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低周波発振回路
2021.10.23


YouTube でも紹介しています。画像をクリックすると再生できます。


2021年9月25日のpH測定では、測定モジュールを用いて微弱な信号を増幅して、Arduinoで液体のpH値を測定しました。 この信号を増幅する測定モジュールを自作する前に、まずはテスト用の信号を発生するための低周波発振回路を作ります。
なお、回路屋ではないので、詳細な原理に関しては、専門のサイトや資料をご覧ください。

■正弦波発生回路(ウィーンブリッジ発振回路)


ウィーンブリッジ発振回路では、オペアンプ1個、抵抗4個、キャパシタ2個が必要になります。
そして、下記の発振条件を満たすことで、オペアンプを信号発振器として使用することができます。

Ref.【ウィーンブリッジ発振回路】正弦波発生回路

実際に計算式に代入してみます。

上記では発振条件の左辺と右辺がそれぞれ3になっています。
また、この抵抗とキャパシターの組み合わせでは、発振周波数は。994Hz、約1KHzになります。

オペアンプには両電源が必要になるので、負電圧を発生させる回路を作ります。

■スイッチトキャパシタ電圧コンバータ(チャージポンプ) TJ7660(HTC製)

ICL7660のセカンドソース品です。 ICL7660はスイッチトキャパシタとして古くから使われている有名なICで、電圧を反転(+から-にする)させたり倍圧、分圧を得る目的で使われます。
・出力方式:スイッチトキャパシタ
・出力正負:正電源/負電源
・入力電圧:1.5~10V
・出力電流:25mA
・変換効率:0.999
・発振周波数:10kHz
・入出力絶縁:非絶縁
・TAEJIN TECHNOLOGY CO., LTD.(HTC Korea)


Ref.【ICL7660S】 CMOS Voltage Converter ~簡単に負電源が作れる

スイッチドキャパシタへの電力供給ですが、回路を試す際に、家庭用コンセントにACアダプターを取り付けて直接電力を供給することはしません。 比較的安全性の高いニッケル水素電池1.2Vを昇圧して用いることにします。


番外編:箱庭回路(その1)蓄電&昇圧回路

PFMステップアップDC/DCコンバーター HT7750A、HT7733Aは、0.7~6Vの入力電圧を、それぞれ5V、3.3Vに変換します。
このVoutをスイッチドキャパシタの8番ピンに接続して纏めたものが、箱庭回路・両天秤くんです。
HT7750、HT7733を並べてジャンパーピンで切り替えるようにしています。


3.26Vに昇圧された電源を繋いでみると、-3.26Vが得られました。

ここからが本題となるウィーンブリッジ発振回路です。

AD820 低消費電力のFET入力オペアンプ
AD820は、高精度で低消費電力のFET入力オペアンプで、+5V~+36Vの単電源または±2.5V~±18Vの両電源で動作します。
レールtoレール出力スイング/ 入力電圧範囲はグランド以下まで拡張/ 単電源動作:+5V~+36V/ デュアル電源動作:±2.5V~±18V



■OSC001 PCB SCOPE (USBミニオシロ/データロガー)
ちょっとした波形観測に最適なカードタイプのUSBオシロスコープです。 OSC001はオシロスコープ機能、ロジックアナライザ機能、データロガー機能、スペクトラムアナライザ機能があります。 OSC001はWindowsPCと接続して使用します。
販売:秋月電子通商

◆特徴 ・アナログ信号:2チャンネル+外部トリガ入力 ・ロジックアナライザ:4チャンネル ・アナログ帯域幅:>300kHz ・垂直感度:50mV/div~2V/div(1:1プローブ使用) ・ロジックアナライザ閾値:TTL(5V/3.3V/2.5V CMOS、RS-232可能) ・垂直解像度:8ビット(スコープモード)10ビット(データロガーモード) ・最大電圧レンジ スコープ:-24~+24V(1:1プローブ) 外部トリガ:-1~+6V ロジックアナライザ:-1~+6V ・サンプルレート スコープ:50kS/sec ロジックアナライザ:1MS/sec ・タイムベースセッティング スコープ:5μsec/div~1sec/div ロジックアナライザ:10μsec/div~1sec/div データロガー:0.5sec/div~1hr/div ・FFT(スペクトラムアナライザ):25kHz以下

使い方はとても簡単です。専用アプリをメーカーサイトからダウンロードして、Windowsにインストールします。 CH1を信号源に、GNDをGNDにつなぎます。


先程の両天秤君を電源に用いて、ウィーンブリッジ発振回路からの信号をUSBオシロスコープにつないでいます。


振幅幅約±3Vの正弦波になっています。

増幅回路のテスト用信号源にするには、信号が強すぎるので、次は減衰させて微弱信号にします。

まずは、出力信号を分圧により減衰してみました。


分圧比率とは異なっていますが、振幅が分圧する以前に比べて1/6程度になっています。ただし、分圧抵抗で減衰させるのはこの辺りが限度のようでした。
そこで、反転増幅回路を用いてさらに減衰させてみます。

■交流反転増幅回路(減衰回路)


反転増幅回路では、増幅を目的とした用途の他に、計算式に示すように、R1>R2とすることで信号を減衰することが可能です。 ただし、オペアンプによっては増幅率を1未満にできないものもあるようです。


R1=5.1KΩ、R2=100Ω

先程までは、1枠1Vで表示していましたが、1/10の1枠0.1Vで表示しています。 グラフ左端の上のほうにある赤い線が0Vを示しているので、振幅の中心はマイナス側に約0.4V移動しています。 電圧が元の信号の1/30以下に減衰し、その分ノイズも目立ってきています。


最終的に減衰回路部分は初期値として100Ωの抵抗を置いて、10KΩの可変抵抗を追加しました。 発振回路と減衰回路をまとめてできたものが、箱庭回路・震えが止まらない子ちゃんです。




フルに10KΩの抵抗を負荷すると下記のようになりました。

電圧は元の信号の1/60以下に減衰しています。

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