PSoCによる定電流源

by K.I

2012/07/17

Index

概要
定電流源
- 基本回路
- PSoCでの構成
- 動作範囲
- 回路例
- Port2が使えない場合
- 結論
定電流源を試してみる
- プロジェクトを作る
- 定電流源プログラム
- 実験回路
- 動作確認
圧力センサを使ってみる
- 定電流回路の設定
- プロジェクトの構成
- 圧力センサのプログラム
- 結果は

概要

PSoC3のユーザモジュールを見ていたら、定電流源のモジュールがあった。

これは、PSoC1のモジュールには無いけど、センサとか使う時にあると便利だ。
何故、PSoC1には無いんだろう？

アナログの構成はそんなに変わっていない（と思う）んだから、PSoC1でも出来るはず

ということで調べてみると、 AN2089というのが見つかった。

圧力センサを繋ぐというのは、CQ出版の「PSoC3ボード＋デバッグ・ボード」にあった例を参考にしました。

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定電流源

AN2089では、どの様に定電流源を実現しているのか、追っかけてみる。

英文は苦手なので、ざっと読んで適当に意訳しただけだけど。

基本回路

ｘ１のオペアンプの出力から、Rsetを通して負荷抵抗Rloadに接続する。

設定電圧Vsetと負荷電圧Vloadを比較して電流Isetをコントロールする。

Isetは、出力電圧Voutと負荷電圧Vloadで表すと、

    Iset = (Vout - Vload) / Rset

ｘ１のオペアンプなので、Voutは

    Vout = Vload - Vset

つまり、Isetは以下の式で表せる

    Iset = - Vset / Rset

PSoCでの構成

PSoCのINSAMPは、ｘ１のオペアンプを構成できない。

でも、SCBブロックを使って、ｘ１のDiffAmpを構成することは可能。

この基本回路を、PSoCのDiffAmpで構成する。

VsetをDACで生成して、DiffAmpの負入力へ
DiffAmp出力を、バッファで外部出力、
外部に接続した設定抵抗Rsetを通して、負荷抵抗Rloadへ
さらに、DiffAmpの正入力に接続する

DiffAmpの設定は、 AN2041を参照

動作範囲

VloadRef →負荷抵抗の接続先の電圧

Vss,Vdd,そしてAGND等に接続可能だが、
それぞれの電圧で出力電圧範囲が異なる。

Vset

    Vss <= Vset+AGND <= Vcc

Vload

    Vss <= Vload <= Vcc

    Vload = VloadRef+Iset*Rload

VloadRefをVccにセットした時、Rloadに電流を流し込む事や、

VloadRefをVssにセットした時に、Rloadから電流を引くのは難しい。

Vout

    Vout = VloadRef+Iset*(Rload+Rset)

