チャージアンプの自作について

締切済

質問者：minority64
質問日時：2008/02/19 17:10
回答数：3件

今、圧電素子によって発生した電荷を電圧として扱うため
チャージアンプを作製しています。
オペアンプを用いた積分回路を作製したのですが、
圧電素子に力が加わるとノイズが増幅されるばかりで
うまく動作しません。
使用した素子は以下の通りです。
オペアンプ　　　　　　　741
入力抵抗　　　　　　　100[kΩ]
入力バランス抵抗　　　100[kΩ]
ディスチャージ用抵抗　100[kΩ]
負帰還コンデンサ　　　0.1[μF]
なお、目標としては
20[pC]を0.2[mV]に変換したいと考えています。
分かる方がおられましたらご回答のほどよろしくお願いします。

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回答 (3件)

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No.3

回答者： tadys
回答日時：2008/02/20 20:21

チャージアンプを作ったことは無いのですが、チャージアンプに７４１は向いていません。

20[pC]のチャージが仮に1msの間に発生するとすると平均電流は20nAに対し741の入力バイアス電流は MAX800nA です。
チャージが発生する時間が1usだとすると今度は周波数帯域が足りません。

入力バイアス電流としては pA～fA クラスのオペアンプが必要でしょう。
ノイズが低い必要もあります。

＞入力抵抗 100[kΩ]
原理的には入力抵抗は必要ありません。保護用に抵抗を入れるのは有りです。

＞ディスチャージ用抵抗　100[kΩ]
対象の周波数にもよりますがこれは小さすぎるでしょう。MΩ～GΩクラスの抵抗が必要です。
場合によっては放電用の回路が別途必要になるかもしれません。

回路としてはここらあたりが参考になるでしょう。
http://www.ednjapan.com/content/issue/2006/06/co …
ここで使用しているLTC6421の入力バイアス電流は1pA(Typ)です。

オペアンプはここらあたりで探せます。
http://www.analog.com/jp/subCat/0,2879,759%255F7 …

高インピーダンス回路ではリーク電流が問題になります。
半田付けした後の基板はフラックスなどが残らないように洗浄し防湿処理が欠かせません。
特に気になる場合はテフロン端子などで浮かせて空中配線にすると吉です。

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この回答へのお礼

適切な回答ありがとうございます。
非常に参考になりました。

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お礼日時：2008/02/21 02:50

No.2

回答者： anachrockt
回答日時：2008/02/19 19:50

チャージアンプは，ここの4.62～に出ています．

使用アンプは低雑音FETオペアンプのAD745が推奨されています．
http://www.analog.com/library/analogDialogue/arc …
日本語訳はこれです．
http://www.cqpub.co.jp/hanbai/books/36/36121.htm
AD745はありませんが，こちらでサンプル・キャンペーンやってます．
http://www.analog.com/intl/japan/productHighligh …

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この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
探してみます。

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お礼日時：2008/02/19 22:44

No.1

回答者： A-Tanaka
回答日時：2008/02/19 17:24

こんにちは。

モノシリック型だと、小さな電圧（電荷）ではノイズが載るようです。この場合には、差動型の設計が良いかと思います。

具体的には、フロントでは小さな増幅率で増幅を行い、２段目では所望の増幅率で増幅を行うという設計方法です。

参考資料として、
http://www.ednjapan.com/content/issue/2005/12/co …
辺りを参考にしてみると良いかと思います。

では。

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この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
参考にさせていただきます。

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お礼日時：2008/02/19 22:43

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Q【難質問】圧電素子の時間分解能について

衝撃波管実験に圧電素子とチャージアンプを利用しているのですが、

・チャージアンプの測定時間分解能に与える影響

圧電素子は原理的には、結晶の圧電効果から生まれる電気信号なので、時間分解能は高いように思えるのですが、「チャージアンプ」を入れることで、どれだけ時間分解能が鈍るのか？
つまり積分回路的な効果、時間積分されればそれだけ、時間分解能が下がるように思えます。
いわゆる圧電素子の固有振動数は、素子の構成部品に依存するはずですから、
トータルでどれだけの時間分解能になるのかが気になります。

