ちょっとだけ電圧ロガーの製作

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　このようにあまりの性能の悪さにとてもデータロガーとは思えません。　しかし、文句を言いながらも、これに代わるものがないため、諦めてこれを使い続けています。　お仕事でまともな測定器を使っているので高望みしすぎるのかもしれませんがあまりにも落差があります。
　あまりの酷さにとうとう耐えられずこのキットを改善しようかと思い「８ＣＨ１０ビットデータロガーキット (K-02168)」を秋月電子通商で購入しようとしましたが、既にこのキットを販売していないようです。
　ここで、改善はあきらめて、独自に製作することにしました。　ここはアマチュアレベルということで、部品入手性を重要視し、本気の回路設計は止めて、ちょっとだけ真面な回路設計の電圧ロガー、チャンネル数が少ないちょっとした電圧ロガー　→　ちょっとだけ電圧ロガーを製作することにしました。

　なお、今回の製作は以下の３段階を予定しており、少なくとも（その２）までは仕上げるつもりです。　（その３）は後回しになるのではと予想しています。　今回は下記の（その１）の公開です。

その１　：　ＡＤコンバータ回路の製作、データ収集はパソコンで実行。

その２　：　ＳＤメモリにデータを保存する機能を追加。　但し、データの吸い上げはＲＳ－２３２Ｃ経由。
　　　　　　　（いつどこＧＰＳロガー４と同様にＥＥＰＲＯＭ的な使用方法。）

その３　：　ロギング設定をスタンドアロンでできるようにマンマシンＩＦ用ＬＣＤ、操作スイッチを追加しマイコンを追加。

　一番重要視したのは入力レンジです。　どうしても０Ｖ付近をそれなりに真面目に測定したいので±入力を必須とすることにしました。　また、レンジ切替えをすると、レンジ間のキャリブレーションが気になり調整が増えますのでレンジ切替えは諦めます。　とはいえ、１ｍＶレベルの測定も行いたいと思います。　入力レンジを±１０Ｖで１ｍＶ分解能となると、少なくとも１５ビット（約３２０００ＬＳＢ）の分解能が必要となりますのでＡＤコンバータは１６ビット以上となります。　こうなるとおもちゃレベルで使用（入手）できるＡＤコンバータの選択の余地が狭まりますし、部品も途端に高価となります。

　このようなプロユースに近い用途の部品はＤｉｇｉ－Ｋｅｙで捜すに限ります。　ここで調べるとやはり高価な部品ばかりですが、１６ビット品でありながら１個単位で購入できて１０００円以下の部品が有りました。　Cirrus Logic IncのＣＳ－５５１１が７４５円でした。　データシートを調べると２０ビット品であるＣＳ－５５１３もありましたのでこれを調べると１個単位で購入できて単価８２５円でした。　変換スピードがＩＣ任せというのは気になりましたが、この値段には魅力的でしたので、今回の製作はＣＳ－５５１３を採用することにしました。

　分解能２０ビットと当初の１６ビットを上回るＡＤコンバータを採用するのは良いのですが、こんなに分解能があると０点調整やゲイン調整をするための測定器がありません。　よって、調整は全てソフトと運用で逃げることにします。　外部から適当な複数の電圧を入力し、この電圧を少しはまともに測定できるディジタルテスタで読みとり、また同時にこの電圧をＡＤ変換した値を読み取ります。　これらの値を突き合わせてと０点とゲインを算出する方法をとります。
　この方法を使用することで、ＡＤコンバータ入力のオペアンプ回路の設計がとても楽になります。　入力段のゲインは固定抵抗で固定化し、０点も適度な範囲に収まるように概略調整で済ますことができます。　あとはソフトお任せとします。　　

　入力チャンネルは多いに越したことはありませんが、分解能を上げるとその分マルチプレクサのセットリング時間を確保しないといけなくなります。　また、マルチプレクサだけのセットリング時間だけを考慮してもだめで、周辺回路全体の充放電回路部品の状況を考慮しないといけません。　プロの製品でもこれを全く考慮せず、アナログ信号切替え部品のセットリング時間だけで設計しているものを数多く見ています。　とんでもない話です。
　マルチプレクサを使用すると安価に仕上がりますが、各チャンネルの時間軸の同期がとれない、前記のセットリング時間の問題、測定する信号の電圧源（出力インピーダンス）の問題など、電圧ロガーとしての本質的な問題を抱えた設計となります。　個人的にはプロユースでは１２ビット、アマチュア用とでは８ビットを越える分解能の精度、再現性を要求する回路にマルチプレクサを使用する勇気はありません。　よって、今回は１ＣＨ毎にＡＤコンバータを設け、マルチプレクサを使用しないことにします。　こんな贅沢ができるのも単価８２５円のＣＳ－５５１３を選定できたからです。

