16ビットADCによる簡素化された電流測定 − デザインノート341 Mark Thoren はじめに LTC®2433-1はDC測定用の高性能16ビット・デルタシグ マADCです。入力のノイズフロアが1.45μVRMSでリファ レンスの範囲が100mV∼VCCなので、入力の分解能と範囲 を多様なアプリケーション向けに最適化することができま す。柔軟なSPIインタフェースをセルフクロックに設定す ることができるので、ADCのリファレンスをデータ収集シ ステムとは異なる電位にしなければならないアプリケー ションで、デジタル信号の分離やレベルシフトが簡素化さ れます。 データの転送 フルスケール5.4Aの−48Vテレコム用電源の電流モニタを 図1aに示します。LTC2433-1のシリアル・インタフェー スは内部シリアル・クロック、連続変換モードに設定され ています。このモードはチップ・セレクトを”L ”に接続 し、SCKを電源立上げ時に“H”に引き上げることによって 選択されます。このモードでは、LTC2433-1は1秒当たり 6.8サンプルを連続的に変換し、そのデータを17.5kHz ±2% （内部発振器の許容誤差） のシリアル・データ・レート で出力します。 タ・ビットを引き続き出力します。 このように、RS232 などの標準的非同期通信方式の場合のように、EOCビット を開始ビットとして使うことができます。残念なことに、 内部発振器の許容誤差のため、19ビット全てを非同期で受 信するのは危険です。1つの解決策は水晶でコントロール されたクロック信号をFOピンに与えることですが、もっと 簡単（かつ安価）な方法があります。 S D O 信号とS C K 信号をＸO R 結合すると、マンチェス ター・エンコーディングに似た、クロック情報が埋め込ま れたシリアル・データ信号が発生し、これはマイクロコン トローラまたはFPGAを使って簡単にデコードすることが できます。データのフォーマットを図2に示します。 変換実行中、SCKとSDOは両方とも “H” なので、XOR出力 は “L” になります。変換終了時、SDOとSCKの両方が “L” に なるためグリッチが生じることがありますが、SDOとSCK のエッジは内部ゲートの遅延分離れているだけなので、グ リッチは大きくても10nsです。受信側のデバイスは、グ リッチではなく開始ビットであることを確認するため、少 なくとも20nsの“H”レベルを待つべきです。（示されてい る光カプラ回路は500nsより狭いパルスには応答しません 次の立上りエッジ LTC2433-1のシリアル・データのフォーマットは非同期 ので、グリッチは問題ではありません。） はDUMMYビットの中央で、これはSIGNビットのサンプリ の受信に適しています。変換実行中、SDOは”H”になりま す。変換終了時にSDOは2クロック・サイクルのあいだ “L” ングを3/4ビット後に同期させます。 、LTC、LTはリニアテクノロジー社の登録商標です。 になり（EOCビットとDUMMYビット）、次に残りのデー + V 12V TO 100V 5V a 13k 最小電源電圧で3mA、最大電源 SELECT R FOR 3mA AT MINIMUM SUPPLY 電圧で10mAの最大電流になるよ VOLTAGE, 10mA MAX CURRENT AT MAXIMUM うにRを選択する SUPPLY VOLTAGE 5V 0.1µF LT1029 4.7µF 48V 0.010Ω 45.3k 1 VREF 108mV 1k 2 3 –48V 10k LTC2433 VCC REF+ REF– FO SCK SDO 4 IN+ CS 5 IN– GND 9 VCC 8 7 6N139 1.54k 2 GND 6 3 FULL SCALE = 5.4A –48V (1c) BAT54S 2× a LT1790-5 590Ω DATA 5V (INVERTED) 100kHz DRIVE 1µF 5 4.7µF b DN341 F01 –48V 図1a．−48V電流モニタ 07/04/341 1µF 8 7 6 V– –7V TO –100V (1b) VCC 10 a 4.7µF b MPSA42 1.05k b + – MPSA92 4.1mA a LOAD 1.05k 4.7µF b MIDCOM 50480 (1d) SCK SDO EOC DMY DMY SCK ⊗ SDO DMY POTENTIAL START 発生する可能性の 10ns-20ns BIT ある10ns∼20ns GLITCH のグリッチ SIGN SIGN SIGN D4 D15 D15 SYNC ON MIDBIT ミッドビット TRANSISTION 遷移点で同期 D15 D14 3/4 BIT PERIOD D1 D14 D2 D1 D0 D1 D0 D0 次の変換 NEXT CONVERSION READ NEXT 次のビットを BIT 読み取る DN341 F02 図2．