日本語参考資料 最新版英語回路ノートはこちら 回路ノート CN-0172 接続／参考にしたデバイス Circuits from the Lab™ 実用回路は今日のアナログ・ミ ックスド・シグナル、RF 回路の設計上の課題の解決 に役立つ迅速で容易なシステム統合を行うために作 製、テストされました。さらに詳しい情報と支援につ いては www.analog.com/jp/CN0172 をご覧ください。 ADT7320 ±0.25°C 精度、16 ビット、デジタル SPI 温度センサー AD7793 計装アンプ／リファレンス内蔵、3 チャンネル、低ノイズ、低電力、24 ビット Σ-Δ ADC 高精度マルチ・チャンネル熱電対測定回路 評価と設計支援 回路評価基板 CN-0172 回路評価用ボード（EVAL-CN0172-SDPZ） システム・デモ用プラットホーム（EVAL-SDP-CB1Z） CN0172 ブレークアウト・ボード（EVAL-CN0172-SDPZ に含まれている） 設計と統合ファイル 回路図、レイアウト・ファイル、部品表、ソフトウェア 回路の機能とその利点 図 1に示す回路は高精度マルチ・チャンネル熱電対測定回路 です。高精度熱電対測定を実現するには小さな熱電対電圧を 増幅し、ノイズを削減し、非直線性を修正し、高精度な基準 接点補正（一般的に冷接点補償と呼ばれる）を行う高精度部 品のシグナル・チェーンが必要です。この回路は±0.25°C以上 の精度で熱電対温度を測定するのに必要なこれらすべての課 題を解決します。 図 1に示す回路は3つのKタイプ熱電対を高精度24ビット・シ グマデルタ（Σ-Δ）A/DコンバータAD7793に接続して熱電対 電圧を測定する方法を示します。熱電対は絶対温度測定デバ イスではなく差動デバイスなので、正確な絶対温度データを 得るためには基準接点温度を知る必要があります。この方法 は基準接点補償（一般的に冷接点補償と呼ばれる）として知 られています。この回路では冷接点基準の測定に高精度16ビ ット・デジタル温度センサーADT7320を使用して必要な精度 を得ています。 Rev. 0 このタイプのアプリケーションは熱電対が提供する広温度範 囲にわたって費用対効果があり、高精度な温度測定が要求さ れるシステムで広く使用されています。 回路の説明 図 1の回路は3つのK型熱電対の温度を24ビットΣ-ΔADCの AD7793を使用して同時に測定できるように設計されています。 基準接点温度は±0.25°C精度、16ビットデジタルSPI温度セン サーADT7320を使用して測定されます。 熱電対電圧の測定 熱電対とADCのAD7793の間のインターフェースは熱電対コネ クタとフィルタです。各コネクタ （J1、J2、J3）は各差動 ADCの入力に直接つながります。AD7793の入力に接続されて いるフィルタは信号がADCのAIN（+）と AIN（−）入力に到 達する前に熱電対の導線で混入したすべてのノイズを除去し ます。AD7793は熱電対の測温接点からの小信号を増幅するた めにマルチプレクサ、バッファ、計装アンプを内蔵しており ます。 冷接点の測定 基準（冷）接点温度を−20°C ～ +105°Cの温度範囲にわたり ±0.25°Cの精度で測定するために高精度16ビットデジタル温度 センサーADT7320を使用します。ADT7320は工場で完全にキ ャリブレーションされており、ユーザー側でのキャリブレー ションは不要です。ADT7320は0.0078°C分解能で温度を測定 し、デジタル化するためにバンドギャップ・リファレンス、 温度センサー、16ビット Σ-ΔADCを内蔵しております。 AD7793 と ADT7320は両方ともシステム・デモ用プラットホ ーム （EVAL-SDP-CB1Z）を使用してSPIインターフェースで 制御します。AD7793 と ADT7320はマイクロコントローラで も制御可能です。 アナログ・デバイセズ社は、提供する情報が正確で信頼できるものであることを期していますが、その情報の 利用に関して、あるいは利用によって生じる第三者の特許やその他の権利の侵害に関して一切の責任を負いま せん。また、アナログ・デバイセズ社の特許または特許の権利の使用を明示的または暗示的に許諾するもので もありません。仕様は、予告なく変更される場合があります。