オペアンプの直線性とデータロガー|いちろ工房 (ichiro Labo)

いきなり、引用から始まります

サーベイメータ

携帯用の放射線測定器。アルファ線、ベータ線、ガンマ線及び中性子線用のサーベイメーターがある。検出器の種類には電離箱式、ＧＭ管式、シンチレーション式などがある。
測定内容として、空間放射線量率測定（ガンマ線）や放射能表面汚染測定（ベータ線）の検査などに用いられる。

右から電離箱式、ＮａＩシンチレーション式、ＧＭ管式
（引用終わり）

ちょっと仕事で、このサーベイメータのデータを自動収集するデータロガーを作りました。

今日のネタは、このデータロガーで使うオペアンプの増幅性能のお話がメインです。

上にあげたサーベイメータにはペンレコーダー用にフルスケール10mVのアナログ信号が出ています。データロガーを作るには、この電圧値を拾ってPCに格納するアダプタを作ればOKですね。
ここではPICを制御に使おうと思います。PICのA/Dコンバータでデータをサンプリングし、PCとPICをUSBで接続します。USBコントローラーとA/Dコンバータを両方内蔵しているPICとしてはPIC18F2550がありますので、これを採用します。

まず、サーベイメータの出力電圧をA/Dコンバータでデジタル値に変換するのですが、このPICのA/Dは分解能は10ビットです。電源が５Vなので約5mV刻みでしか測定できません。
フルスケール10mVは、PICのA/Dコンバータの分解能から見ると低すぎるので、A/Dコンバータで変換する前に増幅する必要があります。
オペアンプの非反転増幅回路で約100倍に増幅すればフルスケールは１V程度になり、扱いやすくなります。

上図に、オペアンプによる非反転増幅回路を示します。

さてオペアンプは何を使いましょうか？サーベイメータからの出力電圧は測定値に対してリニア（直線）で出力されているので、これを増幅する回路にも直線性が求められるのは当然ですよね。
そしてサーベイメータからの出力電圧が最大10mVという条件があるので、このような低い電圧のところでも増幅回路に直線性があるかどうか調べないといけません。
ここで、手持ちのオペアンプの中で、高性能オーディオ・オペアンプOPA2134、高出力オペアンプNJM3414、汎用オペアンプLM358の３つを候補に選び出しました。すべて5Vの単電源で動作し、秋葉原とかで普通に売っているICです。

さて、それぞれのICに標準電圧発生器から電圧を印可して出力がどのように変化するか見てみます。横軸は入力電圧(mV)、縦軸は出力電圧(mV)を示します。

１）OPA2134

いきなり、これは×です。直線の回帰式にも乗ってないです。まあ、オーディオ用なので仕方ないですね。

２）NJM3414AD

これはなかなかよさそうです。１mVから5mVまできれいに直線になっています。しかし1mV以下の低いレンジでは0.6mVくらいで出力電圧が0Vになってしまいます。どうやらオフセットが足りないようです。

３）LM358

これもNJM3414と同様に直線性があるようです。さらに1mV以下の低いレンジでも適度なオフセット電圧があり直線性は十分です。入力信号の電圧は0Vから使えそうです。

今回はこのオペアンプを採用しましょう。

あとは基板を設計して組み立てます。いつもの通り、基板パターンはEAGLEで設計し、FUSIONに基板を発注しました。
PICを含めた全回路の説明はここでは行いませんが、下図のようなものを作りました。PICにはオペアンプの出力の他、基準電圧ICの2.5Vを入力することで、測定値の補正を行うようにしてあります。