以前は、データ収集システムを設計するということは、データ テーブルのスタックからコンポーネントの適切な組み合わせを見つけて、組み立てられたプロトタイプのトラブルシューティングを行うことを意味していました。現在、設計者はデジタル設計ツールを使用して、センサー、アナログ信号調整ブロック、アナログ - デジタル コンバーター (ADC)、デジタル フィルターのモデルを仮想信号チェーンにドラッグ アンド ドロップできるため、時間を節約し、迂回路を減らすことができます。このソフトウェアは仮想チェーン出力をシミュレートできるため、設計者は、選択したコンポーネントが信号対雑音比 (SNR)、ゲインおよびオフセット誤差、電力などの結果にどのような影響を与えるかを理解できます。
Signal Chain Designer を含む Analog Devices, Inc. (ADI) のデジタル設計スイート Precision Studio は翻訳されていません。このモジュールは、設計者がデータ収集システムを作成する前にシミュレーションするのに役立ちます。 Signal Chain Designer では、ユーザーはセンサーを選択し、モデルのパラメーターを設定して、信号チェーン コンポーネントを表す回路ブロックにセンサーを配置できます (図 1)。
ADI Precision Studioのシグナル・チェーン・デザイナー
図1：ADI Precision StudioのSignal Chain Designerを使用すると、設計者はセンサーを選択し、対応する回路ブロックを信号チェーンにドラッグして、データ収集コンポーネントのシミュレーションを行うことができます。 (画像出典: アナログ・デバイセズ社)
センサー信号を信頼性の高いデータに変換する前に、センサー信号はマルチレベル処理を受ける必要があります。各レベルは 1 つ以上の電子コンポーネントまたは集積回路 IC モジュールで構成され、次のレベルの前処理信号として機能します。最も一般的な処理ステージでは、アナログ信号の増幅、アナログ信号のフィルタリング、アナログ信号からデジタル信号への変換、およびデジタル信号のフィルタリングを行うことができます。
アナログ信号増幅段
センサーによって生成されたアナログ信号は、データ収集システムの最適な入力と一致しないことがよくあります。アナログ信号増幅段では、オペアンプ (オペアンプ)、完全差動アンプ、基準電圧に加え、抵抗、コンデンサ、インダクタなどの受動部品を使用して、センサー信号をデータ収集システムに必要な効果的な形式に変換します。
Signal Chain Designer では、ユーザーはアナログ増幅段の正しい電圧入力を実現するために必要な入出力タイプ、必要なゲイン、およびレベル シフトを設定できます。次に、ソフトウェアはアナログ・デバイセズ製品を使用して、設定されたパラメータを満たす回路を構築し、回路図を出力します。
たとえば、図 1 で使用されているインピーダンス 1 k Ω、周波数 1 kHz、静電容量 100 pF のセンサーの場合、ユーザーはゲインを 2 V/V、レベル オフセットを 2.5 V に設定できます (図 2)。
ユーザーは構成、ゲイン、レベルシフトなどのパラメータを設定できます
図 2: Signal Chain Designer でのアナログ信号増幅段の構成、ゲイン、レベル シフト、およびその他のパラメーターのユーザー設定。 (画像出典: アナログ・デバイセズ社)
これらのパラメータに基づいて、ソフトウェアは、ADA4097-2 オペアンプを含むアナログ信号増幅段の回路図 (図 3 上) を構築しました。 ADA4097-2 シリーズ オペアンプは、130 kHz のゲイン帯域幅積 (GBP) を達成するためにチャネルあたり 32.5 µA の電流しか必要としません。また、0.1 Hz ～ 10 Hz のピークツーピーク (PP) ノイズは 1000 nV、代表的な 1/f ノイズ角周波数は 6 Hz です。
このソフトウェアは、アンプ段のリファレンス回路も開発しました。これには、LTC6655B-2.5高精度バンドギャップ電圧リファレンスとAD8510オペアンプ（図3、下）が含まれており、どちらもADI製です。