズが13.4mV であることを示します 。

 

図 9. ADC チャンネルと DAC チャンネルのループバックからのミッドスケール AC 結合ノイズ信号
図 9. ADC チャンネルと DAC チャンネルのループバックからのミッドスケール AC 結合ノイズ信号

 

図 10 では、このボードがフルスケール出力で発生する最大ピーク to ピーク・ノイズが 17.6mV であることが示されています。

 

図 10. ADC チャンネルと DAC チャンネルのループバックからのフルスケール AC 結合ノイズ信号
図 10. ADC チャンネルと DAC チャンネルのループバックからのフルスケール AC 結合ノイズ信号

 

アナログ出力の直線性


積分非直線性(INL)は、DAC の伝達関数の上下両端を結ぶ直線からの最大偏差(LSB 単位)の測定値を表します。また、微分非直線性(DNL)は、隣接する 2 つのコードの間における測定された変化と理想的な1LSB変化との差を表します。微分非直線性の仕様が±1LSB 以内の場合は、単調増加性が確保されます。

図 11 に、LSB 単位で測定した出力電圧の DNL を示します。これは、1 チャンネルの場合について LTC2688 出力にセットした16 ビットの値と比較したものです。

 

図 11. 出力電圧の微分非直線性
図 11. 出力電圧の微分非直線性

 

図 12 に、LSB 単位で測定した出力電圧の積分 INL を示します。これは、1 チャンネルの場合について LTC2688 出力にセットした 16 ビットの値と比較したものです。

 

 図12. 出力電圧の積分非直線性
図12. 出力電圧の積分非直線性

 

電源アーキテクチャ

CN0554は、Raspberry Piの40ピン・インターフェース・コネクタから直接電力を引き出します。図13 にCN0554の電源ツリーの全体図を示します。

 

図 13. CN0554 の電源ツリー
図 13. CN0554 の電源ツリー

 

2 つの独立したチャンネルからなるスイッチング DC/DC コンバータ LT8582 は、Raspberry Pi からの 5V 電源を昇圧して反転する機能を担います。

LT8582 は、18V と−18V のレールを出力し、これらは ADC とDAC の両方で、必要な電力を供給するために用いられます。CN0554 は、LT8582 のフォルト保護機能を通じて、入力の過電圧および温度過上昇保護も行います。

超低ノイズ、低ドロップアウト・レギュレータのADM7160は、AD7124-8に3.3Vアナログ電源レールを供給します。このレギュレータは、Raspberry Pi のインターフェース・コネクタで 5Vレールから給電されます。AD7124-8 デジタル I/O 電源は、Raspberry Pi の 3.3V レールに直接接続されています。

LT3090 は、−18V レールを−0.1V にレギュレーションし、わずかに負のアナログ電源を AD7124-8 に提供します。これらの電源レールは、入力バッファがイネーブルされている場合でも、アナログ入力の絶対電圧がグラウンドからリファレンス電圧までの全範囲にわたるよう設計されています。

バリエーション回路

AD7124-4 は、シングルエンド・チャンネルが 8 個、差動チャンネルが 4 個となるだけで、AD7124-8 の代わりに使用できます。それにより、余分なチャンネルが不要なアプリケーションでコストを削減できます。

LTC2686 は LTC2688 に対する 8 チャンネルの代替品です。このデバイスは、出力駆動電流が 55mA と高く、また、高容量性負荷を駆動するための補償ピンを備えています。

LT8582 は、必要な出力範囲が 0V~5V だけである場合は、正の5V単電源で置き換えることができます。DACに対する代替電源オプションでは、出力電流のより低い昇圧または反転レギュレータを考慮できます。このボードは、全チャンネルで DAC のフル出力電流をサポートするよう設計されているためです。

もしくは、アプリケーションによっては、低ドロップアウト電圧レギュレータのような昇圧または反転レギュレータの低ノイズのポストレギュレーションを追加することもできます。

回路の評価とテスト

このセクションでは、EVAL-CN0554-RPIZ を評価するためのセットアップと手順を説明します。詳細については、CN0554 のユーザ・ガイドを参照してください。

必要な装置

  • EVAL-CN0554-RPIZ 回路評価用ボード
  • Raspberry Pi 4 Model B
  • HDMI 付きディスプレイ・モニタ
  • マイクロ HDMI-HDMI 変換アダプタ
  • USB キーボードおよびマウス
  • 16GB 以上の SD カード
  • アナログ・デバイセズの Kuiper Linux イメージ
  • 5V、3A USB Type-C 電源アダプタ
  • メス−メス・ループバック・ジャンパ・ケーブル
  • オシロスコープ
  • デジタル電圧計(6 桁以上)

開始にあたって

CN0554 評価用ボードは、デフォルトで、テスト用に適切なシャント位置に設定されています。シャントの位置を確認するには、EVAL-CN0554-RPIZ ユーザ・ガイドを参照してください。

評価テストを実行するには、次の手順に従います。

  1. 図 14 に示すように、EVAL-CN0554-RPIZ を Raspberry Pi に接続します。

 

図 14. Raspberry Pi に取り付けた EVAL-CN0554-RPIZ
図 14. Raspberry Pi に取り付けた EVAL-CN0554-RPIZ

 

  1. Kuiper Linux イメージが格納されている SD カードをRaspberry Pi に挿入します。
  2. 図 15 に示すように、メス−メス・ループバック・ジャンパ・ケーブルを用いて ADC 入力チャンネルと DAC 出力チャンネルを接続します。

 

図 15. ループバック接続を行った EVAL-CN0554-RPIZ のテスト用セットアップ
図 15. ループバック接続を行った EVAL-CN0554-RPIZ のテスト用セットアップ

 

  1. Raspberry Pi からディスプレイ・モニタに HDMI ケーブルを接続した後、キーボードとマウスを USB ポートに接続します。
  2. USB Type-C アダプタを使用して Raspberry Pi に通電し、Raspberry Pi が起動するのを待ちます。

 

図 16. システムのテスト用セットアップ
図 16. システムのテスト用セットアップ

 

  1. IIO Oscilloscope を開き、図 17 に示すように[DMM]タブと[Debug]タブをアンドックします。

 

図 17. IIO Oscilloscope の[DMM]タブと[Debug]タブ
図 17. IIO Oscilloscope の[DMM]タブと[Debug]タブ

 

  1. [DMM]ウィンドウで、デバイスに「ad7124」を選択し、測定チャンネルに、例えば「ad7124-8:voltage0-voltage1」を選択します。「プレイ」ボタンをクリックし、測定を開始します。

 

図 18. IIO Oscilloscope の[DMM]ウィンドウ
図 18. IIO Oscilloscope の[DMM]ウィンドウ

 

  1. [Debug]ウィンドウの[Device Selection]で「ltc2688」を選択します。[IIO Device Attributes]のセクションで、「output voltage1」チャンネルを選択し、「raw 属性」を選択します。値を「32768」に設定し、「Write」をクリックします。これにより、出力電圧が、デフォルト出力レンジ 0V~5V の半分である約 2.5V に設定されます。

 

図 19. IIO Oscilloscope の[Debug]ウィンドウ
図 19. IIO Oscilloscope の[Debug]ウィンドウ

 

  1. DMM の測定値は、デフォルトの入力電圧の減衰の結果である、おおよそ 0.227V または 2.5V の 1/11 になるはずです。

 

図 20. CN0554 アナログ I/O のループバック測定
図 20. CN0554 アナログ I/O のループバック測定