つまり、「ピーク圧力＝衝撃波先頭圧力」としてよいのか？

この問いに関わってくるのですが、どなたか電気回路・もしくはこの類の測定に詳しい方がいらっしゃればご教授お願いできませんでしょうか。よろしくお願いします。

Aベストアンサー

「時間分解能」というのは曖昧な言い方ですが、
・高周波特性（カットオフ周波数）：　どれくらいの周波数の圧力変化まで信号として取り出せるか
・時間遅れ：　圧力が変化してから、信号に変化するまでの時間遅れ
のどちらの意味でしょうか？

＞「ピーク圧力＝衝撃波先頭圧力」としてよいのか？
かどうかを気にしているということは、インパルス入力等の非常に高い周波数成分を持っている入力信号がどれだけ正確に、出力信号に表れるかを考えている、ということで、主に、高周波特性についてですかね。
とりあえず、そうしておきます。

＞チャージアンプの測定時間分解能に与える影響
まず、チャージアンプが内部で電流を時間積分していること自体は、高周波特性には全く影響しません。
チャージアンプというのは、電荷を測るものなわけですが、通常、電荷をいったん電流として流して（i=dQ/dtなので、ここで微分している）、測定した電流を時間積分して電荷に戻しています。（Q=∫idt）
というわけで、チャージアンプ内で時間積分するのは、元の信号（電荷Ｑ）を（測定の都合上）いったん微分したものを元に戻すためなんで、理想的には、元の信号（電荷Ｑ）が完全に再現される（全く影響を与えない）はずです。

チャージアンプの高周波特性を決めるのは、主にチャージアンプ内の電流測定回路の高周波特性です。もちろん、その後の積分回路の高周波特性が、電流測定回路の高周波特性よりも大幅に悪ければ、積分回路の高周波特性が、チャージアンプ全体の高周波特性を決めることになりますが、通常、あまり考えられないと思います。
とりあえず、お使いのチャージアンプの周波数応答特性（横軸：周波数、縦軸：ゲイン）を調べてください。

＞圧電素子は原理的には、結晶の圧電効果から生まれる電気信号なので、時間分解能は高いように思えるのですが
圧電素子自体にも高周波特性があります。圧力素子のカットオフ周波数（これより高いの周波数の圧力変化は、そもそも圧力素子の表面電荷の変化として見えてこない）は、単純には、圧力素子の音速で決まります。
こちらも、圧電素子の仕様を確認してください。

おそらく、物理的に決まる、圧電素子のカットオフ周波数のほうが、チャージアンプのカットオフ周波数より低い（より問題になる）と思います。

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しかしネットで検索すると、抵抗を介してGNDへ落とす回路を見かけました。
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どうかご教授お願い出来ませんでしょうか。
宜しくお願いします。

Aベストアンサー

この抵抗は、オペアンプの入力端子に流れるバイアス電流による、出力電圧の理想値からのずれを抑えるものです。tadysさんと同じ主旨ですが、定量的には、理想値からのずれ（DC電圧のずれ）は、添付図の式（A）の Ib がかかった項になります。

添付図は、オペアンプを使った２入力の加算回路です。Vin１と Vin2 という２つの入力電圧を加算し、正負を反転した電圧が出力電圧（Vout）になるものですが、オペアンプの入力端子に流れるバイアス電流 Ib が無視できない場合、添付図の式(A)のように、Ib のかかっている項が誤差になります。R4 がない場合は、式(A)で R4 = 0 としたものになるので
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LM358の場合は Ib が最大100nAと、無視できる境界線あたりですが、ご質問の回路は交流だけを加算するもの（出力コンデンサで直流がカットされている）なので、バイアス電流によってVoutに直流的な誤差電圧が少々乗っていても問題ありません(オペアンプにLM358を使うのならR4はなくてもいい）。

なお、添付図では、オペアンプの反転入力端子（－）に流れるバイアス電流も非反転入力端子（＋）に流れるバイアス電流も同じ Ib としていますが、現実には、この電流にはわずかな違いがあります（その違いを入力オフセット電流といいます）。しかし、この違いは一般に小さいので無視できることが多いです。

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QFFT・PSDの縦軸は何を意味するのでしょう？

加速度計測の結果について、PSD（パワースペクトラムデンシティ）をかけた場合、その縦軸の意味を教えてください。
また、FFTとPSDはどういう違いが有るのでしょうか？
これまでは、周波数の分布のみに着目していました。
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一般に加速度センサー信号の出力は電圧です。

