計装用アンプの整定時間が原因でデータが不正確になる

集録するアナログデータが、測定する実世界の信号を正確に反映していない可能性があることに注意してください。たとえば、12ビット分解能A/D変換器（ADC）でプラグインデータ収集（DAQ）ボードを使用し、16チャンネルをスキャンして100 kS/sのサンプリングレートで入力する場合、集録されたデータは12ビット確度ではない可能性があります。DAQボードが回収したデータは、損失がないためエラーなしとして表示されますが、回収されたデータは指定されたADC確度内に収まらない可能性があります。これは、プラグインDAQボードを使用する際の重要な注意事項である計装用アンプの整定時間の結果です。

アンプの整定時間による誤差を低減するには、2つの方法があります。 

• すべてのサンプリングレートとゲインで整定することが保証されている計装用アンプ付きのDAQボードを選択してください。
• サンプリングレートを下げる

整定時間とは、増幅された信号が特定の確度に達し、指定された確度範囲内に収まるために必要な時間です。整定時間がDAQシステムに与える影響を図1のブロックダイアグラムで見てみましょう。以下のブロックダイアグラムは、アナログデータをコンピュータに集録するために必要なDAQボードの主要コンポーネントを示します。

• マルチプレクサ (mux)
• 計装用アンプ
• サンプリングADC
• 先入れ先出し (FIFO) バッファ

図1.プラグインDAQボードの主なコンポーネント

測定される実世界信号は、最初にマルチプレクサを介して特定のチャンネルから経路設定されます。その後、信号は計装用アンプに入ります。計装用アンプは、入力信号に特定のゲインを適用し、信号を高いレベルに上げ、適切なA/D変換を行います。また、ADCがデータを正しくデジタル化できるように、アンプはDAQボードに印加された差動入力信号をシングルエンド出力に変換します。その後、ADCは信号をサンプリングし、信号がデジタル化されてボードのFIFOバッファに配置されるまで保持します。FIFOでは、デジタル化された信号はPCバスを介してボードからコンピュータのメモリに転送され、さらに処理されます。

プラグインDAQボードを使用する場合、ADCの確度を維持しながら信号をより高いレベルに増幅するために必要な時間（つまり計装用アンプの整定時間）は重要な問題です。計装用アンプは、A/D変換が行われる前に整定する必要があります。整定しないと、データが不正確になります。アンプが整定しない場合、デジタル化された電圧は集録しようとした実際の電圧信号よりも高いか低い値になります。

整定時間は、計装用アンプのさまざまな要因によるものです。標準的な抵抗-キャパシタンス（RC）ローパスフィルタ回路設計を検討します。RC回路に電圧ステップを適用する場合、図2に示すように、信号が希望の電圧の割合以内に立ち上がり、整定するまで一定の時間が必要です。このVのパーセンテージは確度の範囲であり、信号が指定範囲内に入るまでの時間が整定時間です。

図2.標準RC回路の整定時間

図3に、標準的な計装用アンプの整定時間特性を示します。信号が許容範囲内の確度の範囲で立ち上がり、振動し、安定することに注目してください。この場合も、信号が確度範囲内に入るまでの時間が整定時間です。

図3.計装用アンプの整定時間

概念を理解するには、アンプの整定時間とバネ質量システムの整定時間を比較します。図4aは、静止状態で質量がぶら下がっているバネを示しています。図4bは、図4cのように、質量が解放されると跳ね返るようにバネを伸ばした状態を示しています。図4dのように、バウンス距離が静止位置の指定範囲内または許容範囲内に減少すると、システムは整定したとみなされます。バネが解放されてから、バネの跳ね返りが目的の可動範囲まで減少するまでの時間が整定時間です。

図4.ばね質量システムの整定

バネ質量システムの整定とアンプの整定時間の類似点に注目してください。アンプがゲインを適用し、信号が必要な値に変更されると、信号が許容範囲内の確度に達するまで一定の時間が経過します。この時間は、バネ質量システムがバウンスを許容範囲内に減少させるのにかかる時間に似ています。

