設計目標

設計の説明

一部の MSP430™ マイコン (MCU) は、オペアンプ、DAC、プログラマブル ゲイン段など、構成可能な統合型信号チェーン要素を内蔵しています。これらの要素は、スマート アナログ コンボ (SAC) というペリフェラルを形成しています。さまざまな種類の SAC の詳細や、構成可能アナログ シグナル チェーン機能を活用する方法については、『MSP430 マイコンのスマート アナログ コンボ トレーニング』をご覧ください。設計を開始するには、ひずみゲージ ブリッジ アンプ回路の設計ファイルをダウンロードしてください。

ひずみゲージは、加えられた力に応じて抵抗値が変化するセンサです。抵抗値の変化は、加えられた力によってセンサに発生するひずみに正比例します。この圧力センシング回路は、ブリッジ構成の内部に配置した 1 個の歪みゲージを使用して、抵抗値の変動を測定します。このデザインは、MSP430FR2355 に内蔵されている 4 個のオペアンプ ブロック (SAC) をすべて活用します。2 個の SAC_L3 ペリフェラルは汎用モードに構成済みであり、1 個の歪みゲージの抵抗値が変動したときに生成される差動信号を増幅します。他の 2 個は DAC モードに構成済みであり、基準電圧 (Vref) と励起電圧 (Vex) を供給します。R₁₀ を変化させることにより、ホイートストーン ブリッジの出力に発生した小さな差動電圧が 2 SAC オペアンプ構成の計測アンプに入力されます。計測アンプの線形性は、MSP430 SAC オペアンプの入力同相範囲と出力スイング範囲を土台としており、この資料の末尾にある仕様チャートに記載済みです。2 段目のオペアンプの出力を、オンボード ADC を使用して直接サンプリングすること、またはオンボード コンパレータを使用して監視したうえでマイコン内部でさらに処理を進めることもできます。

デザイン ノート

• ブリッジのオフセット電圧の発生を避けるため、ホイートストーン ブリッジの抵抗 R₅、R₆、R₇ は互いに等しく、ひずみゲージの公称抵抗値と一致している必要があります。
• ブリッジ抵抗によるオフセット ゲイン誤差を最小化するため、公差の小さい抵抗を使用する必要があります。
• V_ex は、ブリッジの励起電圧と同相電圧 V_cm を設定します。
• V_ref は MSP430 SAC ベースの計測アンプの出力電圧を電源電圧の 1/2 にバイアスし、正および負方向の差動測定を可能にします。
• R₁₁ は、計測アンプ回路のゲインを設定します。
• R₈ および R₉ は、計測アンプの同相電圧を設定し、ブリッジを流れる電流を制限します。この電流は、ブリッジにより生成される差動信号を決定します。ただし、ブリッジ抵抗とひずみゲージの自己発熱効果に起因して、ブリッジに流せる電流には限界があります。
• V_ref ゲインを 1V/V に設定し、計測アンプの DC CMRR を高く維持するため、R₁ = R₃ かつ R₂ = R₄ とし、R₂/R₁ 比と R₄/R₃ 比が一致するようにします。
• 値の大きい抵抗を使用すると、回路の位相マージンが劣化し、回路に追加のノイズが発生することがあります。
• MSP430FR2311 を使用した修正バージョンを実装する場合、計測アンプは、1つの SAC_L1 オペアンプと 1 つのトランスインピーダンス アンプ (TIA) オペアンプで構成する必要があります。励起電圧 Vex とリファレンス電圧 Vref は、外部から供給する必要があります (分圧器など)。
• ひずみゲージ ブリッジ アンプ回路の設計ファイルには、SAC ペリフェラルを適切に初期化する方法を示すサンプル コードが付属しています。

