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USB接続 充電容量チェッカーの特性測定

 自作のUSB接続 充電容量チェッカーの低電流領域での特性を測定してみたのですが、これがあまり良くなくてがっかり。

▼低い電流の特性
低電流領域の立ち上がり特性
 オペアンプと回路を変えた3種類のデータです。横軸は実際に流れた電流で、縦軸は表示された電流。ま、表示といってもLEDの点滅周期から計算で求めた値です。

・LM358とLMX662はローサイドの検出回路で、シャント抵抗は0.1Ω
・LMC6482はハイサイド検出回路で、シャント抵抗は0.05Ω

 いずれもけっこう大きなオフセットがあります。最終型はLMC6482を使ったハイサイド検出回路ですが、約15mA以上電流が流れないとシステムは反応していないことになります。

 うーん、片電源のオペアンプを使っているので微小入力領域で不感帯が出るのは覚悟していたのですが、ちょっと大きいです。せめて5mAくらいから反応して欲しかったです。シャント抵抗を0.05Ωに下げたのは失敗だったかもです。面倒くさいので元には戻しませんけど。

 まあ、このチェッカーは大きな電流で景気良く充電している状態で使うのがメインなので、これで妥協することにします。

 もっと特性を改善させるのなら、居酒屋ガレージ店主さんに教えてもらったハイサイド電流検出専用アンプのLT6100やLTC6101を使えば良さそうです。こういう石ではハイサイド測定に特化した回路やデバイス特性、レイアウトなどを最適化していると思われ、もっと精度の高い測定が可能になると思います。

 で、ここまでやって気になってきたのがCPUのATmaga328PのADコンバーターの立ち上がり特性。データシートを見るとオフセットは2LSBとなっていますが、実際にどんな特性になっているのか知りたくて測定してみました。

▼ATmaga328P(Arduino UNO)のADCの微小入力での立ち上がり特性
ATmega328PのADCの特性
 ArduinoではVrefは5V(電源電圧)と1.1V(内部Ref)が選択できます。製作したUSB充電容量チェッカーではADCを内部Refの1.1Vで使っていますが、ついでなので5Vの時の特性も測ってみました。

 縦軸の測定結果は、ADCの値を換算してソフトが認識する電圧をプロットしています。なお、ADCの値のままだと1024ステップに離散化されてしまうので、1000回測定の平均値でプロットしています。

 5V入力の場合は12mVくらいのオフセット。LSB=5000mV/1024=4.9mVなので、仕様のオフセット誤差2LSBをちょっと越えています。でもADCの精度のスペックにはオフセット以外の項目もいろいろあるので、まあ仕様の範囲内なんでしょう。

◆システム全体への影響
 で、今回製作した回路では1.1V入力で使ってますが、この時のオフセットはグラフを読むと約4mV。入力アンプのゲインは8.8倍なのでシステムの入力に換算すると0.455mVとなり、シャント抵抗(0.05Ω)の電流に換算すると9.1mAに相当します。

 なるほど、上の方に不感領域が15mAあると書きましたが、この全部がオペアンプのせいではなく、大雑把に言うと半分はCPUのADコンバーターにも責任があったということでしょう。CPUのアナログ入力にも片電源のオペアンプ(ノートンアンプ?)が入っているはずなので仕方ないでしょうね。

◆まとめ
 こういう誤差は片電源アンプの宿命なので、これが顕在化しないように出来るだけ大きな振幅で使う。あるいは入力に正のオフセットを混入させておき、後でソフトで補正する手があるのかも知れません。今後また勉強していきたいと思います。
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tag : オペアンプ アナログポート オフセット Arduino ADC 誤差 ノートンアンプ

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