AN-1304: ADE7912/ADE7913 の DC 測定性能 (Rev. 0) PDF

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AN-1304
アプリケーション・ノート
ADE7912/ADE7913 の DC 測定性能
by Nathan Benamati and Petre Minciunescu
はじめに
推奨される DC 測定手順
ADE7912/ADE7913 は、シャント電流センサーを使った多相の
電力メータ・アプリケーションのための、絶縁型、3 チャンネ
ル Σ-Δ ADC です。しかし、このデバイスは DC 信号を検出する
ために使用することができるため、このアプリケーション・ノ
ートは DC 測定性能について説明します。 電力メータ・アプリ
ケーションにおいては、シャント電流センサーの電圧を検出す
るためには電流チャンネルが、また抵抗分圧器の電圧を測定す
るためには電圧チャンネルがそれぞれ用いられます。DC 測定
という視点から見ると、どのチャンネルも DC 信号を検出する
ために用いることができるため、この区別は意味がありません。
ADE7912/ADE7913 データシートは、IP 及び IM チャンネルの
ADC オフセット誤差の標準値を-2mV、及び V1P、VM または
V2P、VM チャンネルの ADC オフセット誤差の標準値を-35mV
と宣言しています。このオフセットは DC 測定の精度に影響す
るため、除去する必要があります。各チャンネルの DC オフセ
ットの評価は、以下の手順で行います:
1. ADE7912/ADE7913 の IP ピンと IM ピン間、V1P ピンと VM
ピン間、及び V2P ピンと VM ピン間に 0 V を加えます。
2. ADC の出力レジスタ、IWV、V1WV、及び V2WV の値を、
1 秒間に少なくとも 50 回読み取ります。読み出しの間隔は
重要ではありませんが、効率的なプログラミングを行うた
めには、読み出しは周期的であることが望ましいとされて
います。
3. DC オフセットを求めるために読み出した値の平均を計算し
ます。
ADE7912/ADE7913 ADC は、IP ピンと IM ピン間の信号に対し
て±31.25 mV、V1P ピンと VM ピン間、及び V2P ピンと VM ピ
ン間の信号に対して±500 mV の入力範囲を持っています。
このアプリケーション・ノートでは、3 つの Σ-Δ ADC の入力に
DC 信号が加えられたときの ADE7912/ADE7913 の性能について
説明します。
DC 測定の安定性を保証するために、以下の手順を実行してく
ださい:
1. ADC の出力レジスタ、IWV、V1WV、及び V2WV の値を、1
秒間に少なくとも 50 回読み取ります。
2. 読み出した値の平均を計算します。
3. DC 測定値を求めるために、DC オフセット値を差し引きま
す。
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AN-1304
アプリケーション・ノート
目次
はじめに ............................................................................................. 1
DC 測定の性能評価 ............................................................................ 3
推奨される DC 測定手順 .................................................................. 1
結論 ...................................................................................................... 5
改訂履歴 ............................................................................................. 2
改訂履歴
4/14—Revision 0: Initial Version
Rev. 0 | Page 2 of 7
アプリケーション・ノート
AN-1304
2.5
DC 測定の性能評価
1.5
1.0
0.5
0
–0.5
–1.0
–1.5
IP ピンと IM ピン間、V1P ピンと VM ピン間、及び V2P ピンと
VM ピン間に、National Instruments NI_PXI-4461 カードから大き
さが可変の DC 信号を加えました。ADE7912/ADE7913 のデータ
シートは、IM 及び VM の電圧のグラウンドに対する最大値を
±25 mV に規定しているため、IM ピンと VM ピンはグラウンド
に接続しました。各信号レベルに対して測定を 1,000 回行い、