設計手順

1. R₅、R₆、R₇ を、ひずみゲージの公称抵抗値と一致するよう選択します。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{gauge}}={\mathrm{R}}_5={\mathrm{R}}_6={\mathrm{R}}_7=120\mathrm{\Omega }$
2. 計測アンプの同相電圧が 1.34V になるよう、R₉ を選択します。
   $V_{cm}=\frac{\frac{R_{bridge}}{2}+R_9}{R_{bridge}+R_8+R_9}\times V_{ex}$
   ここで
   $R_{bridge}=total resistance of the bridge$
   最大電流がブリッジを流れるのを許容するには、次を選択します。
   $R_8=0\mathrm{\Omega }$
   $V_{cm}=\frac{\frac{120\mathrm{\Omega }\times 4}{2}+R_9}{\left(120\mathrm{\Omega }\times 4\right)+0\mathrm{\Omega }+R_9}\times 1.65V=1.34V$
   $\frac{240+R_9}{480+0\mathrm{\Omega }+R_9}=\frac{1.34V}{1.65V}=0.812$
   ${0.188R}_9=149.82\to R_9=\frac{149.82}{0.188}=797.42\mathrm{\Omega }\to R_9=806\mathrm{\Omega } \left(Standard value\right)$
3. 目標の出力電圧スイングを生成するために必要なゲインを計算します。
   $\mathrm{G}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iDiff}\_\mathrm{Min}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{iDiff}\_\mathrm{Min}}}=\frac{3.2\mathrm{V}-0.1\mathrm{V}}{\mathrm{0.00222}\mathrm{V}-(-\mathrm{0.00227}\mathrm{V})}=690.42\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
4. R₁、R₂、R₃、R₄ を選択します。V_ref ゲインを 1V/V に設定し、計測アンプの CMRR の劣化を回避するため、R₁ は R₃ と等しく、R₂ は R₄ と等しくする必要があります。Choose
   ${\mathrm{R}}_1={\mathrm{R}}_3=5.1\mathrm{k}\Omega$
   および
   $R_3=R_4=20k\mathrm{\Omega } \left(Standard value\right)$
5. 必要なゲインを得るための R₁₁ を計算します。
   $$\begin{gathered} \mathrm{G}=1+\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3}+\frac{2\times {\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_{11}}=690.42\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}} \\ \mathrm{G}=1+\frac{20\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}{\text{5.1}\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}+\frac{2\times {\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_{11}}=690.42\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}\to 4.92+\frac{40\mathrm{k\Omega }}{{\mathrm{R}}_{11}}=690.42\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}\to \frac{40\mathrm{k\Omega }}{{\mathrm{R}}_{11}}=685.5\to {\mathrm{R}}_{11}=\frac{40\mathrm{k\Omega }}{685.5}=58.35\mathrm{\Omega }\to {\mathrm{R}}_{11}=58.3\mathrm{\Omega }\mathrm{ }\left(\mathrm{Standard}\mathrm{ }\mathrm{Value}\right) \end{gathered}$$
6. ブリッジを流れる電流を計算します。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{I}}_{\mathrm{bridge}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{ex}}}{{\mathrm{R}}_8+{\mathrm{R}}_9+{\mathrm{R}}_{\mathrm{bridge}}}=\frac{1.65\mathrm{V}}{0\mathrm{\Omega }+806\Omega +120\mathrm{\Omega }\times 4} \\ {\mathrm{I}}_{\mathrm{bridge}}=\frac{1.65\mathrm{V}}{806\Omega +480\mathrm{\Omega }}\to {\mathrm{I}}_{\mathrm{bridge}}=1.28\mathrm{mA} \end{gathered}$$

設計シミュレーション

DC シミュレーション結果

ターゲット アプリケーション

• 圧力トランスミッタ
• 重量計

参考資料

1. テキサス・インスツルメンツ、MSP430 ひずみゲージ ブリッジ アンプ回路、サンプル コードおよび SPICE シミュレーション ファイル
2. テキサス・インスツルメンツ、3.75KB FRAM、オペアンプ、TIA、コンパレータと DAC、10 ビット ADC 搭載、16MHz アナログ統合マイコン、製品ページ
3. テキサス・インスツルメンツ、『MSP430 マイコンのスマート アナログ コンボ』、トレーニングビデオ

設計に使用されているオペアンプ

設計の代替オペアンプ

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