A / Dコンバータ(ADC)とは何ですか?

A / Dコンバーター(ADC)は、データ収録システム(別名DAQまたはDASシステム)の基本構成の1つです。これら全体のシステムは以下で構成されています。

  • センサ
  • シグナルコンディショナ
  • A / D コンバータ
  • 信号ロギングと解析用のDAQソフトウェアを備えたコンピュータ

A / Dコンバータは現代のデジタルデータ収録システムで大きな役割を果たします

A / Dコンバータの機能

データ収録システム内のA / Dコンバータの主な目的は、調整されたアナログ信号をデジタルデータに変換して、データ収録システムが処理,表示,保存,および解析できるようにすることです。

A / Dコンバーターはアナログ信号を受け取り、それをデジタル領域に変換します

A / Dコンバータの主なタイプ

現在、ADCには5つの主要なタイプがありますが、現代のDAQの世界では、実際には2つのADCに分類されます。

  • 逐次比較
  • デルタシグマ

たとえば、デュアルスロープADCは非常に低速であるため、主にハンドヘルド型電圧計で使用されています。

そして、非常に高いサンプルレートですが、DAQアプリケーションには低すぎる振幅軸分解能のフラッシュADCがあります。パイプラインコンバータADCは、複数のフラッシュコンバータを使用して振幅軸の解像度を向上させる方法ですが、それらはまだその領域の制限があります。

主要なADCタイプの比較

ADCタイプ 長所 短所 最大解像度 最大サンプルレート
デュアルスロープ 安価 低速 20ビット 100 Hz
フラッシュ とても早い 低ビット解像度 20ビット 100 Hz
パイプライン とても早い 限られた解像度 16ビット 1 G
SAR 優れた速度/解像度比 固有のアンチエイリアス保護はありません 18ビット 10 MHz
デルタシグマ(ΔΣ) 高い動的性能、固有のアンチエイリアス保護 不自然な信号のヒステリシス 32ビット 1MHz

そのため、DAQの世界はSAR(逐次比較)ADCとデルタシグマ(ΔΣ)ADCに落ち着きました。それぞれに独自の長所と短所があり、特定のアプリケーションに適しています。各ADCの動作を見てそれらを比較してみましょう。

逐次比較ADC(SAR:successive approximation register)

DAQの世界の「bread and butter」ADCは、SARアナログデジタルコンバータです。速度と解像度の優れたバランスで、さまざまな信号を忠実に処理します。

それは古くから使用されているためSARは安定していて信頼性が高く、チップは比較的安価です。1つのADCチップで複数のチャネルを入力する方式(マルチプレクスA/Dボード)、または各入力チャネルごとにADCを搭載し同期サンプリングを実現する両方に使用されます。

一般的なSARブロック図

ほとんどのADCのアナログ入力は5Vです。そのため、ほぼすべてのシグナルコンディショナが、5Vに調整された出力をADCに供給します。一般的なSAR ADCは、シグナルコンディショナから供給されたアナログ電圧を取り込むサンプルホールド回路を使用します。

DACは、サンプルのデジタルコード出力に等しいアナログ基準電圧を生成し、回路を保持します。これらは両方ともコンパレータに送られ、比較結果がSARに送信されます。このプロセスは、実際の信号に最も近い値が見つかるまで、「n」がADC自体のビット分解能である「n」回続けます。

SAR ADCには固有のアンチエイリアシングフィルタリング(AAF)が無いため、これがDAQシステムによってADCの前に追加されない限り、計測者が低すぎるサンプルレートを選択すると、誤った信号(別名「エイリアス」)がデジタル化されます。エイリアスは、デジタル化後に修正できないため特に問題になります。

エイリアスをソフトウェアで修正する方法はありません。すべての入力信号のナイキスト周波数よりも常に高速でサンプリングするか、ADCの前と内部で信号をフィルタリングすることによってこれを防ぐ必要があります。

詳細については、以下のエイリアスとアンダーサンプリングの危険性を確認してください

SAR ADCは、現在使用されている多くのDAQシステムにとって確実な選択肢です。これらは、1つのADCで複数のチャネルがサンプリングされるマルチプレクス方式で使用できるため、市場のローエンドで広く使用されており、速度と振幅軸の分解能が優れているため一般的な市場で広く使用されています。

振幅軸の分解能に限界があるため、ノイズ,オーディオ,衝撃,振動,バランシング,正弦波処理などの高ダイナミックアプリケーションには適していません。これらのアプリケーションでは、前述のように、エンジニアはデルタシグマADCを使用する必要があります。

デルタシグマADC(ΔΣ)

新しいADCは、デルタシグマADCです。これは、DSPテクノロジーを利用して振幅軸の分解能を向上させ、SAR設計に固有の高周波量子化ノイズを低減します。

デルタシグマADCの複雑で強力な構造は、できるだけ多くの振幅軸分解能を必要とするダイナミックアプリケーションに最適です。デルタシグマADCがオーディオ,サウンド,バイブレーション,および幅広いハイエンドデータ収録アプリケーションで一般的に使用される理由です。