本紙記載の商標および登録商標は、それぞれの 所有者の財産です。 ※日本語資料は REVISION が古い場合があります。最新の内容については、英語版をご参照ください。 ©2012 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 本 社／〒105-6891 東京都港区海岸 1-16-1 ニューピア竹芝サウスタワービル 電話 03（5402）8200 大阪営業所／〒532-0003 大阪府大阪市淀川区宮原 3-5-36 新大阪トラストタワー 電話 06（6350）6868 CN-0172 回路ノート FILTERING 5 AD7793 R20 1kΩ R11 1kΩ SPI_DOUT 3 SPI_DIN 4 6 5 4 IOUT 1 CLK 11 IOUT 2 CS J6 CS1 3 CS3 4 8 9 GND CS4 7 VDD 6 CS3 CS2 CS1 SPIDIN SPIDOUT SPICLK 5 NC NC NC NC NC 8 VDD GND EPAD ADT7320 CT U4 3 DIN 4 CS 5 NC 6 4 INT 9 16 15 14 13 1 SCLK 2 DOUT CS4 3 7 C1 0.1µF REFERENCE (COLD) JUNCTION COMPENSATION FOR CHANNEL 3 (J3) CS1 3 1 2 SPI_CLK 6 12 11 17 10 2 VDD VDD = 3.3V CS2 2 VDD GND ADT7320 EPAD CT U3 3 DIN 4 CS 5 SPI_CLK 10 AIN3(–)/REFIN(–) SCLK 1 SPI_DIN 1 NC NC 16 15 14 13 1 SCLK 2 DOUT NC DIN 8 5 6 7 12 11 17 10 C1 0.1µF INT 9 8 CS4 CS3 CS2 NC C7 0.01µF C11 0.01µF J5 1 2 16 C1 0.1µF INT 9 NC – THERMOCOUPLE REFERENCE JUNCTION C13 0.1µF R9 1kΩ 15 7 NC VBIAS 9 AIN3(+)/REFIN(+) SPI_DOUT 6 12 11 17 10 REFERENCE (COLD) JUNCTION COMPENSATION FOR CHANNEL 2 (J2) AIN2(–) DOUT/RDY R8 1kΩ 5 12 GND NC 8 C6 0.01µF J3 + 7 AIN2(+) NC R7 1kΩ C8 0.01µF NC VBIAS – THERMOCOUPLE REFERENCE JUNCTION C10 0.1µF NC + 6 NC R3 1kΩ 3 DIN 4 CS NC 4 VDD GND ADT7320 EPAD CT U2 NC 3 C5 C4 + 10µF 0.1µF U1 1 SCLK 2 DOUT NC 13 AVDD 16 15 14 13 1 2 NC CHANNEL 3 THERMOCOUPLE MEASUREMENT JUNCTION DVDD 6 AIN1(–) C2 0.01µF J2 CHANNEL 2 THERMOCOUPLE MEASUREMENT JUNCTION AIN1(+) C1 0.01µF J4 NC – THERMOCOUPLE REFERENCE JUNCTION C3 0.1µF R2 1kΩ VDD 14 NC VBIAS 5 NC CHANNEL 1 THERMOCOUPLE MEASUREMENT JUNCTION REFERENCE (COLD) JUNCTION COMPENSATION FOR CHANNEL 1 (J1) R1 1kΩ J1 + SPI_DIN SPI_DOUT SPI_CLK J7 VDD 1 2 3 4 5 6 1 J9 2 3 4 J10 5 6 1 2 3 4 5 6 J11 09240-001 NOTES: 1. EPAD = EXPOSED PADDLE OF THE LFCSP PACKAGE (ADT7320) 2. THE REFERENCE (COLD) JUNCTION COMPENSATION SENSOR BOARDS CONNECTIONS TO THE REST OF THE CIRCUIT: A) CHANNEL 1 (J1): J4 TO J9 B) CHANNEL 2 (J2): J5 TO J10 C) CHANNEL 3 (J3): J6 TO J11 09240-002 図 1. マルチ・チャンネル熱電対測定システム（簡略化した回路：接続及びデカプリングの全ては示されていません。） 