測定を改善するための接地に関する注意事項

信号ソースも異なる接地構成を持つことができるため、測定システムは異なる接地構成を使用できます。この機能は、最も確度の高い測定を行うために不可欠です。しかし、この柔軟性により、測定システムの接地構成を選択する際に困難が生じます。

図1は、測定に使用するコンポーネントのブロック図を示します。右側の測定システムは、計測器と信号調節で構成されています。信号調節は、計測器に統合することも、計測器の外部で行うこともできます。左側には信号ソースがあり、これは物理現象から電圧を生成する単一のトランスデューサまたは検査対象デバイスです。この記事では、信号ソースの接地、測定システムの接地、最後に測定ノイズと誤差を最小限に抑えるための測定システム構成の選択方法を説明します。

図1:信号ソースは、計測器と信号調節で構成される測定システムに入力される。

この接地の説明で考慮する必要がある信号ソースには、図2の回路図で示す主に2つのカテゴリがあります。

図2:信号が接地されているか、浮動しているかを知ることは重要。

接地型またはグランド基準型信号ソース

接地型信号ソースは、電圧信号がアースや建物のグランドなどのシステムグランドを基準としているソースです。電圧信号にシステムグランドへの直接の電気パスがあるため、これは上の図2の左側の回路図に示されています。接地ソースの代表的な例として、信号発生器や電源など、3又の壁コンセントを介して建物のグランドに接続されるデバイスがあります。2つの独立した接地型信号ソースのグランドは、通常、同じ電位ではないことを理解することが重要です。同じ建物のグランドに接続されている2つのシステム間のグランド電位の差は、10 mV、200 mV、またはそれ以上になる場合があります。

非接地型または浮動型信号ソース

非接地型または浮動型信号ソースは、電圧信号がアースや建物のグランドなどのシステムグランドを基準としていないソースです。これを図2の右側に示します。プラス端子もマイナス端子にも、グランドへの直接の電気パスはありません。一般的な浮動型信号ソースには、電池、熱電対、変圧器などがあります。

計測器は、差動 (DIFF)、基準化シングルエンド (RSE)、非基準化シングルエンド (NRSE) の3つのうちのいずれかのモードで構成できます。

差動測定システム

差動計測器には、計装用アンプへのどちらの入力もシステムグランドを基準としていない2つの入力が必要です。これを図3に示します。ここでは、CH0+とCH0-は計装用アンプのプラスとマイナスの端子にそれぞれ配線されていますが、測定システムグランド (AI GND) には接続されていません。

図3:理想的な差動集録システムは、2つの端子間の電圧差のみに応答する。

理想的な差動集録システムは、プラス (+) とマイナス (-) 入力の2つの端子間の電圧差のみに応答します。2つの回路間の差動電圧は望ましい信号ですが、差動回路ペアの両側に共通の不要な信号が存在することがあります。この電圧は、コモンモード電圧と呼ばれます。理想的な差動測定システムは、コモンモード電圧を測定するのではなく、完全に除去して、より正確な測定を行います。しかし、実際のデバイスには、コモンモード電圧レンジやコモンモード除去比 (CMRR) などの仕様で定められた制限があります。

コモンモード電圧レンジは、計測器グランドを基準とした各入力の最大許容電圧振幅です。この制約に違反すると、測定誤差が生じるだけでなく、計測器のコンポーネントが破損することもあります。コモンモード電圧の計算式:

^{式1:コモンモード電圧の計算}

ここで:

コモンモード電圧レンジの仕様に違反する例としては、一方のリード線を110 V、もう一方のリード線を100 Vとして差動測定を試みることが挙げられます。差動測定は10 Vで、デバイスの仕様範囲内ですが、コモンモード電圧は105 Vとなり、これは計測器の仕様範囲内ではない可能性があります。

CMRRは、コモンモード電圧を除去する測定システムの機能を表します。CMRRが高いアンプは、コモンモード電圧の除去により効果的であるため、正確な測定に適しています。式2に示すように、CMRRはコモンモードゲインに対する差動ゲインの比として表すことができます。CMRRは、式3に示すようにdBで表すこともできます。

^{式3:CMRR (dB単位)}

たとえば、計測器のCMRRが100,000:1 (または100 dB) で、コモンモード電圧が5 Vの場合、差動リード線で50 μVを超える電圧差を識別できます。環境からのノイズ源は差動測定の両方のラインに存在するため、コモンモード除去は重要です。しかし、両方のラインにノイズが存在する場合は、差動測定によって相殺されます。このため、差動構成ではシングルエンド測定よりも正確な測定が可能ですが、差動測定ではシングルエンド測定の2倍のチャンネル数が必要になります。

シングルエンド測定システム

シングルエンド構成は通常、計測器のデフォルト構成です。測定に必要なアナログ入力チャンネルは1つだけであるため、差動構成とは異なります。計測器のすべてのチャンネルは、計装用アンプへのマイナスの入力をコモン基準として使用します (図4を参照)。シングルエンド構成は1つの入力のみを使用するため、同じ数の物理チャンネルを持つ差動構成システムと比較して、2倍の数の測定を行うことができます。一方、シングルエンド測定ではグランドループの影響を受けやすくなり、測定確度が低下する可能性があります。

以下は、2つの異なるタイプのシングルエンド測定システムです。

• グランドRSE (GRSE) またはRSEシステムには、計測器グランドに接続されたコモン基準チャンネルがあります。図4に示すRSEシステムの例では、計測器グランドチャンネルにはAI GNDとラベル付けされています。

図4:GRSEまたはRSEシステムのコモン基準チャンネルが計測器グランドに接続されている。

• NRSE計測器はコモンポイントを参照します。ただし、コモンポイントは計装用アンプのマイナス端子に供給される電圧です。NRSEの例 (図5に示す) では、コモン基準はAI SENSEラインです。したがって、測定電圧はCH XとAI SENSEチャンネルの電圧間の電位差です。