縦軸は係数をかけていない状態では＃１さんがおっしゃるように計測した電圧の値を示しています。

よって、縦軸に物理的な意味を持たせるのには、電圧と加速度の間の換算係数をかけてやる必要があります。

フーリエ解析は時刻歴波形は正弦波の組み合わせで構成されるという仮定の下で計算を行っています。ＦＦＴの結果は横軸で示される周波数の正弦波の振幅を示しています。
電圧と加速度の換算係数をかけてやると、ＦＦＴの縦軸はその周波数成分を持つ加速度振幅を示しています。

ここで１つ問題があります。ＦＦＴはサンプリング周波数により分解能が変わります。ＦＦＴによる周波数分析は正確にいうと、離散値なので、ジャストの周波数のもをだけを表しているのではなく、ある範囲の周波数範囲にある成分を表しています。
このため分解能が変わると周波数範囲が変わり、同じ波形を分析しても振幅が変わります。
これでは分解能が異なるデータ同士は比較できないなどの問題が生じます。
そのため、周波数幅で振幅を基準化して、１Ｈｚあたりの振幅としたものがＰＳＤです。
ＰＳＤならサンプリング周波数が異なるデータ同士の比較ができます。

要はフーリエ振幅（ＦＦＴ）はサンプリング周波数・分解能により変わる値であり、ＰＳＤはそのようなことのないように周波数幅で基準化した値という差があります。

なお、２乗表示したものをパワースペクトルと呼び、それを周波数で基準化したものをＰＳＤと呼びますが、ＰＳＤは表示方法によって２乗した状態のあたいを表示（パワー表示）するときと、２乗した値の平方根を計算して表示することがありますので、使用する際には縦軸の表示方法については要注意です。

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Q圧電素子の駆動方法が分からなくて困っています

圧電素子にファンクションジェネレータで正弦波の電圧を印加して振動させようと思っているのですが，うまく振動しません．増幅回路を使って駆動させればよいとは思うものの，電子回路に関して初心者なため困っています．
増幅回路についてのアドバイスと，一般的な圧電素子の駆動方法を知っている方がいましたら一言お願いします．

ちなみに私が使っている圧電素子はRSのEB-T-320という製品です．

Aベストアンサー

cter2007さん、再び今晩は。
人が触って感知できるのはせいぜい１ＫＨｚ程度までです（実験済み）。
おそらく１００ｕｍ以上の振幅が必要と思います（根拠なし）。

この点で、お考えの「センサ」では無理かなと思います。
・共振点でなければ大振幅が得られない。
・高電圧駆動時の絶縁の問題と振動減衰が両立しないだろう。

お使いの「センサ」に拘る限り工学的に意味の無い実験となりかねません。
私ならセンサ（振動子）選びからやり直します。
このメーカＷＥＢは見ましたが何の情報も得られないですね。
再度書きますが、ブザーの類から選ぶことです。

なお触感が得られるのは普通可聴周波数になりますよ。

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Qチャージアンプの周波数特性の説明に出てきたW/Bって何ですか。その他にもいろいろ。

チャージアンプの説明書の内容の意味を教えていただけますでしょうか。
「周波数特性：W/B、センサー感度0.80～999の時0.5Hz～50kHz　＋1dB、－3dB」と書いてありました。メーカーに電話すればいいのですが、土日は電話できないのでちょっと困っています。

質問１．W/Bとは何の略でしょうか。
質問２．後半の意味はどういうことでしょうか。センサ感度が0.80～999の時0.5Hzのゲインは1dBだけど、50kHzだとゲインが-3dBになるよ。って意味でしょうか。
質問3.もし質問２の推測が正しいとして、なぜ、高周波数になるとゲインが落ちるのでしょうか。

Aベストアンサー

２．
ゲインが +1dB～-3dB の範囲に収まっている周波数の範囲が、0.5Hz～50kHzである。
言い換えると、0.5Hz～50kHzの間では、ゲインが+1dB～-3dBの間にある。
0.5Hz以下や50kHz以上では、+1dB～-3dB の範囲外（+1dB 以上か -3dB 以下）。