図 2. EVAL-CN0172-SDPZ 回路評価用ボード Rev. 0 | Page 2 of 6 CN-0172 回路ノート 図 2 は EVAL-CN0172-SDPZ 回路評価用ボードを示しますが、 3 つの K タイプ熱電対コネクタ、ADC の AD7793、基準温度 測定用に 2 つの銅コンタクト間の別のフレキシブル・プリン ト基板（PCB）に搭載した温度センサーADT7320 が実装され ています。 図 3は別のフレキシブルPCBに搭載され、熱電対コネクタの2 つの銅コンタクト間に挿入されたADT7320の側面図です。図 3に示すフレキシブルPCBは小型FR4タイプPCBよりも薄く、 フレキシブルなので利点があります。このPCBを使用する事 によりADT7320を熱電対コネクタの銅コンタクト間に適切に 搭載して、基準接点とADT7320との間の温度勾配を最小限に する事ができます。 先端露出型の利点は熱伝導が最も良く、応答時間が最も速く、 低価格で軽い事です。先端露出型の弱点は機械的な破損や腐 食に弱い事です。結論として、先端露出型は激しい環境には 適していません。しかし迅速な応答時間が要求される場合、 先端露出型はベストの選択です。もし工場の環境で先端露出 型が必要な場合は、シグナル・チェーン内で電気的なアイソ レーションが必要になる可能性があります。それはデジタ ル・アイソレータを使用する事により可能になります （www.analog.com/jp/icoupler を参照してください）。 ADT7320は従来のサーミスタあるいは測温抵抗体（RTD）と は異なり、真のプラグ・アンド・プレイ回路になっており、 ボード組み立て後の複数点キャリブレーションが必要なく、 キャリブレーション係数や直線性ルーチン用にプロセッサや メモリのリソースを使用する事はありません。ADT7320は3.3 V電源でわずか700 µW（typ）しか消費しないので、従来の抵 抗性センサー回路の精度に影響を及ぼした自己発熱の問題を 避ける事ができます。 高精度な温度測定のガイドライン 09240-003 下記はADT7320で基準接点の温度を高精度に測定するための ガイドラインです。 図 3. フレキシブル PCB に搭載された ADT7320 の側面図 フレキシブルPCBは小型で薄いのでADT7320は基準接点での 温度変化に迅速に応答できます。図 4はADT7320の標準的な 熱応答時間を示します。 140 125°C 120 DUT TEMPERATURE (°C) 105°C 100 85°C デカップリング：ADT7320で高精度な温度測定を確実に行う にはVDDのできるだけ近くにデカップリング・コンデンサを実 装する必要があります。0.1 µF高周波セラミック・タイプのよ うなデカップリング・コンデンサを推奨します。さらに低周 波用デカップリング・コンデンサ（10 µF ～ 50 µFのタンタ ル・コンデンサなど）を高周波セラミックと並列に接続して ください。 熱伝導を最大限にする：基準接点からADT7320への主な熱的 経路はプラスチックパッケージと裏側の露出パドル（GND)を 通ります。銅コンタクトをADC入力に接続するので、このア プリケーションでは裏側パドルは接続できません。なぜなら ADC入力へのバイアスに影響するからです。 80 IT TAKES LESS THAN 2 SECONDS FOR THE DUT TO REACH 63.2% OF ITS FINAL TEMPERATURE SPAN 60 電源電圧：ADT7320 の電源がスイッチング・レギュレータか ら供給されている場合、50 kHz 以上で発生するノイズが温度 精度仕様に影響を及ぼす可能性があります。これを避けるた めに、電源と VDD の間に RC フィルタを使用してください。 電源ノイズのピーク値が 1 mV 以下になるように使用する部 品の値を注意深く選択してください。 