以下のセクションでは、DAQボードの整定時間を決定する2つの方法 (DC信号とAC信号) について説明します。

DC信号整定時間テスト

図5は、2つのDC信号がDAQボードに接続されているDC信号テストを示しています。テストを実行するには、±信号をチャンネル1と2にそれぞれ接続します。入力信号は、高ゲインが印加されている場合、DAQボードのフルスケール入力レンジに近く、かつ超えないようにしてください。たとえば、±0.048 V入力のゲインが100の場合、4.8 V信号となり、ボードのフルスケール値より0.2 V小さくなります。このテストを実行する際は、フルスケール値以上の信号を入力しないでください。これは、アンプが飽和して整定時間が長くなる可能性があるためです。次に、各チャンネルに対して少なくとも100ポイントのシングルチャンネルタイミングデータ収集を完了し、結果を平均して正と負の基準電圧を取得します。図5では、これらの基準電圧はVREFおよび-VREFとラベル付けされたラインで表されます。

基準値を個別に集録した後、2つのチャンネルの最大サンプリングレートで100ポイントを集録し、チャンネル間で交互にサンプリングします。これはチャンネルスキャンとも呼ばれます。図5は、これらのポイントを基準電圧ライン付近のドットとして示しています。

ここでもデータを平均化します。この平均を使用して、最大サンプリングレートでの整定時間誤差を計算します。図5では、正のデータの平均は0.04 V、負のデータの平均は-0.048 Vです。

誤差を計算するには、基準電圧とスキャンデータの正と負の平均間の最大偏差を計算します。つまり、正と負の基準電圧から平均スキャンデータを減算し、絶対値の最大値を使用します。この偏差は、最大サンプリングレートにおける電圧の整定時間誤差の量です。図5の例では、正と負の偏差はそれぞれ0.01 Vと-0.002 Vで、最大整定時間誤差は0.01 Vです。

図5.DC信号整定時間テスト

ボードが指定された確度になるまで、異なるサンプリングレートとゲインでこのプロセスを繰り返します。誤差を時間に対する最下位ビット (LSB) でプロットするには、最大偏差の絶対値を1 LSBに等しい電圧で除算します。たとえば、図5では、

（ゲイン100）したがって、図5の0.01 Vの誤差は409.8 LSBです。サンプリングレートを反転して、特定の誤差の整定時間を計算します。たとえば、100 kS/sのサンプリングレートでは、整定時間は10 µsです。プロットが完了したら、プロットを指定されたボード確度と比較し、ボードが指定された確度になるまでにかかる時間を確認します。

AC信号整定時間テスト

図6は、AC信号テストを示しています。図6では、フルスケール低周波数AC信号がチャンネル1に、チャンネル2がグランドに接続されています。図6の上のグラフに示すように、両チャンネル間のサンプリング（スキャン）を最大サンプリングレートで交互に行い、下のグラフに示すように、チャンネル2からのデータに対して高速フーリエ変換（FFT）を実行すると、アンプが正しく整定したかどうかを確認できます。

図6のように、チャンネル1入力信号の周波数でFFTプロットに大きなスパイクが表示された場合、アンプは完全に整定しませんでした。スパイクの大きさは電圧誤差の量で、対応する整定時間はサンプリングレートの逆数です。高周波数の入力信号を使用すると、チャンネル2スペクトルの整定時間誤差と同じように見えるクロストークが発生する可能性があります。

 メモ:クロストークは、信号およびキャパシタンスが近接することによって発生する自然現象で、信号の不要な結合の原因となります。すべてのDAQボードには、クロストークの基準があります。

図6. AC信号整定時間テスト

異なるサンプリングレートとゲインでこのプロセスを繰り返し、アンプの整定速度と誤差量を確認します。FFTプロットのスパイク振幅を最小化すると、アンプは正しく整定します。このプロセスを使用して、DAQボードでデータを正確に集録できるサンプリングレートとゲインを決定できます。

ゲイン、多重化、ソース出力インピーダンス、伝送ラインの抵抗とキャパシタンスはすべて整定時間に影響します。通常、ゲインと整定時間は直接的な関係があります。増幅中、帯域幅の減少と信号分解能の向上により、計装用アンプのゲインが高くなると整定に時間がかかります。

複数のチャンネルがスキャンされると、多重化により整定時間が長くなります。 異なるDC値で複数のチャンネルを高速に切り替えると、計測器アンプへの高周波入力が発生します。 マルチプレクス中の計測器アンプ入力の例を図7に示します。 

