1 デジタルマルチメータ用 IC HAZ01 デジタルマルチメータ用 IC HAZ01 小池 伸一*1 要 旨 「プロの仕事をスピーディーに」をコンセプトに持つ，デジタルマルチメータDT4220/DT4250シリーズ用に， CMOSミクスドシグナルIC HAZ01を開発した．HAZ01の特長，機能，構成，および特性について解説する． 1. はじめに デジタルマルチメータは，電圧，電流，抵抗などの 複数の測定機能をひとつにまとめた基本ツールであ る．その内部は測定を担う専用 IC と，測定値の表示 やユーザインタフェースを担うマイコンで構成される． ユーザ要求である高安定性と高速応答に加え，小型 化，低価格化などの諸要求を満足するためには専 用 IC の性能向上が欠かせない． 2. 概要 HAZ01 の概要を表 1 に示す．性能とコストのバラン スから，0.25 μmCMOS プロセスを採用した．前工程 を除いた生産と検査をすべて日本国内で行い，高い 品質を確保している． HAZ01 チップの外観 表1 3. 特長・機能 (1) 高安定性 システム性能の向上には，高精度低ノイズ A/D コ ンバータが欠かせない．そこで CMOS プロセスとの 相性がよく，高分解能が得られるΔΣ 型を採用し，分 解能 16 ビット，サンプリングレート 10 kS/秒の A/D コ ンバータを開発した．またデジタルキャリブレーション 機能によりオフセット，ゲインドリフトを除去し高安定性を 実現した． (2) 高速応答 実効値演算部を，アナログ RMS-DC 変換器とアナ ログフィルタではなく，デジタル演算器とデジタルフィ HAZ01 概要 項目 プロセス 最小ゲート長 回路 電源電圧 クロック周波数 パッケージ 消費電流 アナログ入力 A/D コンバータ 演算 (ビット数, 更新速度) ダイナミックレンジ ファンクション ルタで構成した．これにより演算とフィルタの自由度 を増し，きめ細かな演算制御を可能とした．その結果， 例えばオートレンジ中は高速応答フィルタに切り替え る，レンジ確定後は高安定フィルタに切り替えるなど， 測定条件に合わせて特性を最適化することで，高速 応答と高安定性を両立した． *1 開発部 開発1課 日 置 技 報 VOL.36 2015 NO.1 仕様 CMOS 0.25 μm アナログ/デジタル混在 アナログ/IO 3.3 V デジタル 2.5 V 2.56 MHz LQFP64-10X10-0.5 (RoHS 対応) 約 4 mA ±1.5 V ΔΣ型 16 ビット 10 kS/秒 RMS/MEAN (24 ビット, 10 回/秒) BAR (11 ビット, 80 回/秒) 6,000 Counts クレストファクタ 2.5 ACV, DCV, Ohm, Continuity, Capacitance, Peak, 他 2 デジタルマルチメータ用 IC HAZ01 図1 全体ブロック図 検出し放電回路を自動で制御することで，過放電す (3) 多機能アナログ回路 デジタルマルチメータで必要となる基本回路，マ ルチプレクサ，基準電圧源，電流源，温度センサ，ア ンプ，コンパレータ，A/D コンバータなどを，すべて チップ内に実装した． これによりデジタルマルチメ ータ本体の周辺回路の設計を容易にし，部品点数 の削減を実現した． (4) 実効値/平均値同時測定 実効値と平均値を同時に演算している．これにより 実効値と平均値のデュアル表示だけでなく，外部で なわちコンデンサへの逆バイアスを防止できる．また 外部 CPU は充放電開始を制御するだけで済む．さ らにデジタルコンパレータを使用すればコンデンサ の充電電圧を自由に設定できる．測定対象コンデン サの容量値に合わせて充電電圧を最適化することで 測定時間の短縮や測定精度の向上を期待できる． 4. 構成 4.1 ハードウェア構成 式(1)の演算をすることで，交流+直流(RMS)，直流 図 1 に全体ブロック図を示す．アナログ部，A/D コ (DC)，交流(AC)の 3 つのパラメータを測定でき，交流 ンバータ部，DSP(Digital Signal Processing)部，およ 直流の自動判別も可能とした． び外部 CPU とのインタフェースを担う CPU-IF 部から AC = RMS − DC ...................................... (1) 構成される． (5) デジタルピークホールド機能 4.2 アナログ部 2 2 デジタルピークホールド機能を用いることで，突入 電圧/電流測定，直流重畳リップル測定を可能とし た． (1) マルチプレクサ 外部抵抗アッテネータ(1/10000，1/1000，1/100， 1/10)構成用スイッチはオン抵抗や配線抵抗の影響 (6) フィルタ機能 を低減するために 4 端子接続を可能とした．