40 0 0 5 10 15 20 TIME (s) 25 09240-004 20 図 4. ADT7320 の標準熱応答時間 この回路は柔軟性があるので他のタイプ（J タイプあるいは T タイプ熱電対など）の熱電対を使用する事ができます。この 回路ノートではもっとも使用されている K タイプを選択しま した。実際に選択した熱電対は先端が露出しています。測温 接点はプローブ壁の外側になり、目標の媒体にさらされます。 Rev. 0 | Page 3 of 6 CN-0172 回路ノート 高精度電圧測定のガイドライン バリエーション回路 下記はAD7793を使って基準接点の温度を確実に高精度に測定 するためのガイドラインです。 精度がもっと低くても良いアプリケーションには 24 ビット ΣΔ ADC の AD7793 の代わりに 16 ビット Σ-Δ ADC の AD7792 が使用できます。基準温度の測定には±0.25°C 精度のデジタル 温度センサーADT7320 の代わりに±0.5°C 精度の ADT7310 が 使用できます。AD7792 と ADT7310 は両方とも SPI インター フェースが可能です。 デカップリング：高精度な温度測定を確実に行うために ADT7320はVDDのできるだけ近くにデカップリング・コンデ ンサを接続する必要があります。10 µFタンタル・コンデンサ と0.1 µF セラミック・コンデンサを並列にしてGNDに接続し てAVDDをデカップリングしてください。さらに10 µFタンタ ル・コンデンサと0.1 µF セラミック・コンデンサを並列にし てGNDに接続してDVDDをデカップリングしてください。グラ ウンディング、レイアウト技術、デカップリング技術に関す る詳しい情報についてはTutorial MT-031とTutorial MT-101を参 照してください。 フィルタリング：AD7793 の差動入力は熱電対線上のほとん どの同相ノイズを取り除く働きをします。たとえば AD7793 のフロントエンドに接続されている R1、R2、C3 から成る差 動ローパス・フィルタは熱電対端子で混入する可能性のある ノイズを削減します。C1 と C2 のコンデンサは追加の同相フ ィルタです。ADC の AIN（+）と AIN（−）のアナログ入力 は差動のため、アナログ変調器内のほとんどの電圧は同相電 圧です。AD7793 の優れたコモン・モード除去比により、こ れら入力での同相ノイズが除去されます。 この回路で解決した他の問題 下記に前述した熱電対の他の問題をこの回路でどのように解 決したかをまとめました。 熱電対電圧の増幅：熱電対の出力電圧は１°C あたり数 µV し か変化しません。この場合、最も使用されている K タイプ熱 電対の変化率は 41 µV/°C です。このように信号が小さい場合 は AD 変換の前に大きなゲイン段が必要となります。AD7793 の内蔵プログラマブル・ゲイン・アンプ（PGA)のゲインは 128 まであります。この回路では、AD7793 がその内部リファ レンスを使用してそれ自身の内部フルスケール・キャリブレ ーションを行えるようにゲイン 16 にしました。 熱電対の非直線性の補正：AD7793 は広温度範囲（−40°C ～ +105°C）にわたって優れた直線性があるので、ユーザーによ る補正あるいはキャリブレーションは必要ありません。 実際の熱電対温度を決定するために、始めに基準温度の測定 値を National Institute of Standards and Technology（NIST）が提 供している公式を利用して等価熱電電圧に変換します。この 電圧は AD7793 によって測定された熱電対の電圧に加算され ます。そして次にその和は再び NIST 公式を利用して熱電対温 度に換算されます。代わりの方法にルックアップ・テーブル の使用があります。しかし、同じ精度を得ようとすると、ル ックアップ・テーブルのサイズが大きくなる可能性があり、 その場合ホスト・コントローラから追加のメモリ・リソース が必要となります。すべての処理は EVAL-SDP-CB1Z を使っ てソフトウェアで行われます。 回路評価とテスト 記述したシステムは EVAL-CN0172-SDPZ と EVAL-SDP-CB1Z を使用します。CN0172 ブレークアウト・ボードは EVALCN0172-SDPZ ボードに含まれています。 