ボルテージフォロワの精度について

質問

ボルテージフォロワの精度についてお教え下さい

“ＤＣ２４Ｖ => 電圧を1/8に圧縮 => ［？］ => PIC16F88のADCに入力 => 測定結果を10ポイントのLEDに表示”の回路を検討中ですが，［？］(ボルテージフォロワ)の回路についてお教え下さい．

ＤＣ２４Ｖはバッテリィで，モータが接続されているため最悪の場合およそ電源電圧の２倍のおよそ５０Ｖ位まで上昇する事があるようです(オシロスコープでの観測結果)．
それを，単純に1/8に圧縮した電圧にするとPIC16FF88のADCへの入力電圧が6.25Vになって，ADCの入力規格をオーバーします．
ADC入力の保護などのためオペアンプのボルテージフォロワ回路を挿入したいと思っています．

そこでお聞きしたいのですが，ボルテージフォロワ回路の精度はどうなのかお教え下さい．
また，その様な使い方の適したオペアンプにはどの様な品種があるのでしょうか？
尚，ADC入力電圧の希望精度は0.5%以下です．

電圧はPIC16F88などの電圧は５Ｖの単一電源です．
基準電源にはuPC1093(NEC，4.096Vに調整)を使用予定．

回答No.6

inara1

ANo.4 の補足です。
R1/R2 と R4/R3 が 10.7 ～ 10.8 の範囲になるようにするところですが、半固定抵抗は経時変化や接点劣化があるため、以下のように、固定抵抗３本で作る方法が良いかと思います。

　　　─ 10kΩ ┬ 1.5kΩ ┬─
　　　　　　　　 └ 1.5kΩ ┘

1% 精度の抵抗 [1] を使うと、この合成抵抗は最悪の場合 10.64kΩ ～ 10.86kΩ の範囲になります（選別しないと R1/R2 と R4/R3 が 10.7 ～ 10.8 の範囲からでてしまう）。0.1% 精度の抵抗 [2] を使うと 10.74kΩ ～ 10.76kΩ の範囲になります。0.1% 精度の抵抗は１本 110円と高価ですが、1% 精度の抵抗から選別するよりは安上がりだと思います。この場合、R2 と R3 も0.1% 精度の抵抗にする必要があります。

[1]　1% 精度の金属皮膜抵抗(1/4W)　http://www.sengoku.co.jp/modules/sgk_cart/search.php?toku=%C4%F1%B9%B3%B8%C7%C4%EA&cond8=and&dai=%B6%E2%C8%EF&chu=1%2F4&syo=F&cond9=&k3=&list=1&pflg=n&multi=&code=&st=30
[2]　0.1% 精度の金属皮膜抵抗(1/4W)　http://www.sengoku.co.jp/modules/sgk_cart/search.php?toku=%C4%F1%B9%B3%B8%C7%C4%EA&cond8=and&dai=%B6%E2%C8%EF&chu=&syo=B&k3=0&pflg=n&list=1

お礼

レスが遅れて失礼しましたが，ご教授ありがとうございました．
参考にさせて頂きます．

回答No.5

inara1

測定の主旨は理解しました。
入力電圧 Vin から 22V 差し引いた電圧を出力する回路（配線図）を以下に示します。

　　　　　　　　　　　　 ┌───────── Vout = Vin - 22V
　　　　　　　　┌ R3 -） ─────┐
　　　　　　　　│　　　│┏━━━┓ │
　　　　　　　　├ R4 ┴┨1　　　8┠　）┬─ 5V
　　　　　　　　└───┨2　　　7┠┤ C　　　　　┌─ R5 ─ 4.096V
　　 Vin ─ R1 ┬──┨3　　　6┠┘│　 ┌→ VR
　0 ～ 26V　　　R2　┌┨4　　　5┠─ ） ─┤　　│
　　　　　　　　　 │　 │┗━━━┛　 │　　C　　R6
　 GND ───┴─┴──────┴─┴─-┴─ 0V
　　　　　　　　　　　　　　LMC662

