電圧周波数測定アダプタ

ハードウェア

図1. 回路図

図1に製作した電圧周波数測定アダプタの回路図を示します。無電源とは言っていますが、単に個別の電源供給が不要なだけで、実際には測定するACラインから動作電源をもらっています。回路の動作には数V/数mAもあれば十分なので、リアクタンスドロッパ(シャントレギュレータの一種で、大きな降圧比でも低損失)で電源を得ています。このため、回路全体がACラインとの間で非絶縁となるので注意が必要です。

C1が降圧リアクタで、Vin/Xcで決まる電流が負荷電流より大きくなるように容量を選定します。余分な電流はツェナD1で消費されることになるので、あまり大きくすると効率が悪くなります。この回路では入力電圧を測る都合上半波整流としていますが、その必要がなければブリッジ整流にしてC1の容量を半分にできます。R1はC1を筒抜けするパルス性のノイズや電源ONトランジェントによる突入電流を制限して回路を保護します。入力オープン時にC1の放電パスが無いときは、数MΩの抵抗をパラに入れておかないと、後で驚くことになります。

マイコンには、Microchip(旧Atmel)のATtiny45を使用してみました。ACラインの電圧は抵抗で分圧しただけでバッファせず直接ADCに入力していますが、信号源抵抗はテブナンの定理により約2.5kΩとなるのでこれで十分でしょう。基準電圧(LDO)および分圧抵抗(Ra/Rb/Rc)には誤差1%のものを使うことにより無調整化を図っています。

測定データは非同期シリアルで一定時間ごとに送信されます。回路が非絶縁なため、シリアル信号はフォトカプラを介して出力しています。接続先がPCのCOMポートなら回路図に示すように、マイコンのUARTならフォトカプラ出力を数kΩのプルアップと共にUARTのRXD入力に接続します。

ソフトウェア

サンプリング

A-D変換は9.6kHzのタイマ出力で行われるため、9.6kspsとなります。9.6kHzを選定した理由は、ATtiny45がUARTを持たないため、ソフトウェアによるシリアル送信処理も兼ねているからです。

周波数測定

周波数は、A-D変換値のゼロクロスをトリガとして計数します。ACラインの周波数変動の範囲は ±100mHz程度なので、1mHz程度の分解能は欲しいところ。一般的な直接計数式では、ゲート時間 Tg の間のトリガ回数を数えます。したがって、分解能は 1/TgHzとなり、5秒毎に値を得ようとすると周波数分解能は200mHzと全く足りません。

低い周波数の測定では、レシプロカル方式と言ってトリガサイクル時間 T を測ることで f = 1/T により周波数を算出します。レシプロカル方式の分解能は、サイクル時間の測定分解能を t とすると、 t/T²Hzとなります。このプロジェクトでは t = 1/9.6k なので、50Hzの入力に対して 200mHzとなり、まだ及びません。でも、実際のレシプロカル方式の実装では周波数に応じて複数サイクルncycにわたって測ることで分解能が確保(t/T²/ncyc Hzとなる)されます。今回は5秒間に渡って測定しているため、50Hzの入力に対して約 1mHz、60 Hzなら 1.25mHzの分解能となり十分と言えます。

電圧測定

電圧値は実効値の定義に従い、サイクル単位で自乗→平均→平方根の計算を行うことで得ています。内臓ADCの分解能が10ビットと低く計算上は400mV程度の分解能になりますが、ノイズによるディザリング効果と平均処理により演算値は100mV単位としています。電圧についてはこの程度の分解能で十分でしょう。

測定値出力

シリアルフォーマットは、N81 4800bpsです。出力は5秒毎に次のフォーマットで送信されます。

<経過時間>,<電圧>,<周波数>[CRLF]

例:
0:00:00,100.4,50.068
0:00:05,100.7,50.073
0:00:10,100.7,50.073
0:00:15,100.6,50.068
0:00:20,100.5,50.062

つまり、CSV形式ですね。そのままファイルに保存しておけばスプレッドシートで開くことができます。

資料

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