測定結果の標準偏差を計算しました。1 つの測定値は、1 秒間に
平均 50 回読み出した値の平均値であることに注意してください。
–2.0
–2.5
0.1
1
10
100
PERCENTAGE OF FULL SCALE (%)
12258-001
このキットは 4 つの ADE7933 デバイスを含んでいるため、各電
流及び電圧チャンネルの性能を評価するために 4 つの測定値を
用いました。ADE7978 の電流及び電圧データ・パス内のハイパ
スフィルタをオフにしました。
BIRMS, +σ
NIRMS, +σ
BIRMS, –σ
NIRMS, –σ
AIRMS, +σ
CIRMS, +σ
AIRMS, –σ
CIRMS, –σ
2.0
STANDARD DEVIATION (%)
簡単のために、ADE7978/ADE7933 評価キット上で性能を評価
しました。そのため、ADE7978 の rms 値の測定値を、
ADE7912/ADE7913 の DC 測定値に対する代替値として用いまし
た。
図 1. チャンネル IP、チャンネル IM の DC 測定の再現性
2.5
図 1、図 2、及び図 3 は ADE7978 の各 A、B、C、及び N デー
タ・パス上で求められた標準偏差の値を示します。
AVRMS, +σ
CVRMS, +σ
AVRMS, –σ
CVRMS, –σ
2.0
STANDARD DEVIATION (%)
1.5
BVRMS, +σ
NVRMS, +σ
BVRMS, –σ
NVRMS, –σ
1.0
0.5
0
–0.5
–1.0
–1.5
–2.5
0.1
1
10
100
PERCENTAGE OF FULL SCALE (%)
12258-002
–2.0
図 2. チャンネル V1P、チャンネル VM の DC 測定の再現性
2.5
AVRMS, +σ
CVRMS, +σ
AVRMS, –σ
CVRMS, –σ
2.0
STANDARD DEVIATION (%)
1.5
BVRMS, +σ
NVRMS, +σ
BVRMS, –σ
NVRMS, –σ
1.0
0.5
0
–0.5
–1.0
–1.5
–2.5
0.1
1
10
PERCENTAGE OF FULL SCALE (%)
100
12258-003
–2.0
図 3. チャンネル V2P、チャンネル VM の DC 測定の再現性
Rev. 0 | Page 3 of 7
AN-1304
アプリケーション・ノート
40
表 1 に DC 信号がフルスケールに対してあるレベルを持ってい
るときの標準偏差が示されています。DC 測定値の標準偏差が
電流及び V1 チャンネルに対して 0.21%付近まで、V2 チャンネ
ルではそれより少し良い 0.15%付近まで達したときに、誤差が
フルスケールの約 1%まで許容可能なレベルを維持します。
14.8
10
V1RMS MAX
V1RMS MIN
6.4
3.4
1.6
0.7
0.4
0.2
0.1
0.1
–1.5
–0.6
–0.4
–0.2
–0.2
–0.2
0
–3.0
–10
–6.2
–16.6
–20
–30
–31.5
–40
0.1
1
10
100
PERCENTAGE OF FULL SCALE (%)
12258-005
Standard Deviation (%)
I Channel
V1 Channel
V2 Channel
0.008
0.003
0.003
0.02
0.02
0.02
0.22
0.21
0.15
0.40
0.42
0.37
0.94
1.06
0.83
1.83
2.2
1.7
Dynamic
Range
1 to 1
10 to 1
100 to 1
200 to 1
500 to 1
1000 to 1
20
ERROR (%)
表 1. 周囲温度 TA = 25℃での DC 測定の標準偏差
33.3
30
図 5. 温度に対する V1P 及び VM チャンネルのドリフト
これらの結果に基づいて規定された、周囲温度 TA=25℃での DC
測定の仕様が表 2 に示されています。
60
53.1
50
表 2. ADE7912/ADE7913 の DC 測定誤差の仕様
40
ADE7933 を、温度が+85 ℃、及び VDD が 2.97 V、3.3 V、及び
3.63 V にセットし、さまざまな振幅で DC 信号を測定しました。
次に、ADE7933 は-40 ℃にセットされ、VDD に対する測定が繰
り返されました。
図 4、図 5、及び図 6 は、これらの測定で得られた最悪誤差を示
しています。
100
88.7
80
60
42.2
IRMS MAX
IRMS MIN
8.9
4.9
2.3
1.4
1.0
0.7
0.7
–1.7
–0.9
–0.5
–0.3
–0.2
0
–4.3
–9.5
–20
–19.5
–40
–48.3
–60
–80
–100 –97.1
0.1
1
10
100
PERCENTAGE OF FULL SCALE (%)
12258-004
ERROR (%)
17.4
20
V2RMS MAX
V2RMS MIN
20