典型的なデルタシグマADCブロック図

DSPに実装されたローパスフィルターは、実質的に量子化ノイズを排除し、優れた信号対ノイズ性能をもたらします。

データ収録アプリケーション用のこれらのチップのは、通常フロントエンドアンチエイリアシングフィルタリング(AAF)が実装されているため、誤った信号をデジタル化することは事実上不可能です。

最高サンプルレートのナイキストでアナログフロントエンドと組み合わせ、さらに選択したサンプルレートによってDSPを介して動的に組み合わせているため、これらのADCのAAF(ANTI-ALIASING FILTERS)性能は優れています。

デュアルデルタシグマADC-DualCoreADC®

DEWESoftの8ch SIRIUSシリーズは各入力チャネルにADCを2つ組み合わせています。つまり1チャネルに2つの24bit デルタシグマADCを実装しています。
1つのADCは低いゲインに設定され、もう1つはより高いゲインに設定されます。 両方のADCが同時に信号を監視し、独自の回路がリアルタイムにそれらを比較し、いつでも最高のS / N比を持つ方のADCを使用して、並列デジタル信号をシームレスに収録します。 これによりダイナミックレンジが大幅に強化されました。

DEWESoftのDualCore ADC図

この手法は、1つのADCではできない高ダイナミックレンジを実現しています。ダイナミックレンジは160 dBまで増加します。

【動画】DEWESoftのDualCoreADCビデオ

熱電対などの非常に遅い信号でも、最大の振幅軸分解能で計測するのが一般的です。これら計測でもデルタシグマADCはSAR ADCよりも最適なシステムと言えます。

1500℃スパンで計測できる熱電対を想像してみてください。振幅軸の値が大きいほど、ADCの分解能が必要になり24bitで計測すると温度信号の分解能が非常に高くなります。

どのADCを選択しますか? SARまたはデルタシグマ?

各ADCにはそれぞれの用途があります。アプリケーションは非常に異なり、1種類のADCが他よりも優れているとは言えません。

基準 SAR ADC シグマデルタ(ΔΣ)ADC
最高の振幅軸分解能が必要な場合(熱電対などの低速信号でも) 通常、最大16または18ビット より良い選択。今日のΔΣカードでは、24ビットが事実上の標準となっています
安価なマルチプレクスADカードを使用する必要がある場合 選択のみ。短時間のスキューエラーが問題にならない場合は、単一のSAR ADCを複数のチャネルにMUXして安価なDAQシステムを作成することができます なし
可能な限り高いサンプルレートが必要な場合 より良い選択。データ収録用のSAR ADCがあり、最大10 MS / sのサンプリングが可能です オンボードDSP処理は、SAR ADCと比較してΔΣADCの最高サンプルレートを制限します
AAF(アンチエイリアシングフィルタリング)が必要な場合 SAR ADCに追加するには高価で複雑です AAFはΔΣADCに固有なので、より良い選択です
最高のS / N比が必要な場合   唯一の選択。DEWESoft独自のDualCoreADC®テクノロジーにより、最大160dBを達成できます
不自然な信号がほとんど記録される場合(矩形波など) 方形波の表現に優れています  

マルチプレクスADCとチャネルごとのシングルADC

データロガーや産業用制御システムなどのローエンドDAQシステムでは、マルチプレクスA / Dカードが使用されることがよくあります。これは、入力チャネルごとに個別のADCチップを持つA / Dカードよりも安価であるためです。

マルチプレクスADCシステムでは、1つのADCを使用して複数の信号をアナログドメインからデジタルドメインに変換します。

これは低コストの方法ですが、一度に変換できる信号は1つだけなので、信号を時間軸上で正確に整列させることはできません。したがって、チャネル間には常に時間のずれがあります。短時間のスキューエラーがアプリケーションに無関係である場合、それは必ずしも悪いことではありません。同じことは、システム内で使用されるアナログデバイスにも当てはまります。形状,フィット,機能の点でアプリケーションに最適なADCを選択することが重要な要素です。

さらに、最大サンプルレートは常にサンプリングされるチャネルの数で除算されるため、1つまたは少数のチャネルのみがサンプリングされる場合を除いて、チャネルあたりの最高サンプルレートは通常、マルチプレクスシステムでは低くなります。

現在のデータ収録システムでは、マルチプレクスADCシステムは主にローエンドDAQシステムで採用されており、精度や速度よりもコストが重要な場合に使用します。

サンプリングレートとは何ですか?

