設計の説明

このクックブックでは、フィルタ部品の値を選定する方法と、このフィルタによって生じる完全統合アナログ フロントエンド(AFE) SAR ADCのゲイン誤差およびドリフトを最小限に抑える方法について述べます。この設計は、ADS8588Sの全入力電圧範囲±10Vで入力インピーダンス ドリフトを使用します。この外付けRCフィルタにより、外部ノイズを最小限に抑え、過電圧から保護できます。ゲイン誤差およびドリフトを最小限に抑えることは、多機能リレー、AC アナログ入力モジュール、端子装置などの最終機器にとって重要です。この設計では、較正なし補正係数と2点較正という2つの補正法について述べます。較正を実装することで、外部抵抗に起因するゲイン誤差とデバイスの内部ゲイン誤差の両方を無視できるほど小さく抑えることができます。

仕様

デザイン ノート

1. 低ドリフトを維持し、ゲイン誤差を最小限に抑えるために低ドリフト R_EXT 抵抗を使用します。この設計では温度係数25ppm/℃で許容差±0.1%の抵抗を使用します。
2. 内蔵するプログラマブル ゲイン アンプ (PGA) は 1MΩ の定抵抗性インピーダンスを提供します。
3. 生じる R_EXT 値はそれに起因する誤差に正比例します。
4. システムのオフセット ゲイン誤差を除去するために較正も使用できます。
5. TI プレシジョン ラボ - ADC トレーニング ビデオ シリーズでは、ゲインおよびオフセット誤差の計算方法とこれらの誤差を較正によって除去する方法を説明しています。『Understanding and Calibrating the Offset and Gain for ADC Systems』を参照してください。『Using SPICE Monte Carlo Tool for Statistical Error Analysis』では、モンテカルロ解析を用いて統計的誤差解析を行う方法を説明しています。

部品選定

外付けアンチエイリアシング RC フィルタはノイズを低減し、過電圧から保護します。大きな抵抗値を採用した場合、入力電流はさらに制限されます。また、大きな外部抵抗値は低いカットオフ周波数を実現しますが、これは入力周波数が通常 50Hz または 60Hz であるリレー保護の用途では望ましいことです。さらに、同相ノイズ除去性能を高めるには平衡RCフィルタを構成する必要があり、正負両方の入力経路に整合する外部抵抗を配置します。生じるドリフト誤差を最小限に抑えるには、外部抵抗を 25ppm/℃の低ドリフト抵抗にする必要があります。

1. 希望するカットオフ周波数に応じて高い値の R_EXT を選定します。50Hz または 60Hz の入力信号による高調波を除去するために 320Hz のカットオフ周波数を採用しました。

   R_EXT = 10kΩ

2. C_EXT を選定します。
   

   標準的な容量値に近い値の、C_EXT = 24nF が利用可能です。

ゲイン誤差ドリフトの計算

ここでは、生じるゲイン誤差ドリフトの計算方法を示します。外付けフィルタ抵抗による追加ドリフトは、デバイスの内部ドリフトに比べて小さくなります。

1. 負の最大ドリフト(－25ppm/℃)による実効内部インピーダンスを計算します。
   
2. 正の最大ドリフト(25ppm/℃)による実効外部抵抗を計算します。
   
3. 室温で外部抵抗により生じる公称ゲイン誤差を計算します。
   
4. 最大定格温度で外部抵抗により生じる公称ゲイン誤差を計算します。
   
5. 外部抵抗により生じるゲイン誤差ドリフトを計算します。
   

ADS8588Sの最大ゲイン誤差温度ドリフトは±14ppm/℃であり、生じるドリフト誤差の計算結果より桁違いに大きいため、生じる誤差は無視できるものとなります。外部抵抗により生じる最小ドリフト誤差は、入力インピーダンスの低ドリフト係数(±25ppm/⁰C)と大いに関係があります。

生じるゲイン誤差ドリフトを測定するには、ADCの線形範囲内で全入力電圧範囲から0.5Vのテスト信号を2つサンプリングして印加します。信号は外付けRCフィルタあり/なしで印加し、サンプリングします。この測定を 25℃と 125℃の両方の温度で行います。ゲイン誤差率を求めるには、4 つの特徴的な各テスト条件で理想的な勾配と測定した勾配の誤差を求めて、4 つの特徴的なゲイン誤差率の測定結果を出します。次に、ゲイン誤差を小数点形式に変換し、上記の手順5に従ってRCあり/なしのドリフト(ppm/℃)を計算します。次に、RCあり/なしのドリフトを減算して、生じるゲイン誤差ドリフトを求めます。

未較正補正

未較正補正は、分圧器を使用してADCで測定したサンプルから遡って、RCフィルタにより損失が生じる前の入力電圧を求めるものです。

1. 既知のテスト信号を印加して、等価コードを測定します。

   Vin	コード測定結果	等価入力電圧測定結果
   9.5 V	30841	9.412

2. RC損失前の入力電圧を計算します。
   

未較正補正での測定

電圧補正の使用には利点がありますが、最も包括的な手法というわけではありません。補正係数では、内部インピーダンスの変化により、室温でワーストケースの誤差として0.2456%を生じる可能性があります。

2 点較正法

2点較正では、ADCの線形範囲内で全入力電圧範囲から0.5Vの2つのテスト信号を印加し、サンプリングします。次に、このサンプル測定値を用いて線形伝達関数の勾配とオフセットを計算します。較正により、外部抵抗に起因するゲイン誤差とデバイスの内部ゲイン誤差の両方が解消されます。

1. 入力線形範囲の2.5%のテスト信号を印加します。

   Vmin	コード測定結果
   -9.5 V	-30839

2. 入力線形範囲の97.5%のテスト信号を印加します。

   Vmax	コード測定結果
   9.5 V	30841

3. 勾配とオフセットの較正係数を計算します。
   
   
4. 較正係数をすべての後続測定に適用します。
   

2 点較正法での測定

較正係数

m = 3246.3158、b = 1.0001

室温で較正なしでは、ゲイン誤差が生じます。ADCによる測定結果に較正を適用すると、ゲイン誤差はほぼゼロに低減されます。

高温にさらされると、予想どおりゲイン誤差は増大します。較正を適用すると電圧誤差は低減しますが、なくなりはしません。依然としてある誤差はドリフト誤差です。

設計の参照資料

テキサス・インスツルメンツの総合的な回路ライブラリについては、『アナログ エンジニア向け回路クックブック』を参照してください。

使用デバイス