　上記仕様概要決定過程を基にした「ちょっとだけ電圧ロガー」の仕様を下記します。

　上記仕様を基にして検討した回路図を下記に掲載します。

（上記をクリックすると原寸大の回路図をダウンロードできます。）

該当部品番号	注意点
Ｒ１１，Ｒ２１，Ｒ３１，Ｒ４１	下記の製作例では１／６Ｗの抵抗を使用していますが、できる限り１／４Ｗ以上の外形寸法の大きい抵抗を使用することが望まれます。
Ｒ１２，Ｒ１３、Ｒ２２，Ｒ２３、Ｒ３２，Ｒ３３，Ｒ４２，Ｒ４３	これらの抵抗の絶対値はあまり意識する必要はありません。　Ｒ１２とＲ１３、Ｒ２２とＲ２３、Ｒ３２とＲ３３，Ｒ４２とＲ４３の抵抗値比が重要です。　各抵抗は、できる限り同位置ロット品を使用して下さい。
ＶＲ５１	多回転のポテンショメータを使用して下さい。　決して１回転のＶＲを使用しないで下さい。　今回の製作には秋月電子通商の「多回転半固定ボリューム　たて型３２９６Ｗ（１ｋΩ） [3296W-1-102] [P-00973] 」を使用しています。
Ｃ１１，Ｃ２１，Ｃ３１，Ｃ４１	入力信号フィルタ用です。　ばらつき、温度特性を考慮してフィルムコンデンサを採用しています。　なお、コンデンサ容量はフィルタ時定数を考慮して決めて頂ければと思います。　現在の回路定数は目標の周波数特性を決めて決定したものではなく、数ｋＨ以上の周波数成分を適当に低減しようとしているだけです。　耐電圧は３０Ｖ以上が望ましいです。　今回の製作には秋月電子通商の「積層フィルムコンデンサ　０．1μＦ５０Ｖ　［１０４］　（１０個入）　[P-03204] 」を使用しています。
Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２４，Ｃ３２，Ｃ３３，Ｃ３４，Ｃ４２，Ｃ４３、Ｃ４４	基準電圧信号フィルタ用です。　静電容量はばらついても構いませんので周波数特性の良いセラミックコンデンサで、できる限り静電容量の大きいものを使用します。　また、使用電圧も５Ｖ以下ですので耐電圧も１０Ｖあれば十分です。　今回の製作には秋月電子通商の「積層セラミックチップコンデンサー１０μＦ１０Ｖ［３２１６］４０個入 P-02083　[GRM230F106Z10] [P-02083] 」を使用しています。
Ｃ８１，Ｃ８２	±１５Ｖ用電源低周波域用フィルタを目的とした電解コンデンサです。　電源入力部に実装します。　ワーキング電圧は最低限でも１６ＷＶ、できれば２５ＷＶ、可能な限り３５ＷＶ以上を使用して下さい。　静電容量は実装に合わせてできる限り大きい容量が望ましいです。　最低でも１００μＦは欲しいところです。　製作例では手持ちの３３０μＦ　１６ＷＶ品を使用しています。
Ｃ５１，Ｃ８３，Ｃ８４	±１５Ｖ用電源高周波域用フィルタを目的としたセラミックコンデンサです。　オペアンプ電源端子近傍に実装します。　耐電圧は２５Ｖ以上が望ましいです。　静電容量は１μＦ以上あれば十分です。　今回の製作には秋月電子通商の「セラミックコンデンサー　１０μＦ　３５Ｖ（１０個入）　［１０６］ [GP075F106Z] [P-02338] 」を使用しています。　なお、５Ｖライン用のＣ８５も同じコンデンサとしました。
Ｃ５２，Ｃ５３	データシートに準拠して２．２μＦを使用しています。　耐電圧１６Ｖと思われます。　コンデンサの種類は特に問いませんが、周波数特性は良いコンデンサが望ましいので電解コンデンサは適さないと考えます。
上記以外のコンデンサ	０．１μＦのコンデンサは一般的な積層セラミックコンデンサ（リード線、チップいずれでもｏｋ。）
Ｌ８１，Ｌ８２	電源用インダクタを使用して下さい。　電流容量２００ｍＡ以上で、できる限り電流容量の大きいものを使用して下さい。　インダクタンスは１００μＨ以上を使用するのが目安だと考えます。　今回の製作には秋月電子通商の「電源用インダクタ（コイル）１ｍＨ　[P-01776] 」を使用しています。
Ｌ１１，Ｌ２１，Ｌ３１，Ｌ４１	ＡＤコンバータ用の電源ライン用インダクタです。　電流容量１００ｍＡ以上で、できる限り電流容量の大きいものを使用して下さい。　インダクタンスは１０μＨ以上を使用するのが目安だと考えます。　今回の製作には秋月電子通商の「ＳＭＤインダクタ　４７μＨ０．３６Ａ　ＶＬＦ４０１２ＡＴ－４７０ＭＲ３０（２０個入） [VLF4012AT-470MR 30] [P-01681] 」を使用しています。

　今回の回路に使用する電源は±１５電源と＋５Ｖ電源の合計３電源が必要です。　最近ではスイッチングレギュレータが蔓延しておりますが、ここでも２０ビットの壁が立ちはだかります。　当方の実力では２０ビットの分解能に耐えうる電源ノイズ除去技法がありませんので、ここは最も安易なシリーズレギュレータを使用します。