　よくある周波数特性は、お椀を伏せた（中間が高く左右（周波数の上下）が低い）形です。その場合 0.5Hz と 50kHz のところが -3dB、その間のどこかの周波数のところで +1dB になります。

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QNをkgに換算するには？

ある試験片に40kgの重りをつけた時の荷重は何Nをかけてあげると、重り40kgをつけたときの荷重と同等になるのでしょうか？一応断面積は40mm^2です。
1N＝9.8kgfなので、「40kg=N×0.98」でいいのでしょうか？
ただ、式の意味がイマイチ理解できないので解説付きでご回答頂けると幸いです。
どなたか、わかる方よろしくお願いします。

Aベストアンサー

こんにちは。

ｋｇｆはＳＩ単位ではないですが、質量の数値をそのまま重さとして考えることができるのがメリットですね。

＞＞＞
ある試験片に40kgの重りをつけた時の荷重は何Nをかけてあげると、重り40kgをつけたときの荷重と同等になるのでしょうか？

なんか、日本語が変ですね。
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４０ｋｇのおもりなので、「おもりにかかる重力」は４０ｋｇ...続きを読む

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Qオペアンプに電源を入れただけでノイズがたくさん出るのですが・・・

オペアンプを使って電流電圧変換器を作りました。
帰還抵抗値は10kΩ、パスコン容量は10pF、帰還容量は1pFです。
これをスペクトラムアナライザで見てみると入力段に何も信号を入れなくても、大量のフロアノイズ及び周期的なノイズピーク(凡そ100kHzおき）に出ています。
この原因は何なのでしょうか？
こんな簡単にオペアンプが発振するとは思えないのですが・・・
いろいろ考えてみたのですが、分かりませんでした。
どなたか知ってらっしゃいましたら教えて下さい。

Aベストアンサー

OPA2604のデータシート１ページ目の FEATURES を見ると、ゲイン1で安定（ UNITY-GAIN STABLE）と書かれていますので、帰還率が1でも発振しないと思います。念のため、オープンループゲイン/位相の周波数特性（4ページ）を見てみましたが、Voltage Gain = 1 （ 0dB ）のときの位相余裕が40度あるので、反転入力（－）と出力間に帰還抵抗を入れた状態で、反転入力をopenにしても発振しないと思います。

OPA2604の実物が手元にないので、回路シミュレータ（Circuit Maker）で様子を見てみました。オペアンプを OPA2604 とし、帰還容量を Cf = 1pF、帰還抵抗を Rf = 10kΩ～500kΩ、非反転入力（＋）＝0V として出力波形を見てみましたが異常はありませんでした。他に考えられる発振の原因として以下の３つがあります。
　　　（１）　容量性負荷による発振
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　　　（３）　反転入力端子の容量による発振
（１）については、データシート9ページの FIGURE 2 に、大きな容量性負荷の駆動回路の例が出ているので、出力端子に10000pFの容量をつけてシミュレーションしてみましたが発振しませんでした（出力電圧は完全なDCではありませんがnV未満のAC信号しか出ません）。（２）については、電源ラインに配線インダクタンスを模した 0～500μH のコイルを入れてみましたがこれでも発振はしませんでした。（３）についてですが、反転入力端子（－）と負荷に付けた静電容量がともに数千pFの場合に、Rf = 10kΩ で発振し、Rf = 500kΩでは発振しないとういう現象が見られました。可能性としては低いと思いますが、反転入力端子（－）と出力端子の両方に大きな容量（数十mの同軸ケーブルなど）がつながっていませんか？

＞クローズループでのゼロクロスポイントの計算はどうすれば良いのでしょうか？
ちょっと時間をください。

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Q実際の非反転増幅器の出力インピーダンスの導出過程を教えてください

実際のopアンプを使用した非反転増幅器の出力インピーダンスはどうやって導出すれば良いのでしょうか？
http://oshiete1.goo.ne.jp/qa4654272.html
こちらの質問を参考に出力インピーダンスを算出してみたところ、一向にテキストと同じ式になりません。
テキストには、出力インピーダンス:
　　　　　　 Zout=(1+Rf/R1)Zo/Avo
　　　　　　 Zo:OPアンプ単体の出力インピーダンス
　　　　　　 Rf:フィードバック側の抵抗，R1:反転入力側の抵抗
　　　　　　 Avo:電圧利得
ご指導よろしくお願いします。