必要な装置 下記の装置が必要です： • • • • • • • • • • オイル槽 EVAL-CN0172-SDPZ 回路評価用ボード （EVAL-CN0172-SDPZ ボードに含まれている）CN0172 ブレークアウト・ボード EVAL-SDP-CB1Z 回路評価用ボード CN0172 評価用ボード・ソフトウエア Datron 4808 キャリブレータ Hart Scientific 1590 スーパー熱電対 Hart Scientific 高精度プローブ GPIB ケーブル（3） GPIB カードと USB2.0 ポート付き PC とウインド XP 又は それ以降の LabVIEW が動作する物 セット・アップとテスト 図 5 に示すテスト・セットアップはマルチ・チャンネル熱電 対回路の性能を評価するために使用されました。Datron キャ リブレ―タは 3 つの熱電対入力用高精度電圧源を供給するた めに使用しました。オイル槽の温度はスーパー熱電対で測定 し、GPIB バスを介して制御しました。 CN0172 の LabVIEW ソフトウェアは USB ポートを介して EVAL-CN0172-SDPZ、EVAL-SDP-CB1Z、ブレークアウト・ ボード、SPI バスを制御します。EVAL-SDP-CB1Z の電源は USB バスから得ます。 そして EVAL-SDP-CB1Z の 3.3V 出力 は EVAL-CN0172-SDPZ の電源を供給します。 オイル槽の測定が必要ない場合、熱電対温度の測定は、CD で 提供するソフトウェアと PC との USB インターフェースを利 用する事により、EVAL-CN0172-SDPZ を使用して行う事が出 来ます。 テスト・セットアップとキャリブレーションそしてデータ取 り込みのための評価ソフトウェアの使用方法に関する情報と 詳細については CN0172 ユーザー・ガイドに載っています： www.analog.com/CN0172-UserGuide。 EVAL-CN0172-SDPZ の回路とレイアウトは CN-0172 設計支援 パッケージに載っています：www.analog.com/CN0172DesignSupport。 Rev. 0 | Page 4 of 6 CN-0172 回路ノート HART SCIENTIFIC PRECISION PROBE OIL BATH FOR REFERENCE (COLD JUNCTION) DATRON 4808 CALIBRATOR (VOLTAGE SOURCE) CH1 CH2 VOUT CH3 EVAL-CN0172-SDPZ GPIB BUS SPI BUS AND +3.3V POWER SUPPLY 9-PIN CONNECTOR 120-PIN CONNECTOR USB PC SDP BOARD CN0172 BREAKOUT BOARD 09240-005 HART SCIENTIFIC 1590 SUPER THERMOMETER 図 5. テスト・セットアップ機能ブロック図 テスト結果 図 6 のグラフは各種固定冷接点（CJ）温度における熱電対温度 全体の熱電対回路誤差です。広温度範囲にわたり総合回路誤差 ≤ ±0.25°C を達成しています。回路の精度は ADC の AD7793 の システム・キャリブレーションを行う事によりさらに改善でき ます。 図 7 のグラフは各種固定熱電対温度における CJ 温度全体の熱電 対回路誤差です。広温度範囲にわたり総合回路誤差≤ ±0.25°C を 達成しています。 0.25 0.20 0.15 0.25 0.10 ERROR (°C) 0.20 0.15 0.05 CJ = –20°C CJ = +20°C CJ = +60°C CJ = +100°C –70 130 –0.25 –20 CJ = 0°C CJ = +40°C CJ = +80°C CJ = +105°C 330 530 0 20 40 60 TC = –70°C TC = +480°C TC = +880°C 80 100 COLD JUNCTION TEMPERATURE (°C) 図 7. 固定熱電対温度における冷接点温度 対 誤差 730 930 1130 THERMOCOUPLE TEMPERATURE (°C) 図 6. 