図 4. 温度に対する IP 及び IM チャンネルのドリフト
Rev. 0 | Page 4 of 7
10.4
10
5.2
2.6
1.1
0.5
0.3
0.1
0.1
–2.8
–1.2
–0.5
–0.3
–0.2
–0.1
0
–10
–5.6
–11.7
–20
–30
–27.8
–40
–50
–55.2
–60
0.1
1
10
100
PERCENTAGE OF FULL SCALE (%)
図 6. 温度に対する V2P 及び VM チャンネルのドリフト
12258-006
ADC のオフセットは温度と電源によって変化し、DC 測定精度
に影響します。ADE7933 の温度測定値を温度 25 ℃、VDD 電源
電圧 3.3 V の公称値でオフセット補正します。ADE7933 の温度
範囲は-40 ℃から+85 ℃まで、VDD ピンでの電源電圧範囲は
2.97 V から 3.63 V までです。
40
25.6
30
ERROR (%)
Measurement Error (%)
I Channel
V1 Channel
V2 Channel
0.02
0.02
0.02
0.25
0.25
0.2
0.5
0.5
0.5
1.2
1.2
1.0
2.0
2.5
2.0
Dynamic
Range
10 to 1
100 to 1
200 to 1
500 to 1
1000 to 1
アプリケーション・ノート
AN-1304
表 3. 温度に対する V1 チャンネルの DC 測定仕様
Dynamic
Range
10 to 1
100 to 1
200 to 1
500 to 1
1000 to 1
V1 Channel
Measurement Error (%)
0.4
3.5
6.5
17
34
3.
4.
Temperature
Coefficient
(ppm/°C)
62
540
1000
2615
5230
5.
Offset = Offsetr + (t − tr) × Temperature Coeff
Result = Register value – Offset
表 3 に示されている仕様及び温度係数を有する V1 チャンネル
は 3 つのチャンネルのうちで最も良い性能を持っています。
温度係数はダイナミックレンジ 100:1 の場合、次の式で定義さ
れます:
3.5 × 10−2
TempCoeffV 1 =
= 538.5µ ≅ 540 ppm /  C
25 − (− 40 )
温度に対する誤差は主に DC オフセットの変動によって生じて
いると考えられます。ADE7912/ADE7913 に組み込まれている
温度センサーはこの温度変動を抑えるのに有効です。メーター
の全温度範囲にわたる温度係数の変動は以下の方法で見積もら
れ、DC オフセットを補正するために使用されます:
1.
2.
これら 2 つの温度での DC オフセットを決定します。
t1 と tr の間、及び tr と t2 の間でオフセットの温度係数を計算
します。第一の係数は室温以下で一定となるように、また
第二の係数は室温以上で一定となるように考慮します。
温度センサーの読みと以下の式を用いて DC 測定値を調整
します。
「推奨される DC 測定手順」のセクションに示されている
手順に従って、室温(tr)での DC オフセット(Offsetr)を求めま
す。
ADE7912/ADE7913 を室温からできるだけ離れた 2 つの温
度 t1 または t2 のいずれかにセットします。ここで t1 < tr 及
び t2 > tr です。
DC 測定のために Σ-Δ ADC を用いると、小さな非線形性が現れ
ることがあることに注意してください。これらの非線形性は通
常、実効的な DC 信号(入力 + 固有のオフセット)がゼロに近
い場合に現れます。この効果は、上記の精度がある場合、測定
の品質にはほとんど影響しません。
結論
ADE7912/ADE7913 で DC 測定を行う場合、ADE7912/ADE7913
の V1 チャンネルを使用することが推奨されます。DC 信号の範
囲は-500 mV から+500 mV までが適切です。オフセットの校正
は室温で行います。100:1 のダイナミックレンジの場合、室温で
の測定誤差は 0.25 %以下、全温度範囲にわたる測定誤差は 3.5%
以下です。
全温度範囲にわたって精度を高めるためには、
ADE7912/ADE7913 を含む測定器を 2 つの温度に設定し、温度係
数を計算して、その結果を用いて DC 測定値を調整します。
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メモ
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メモ
I2C は Phillips Semiconductors(現在は NXP Semiconductors)社によって開発された通信プロトコルです。
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