圧力センサからの計測値の取り込みについて２

質問

圧力センサからの測定値をアナログ形式でＡＶＲマイコンに取り込みたいと考えているのですが、ハード設計の方は初心者です。
先日このサイトの回答者様から設計のご指導を頂き、自分なりにハード設計してみました。
もし過去に設計経験がある方がいらっしゃいましたら、回路の間違い、回路の解説（抵抗の乗数の決め方等）をご指導頂けますか？
よろしくお願い致します。

圧力センサ：http://copal-electronics.info/jp/00182/p2000_ja.pdf
オペアンプ：http://akizukidenshi.com/download/ds/analog/AD8506.pdf

回答No.4

se223 · ベストアンサー

回路図拝見しました。まず、定電流が動作しないと思います。センサのINPUTに1.5mA流した場合センサのブリッジ抵抗が最大で4.29kΩでも不良ではないのでINPUT両端でセンサによっては6.5V必要になります。（+R3の電圧降下分さらにはオペアンプの出力範囲、これはレールtoレールですが配慮が必要です。）
AD8506ではなく±15Vで使えるオペアンプに出来るならこの回路でも動きます。その場合は、R3は100Ω程度、R1とR2の中点電圧を150mVになるようにします。但し、このR1,R2の抵抗分割では電源電圧に依存しますのでR2の両端には基準電圧（変化しない電圧）が必要です。
そうすると基準電圧の精度のよいもの（アナログデバイセズあたりのバンドギャップリファレンスと呼ばれるＩＣなど）は、1.25Vや2.5Vになりますので、逆に1.25V/1.5ｍA=820Ω程度にR3を設定します。（低価格のものでは、TL431などを使います。）
ということで、電圧配分を見て設計しますが、基準電源やオペアンプの特性などを考えてセンサの誤差範囲がカバー出来て、S/N比が大きく取れて、発熱しないなど多くの考慮が必要です。最初にR3を100Ω位にしたらというのは、10ΩではS/Nが悪そうだし、1kΩでは電圧が高すぎるかと思ってのエイヤーです。

そのような訳で、まず全体を動作させてから、この定電流部の精度を上げてはどうでしょうか。私ならINPUTに直接５Ｖを接続します。その時のR3は0Ωでも100Ωでもまずは動かしてみてはどうでしょうか？性能を追わなくともセンサ出力は変化します。

出力側ですが、回路は合っています。負圧か正圧で電圧の極性が変わりますので、1,4ピンを入れ替える必要があるかもしれません。R4=R5=100kΩ、R6=R7=1MΩ位でどうでしょうか。倍率は10倍になります。本当は計測アンプ（たとえばINA128等のインスツルメンテーションアンプと呼ばれるもの）を使うといいのですが。　なお、センサ出力変化が小さければR6,R7を増やしてください。
電源には、パスコンを入れてください。ＩＣのそばに0.1uF程度、回路周辺に10uF程度、電源によっても変わりますが最近はUSBから取ったりしますのでノイズ対策です。

先の方の記載にもあるように、設計の仕方を書いていますので性能を出すものではないことを承知ください。気圧ではなくセンサの足ピンにストレスを加えても出力が変化します。
センサ周囲の温度変化でも変わりますし、電流を流せば、センサ自体が内部で発熱し自分でドリフト（電圧変化）を発生させます。
今回は、まず自分で作って動かされるということで、アドバイスさせていただきました。
全体を動かしてみて使えるものかどうか判断されると良いと思います。なかなかうまくいかないので、この部分を修正しようと考えると本当の設計思考が生まれてきます。
R4,R5になぜ100kΩを選んだかは色々と調べてみてください。そこらへんに全体の考え方があるかもしれません。

最後に配線としてはセンサからR4,R5までの配線はそこそこ短く、オペアンプの2,3ピンから各抵抗までの配線は極力短く、1ピン（出力）側はある程度長くしても問題ありません。グラウンドは何においても基準ですのでなるべく1点にまとめられると良いと思います。　次回の質問はこんな出力電圧で合っていますかまでいけたら最高です。
ご検討をお祈りします。