図7.42 DC信号をマルチプレクスする場合、入力から計装用アンプ

計装用アンプは、入力に電圧が印加されると整定に時間がかかります。 アンプの整定時間よりも速いレートでチャンネルが切り替えられ、サンプリングされると、読み取り値が不正確になります。 この問題は、隣接するチャンネル間の電圧差が大きい場合に顕著になります。

高ソースインピーダンスの入力チャンネルを多重化すると、アンプの整定時間が長くなります。 ソースの高インピーダンスと、スイッチング中のマルチプレクサ固有のキャパシタンスによる充放電は、複数チャンネルのスキャン時にさらに不正確になる可能性があります。マルチプレクサから放電される電流がグランドを捜し求めると、電流は高インピーダンスソースを通過し、電流と高インピーダンスソースが組み合わさって電圧が生成されます。この電圧は元の信号に追加され、不正確なデータとなります。

高インピーダンスソースを使用する場合、伝送ラインの影響も整定時間に影響します。ケーブルのキャパシタンスに関連する充電により、システムの整定時間が長くなります。ケーブルキャパシタンスの結果は、ケーブルに小さなローパスフィルタが取り付けられ、充放電に時間がかかるため、信号のスループットが低下するのと似ています。

分解能ADCは同じで計装用アンプが異なる2つのDAQボードの性能を比較すると、整定時間の違いによって生じる大きな差異に気付くでしょう。図8および9は、ナショナルインスツルメンツのマルチファンクションプラグインDAQボード（1つのボードには市販の計測用アンプ、もう1つのボードにはNI-PGIA™）のDC信号整定時間テストの結果を示しています。図8および9のグラフを作成するために、±0.048 Vの信号をゲイン100で各ボードのチャンネル1および2に入力し、サンプリングレートを調整して整定時間の影響を観察しました。

図8.市販の計装用アンプを使用したボードのDC整定時間テスト

図9.NI-PGIAを使用したボードのDC整定時間テスト

図8の生成に使用される低コストボードには、市販の計装用アンプが含まれています。このアンプの誤差範囲からわかるように、ボードは、指定された確度である0.5 LSBに整定するのに16～17 µsかかりました。図9の生成に使用される高精度、高性能ボードには、整定時間の問題を解決するためにナショナルインスツルメンツがプラグインDAQボード用に特別に設計したNI-PGIA計装用アンプが含まれています。低コストボードのアンプよりもNI-PGIAの整定が速いことに注目してください。

図10は、NI-PGIAの整定時間と市販の計装用アンプの整定時間を比較したものです。NI-PGIAの12ビット確度は、DC信号テストでも判明した標準の計装用アンプの約5倍です。

NI-PGIAは、2 µs以内に12ビット確度に整定するように特別に設計されているため、標準の市販計装用アンプとは異なります。NI-PGIAの高精度と低整定時間は、プログラムされたゲインに関係なく1に近い閉ループゲインで動作する入力オペアンプ（オペアンプ）によるところが大きいです。これは、プログラムされたゲインが増加するにつれて増加する閉ループゲインで動作するほとんどのオペアンプとは異なります。

NI-PGIAの設計では、ゲインが増加しても帯域幅と線形性は比較的一定に保たれます。したがって、整定時間は最大ゲイン100でも2 µsの範囲内です。非線形性は100万分の1（ppm）で、NI-PGIAのゲイン誤差は±0.02%です。ゲイン誤差の変動は、主にNI-PGIAのゲイン設定抵抗の比率整合によるものです。抵抗の主な機能は、入力信号に適用するNI-PGIAゲインを設定することです。

通常、多くの計装用アンプのDCコモンモード除去比（CMRR）はゲインが減少すると低下しますが、NI-PGIAのDC CMRRはゲインにほとんど依存しません。ほとんどの標準計装用アンプと同様に、NI-PGIA AC CMRRは内部浮遊キャパシタンスにより低ゲイン劣化を示します。NI-PGIAは、差動入力信号をシングルエンド信号に正確に変換するトランスコンダクタンス設計を採用しているため、計装用アンプ内で適切に整合された抵抗を使用する必要がなく、NI-PGIAの高精度に貢献します。