固定冷接点（CJ）温度における熱電対温度 対 誤差 Rev. 0 | Page 5 of 6 09240-007 –0.20 –0.10 –0.25 –270 TC = –270°C TC = +280°C TC = +680°C TC = +1080°C –0.15 –0.05 –0.20 –0.05 –0.10 0 –0.15 0 09240-006 ERROR (°C) 0.10 0.05 CN-0172 回路ノート さらに詳しくは データシートと評価用ボード CN-0172 Design Support Package: http://www.analog.com/CN0172-DesignSupport CN-0172 回路評価用ボード（EVAL-CN0172-SDPZ） 標準開発プラットフォーム・ボード（EVAL-SDP-CB1Z） Analog Dialogue 44：熱電対の簡便性、精度、フレキシビリテ ィを利用して温度を測定する 2 つの方法 Thermocouple 101:What is a Thermocouple?ADI Video. ADT7320 データシート／評価用ボード ADT7310 データシート／評価用ボード AD7793 データシート／評価用ボード AN-892 アプリケーション・ノート： 温度計測の理論と実践上のテクニック AD7792 データシート／評価用ボード AD779x Instrumentation Converters, Frequently Asked Questions. 改訂履歴 ADT7320/ADT7420 Digital Temperature Sensors, Frequently Asked Questions. 12/12—Revision 0:初版 Kester, Walt.1999.Sensor Signal Conditioning.Section 7.Analog Devices. MT-004 Tutorial : The Good, the Bad, and the Ugly Aspects of ADC Input Noise—Is No Noise Good Noise? MT-022 Tutorial : ADC Architectures III:Sigma-Delta ADC Basics MT-023 Tutorial : ADC Architectures IV:Sigma-Delta ADC Advanced Concepts and Applications MT-031 Tutorial : Grounding Data Converters and Solving the Mystery of “AGND” and “DGND” MT-101 Tutorial : Decoupling Techniques 「Circuits from the Lab／実用回路集」はアナログ・デバイセズ社製品専用に作られており、アナログ・デバイセズ社またはそのライセンスの供与者の知的所有物です。お客さ まは製品設計で「Circuits from the Lab／実用回路集 」を使用することはできますが、その回路例を利用もしくは適用したことにより、特許権またはその他の知的所有権のも とでの暗示的許可、またはその他の方法でのライセンスを許諾するものではありません。アナログ・デバイセズ社の提供する情報は正確でかつ信頼できるものであることを 期しています。しかし、「Circuits from the Lab／実用回路集 」は現状のまま、かつ商品性、非侵害性、特定目的との適合性の暗示的保証を含むがこれに限定されないいかな る種類の明示的、暗示的、法的な保証なしで供給されるものであり、アナログ・デバイセズ社はその利用に関して、あるいは利用によって生じる第三者の特許権もしくはそ の他の権利の侵害に関して一切の責任を負いません。アナログ・デバイセズ社はいつでも予告なく「Circuits from the Lab／実用回路集 」を変更する権利を留保しますが、そ れを行う義務はありません。 商標および登録商標は各社の所有に属します。 ©2012 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 商標および登録商標は、それぞれの所有者の財産です。 CN09240-0-12/12(0) Rev. 0 | Page 6 of 6