動作範囲に関しては、式をそのまま書いただけ。ちょっと自信なし。

とにかく、出力電流範囲に気をつけろということか。

回路例

VloadRefをGndにして、

Rloadを、0〜300Ω
Vloadが0〜1.2Vとなる様に、Isetは4mAとする¹

Vsetを-1.26Vとすると、Iset=-Vset/Rset=4mAから、Rset=316Ωとなる。

Port2が使えない場合

PSoCの接続の都合で、DiffAmp入力はPort2になってしまうが、

Port2が使えない場合は、ｘ１のPGAを介して入力すれば良い。

但し、以下のようにVloadの入力電圧がシフト²するので、注意。

    Vss+0.5 <= Vload <= Vcc-1

このシフト分をキャンセルする簡単な方法として、

130Ωの抵抗Rshiftを、Rloadと直列に接続する（Rshift*Iset=130Ω*4mA=0.52V）

Vload: 0.53〜1.76V Vout: 1.82〜3.02V

結論

ということで、１個の抵抗を外付けするだけで、

PSoC１でも定電流源を構成することが出来る様だ。

ここまでがAN2089の内容だが、実際どうなのか、やってみようと思う。

¹これは、Isetを4mAとするためにVloadを0〜1.2Vとしたのかもしれない。
²何故、0.5Vシフトするのか、理解していないんだけど。。

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定電流源を試してみる

AN2089‐定電流源の動作確認をしてみる。

プロジェクトを作る

AN2089の、Figure9の構成

DiffAmpの入力を、Port0から取れるようにPGAのバッファを入れる。

定電流源プログラム

各モジュールをスタートして、DAC出力を約1.24Vに設定するだけ。

Vdd=5V,AGND=2.5Vなので、AGND-1.26V=1.24Vとなる

#define DAC_124 (15)    // Define DAC = 1.24V (AGND-1.26 = 1.24)
        
        PGA_1_Start(PGA_1_HIGHPOWER);
        DiffAmp_Start(DiffAmp_HIGHPOWER);
        DAC6_1_Start(DAC6_1_HIGHPOWER);

        DAC6_1_WriteStall(15);

実験回路

ブレッドボードで組んでみる

P0_4から330ΩでP0_2に接続、さらに330Ω、130Ωを通して、GNDに接続するだけ。

電流が少ない場合、例えば１/１０の定数でどうなるかやってみる。

P0_4から3.3kΩでP0_2に接続、さらに5.1kΩ、1.3kΩを通して、GNDに接続するのも試してみる。

→Rset=3.3kΩ、Rload=5.1kΩ＋1.3kΩの配線

Rset=330Ω、Rload=330Ω＋130Ω で、130Ωをショートすると Rload=330Ω

或いは、Rset=3.3kΩ、Rload=5.1kΩ＋1.3kΩ で、1.3kΩをショートすると Rload= 5.1kΩ

動作確認

GNDにつながる配線を外して、電流計（METEX P-10）を挟んで測定。

330Ω+130Ωで約3.78mA、330Ωでは約3.79mA
5.1kΩ+1.3kΩで約378uA、5.1kΩでは約377uA

抵抗が変化しても、電流変化は僅かであり、いちおう定電流動作していることがわかる。

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圧力センサを使ってみる

秋月で扱っている圧力センサMPS2407を、この定電流源で使ってみる。

このセンサは、歪ゲージがホイートストンブリッジになっている

定電流回路の設定

駆動電圧はTypで5V、駆動電流は1mA、ブリッジ抵抗は5kΩなので、

単純に5V直結で、定電圧駆動しても良いが、定電流駆動した方が精度が良いらしい。

実験回路で試した、１/１０の定数、つまり400uA狙いの定電流駆動、

P0_4・P0_2間に3.3kΩを接続、VGAのオフセット分の1.3kΩは省略する。

やはり、ブレッドボードに組んでみる。

プロジェクトの構成

定電流源で、圧力センサに電流を流して、その出力をPGAを通して、差動入力のADCで取り込む。

圧力センサのプログラム

ADCの結果を、LCDで表示するようにしてみた。

#define DAC_124 (15)    // Define DAC = 1.24V (AGND-1.26 = 1.24)
        BYTE data;
        
        PGA_1_Start(PGA_1_HIGHPOWER);
        PGA_2_Start(PGA_2_HIGHPOWER);
        PGA_3_Start(PGA_3_HIGHPOWER);
        DiffAmp_Start(DiffAmp_HIGHPOWER);
        DAC6_1_Start(DAC6_1_HIGHPOWER);
        LCD_1_Start();
        LCD_1_InitBG(LCD_1_SOLID_BG);

        M8C_EnableGInt;

        DAC6_1_WriteStall(15);
        ADCINC_1_Start(ADCINC_1_HIGHPOWER);
        ADCINC_1_GetSamples(0);
        
        LCD_1_Position(0,0);
        LCD_1_PrCString(">Pressure Gauge");

        for(;;){
                while(!ADCINC_1_fIsDataAvailable());
                data = ADCINC_1_bClearFlagGetData();
                LCD_1_Position(1,0);
                LCD_1_PrHexByte(data);
                LCD_1_DrawBG(1,3,13,data>>2);
        }