Technology
アナログ回路
(アナログかいろ)
アナログ回路とは、電圧や電流が連続的に変化するアナログ信号を、増幅、変換、ろ過、演算するための電子回路です。
温度、圧力、光、音、加速度、地磁気、重量など、身の回りにある物理量の多くは連続的に変化します。これらをセンサで電気信号へ変換し、マイコンや計測回路で扱える状態に整えることが、アナログ回路の主な役割です。
ハカルプラスでは、微小なセンサ信号の増幅、ノイズ除去、絶縁、A/D変換前の信号調整など、計測・計量機器に必要なアナログ回路を設計しています。
センサ信号を扱うための回路
センサから出力される信号は、そのままではマイコンや計測器へ入力できない場合があります。信号が非常に小さい、直流成分が重なっている、ノイズを含んでいるなど、センサごとに状態が異なるためです。
アナログ回路では、主に次のような処理を行います。
- 微小な電圧・電流の増幅
- 不要な周波数成分の除去
- 入力範囲に合わせた電圧変換
- センサへの安定した電源供給
- オフセットや感度の補正
- 外部回路との電気的な絶縁
このように、センサ信号を後段の回路で扱いやすい状態へ整える回路を、センサインターフェース回路やアナログフロントエンドと呼ぶことがあります。
微小信号の増幅
センサの種類によっては、マイクロボルト単位の電圧や、ナノアンペア以下の電流を扱う場合があります。このような微小信号を正確に測定するには、単純に増幅率を高くするだけでは不十分です。
増幅器自身が発生するノイズ、入力オフセット電圧、温度による特性変化、電源の揺らぎなども同時に増幅されるため、測定対象の信号レベル、周波数、必要精度に応じた部品と回路構成を選定する必要があります。
用途に応じて、オペアンプ、計装アンプ、差動増幅回路などを使い分け、必要な信号を十分な大きさまで増幅します。
アナログ回路で発生するノイズ
アナログ信号は、外部から侵入するノイズだけでなく、抵抗や半導体などの電子部品が発生するノイズの影響も受けます。
熱雑音
抵抗や半導体内部の電子運動によって発生するノイズです。温度、抵抗値、測定する周波数帯域などによって大きさが変化します。
フリッカノイズ
主に半導体で発生する低周波領域のノイズです。直流信号や、ゆっくり変化する信号を高精度に測定する場合に影響しやすくなります。
外来ノイズ
モーター、インバーター、リレー、無線機器、スイッチング電源などから発生し、配線や基板を通じて測定信号へ重なるノイズです。
必要な信号とノイズの比率であるS/N比を確保し、微小な変化を安定して読み取れるようにすることが、アナログ回路設計の重要な要素です。
ノイズを抑える設計
ノイズ対策では、回路図だけでなく、部品配置、基板配線、電源、接地、配線、筐体まで含めて検討します。
- 低ノイズ部品の選定
- 必要以上に広い周波数帯域を持たせない設計
- ローパスフィルタなどによる帯域制限
- アナログ回路とデジタル回路の配置分離
- 適切なグラウンド・電源配線
- シールド線や差動入力の採用
- モーターや電源回路などノイズ源との距離確保
- 筐体や接地を含めたEMC対策
設計段階でノイズの発生源と侵入経路を想定し、試作機や実機で測定値の安定性を確認します。
フィルタ回路の役割
センサ信号に不要な高周波ノイズや電源周波数成分が含まれる場合は、フィルタ回路を用いて必要な信号だけを取り出します。
ただし、フィルタを強くすると測定値は安定する一方で、信号変化に対する応答が遅くなります。例えば重量計測では、表示値のふらつきを抑えるほど、原料投入時の重量変化を追従しにくくなる場合があります。
そのため、測定値の安定性と応答速度のバランスを考慮し、遮断周波数やフィルタ特性を決定します。
A/D変換との関係
アナログ信号をマイコンで演算、表示、記録するには、A/Dコンバータによってデジタル値へ変換します。
アナログ回路は、A/Dコンバータの入力範囲に合わせて信号を増幅し、不要なノイズを除去する役割を担います。
A/Dコンバータの分解能が高くても、入力回路のノイズ、増幅誤差、基準電圧の変動などが大きければ、実際の測定精度は向上しません。センサからA/D変換までを一つの測定系として設計することが重要です。
計測・計量機器での活用
アナログ回路は、次のような計測・制御機器で利用されます。
- ロードセルを用いた重量・荷重計測
- 電流・電圧・電力の計測
- 温度・湿度・圧力の計測
- 光・音・振動の検出
- 水分量や静電容量の測定
- 4～20mA・0～10Vなどのアナログ入出力
センサの種類や測定対象によって必要な回路は異なるため、入力範囲、応答速度、精度、使用温度、耐ノイズ性などを個別に検討します。
ハカルプラスのアナログ回路設計
ハカルプラスでは、計測・計量機器の開発を通じて、微小信号を安定して取り扱うアナログ回路設計技術を蓄積しています。
- センサインターフェース回路の設計
- 微小電圧・微小電流の増幅
- 低ノイズ部品・増幅器の選定
- アナログフィルタの設計
- A/D・D/A変換回路との接続
- 電流・電圧入出力回路の設計
- 絶縁・保護回路の設計
- 基板配線・接地・EMCを含むノイズ対策
回路単体の性能だけでなく、センサ、電源、基板、筐体、組込みソフトウェアによる補正まで含め、必要な測定精度と安定性を確保します。
よくある質問
Q. アナログ回路とは何ですか？
A. 連続的に変化する電圧や電流を、増幅、変換、ろ過するための電子回路です。
Q. デジタル回路との違いは何ですか？
A. アナログ回路は連続的に変化する信号を扱い、デジタル回路は0と1などの離散的な値を扱います。計測機器では両方を組み合わせて使用します。
Q. センサ信号はなぜ増幅が必要ですか？
A. センサの出力が微小で、そのままではA/Dコンバータや制御機器が十分な分解能で読み取れない場合があるためです。
Q. アナログ値がふらつく原因は何ですか？
A. センサ自身の変動、外来ノイズ、電源変動、接地方法、温度変化、回路内部の雑音などが考えられます。
Q. フィルタを入れればノイズは完全に除去できますか？
A. すべてのノイズを除去することは困難です。また、フィルタを強くすると応答が遅くなるため、用途に応じた調整が必要です。
Q. 高分解能のA/Dコンバータを使えば精度は上がりますか？
A. 分解能は向上しますが、アナログ回路、基準電圧、ノイズ、温度特性なども含めて設計しなければ、実際の測定精度は向上しません。