(1)　ＰＩＣマイコンのプログラムを下記に掲載します。　ＡＤ変換値を下記フォーマットで垂れ流しにするだけです。

　　jsk49a2.hex（クリックするとダウンロードできます。）　（2010-02-28 Bug fix and Update）

　Line2　メッセージ「Logger Start.」 + 復帰改行（&h0D+&H0A）送信

　Line3以降
　　　データライン送信。　以下を１行にして延々と送信。　具体例は４．動作例を参照。

　　　　　最初の４バイトデータ　送信回数　（各データ間にスペース&h20を追加）
　　　　　次の３バイトデータ　　ＣＨ１のＡＤコンバータ出力データ　（各データ間にスペース&h20を追加）
　　　　　次の３バイトデータ　　ＣＨ２のＡＤコンバータ出力データ　（各データ間にスペース&h20を追加）
　　　　　次の３バイトデータ　　ＣＨ３のＡＤコンバータ出力データ　（各データ間にスペース&h20を追加）
　　　　　次の３バイトデータ　　ＣＨ４のＡＤコンバータ出力データ　（各データ間にスペース&h20を追加）
　　　　　復帰改行（&h0D+&H0A）送信

(3)　ＰＩＣマイコン内のEEPROMのデータ設定を下記に記載します。

アドレス	データ内容	デフォルト
$00	AD Convert 有無設定　 CH1=bit2 CH2=bit3 CH3=bit4 CH4=bit5 　　　　　　　　　　　　　　　　１：該当ＣＨ有り　０：該当ＣＨ無し　AD Convertを４回路未満で使用する場合、上記のビットを０にすることでプログラムを動作させることができます。	’３Ｃ’
$01	ＲＳ－２３２Ｃ通信速度設定　（１９２００ｂｐｓ相当）　ＳＰＢＲＧレジスタの値（20MHz、BRGH=1）　ＰＩＣ１６Ｆ６４８データシートの「USART Baud Rate Generator」を参照して下さい。　デフォルトでは１９２００ｂｐｓ相当。	’４０’
$02	ＡＤ変換間隔設定　データ送信後の待ち時間設定。　ＡＤ変換終了後、１０ｍｓタイマー×設定値の待ち時間をとった後、次のＡＤ変換を開始する。	’０９’

　上記回路図をもとに製作した事例を下記に示します。　将来のチャンネル数増加も想定してＡＤ変換部分とマイコン部分を別々にすることにしました。

マイコン基板の上にＡＤ変換基板を搭載しています。
【　完成基板外観　】

オペアンプはAD706AR（左側）とOPA2277P（右側）を各２個実装しています。
アナログ部分とディジタル部分を明確に分けて実装しています。

立体的な配線をして信号のクロストークを低減しています。

ＧＮＤラインは銅板を使って低イーダンス化を図っています。

ＧＮＤ面積を確保できない部分は銅板を縦に実装しています。（中央左部分）

(1) 実際に動作させたときのＲＳ－２３２Ｃデータを下記に掲載します。

(2) 入力に何も接続しない状態（０Ｖ相当）での変換値の変化を記録した結果を下記に掲載します。
　　通電開始直後は徐々に変換値が変動しています。

【　ＡＤ変換結果　変動例　ＣＨ１　（通電開始初期）　】

　　通電開始後１０分以上経過すると下図状態のように変動が低減して安定化しています。

約１６ＬＳＢの幅で変動しており、目標１４ビットはいけそうです。　思ったより小さくできているようです。

【　データ数値モニタ、キャリブレーション操作エリア　詳細　】

　現在の回路では４個のＡＤコンバータを同時に読み出そうとしています。　しかし、このＡＤコンバータは内蔵のクロックで動作していますので場合によっては４個同時に変換できない可能性があります。　このため、取得データのなかで、変換データが＆ＨＦＦＦＦＦＦと上位の４ビットが＆ＨＦとなっているデータがあります。
　本来、全ＡＤコンバータ読み出しが可能な場合まで待つようにプログラムしているつもりですが、なぜかこれをすり抜けて＆ＨＦＦＦＦＦＦのデータ、つまり、読み出し不可状態にもかかわらず読み出しをしてるようです。

　現在、この原因は不明です。　たまにしか発生しない現象ですので、このデータを取得した場合は読み値を更新しないようにして使用しています。

　今回は最初からSWレギュレータの使用を止めていましたが、手持ちのＡＣアダプタを使用して、シリーズレギュレータとSWレギュレータの違いを確認しました。

　この結果を下記に示しますが、基板自体は電源方式の違いはほとんど無いことがわかりました。　意外な結果です。　ＡＤ変換方式、デバイスの性能のおかげも大きいのでしょう。

　信号源の出力イーダンスが高い場合は低い場合は配線への誘導起因でノイズが急増します。　安心料と実装面も含めて考慮すると、最終的な組み込み時は、当初のようにシリーズデギュレータを採用することにしました。