Aベストアンサー

「こちらの質問」のANo.2です。
「こちらの質問」は入力インピーダンスの話で、出力インピーダンスではありません。添付図に導出方法を途中まで書きました。Zout = (1+Rf/R1)*Zo/Avo というのは近似です。Avo がどういう場合にそうなるか考えてみてください（Avoは非常に大きな数値です）。

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Qプルアップ抵抗値の決め方について

ほとんどこの分野に触れたことがないので大変初歩的な質問になると思います。

図1のような回路でプルアップ抵抗の値を決めたいと思っています。
B点での電圧を4.1Vとしたい場合について考えています。その場合、AB間での電圧降下は0.9Vとなります。

抵抗値×電流=0.9Vとなるようにプルアップ抵抗の値を決めるべきだと考えていますが、この抵抗に流れる電流が分からないため、決めるのは不可能ではないでしょうか？

抵抗値を決めてからやっと、V=IRより流れる電流が決まるため、それから再度流れる電流と抵抗を調節していって電圧降下が0.9Vとなるように設定するのでしょうか。どうぞご助力お願いします。

以下、理解の補足です。
・理解その1
ふつう、こういう場合は抵抗値を計算するためには、電圧降下と抵抗に流れる電流が決まっていることが前提だと考えていました。V=IRを計算するためには、この変数のうち2つを知っていなければならないからです。
また、例えば5V/2Aの電源を使った場合、マイコン周りは電源ラインからの分岐が多いため、この抵抗に2A全てが流るわけではないことも理解しています。

電源ラインからは「使う電流」だけ引っ張るイメージだと理解しているのですが、その「使う電流」が分からないため抵抗値を決定できません。（ポート入力電流の最大定格はありますが…）

・理解その2
理解その1で書いたように、抵抗値を計算するためには、電圧降下と抵抗に流れる電流が必要だと理解しています。図2を例に説明します。Rの値を決めたいとします。
CD間の電圧降下が5Vであることと、回路全体を流れる電流が2Aであることから、キルヒホッフの法則より簡単にRの値とそれぞれの抵抗に流れる電流が分かります。今回の例もこれと同じように考えられないのでしょうか。

Aベストアンサー

ＮＯ１です。

スイッチがONした時に抵抗に流れる電流というのは、最大入力電流や最大入力電圧
という仕様から読めば良いのでしょうか。
→おそらくマイコンの入力端子の電流はほとんど０なので気にしなくてよいと思われます。
入力電圧は5Vかけても問題ないかは確認必要です。

マイコンの入力電圧として０Ｖか5Vを入れたいのであれば、抵抗値は、NO3の方が
言われているとおり、ノイズに強くしたいかどうかで決めれば良いです。
あとは、スイッチがONした時の抵抗の許容電力を気にすれば良いです。
例えば、抵抗を１０KΩとした場合、抵抗に流れる電流は5V/１０ｋΩ＝０．５ｍAで
抵抗で消費する電力は5V×０．５ｍA＝０．００２５Wです。
１／１６Ｗの抵抗を使っても全く余裕があり問題ありません。
しかし、１００Ωとかにしてしまうと、１／２Wなどもっと許容電力の大きい抵抗を
使用しなければいけません。
まあ大抵、NO3の方が書かれている範囲の中間の、１０ｋΩ程度付けておけば
問題にはならないのでは？

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QEXCELにてローパスフィルタを作成する

実験の測定データをEXCELでデータ整理しようと考えております。データ整理のためローパスフィルタをかけたいのですが、具体的にどういった式、もしくはEXCELの機能を使用したらいいのでしょうか？デジタルフィルタが良く分からないのでよろしくお願いします。
ちなみにローパスフィルタは1000Hzをかけたいです。

Aベストアンサー

時系列データの処理ならば

OutputData(n+1) = OutputData(n) + (InputData(n+1) - OutputData(n)) * dt / T

dt：データのサンプリング間隔
T：フィルタの時定数 1/2πf
f：カットオフ周波数
n,n+1：それぞれｎ個目，ｎ＋１個目のデータをしめす。

でいけると思いますが、一次のパッシブなんで効果が薄いかも。（普通はベッセルかけるんでしょうけど、そこまではわからない）

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