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2011年10月の記事

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2011年10月31日(月) 20:54

変化はあるが効果はない

 高周波ノイズの除去なら、コイルが効くはず。
 小さな電流でいいから強力にノイズを取り除ければ、フォトダイオードなどは
S/N を改善できるかもしれない。

 小型コイル400μHをプラス12Vの先端に取り付け、コイル手前とコイル直後の波形を取ってみる。

 さすがコイルである。しつこい高周波ノイズが、明らかに除去されている。700〜800KHzが残ったのは、恐らく
DC-DC コンバーターのスイッチング周波数だろう。しかし、ことレーザーにおいて問題なのはノイズの振れ幅であり、周波数ではない。高周波ノイズが低減されても、振れ幅は改善していないからコイルでは意味が無い。むしろ悪化気味ですらある。
 もちろんフェライトコアも駄目だろう。

 実際に試してみると、電源ノイズ低減しようとジタバタしても、大半が無意味。ここまで効果がない自己満足のオンパレードとは思わなかった。しかし、試してみることは意義がある。たとえ効果が無かったとしてもだ。
 DC-DC コンバーターの出力ノイズを単に面倒臭いから放置するのと、対策施しても効果がないと分かって放置するのは、やはり違う。
 もちろんシステムが破綻するほど大きなノイズなら何としてでも低減せねばならないが、これまでのところ容認可能なノイズレベルに留まっている。だとすれば、大して効果のない自己満足を追加するのはパーツ点数を増やし故障箇所を増やすデメリットだけが目立つ。

 フォトカプラと D/A コンバーターを合体させる。
 ハンダ付けの熱で配線が脱落してしまうので、フォトカプラ側に配線を取り付けたあとエポキシで固め、完全硬化を待った。

 ここはシステムの信頼性に直結する致命的なハンダ付け箇所なので、今度延々とこれを使って動作試験を行い、本番にも使う。わざわざ本番用を別に作り直したりしない。

 TLP250 では入力側LEDに通電すると出力はHだった。だが、TLP117 は論理が逆になる。入力に通電すると出力はLなのだ。これは、出力をHにキープする際に消費電力を減らせるメリットがある。だが、シリアル通信では余り意味がない。
 複数同時制御では論理が逆だと面倒なので、PICのI/Oピンはカソード側に接続する。吸い込みとして使うことで、L出力時にLED通電となるようにする。

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2011年10月30日(日) 17:13

自己満足だった

 電解コンデンサー以外のコンデンサーを、あれこれ買い込んでみた。すべて0.1μFである。これらをオペアンプの出力に取り付け、ローパスフィルターとしての性能を比較してみようと考えたのだ。
 すべてオシロで確認したが、残念な結果となった。どれを使っても、結果に有意な差は認められなかったのだ。普通に積層セラミックコンデンサーを使うのと、ほとんど変わらない。コンデンサーの種類に凝ったところで、こまかなノイズは除去できない。

 同じような波形が延々並ぶだけなので、あえて結果は載せない。

 これだけではつまらないので、もう1つ確認を思い立った。三端子レギュレーターはノイズを減らせるのだろうか?

 プラスマイナス15Vを作ったあと、電源ノイズを減らすために三端子でプラスマイナス12Vにカットしている。実際どの程度の効果があるのか?

 黄色のCH1は、DC-DC コンバーターで生成されたプラス15Vである。青いCH2が、それを三端子レギュレーターでプラス12Vにカットしたもの。

 オシロの表示を両CHともACに切り替え、ノイズを拡大観察。何と、三端子を通った後の方がむしろ大きくなっている。少なくとも、ノイズ低減効果は皆無。波形が完全に揃っているので、三端子レギュレーターのノイズは入力側電源依存だと分かる。

 時間軸を変えてみた。DC-CC コンバーターのノイズ幅は7〜8ミリボルトで、三端子を通ると10ミリボルトに拡大している。
 良質の電源がある場合、DC-DC コンバーターを使うより三端子レギュレーターを使った方がノイズは減らせるだろう。しかし三端子レギュレーターは「ノイズの追加」が少ないのであって、「ノイズを減らす」ことはできない。DC-DC
コンバーターと三端子レギュレーターを両方使うと、両方のノイズが加算されてしまう。

 これは盲点だった。確認して良かった。DC-DC コンバーター以外の方法で電源を作り出せるならそうするとして、どうしてもDC-DC
コンバーターを使わざるを得ない場合は、じたばたせず放置プレイがベストということだ。三端子レギュレーターを通すのは余計なお世話だし、コンデンサーに凝ったところで自己満足以上の効果はない。

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2011年10月29日(土) 17:47

フォトカプラ

 PAH350S24-48 の納期が遅いので、PAH300S24-12 を代用にして動作確認を行う。

 レーザー砲のときに入力配線の色が逆になっているので、要注意だ。
 ヒューズは30Aで、もともと PAH300 の場合は30A指定である。

 レーザー砲のときは2つ使用し、リモート端子はそれぞれ機械スイッチとN型FETになっている。FETスイッチでON/OFF可能なことは既に分かっているので、試験の必要は無い。PAH350S24-48
が届いたときに、そっちで試す。

