CN0554

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。

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。

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 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。

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。

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。

ここで、
f_signalは、発生するディザ信号の周波数、
f_PWM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 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。

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。

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 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 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。

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 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。

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。

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。