　　　R1/R2 = 10.742、R4/R3 = 10.742
　　　R5 = 4.7kΩ、R6 = 4.7kΩ
　　　VR（半固定抵抗） = 100Ω
　　　C = 0.1μF（積層セラミック）

“アナログ回路”はさっぱりとのことなので動作理論は省略し、注意点と調整方法だけ書いておきます。
この回路では、入力電圧 Vin から 22V を差し引いた電圧が OPアンプの出力(1pin）に出てきます。
　　　Vout = Vin - 22V
OPアンプの出力電圧は 0 ～ 5V の範囲なので、Vin ≦ 22V では Vout = 0V（10mV程度）、Vin ≧ 27V では Vout = 5V（4.99V程度） となります。PICのAD変換器で測定できる電圧は 0V ～ 4.096V なので、測定可能な入力電圧は 22V ≦ Vin ≦ 26.096V となります。PICで測定した電圧に 22V を加えれば入力電圧になります。
　　Vin = 測定電圧（Vout） + 22V --- (2)

【注意点】
・抵抗の種類
この回路はかなり高精度になるので、精度1%の金属皮膜抵抗を使ったほうがいいです。抵抗値に合わせ込みは半固定抵抗を使うので、精度の悪い抵抗でも良いのですが、そのような抵抗は周囲温度の変化や経時変化で抵抗値が変わってしまうので、できれば金属皮膜抵抗を使ってください。

・抵抗の発熱
Vin = 50V のときに R1 の発熱が最も大きく、0.2W 程度になります（この発熱量は R1 = 10.7kΩの場合で、それより小さくすると発熱量が増えます）。しかし Vin = 50V の状態が長時間続かないのであれば、1/4W の許容電力のもの（φ3mm程度の普通の抵抗）で構いません。他の抵抗の発熱はそれよりずっと低いので問題ありません。

・R1 ～ R4 の抵抗の精度
式(2)で計算した Vin の精度を 0.5% 以下にするには、 R1/R2 と R4/R3 が 10.7 ～ 10.8 の範囲になるようにしてください。
市販の抵抗だと、このような中途半端は抵抗比は作れませんが、例えば R2 と R3 を、1kΩ として、R1 と R4 が 10.7kΩ ～ 10.8kΩ となるように、R2 や R4 を以下のような構成にして半固定抵抗を調整すればいいでしょう。

　　　─ 10kΩ ─ VR(1kΩ） ┬─
　　　　　　　　　　　　↑　　　│
　　　　　　　　　　　　└──┘
たとえば、最初に R2 （1kΩ）の抵抗値をテスター（４桁以上の精度）で測定して、 上のように10kΩと半固定抵抗で構成した R1 の抵抗値がその10.7 ～ 10.8 倍になるように半固定抵抗を調整します。R4/R3 を 10.7 ～ 10.8 となるようにする場合も、最初に R3 の抵抗値をテスターで測定して、 R4 の抵抗値がその10.7 ～ 10.8 倍になるように半固定抵抗を調整します。

・配線について
　　・R1 ～ R4 とパスコン（C）と VR はOPアンプの端子の近くに実装し、配線を極力短くする
　　・OPアンプの出力(1pin）とPIC間の配線も極力短くする
　　・GNDラインの引き回しも極力短くする（銅箔テープがお薦め）

【調整方法】
　　・Vin に 23.00V を印加したとき、OPアンプの出力(1pin）が 0.999V～1.001V の範囲に入るように VR を調整する。この範囲に入らないときは R5と R6 を 3.3kΩ に変更する。
　　・Vin に 22V を加えたとき Vout < 10mV、Vin に 26V を加えたとき 3.99V ≦Vout < 4.01V となっていることを確認する