信号が変換されるレートは、サンプルレートと呼ばれます。温度計測などの特定のアプリケーションでは、信号があまり急速に変化しないため高いレートは必要ありません。

ただし、AC電圧と電流、衝撃と振動、および他の多くのアプリケーションでは、1秒あたり数万または数十万サンプル以上のサンプルレートが必要です。サンプルレートは通常、T(またはX)軸の計測値と呼ばれます。

A / Dコンバーターによってサンプリングされたアナログ信号

DEWESoftは、次に示すように、最大サンプルレートのDAQシステムを提供しています。

型番 バリアント インタフェース 最大サンプルレート
(チャンネルごと)
SIRIUS デュアルコア USB 200 kS /秒
SIRIUS-MINI デュアルコア USB 200 kS /秒
SIRIUS デュアルコア EtherCAT 20 kS /秒
SIRIUS-HD HD(多チャネル) USB 200 kS /秒
SIRIUS-HD HD(多チャネル) EtherCAT 10 kS /秒
SIRIUSーHS HS(高速) USB 1 MS /秒
DEWE-43A 標準 USB 200 kS /秒
KRYPTON マルチチャンネル EtherCAT 20 kS /秒
KRYPTONーONE 1チャネル EtherCAT 40 kS /秒
IOLITE 標準 EtherCAT 20 kS /秒

エイリアシングとアンダーサンプリングの危険性

信号とその最高周波数を理解することは正確な計測を行うために重要です。たとえば、加速度センサの出力を計測するとします。

最大周波数が100 Hzの振動が発生すると予想される場合は、サンプルレートを少なくとも2倍(ナイキスト周波数)に設定する必要があります。しかし、実際には、信号形状を高品質で表示するには、10倍のオーバーサンプリングの方が適しています。したがって、この例では、サンプルレートを1000 Hzに設定して計測を行います。

理論的には問題ないです。しかし信号周波数が実際にはそれ以上高くならないことをどのようにして確認しますか? サンプリングが間違っていた場合、システムは入力信号を正確に計測できません。 そして、実際にはサンプリングを極端に設定すると計測値が間違っている可能性さえあります。

エイリアシングを理解するには、自動車のホイールが回転しカメラを毎秒24フレームで撮影している古い映画が参考になります。さまざまな速度で、ホイールが逆回転しているか、まったく動いていないように見えます。また、カメラのシャッタースピードがヘリコプターのブレードと同期していて、ヘリコプターが空中にぶら下がっており、ブレードがまったく動いていないように見えるビデオを見たことがあるかもしれません。

これは、ホイールの回転数とカメラの撮影速度の同期関係によって引き起こされる一種のストロボスコープの視覚効果です。

ADCで電圧信号をデジタル化するという点では、サンプルレートを適切に設定することが重要です。設定を高くしすぎると処理能力が必要となり、不必要に大きくて扱いにくいデータファイルができてしまいます。しかし、低すぎる値を設定すると、2つの問題が発生する可能性があります。

  • 重要な動的信号成分を計測できていない
  • エイリアス信号(システムにアンチエイリアスフィルタリングがない場合)によって間違った信号で計測してしまう

元の信号と比較してサンプリングが低すぎるために発生した間違った信号(エイリアス)の黒波形

エイリアシングの防止

DEWESoft製品は、アンチエイリアシングフィルター(AAF)が組み込まれた24ビットADCを使用してエイリアシングの発生を防止します。これらのフィルターは、選択したサンプルレートのナイキスト周波数(通常は約40%)に自動的に調整する1つの段階を含め、いくつかの段階で機能します。したがって、選択したサンプルレートが低すぎる場合でも、誤った信号または「エイリアス」信号によって計測が損なわれることはありません。

ビット分解能とは何ですか? なぜ重要なのですか?

データ収録機器の初期には、8ビットADCが一般的でした。現時点では、DAQシステムの世界では、24ビットADCは動的計測用に設計されたほとんどのデータ収録システムの標準であり、16ビットADCは一般にDAQシステムの最小分解能と一般に見なされています。12ビットADCを利用するいくつかのローエンドシステムがあります。

24ビットADCを備えたシステムは2 ^ 24 = 16,777,216の分解能を有します。したがって、1ボルトの入力信号は、Y軸上で1600万以上のステップに分割できます。

24ビットADCの16,777,216ステップは、16ビットADCの理論上の最大65,656ステップよりも劇的に優れています。したがって、波形の形状はそれに応じてより正確になり、精度が高くなり、解像度が高くなります。これは時間軸にも当てはまります。

24ビットの解像度(赤)と16ビットの解像度(灰色)

まとめ

計測に使用するADCの選択は、常に使用するアプリケーションを考慮する必要があります。主な計測が静的信号や準静的(低速)信号を計測している場合に超高速収録システムは必要ありませんが、可能な限り振幅分解能が高い収録システムが必要になります。

一般的にベンチシステム(ラックマウントシステム)は計測する信号が決まっている場合が多いため、収録システムを選択するのが簡単です。

しかし、DAQシステムでは、さまざまなアプリケーションで使用されているため少し検討が必要です。
全体的なパフォーマンスを考えノイズ、エイリアシングなどの仕様が最新のものを選択することでトラブルの無いデータを収録することが重要です。