図5:NRSE計測器コモンポイントは、計装用アンプのマイナス端子に供給される電圧である。

信号ソースの接地タイプと計測器構成の両方を特性評価した後で、どの信号ソースと計測器構成の組み合わせから最も正確な結果が得られるかについて説明します。

接地型信号ソースを測定する

追加のグランドがシステム全体に導入されないため、接地型信号ソースは、差動またはNRSE計測器構成で最も正確に測定されます。システムに追加された追加グランドは、測定アプリケーションで一般的なノイズ源となるグランドループの原因となる可能性があります。

回路内で接続された2つの端子の異なるグランド電位が存在する場合にグランドループが生じ、2点間に電流が流れます。信号ソースのグランドは、計測器のグランドの上下数ボルトの場合があります。この追加の電圧は測定自体に誤差を引き起こす可能性があり、流れる電流により近くのワイヤに電圧が誘導され、さらに測定誤差を生じさせる可能性があります。これらの誤差は、測定信号に追加されるスカラ信号または周期信号として出現することがあります。たとえば、米国およびその他の国の標準電源周波数である60 Hz ACの電力線でグランドループが形成されている場合、測定時に不要な60 Hz AC信号が周期的な電圧誤差として出現する可能性があります。

測定電圧V_mを計算するには、以下の式4を使用します。

式4:グランドループが存在する場合の測定電圧

ここで:

上記の式4を使用すると、グランドループが存在する場合の測定電圧を計算で求めることができます。引き続き60 Hz電力線の例を使用すると、ΔV_gはスカラオフセットではなく、時間とともに変化する値になります。したがって、測定された信号は、測定された電圧の単なるオフセット誤差ではなく、周期的に見えます。

図6は、グランドループのあるシステムの回路図を示します。RSE構成を使用する計測器で電圧源V_sを測定している場合、図6の式の左側の回路図を、式の右側の回路図に簡略化 (これは式4の計算と一致) することができます。

図6:グランド基準システムで測定された接地型信号ソースは、グランドループと測定誤差を生じる。

図6に示すようなグランドループを回避するには、差動またはNRSE計測器構成を使用するか、絶縁された測定ハードウェアを使用して、信号ソースと測定システムにグランド基準が1つだけ存在することを確認します。これについては、計測器の基礎シリーズのホワイトペーパー「絶縁の種類と測定時の考慮事項」で説明しています。

浮動型信号ソースを測定する

浮動型信号ソースは、差動、GRSE/RSE、またはNRSEのいずれかの測定構成で測定できます。浮動ソースで差動またはNRSE測定構成を使用する場合、各リード線のプラス (+) とマイナス (-) から計測器のグランドまで、バイアス抵抗を含める必要があることに注意してください (図7を参照)。

^{図7:差動またはNRSE計測器構成で浮動型信号ソースを測定する場合、バイアス抵抗が必要。}

バイアス抵抗は、計測器アンプの入力から計測器アンプのグランドまでのDCパスを提供します。バイアス抵抗は、信号ソースに負荷をかけず、信号ソースが計測器の基準に対して浮動できるように、十分に高い抵抗を使用する必要があります。しかし、バイアス抵抗は、電圧を計測器の範囲内に維持するのに十分小さい必要があります。このため、条件を満たすには通常、10 kΩ～100 kΩの範囲のバイアス抵抗が必要になります。デバイスの仕様ガイドを常に再確認し、適切な範囲内のバイアス抵抗値を使用していることを確認してください。

浮動型信号ソースを測定する際に、差動またはNRSE構成でバイアス抵抗を使用しない場合、測定信号が不安定になる、または計測器の正または負のフルスケールレンジになる可能性があります。

浮動型信号ソースの測定にGRSE/RSE構成を使用する場合、バイアス抵抗は必要ありません。シングルエンドの計測器構成を使用して最高の測定結果を得るには、以下を推奨します。

• 入力信号は1 V以上。
• 信号ケーブルは比較的短く、ノイズのない環境を通過する (または適切にシールドされている)。
• すべての入力信号は、共通、安定、既知の基準信号 (通常は電圧が0 Vであるシステム内のポイント) を共有できます。

信号ソースと計測器構成の推奨される組み合わせの概要については、図8を参照してください。接地と測定

^{図8:計測器構成と信号ソースタイプの概要。}

• 測定システムには、計測器と信号調節が含まれます。計測器によって、信号調節は計測器の一部の場合と、外部で行われる場合があります。
• 信号ソースの2つの主なカテゴリ:
  • 接地型信号ソース:信号にはグランドへの直接の電気パスがあります。
  • 浮動型信号ソース:信号にはグランドへの直接の電気パスがありません。
• 計測器には、主に3つの測定構成があります。
  • 差動:2つの入力チャンネルを使用する測定で、コモンモード電圧を除去する最も正確な構成です。
  • グランド基準シングルエンド (GRSE) または基準化シングルエンド (RSE):1つのチャンネルと計測器グランドのみを使用する測定です。しかし、このシングルエンド測定タイプはノイズの影響を受けやすくなります。
  • 非基準化シングルエンド (NRSE):1つのチャンネルと接地されていない共通の基準点のみを使用する測定タイプ。しかし、このシステムは差動測定に比べてノイズの影響を受けやすくなります。
• 接地型信号ソースの測定には、差動またはNRSE計測器構成が推奨されます。
• 浮動型信号ソースの測定には、差動、GRSE/RSE、またはNRSE計測器構成が推奨されます。
  • 浮動型信号ソースを測定するには、差動またはNRSE計測器構成でバイアス抵抗を使用する必要があります。

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