アナログ - デジタル コンバータを使用したレシオメトリック抵抗測定の基礎

A/D コンバータはレシオメトリックです。つまり、その結果は入力電圧と基準電圧の比に比例します。 これを使用して抵抗測定を簡素化できます。

抵抗を測定する標準的な方法は、抵抗に電流を流し、その電圧降下を測定することです (図 1 を参照)。 次に、オームの法則 (V = I x R) を使用して、電圧と電流から抵抗を計算できます。 最終出力はアナログまたはデジタルの場合があります。

電圧はアナログ出力回路または A/D コンバータのいずれかに渡されます。 電流源回路は正確で、ドリフトがなく、測定された抵抗や電源電圧の変動の影響を受けないようにする必要があります。 このような回路の設計は特に難しいことではありませんが、正確で安定したコンポーネントが必要です。 この方法で A/D コンバータを使用する場合、同様に正確で安定した基準電圧が必要です。

2 つの抵抗に同じ電流が流れる場合、電流が変化してもそれらの電圧の比は同じままです。 これは、式 1 で数学的に次のように表すことができます。

$$\frac{電圧(2)}{電圧(1)} = \frac{(I \times R2)}{(I \times R1)} = \frac{R2}{R1}$$

この情報を使用して、図 2 に示すように、定電流源や正確な基準電圧を必要としないレシオメトリック抵抗測定を実行する A/D コンバータ システムを開発できます。

どこ：

全体として、デジタル結果は、電流の正確な値に関係なく、R(meas) / R(ref) に比例します。 標準的なアプローチと比較して、電流源回路や高精度の基準電圧は必要ありません。 安定して正確である必要があるのは 1 つのコンポーネント R(ref) だけです。

これは、A/D コンバータに差動入力がある場合にのみ機能することに注意することが重要ですが、ほとんどの場合と同様に、これは問題にはなりません。 ほとんどのコンバータには差動リファレンス入力がないため、R(ref) を回路のコモンに接続する必要があります。 両方の抵抗器には同じ電流が必要であるため、R(meas) は R(ref) と直列に接続されます。 図 2 の構成は、単純なメーターには問題ありません。 ただし、出力がコモンに接続されているセンサー測定システムには適していない可能性があります。 この問題を解決するには、差動リファレンス入力を備えた A/D コンバータが必要になります。 これについては、以下のマイクロプロセッサのセクションで説明します。

これを念頭に置いて、2 つの新しい詳細を追加した図 3 のブロック図を見てみましょう。

最初の追加は基準トリム調整です。 これがないと、変換は基準抵抗と同程度の精度しか得られません。 たとえば、0.05% の精度には 0.05% 以上の抵抗が必要です。 トリムを使用すると、高精度 R(meas) を測定し、適切なデジタル出力または読み取り値になるようにトリマーを調整することで精度を校正できます。 固定基準トリム抵抗は R(ref) より大きくなければなりません。 トリマーは固定抵抗器のわずかな割合である必要があります。

2 番目の詳細では、オプションの 4 線 (ケルビン) 入力測定を追加します。これは、正確な低抵抗測定に必要となる場合があります。 これがないと、リード線の接続抵抗が R(meas) に追加され、数分の 1 オームが追加されます。 これを確認するには、標準的なマルチメーターを使用し、テスト リードの端をクリップで留めて、抵抗を測定します。 ゼロではなく、オームの分数が読み取られます。

さらに、4 線接続は 1 組のリード線を介して電流を供給し、2 番目のペアを使用して入力を測定します。 測定リード線には電流が流れないため、電圧は降下しません。 測定された電圧は正確に I x R(meas) であり、リード抵抗による誤差はありません。 高精度メーターには通常、4 線式抵抗測定機能が含まれています。

これらの情報をすべて入手した上で、低コストの DMM を使用した例を見てみましょう。 金物店で数ドルで購入した低価格の 3-1/2 デジタル マルチメーターを持っていると仮定しましょう。 IC チップはエポキシの下に埋められているため、回路を完全に調査することはできません。 ただし、テストを実行したところ、非定電流源を使用してこのように動作するようです。 以下の表 1 には、測定された抵抗器の許容誤差が +1% である場合の結果が示されています。