お礼

再度のご指導ありがとうございます。
おっしゃる通り、『先ずは回路を組んで動作させる』ということを実行したいと思います。
貴重なお時間を割いてお付き合い頂き、ありがとうございました。

回答No.5

tadys

マイコン側のアンプは動作はするでしょうが性能は出ません。
まともに動作させるとすればインスツルメンテーションアンプを使用する必要が有ります。

それよりも、センサーの出力を１８ビット以上のADコンバータに直接入力してAD変換する方がはるかに実用的です。

例えばマイクロチップのMCP3551は２２ビットの分解能で価格は３７８円（デジキーでの価格）です。
インスツルメンテーションアンプ INA128 の価格６２８円（デジキーでの価格）と比べて安上がりです。

ところで、P-2000はゲージ圧ですが、それで大丈夫でしょうね。

お礼

ご回答ありがとうございました。参考にさせて頂きます。

回答No.3

noname#252332

もう一点。圧力センサのデータシートを見ましたがスパンに対してオフセットがわりと大きく測定範囲の低い部分で負の出力となる可能性があります。つまり単電源のオペアンプではリニアに出力できません。一つにはオペアンプを正負電源として第一段で負の出力が可能とすること。さらにセンサのオフセットとスパンのばらつきが大きいので2段目のアンプを設けてゼロ調節とスパン調節が必要になるでしょう。そうでなければＡ／Ｄコンバータの分解能をフルに使えないと言うことになります。

http://www.adm.co.jp/download/mtb_4.pdf
　ゼロ調整の考え方はこんな感じで、さらにフィードバック抵抗(出力とマイナス入力の間)にトリマを追加してスパン調整とします。差動アンプにゼロ調整トリマを追加することはバランス調整が困難になりますから出来ません。インスツルメンテーションアンプを使う場合はその段にスパン調整のトリマを追加することは出来ます。ただの差動アンプにはゼロ調整と同じ理由でスパン調整トリマを追加することは出来ません。

お礼

ご回答ありがとうございました。参考にさせて頂きます。

回答No.2

noname#252332

この差動アンプは原理的に入力電流が流れますからホイートストンブリッジの測定では誤差になってしまいます。ブリッジ自身の抵抗値の外部にオペアンプの抵抗値が接続され電流が流れるからです。計測らしい計測を行うにはインスツルメンテーションアンプの構成としてアンプの入力電流を極限まで小さくする必要があります。
http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/instr.html

　入力電流をほとんど無くすと言う意味では現在の回路のアンプの２つの入力にそれぞれオペアンプ1個によるボルテージフォロアを入れても同じです。
http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/voltage.html

　この構成のままで行うなら、入力電流による誤差を仕様で定め、その比率に応じてブリッジの抵抗に対しオペアンプの抵抗値を大きくすることです。一例を挙げれば誤差１％の場合ブリッジの抵抗値に対してオペアンプの抵抗値はざっと100倍です。しかしむやみに負帰還抵抗を大きくすることはフィードバック電流が小さくなりノイズを拾いやすくアンプそのものの誤差も大きくなりますから結局構成を変えたほうが簡単かもしれません。

お礼

ご回答ありがとうございました。参考にさせて頂きます。

回答No.1

misawajp

遊びか学生実験のレベルならばよろしいでしょう

まさか社会人が仕事に使うのではないですよね

回路(図）が適切と、適切に動作するのとの間にはとてつもないギャップがあります
さらに安定して長時間使用できることとの間にも

そのことが理解できないと、どんなアドバイスを受けても徒労です

電子回路の製作にかなりの経験が無ければ、動作はしても測定値は信頼できません
計測はノウハウの塊です

質問者のような方は、センサや回路を信頼しすぎる傾向があります

誤差を引き起こす要因を全て潰さなければなりません

お礼

ご回答ありがとうございました。参考にさせて頂きます。