【補足】
OPアンプの 5pin の電圧を V5 としたとき、出力電圧 Vout は次式で表わされます。
　　　Vout = ( 1 + R4/R3 )/( 1 + R1/R2 )*Vin - ( R4/R3 )*V5
今回の回路は ( 1 + R4/R3 )/( 1 + R1/R2 ) = 1、R4/R3 = 10.7～10.8 となるようにしたものです。したがって、( R4/R3 )*V5 の部分を 22V にするために、V5 = 4.096V/2 = 2.048V としています。なぜ半分の電圧にしているのかというと、V5 = 4.096V だと、OPアンプの最大入力電圧を越えてしまうからです（V5 は 3V以下にしたほうがいい）。V5 を変えれば Vin から差し引く電圧を変えることができます。VR を 1kΩ などに変更すれば V5 の可変範囲を大きくすることができます。V5 に加える電圧はVout に加える「ゲタ」になるので、V5 を変えることでOPアンプのオフセット電圧による誤差をゼロにすることができます。上の調整方法では、基準電圧の誤差とOPアンプのオフセット電圧による誤差を、VRを調整することでゼロにしています。

なお、この回路では Vin = 50V としてもOPアンプは壊れません。R1 が電流制限抵抗になっていて、OPアンプの内部にも保護回路が入っているので、OPアンプの入力端子電圧は 6V 以上にはなりません。R1 の抵抗値を小さくすると、抵抗の発熱が大きくなるだけでなく、Vin > 50V としたときのOPアンプの入力端子に流れる電流が増えてしまう（耐圧が減る）ので、R1 > 10kΩ としてください。

お礼

inari1 様
ご丁寧なレスを頂きまして，誠にありがとうございました．

私なりに，色々考えてまた調査・実験などして回路を決定したいと思います．

“教えてgoo”に発表できる場があれば，出来る範囲で発表したいと思います．

回答No.4

inara1

詳しい説明は今夜以降でよろしいでしょうか。

>R2とパラに6V程度のツェナダイオードを接続すれば宜しいでしょうか？
ツェナダイオードは不要です。入力電圧が50Vでも、OPアンプ内部の保護ダイオードと R1 の働きで、OPアンプの入力電圧は6V以上になりません。

>2)例えば入力電圧に下駄を履かせて22～26Vの電圧を拡大する方法はあるのでしょうか？
できます。入力電圧 Vin に対して、OPアンプの出力電圧 Vout を以下のようにすることができます。
　　　Vout = Vin - 22V
22Vのところは変えられます。Vout は正の電圧しか出ないので Vin < 22V でも Vout = 0 になります。この場合もツェナダイオードは不要です。基準電圧 4.096V を使って差動増幅回路にします。OPアンプは LMC662１個で済みます（内部の2回路を使う）。詳しくはのちほど・・・仕事にいきますので

回答No.3

smgoo_001

私なら、抵抗で分圧して例えば、DC24Vの時に分圧電圧を４VをADC入力としてpicの入力に4.8Vのツェナーダイオードを付けて過入力保護をします。
それに並列に小さなコンデンサーを付けて予期できないパルスから保護します。
ツェナーダイオードはツェナー電圧のバラツキに注意して選定します。

回答No.2

inara1

AD変換の速度によってOPアンプを選ぶ必要がありますが、1MHz未満であれば定番のLMC662 [1] というのが使えます。このOPアンプはCMOSタイプなので、OPアンプの電源電圧を 5V とした場合、出力電圧は 0V から 4.9V まで出ます。「ADC入力電圧の希望精度は0.5%以下にする」という点についてですが、フルスケール入力（4.096V）に対しての精度の意味なら、20.5mV の誤差に相当するのでLMC662は大丈夫です。LMC662の入力オフセット電圧は最大 3mV なので、利得１のボルテージフォロアで使った場合、入力電圧と出力電圧の差は最大±3mV になります。たとえば、入力電圧が 0V のときのLMC662の出力電圧は±3mV の範囲になります。入力電圧が 4V の場合の出力電圧は4V±3mV の範囲になります。LMC662は2回路入りなので１個しか使わないときは、使わないほうのOPアンプは下図のように接続してください。