整定時間を短縮する最も効果的な方法は、すべてのゲインおよびレートで必要な確度まで整定することが保証されている計装用アンプ付きのDAQボードを使用することです。計装用アンプは整定時間遅延が発生する場所であるため、最も正確なデータを集録するには、優れた計装用アンプを搭載したボードを選択してください。たとえば、ナショナルインスツルメンツのAT-MIO-16F-5およびAT-MIO-64F-5ボードにはNI-PGIAが搭載されており、ソースインピーダンスを低く維持すれば整定時間に影響されることなく、任意のゲインでサンプリングを行うことができます。

特別な計装用アンプのないDAQボードがすでにある場合、整定時間によるデータ集録への影響を低減する方法がいくつかあります。ただし、これらのテクニックは、すべてのレートとゲインで必要な確度まで整定することが保証されている計装用アンプを搭載したボードを使用した場合ほど効果的ではありません。

整定時間の影響を処理する方法の1つとして、図11に示すように、連続チャンネルスキャンまたは間隔チャンネルスキャンのどちらを使用するかに応じて入力信号を特別に調整する方法があります。すべてのアプリケーションで信号配置が不可能な場合もありますが、この方法を最初に検討してください。

各チャンネル間で同じ時間経過しながらチャンネルをできるだけ速く連続的にスキャンするには、各チャンネル間の電圧振幅が一定になるように信号を配置することを検討してください。ただし、チャンネルシーケンスを再度サンプリングする場合は、アンプの整定時間を確保するために最初のチャンネルを2回サンプリングする必要があります。最初のチャンネルサンプルを繰り返すことで、アンプは電圧の最大振幅を補正するために必要な時間を確保します。

間隔スキャンでは、最初のチャンネルのサンプルを再度開始する前に、できるだけ速くすべてのチャンネルをスキャンします。このタイプのスキャンでは、最後にサンプリングされたチャンネルと最初のチャンネルサンプルの繰り返しの間にチャンネルで最大の電圧変動が発生するため、アンプに余分な要件なしで整定する時間を与えることができます。

図11.間隔および連続チャンネルスキャンの信号配置

適切なケーブル素材を選択することで、整定時間の影響を低減することもできます。ケーブルにはキャパシタンスがあるため、ケーブル接続も重要です。充電および放電に関連する遅延時間のため、キャパシタンスの大きいケーブルは選択しないでください。ケーブルのキャパシタンスを減らすには、ケーブルの長さをできるだけ短くし、ポリプロピレンなどのキャパシタンスの低い誘電体素材のケーブルを選択します。

整定時間の影響を低減するための最後のテクニックは、サンプリングレートを下げて出力インピーダンスの低いソースを選択することです。サンプリングレートを下げると、計装用アンプに必要な確度まで整定する時間が与えられます。ただし、サンプリングレートを最大入力周波数の2倍未満に下げると、波形が過小にサンプリングされ、データが不正確になります。

低出力インピーダンスのデバイスを使用できない場合は、ボード入力のバッファとして機能する低出力インピーダンスの信号調節モジュールまたはアンプを使用できます。このバッファは通常ユニティゲインバッファまたは電圧フォロワと呼ばれ、マルチプレクサは高インピーダンスソースから低インピーダンス信号を受信できるため、整定時間の影響を低減できます。

アンプが周波数要件に対して十分な速度で整定しない場合は、必要なサンプリングレートで整定する別のDAQボードを選択する必要があります。

整定時間に関して適切なDAQボードを選択するには、いくつかの重要な課題があります。まず、アプリケーションで必要な最大サンプリングレートとゲインを決定します。仕様範囲内に収まるDAQボードを選択する必要があります。DAQボードがすでにある場合は、DCまたはAC整定時間テストを実行してボードの整定時間を確認します。

DAQボードの制約を理解した後、信号の出力インピーダンスを検討し、チャンネル間の電圧変動を最小限に抑えるために、可能であれば信号を配置します。最後に、低抵抗およびキャパシタンスでできるだけ短いケーブルを選択します。これらのガイドラインを使用することで、整定時間に関するすべての問題を解決し、集録されたデータが正確であることを確信できます。

• アナログの基礎についての詳細