タイミング図 SIGNをサンプリングした後、次の遷移はさらに3/4ビット 遅れて始まり、D15のサンプリングを同期させます。すべ てのデータ・ビットが受信されるまでこのプロシージャが 続きます。 このデータ受信の手法では、光カプラの立上り時間と立下 り時間の差、受信デバイスのタイミング誤差、LTC24331の内蔵発振器の2%の誤差を含む−50%∼33%の総タイミ ング誤差を許容します。 データ受信の疑似コード 以下の疑似コードを適当なマイクロコントローラに移植す るか、またはこれらの疑似コードを使ってプログラマブ ル・ロジック・デバイスでステートマシンを設計すること ができます。 1. 20nsを超すデータの“H”状態を待つ。 2.“L”を待つ。これは開始ビットの終了点です。 3. 遷移点を待つ（ダミービットの中点） 4. クロック周期の3/4だけ待つ 5. SIGNをサンプリングし、遷移点を待つ 6. クロック周期の3/4だけ待つ 7. D15をサンプリングし、遷移点を待つ 8. クロック周期の3/4だけ待つ 9. D14をサンプリングし、遷移点を待つ 10.すべてのビットが読み取られるまで継続する この回路は20MHzで動作するPICマイクロコントローラを 使ってテストされました。十分なタイミング・マージンが あるか徹底してコードをテストします。また、データの読 み取りプロシージャが割り込みによって阻止されると生じ る可能性のあるエッジの欠落の場合のタイムアウトがコー ドに備わっていることが、良いプログラミングでは不可欠 です。これは、19ビットをすべて出力するのに要する理論 上の時間の倍以上読み出しに時間がかかると読み出しを中 止することにより、簡単に実現できます。 電源とアナログ入力 図1aの電源とリファレンスはLT®1029高精度シャント・ リファレンスから得られます。LT1029の電流が常に少な くとも1mAになるように直列抵抗を選択します。変換実行 中、LTC2433-1には200μＡ流れます。データ出力フェー ズでは、ADCの電流は4μAに低下し、6N139光カプラには 50%のデューティ・サイクルで2mA流れます。6N139はこ のアプリケーションの低入力電流と中程度の速度の要件を 満たします。変換中はLEDをオフしておくため、データを 反転する必要があります。 5Vリファレンスは電流測定のために108mVまで分割さ れ、差動入力範囲は±54mVとなり、4mVのオーバーレン ジ能力をもって50mVの標準出力電流シャントに適合しま す。電圧をモニタするアプリケーションでは、5Vリファレ ンスを直接使うことができ、その結果定まる±2.5Vの入力 範囲に適合するように入力を分割することができます。 この回路は多様なアプリケーションに適応させることがで きます。図1bは100Vまでの上側の電流検出に適していま す（電流源トランジスタの電力消費によって制限されま す）。図1cは負電源の下側検出の場合です。図1dは電力と リファレンス電圧の両方に小型のテレコム・トランスと LT1790-5直列リファレンスを使った完全な絶縁型電源で す。 まとめ LTC2433-1は困難なDCモニタの問題に対する簡単でコス ト効率の高いソリューションです。この高精度ADCを「源 流」 に配置することにより、複雑 （かつ不正確） なアナログの レベル・シフトを従来は必要としたアプリケーションを簡 素化することができます。必要なものは、LTC2433-1の 提供する柔軟なSPIインタフェースに加えて、差動入力と リファレンスの独創的ですが簡単な応用だけです。 データシートのダウンロード http://www.linear-tech.co.jp/ds/j2433f.html お問い合わせは当社または下記代理店まで（50 音順） 東京エレクトロンデバイス株式会社 株式会社トーメンエレクトロニクス 〒 224-0045 横浜市都筑区東方町 1 TEL(045)474-7113 FAX(045)474-7116 〒 108-8510 東京都港区港南 1-8-27 TEL(03)5462-9615 FAX(03)5462-9695 リニアテクノロジー株式会社 102-0094 東京都千代田区紀尾井町 3-6秀和紀尾井町パークビル 8F TEL(03)5226-7291 FAX(03)5226-0268 http://www.linear-tech.co.jp dn341f 0704 5.2K • PRINTED IN JAPAN LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION 2004