　　　　　　　　　　　　　LMC662
　入力電圧　─┐　　　　 8┌───┬─────┬──-┬──────── 5V
　0V～50V　　 R1　　　3┏┷┓1　0.1μF　　　 ┏━┷━┓　0.1μF　　　LMC662
　　　　　　　　　├───┨+ ┠┬─ ）───┨　　　　┠　 │　　　　 5┏━┓7
　　　　　　　　　R2　　2┌┨- ┃│　│　　　　 ┨ PIC　┠　　│　　┌-─┨+ ┠┐
　GND0V) ─┤　　　 │┗┯┛│　│　　　　 ┨　　　　┠　 │　　│6┌┨- ┃│
　　　　　　　　 │　　　└─ ） ─┘　│　　　　 ┨　　　　┠　 │　　│　│┗━┛│
　　　　　　　　 │　　　　　　│4 　　　│　　　　　┗━┯━┛　│　 │　└───┘
　　　　　　　　 └────┴───┴─────┴───┴─┴────── 0V
　R1 = 100kΩ+10kΩ（直列接続）、R2 = 10kΩ

入力電圧を 1/12 に圧縮する場合は、R1 を110kΩ、R2 を 10kΩとします。この場合、24V入力したときのOPアンプの出力は 2V ± 3mV、50V入力のときは 4.167V± 3mV となります。なお、上図にも書きましたが、OPアンプの電源端子（8pin）とGND端子（4pin）の間には、最短距離でパスコン（0.1μF積層セラミック）を入れてください。PICマイコンにもパスコンを入れてください。OPアンプの入力インピーダンスは非常に高いので、ノイズを避けるために、R1とR2とOPアンプの非反転入力端子（3pin）を結ぶ配線は極力短くしてください。OPアンプの出力端子(1pin）とPIC間の配線もなるべく短くしてください。隣接pin間の配線（1-2pin、6-7pin）は余計な配線の引き回しをせずにpin間をショートすればいいです。

[1]　LMC662 価格　http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?q=%22I-00067%22&s=score&p=1&r=1&page=
　　　　　　　　データシート（日本語）　http://www.national.com/JPN/ds/LM/LMC662.pdf

お礼

inara1 様
ご丁寧なレスありがとうございました．
精度が重要な場合は“入力オフセット電圧の小さい品種を選ぶ”という事が良く分かりました．

分圧抵抗ですが，R1=18KΩ，R2= 2KΩにして入力電圧を1/10に圧縮してPIC16F88のADC入力に取り込むつもりです．
尚，基準電源(Vref)にuPC1093を使用すると書きましたが，それを4.096Vに設定すると，10bit ADCの分解能が1LSB=4mVになります．
従って，測定できる電圧は
10bitADC=>0～1023=>(0～1023)*4mV*10=>0～40.96V(実際のバッテリィ電圧)になる予定です．

＜追加質問＞
1)実際の測定電圧は24～26Vなので，LMC622入力の保護としてはR2とパラに6V程度のツェナダイオードを接続すれば宜しいでしょうか？
2)例えば入力電圧に下駄を履かせて22～26Vの電圧を拡大する方法はあるのでしょうか？
　方法があれば，別途質問させていただきたいと思います．
　即ち，今回の目的とするところは24～26Vの付近の電圧をチェックするだけで良いのです．
　そして，バッテリィ電圧が24V未満になった時に警報を出します．
　　　　　　　　　　　　　　－以上－

回答No.1

inara1

測定結果を10ポイントのLEDに表示するだけなら、「ADC入力電圧の希望精度0.5%以下」はオーバースペックで、ボルテージフォロワの精度を気にするレベルではありません。「測定結果を10ポイントのLEDに表示する」というのが単に表示部分だけであって、それとは別に、AD変換結果を PC などに取り込むために「ADC入力電圧の希望精度は0.5%以下にする」というのなら別ですが。