 試験したいのは、トリム端子で出力電圧を可変にする改造の方だ。D/A コンバーター採用により、広範囲の電圧をトリム端子に与える。それで出力電圧を、仕様のレンジ一杯まで変えられるかどうかである。
 更に、直列により電位が高くなってるものはフォトカプラ経由で操作せねばならない。それが可能かどうか。

 D/A コンバーターは、実績たっぷりで使い勝手も良い LTC2630 を使う。操作対象のコンバーターは2つなので、2個を変換基板にハンダ付け。

 高速のシリアル通信でPICからデータを送り出すため、フォトカプラは高速タイプが必要だ。TLP117
を選択した。信号線は3本なので、3個用意する。

 普通に3つ並べて基板に実装すると、配線が面倒。縦に3つ重ねて立体配線する誘惑に勝てない
(^_^;)
 厚みが2.5ミリなので、2.54ミリピッチの相手と合体させるにもピッタリだし。

 TLP117は50MHzの高速信号に対応する内部構造のために、最初の1パルスは動作不安定になる。LTC2630
を誤動作させずに捨てパルスを出すよう、考えねばならない。

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2011年10月28日(金) 21:16

ローパス効きません

 オペアンプの出力に150Ωを接続し、コンデンサーとローパスフィルターを形成させる。シミュレーターで確認すると、1μFだと10KHzがナマりまくってしまう。0.1μFなら位相遅れが出るものの、波形は少し小さくなるだけ。
 0.1μFを実装し、実際どの程度のローパス効果が出るかをオシロで確認してみる。

 R1の両側に、プローブをセットした。

 黄色のCH1が、OP97の6番ピン直後。青いCH2が、R1を通過したあと。
 10KHzよりも遥かに高周波の成分でも、シミュレーターの10KHzのごとく振幅が8割程度に小さくなっただけ。皮算用としては、100KHzすなわち10μ秒周期よりも小さなノイズなど綺麗に均されてしまうのを期待していた。
 だが、僅かに振幅が小さくなったに過ぎず、ローパス効果など無きに等しい。これがアナログか。計算によるデジタル処理なら理屈通りに高周波成分は消えてくれるのだから、やっぱりアナログは面倒だ。

 R1を通過すると確かに全般的な振幅は小さくなっているが、突発的な大ノイズは逆に振幅が大きくなる傾向にある。また、通常のノイズも余分な周波数成分が入り込んでいるようだ。黄色の波形は、「芯」が水平である。対する青い波形は、芯が安定していない。
 これでは、部品点数を増やす意味が無い。

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2011年10月27日(木) 21:49

ピーキー過ぎて無理だよ

 差動増幅回路を組む。

 18Ωと1KΩの組み合わせで、約55倍に増幅。1KΩには22pFを並列接続。
 ゼロ点補正は無しにして、AD797 と OP97 を差し替えて調査する。
 半固定抵抗は、+12Vを分圧して数十ミリボルトを作り出す。それを差動増幅する。要は、安定した電流でシャント電位差を検出し、基本的な増幅ノイズがどの程度のものか確認したい。見えているICクリップはシャント電位差を直接確認するための精密電圧計で、オシロのプローブは左側のピンに取り付ける。

 実際の電流は DC-DC コンバーターによりノイズっぽいから、増幅後も更にノイズが多くておかしくない。今回の試験はだから、本番ノイズの下限確認だ。つまり、その時点で使い物にならないほどノイズが多ければ話にならない。

 まずは OP97 のゼロ電流時。半固定抵抗を一杯まで回し、入力を両方ともGND短絡状態とする。ノイズは上下7〜8ミリボルトであり、ゼロ点からのズレも1ミリボルト程度しかない。

 次に、AD797 のゼロ電流。一見するといい感じだが、スケールに注意。こっちはDIVが5ミリボルトです。15ミリボルト以上も振れている。ゼロ点からのズレも、OP97
より多い。

 半固定を回してシャント電位差を増大させると、出力もそれに比例して滑らかに大きくなる。増幅率は、ほぼ55倍になっている。0.05ボルトが2.8ボルトあたり。これは0.01Ωに5アンペア流れた状態に相当するので、実用性が確認できれば本番のシャント抵抗に10ミリオームを採用可能。
 オシロ表示をACに切り替え、ノイズを拡大観察。まずは OP97 から。ゼロ電流時よりもノイズは多いが、それでもほぼ上下10ミリボルトに収まっている。すなわち、4.32Aなどと電流を3桁表示しても実用になるぐらいのノイズである。

 対する AD797 は、ACに切り替え表示する前の段階で不安定さがはっきり分かるほどの酷さ。上下150ミリボルトも振れていて、まるで話にならない。更に、長周期の蛇行まで確認された。
 OP97 と AD797 ではノイズの周期が異なるので、電源など外因性のノイズではない。

 発振防止コンデンサーの容量をピンポイントで適切な値にしたりすれば一気に安定するのかもしれないが、そういうアナログ的な調整を自分は信用し切れていない。環境変化でいつ狂うか分からないと思っている。オペアンプ初心者が使うには、AD797
はピーキー過ぎて難しい・・・ということにしておこう。
 いずれにしろ OP97 を使えば、電流検出は全く問題なく行えそうだ。

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