ADC入力電圧が PICの電源電圧を越える場合もあるということについてですが、この対処法としては、ボルテージフォロワに出力電圧制限回路を付加するなど、方法はいろいろありますが、根本的には、ADC入力電圧がPICの電源電圧（5V）を越えないように、入力アッテネータ（電圧を1/8に圧縮）の圧縮率を 1/12.2 以下に変更するのが最も手っ取り早い方法です。入力電圧を 1/12.2 にすれば、入力電圧が 50V のときのADC入力電圧は 4.098V となるので PIC は壊れません。ただし、そうすると、入力電圧が 24V のときのADC入力電圧は1.967V となるので、基準電圧が 4.096V のままだと分解能が落ちてしまいます。基準電圧を4.096Vではなく1.967V とすれば、24V以下の入力電圧については10bitフルでAD変換できますが、その場合、24Vを超える電圧の測定ができないので、入力電圧が 24V を越える場合のデータが必要ならば基準電圧は 4.096V のままにしたほうが良いでしょう。

ボルテージフォロワの精度に関してですが、OPアンプの電源電圧を PIC の電源電圧と同じとする場合、OPアンプによっては、出力電圧が 4.096Vまで出ないことのほうが問題です。以下のように、OPアンプの反転入力端子（-）と出力端子を短絡すれば、利得 1 のボルテージフォロワ回路になりますが、LM358 など汎用の単電源OPアンプだと、OPアンプの出力電圧が 3.5V以上出ません。

　　　　　　　　　　　　　OPアンプ
　入力電圧　─┐　　　　　 ┌──────┬── 5V
　24V～50V　 R1　　　　┏┷┓　　　　┏━┷━┓
　　　　　　　　　├───┨+ ┠┬──┨　　　　┠
　　　　　　　　　R2　　 ┌┨- ┃│　　　┨ PIC　┠
　GND (0V) -┤　　　│┗┯┛│　　　┨　　　　┠
　　　　　　　　 │　　　└─ ） ─┘　　　┨　　　　┠
　　　　　　　　 │　　　　　　│　　　　　　┗━┯━┛
　　　　　　　　 └────┴──────┘

出力電圧が電源電圧いっぱいに出るOPアンプはいろいろありますが、入力信号の最大周波数によっては使えないものもあります。入力信号の最大周波数はいくつでしょうか？

お礼

inara1 様
度々ご丁寧なレスありがとうございました．
※申し送れましたが，質問者は“アナログ回路”はさっぱりで，ロジック回路も見よう見まねの独学です．

少し補足します．
１．バッテリィの電圧は50V位まで跳ね上がる事がありますが，LEDに表示する実際の電圧範囲は下記(２．)の様に考えています．

２．バッテリィ電圧とLEDの点灯の関係(色々ありLEDを５個にしました)
　　　　赤　黄　緑　緑　緑　VBB;バッテリィ電圧[V]
　　１　×　×　×　×　●　25.4≦VBB
　　２　×　×　×　●　●　25.2≦VBB＜25.4
　　３　×　×　×　●　×　25.0≦VBB＜25.2
　　４　×　×　●　●　×　24.8≦VBB＜25.0
　　５　×　×　●　×　×　24.6≦VBB＜24.8
　　６　×　●　●　×　×　24.4≦VBB＜24.6
　　７　×　●　×　×　×　24.2≦VBB＜24.4
　　８　●　●　×　×　×　24.0≦VBB＜24.2
　　９　●　×　×　×　×　 VBB＜24.0， 電圧低下警報を出力
　　(凡例)×；消灯，●；点灯

※ADCに入力した電圧を移動平均法で演算し，LEDにその結果を表示させます．

“入力信号の最大周波数”についてはそんなに深く考えていません＝＞1KHｚもあれば十分と考えています．
測定周期は10Hz程度と考えています．
基本的にはバッテリィの過放電防止と充電時期の目安の出力です．

　　　　　　　　　　　　　　－以上－