その他， 通過帯域可変 100 Hz/500 Hz のデジタルフィルタ を備える．インバータの基本波測定においてキャリア の影響を低減することを可能とした． 低電圧直接入力用のスイッチを 8 チャネル備える． (2) 基準電圧源 IC 内部の基準電圧源と A/D コンバータ用の基準 (7) パワーダウン機能 電圧源となる BGR(Band Gap Reference)型の定電圧 未使用回路またはチップ全体をパワーダウンし消 発生回路を備える．温度特性，フリッカノイズ，実装 費電力を抑えることを可能とした． 面積，消費電流のバランスを考慮した．さらに安定し (8) コンデンサ容量測定機能 た特性を得るために外部供給を可能とした． 直流充放電方式のコンデンサ容量測定機能を持 つ．内蔵のアナログコンパレータを使用した放電検 出回路を備える．測定対象コンデンサの放電終了を 日 置 技 報 VOL.36 2015 NO.1 3 デジタルマルチメータ用 IC HAZ01 図 2 A/D コンバータブロック図 (3) 定電流源 4.3 A/D コンバータ部 抵抗測定，コンデンサ容量測定，および導通チェ ック用に定電流発生回路を備える．電流は 10 nA， 100 nA，1 μA，10 μA，100 μA，200 μA で，1 μA 未 満の電流値は PWM(Pulse Width Modulation)制御で 実現し，電流値の調整を可能とした． (1) ΔΣ変調器 図 2 に A/D コンバータのブロック図を示す．低消 費電力で十分な S/N を確保するため，3 ビット 2 次の ΔΣ変調器を採用した．128 倍のオーバーサンプリン グで理論 S/N は 144 dB となる．また 3 ビットコンパレ (4) アンプ ータ の 非線 形 性に よる 特 性劣 化 を軽 減 する ため 使用場所に合わせてアンプを使い分けている．電 源電圧 3.3 V であっても十分なダイナミックレンジを 確保するために，初段のアンプはレイル・ツー・レイ ル・アンプとした．また，内部リファレンスなど，入力イ ンピーダンスや入力漏れ電流が影響しない場所で はスイッチング方式のゼロドリフトアンプとした．また A/D コンバータをドライブするアンプは全差動アンプ とし，ダイナミックレンジと CMRR(同相電圧除去比)を DWA(Data Weighted Averaging)機能，リミットサイク ル発振防止用にディザリング機能も備える． (2) デシメーションフィルタ 3 ビット 1.28 MS/秒データを 18 ビット 10 kS/秒ま でデータレートを下げる(デシメーション)する必要が ある．回路の効率化のため，3 段に分けてデシメーシ ョンした．1 段目は，SINC3 フィルタとし，SINC フィル タのノッチを使ってバンドストップ特性を得るために， 向上させた． あえて 33 タップ，31 タップ，32 タップとした．2 段目， (5) コンパレータ 3 段目は FIR(Finite Impulse Response)フィルタとし， 周波数測定の波形整形用にコンパレータを備える． ノイズが重畳しても確実に波形整形するためにヒステ リシス特性を持たせ，さらに内部アッテネータ(1/2)を 使用することで，ヒステリシス幅を倍にすることもでき る．およそ 200 kHz までの周波数測定に対応する． SINC3 フィルタの減衰分を 3 段目の FIR フィルタで補 償し通過帯域の平坦性を確保した． (3) 外部出力 ΔΣ変調器の 3 ビット，A/D コンバータの 18 ビット データは外部出力可能となっている．このデータは 波形の記録や表示に使用できる． 日 置 技 報 VOL.36 2015 NO.1 4 デジタルマルチメータ用 IC HAZ01 4.4 DSP 部 (1) キャリブレーション部 A/D コンバータを含む回路のオフセット誤差，ゲイ ン誤差を除去するためのキャリブレーション機能を備 図 3 DSP 部 FPU の時分割制御 える．外部 CPU からのコマンド制御が可能で，最短 12.5 ms でキャリブレーションを実施し，表示更新 100 (7) ウインドコンパレータ ms に対してロス時間を最小限に抑えた． ウインドコンパレータと，その割り込み出力を備え (2) 実効値演算部 RMS(Root Mean Square)のすべての演算を実効値 演算部で完結した．1 つの FPU(Floating Point Unit) を時分割制御し回路規模と消費電流を低減した．自 乗後のリップル低減のためのローパスフィルタと，切 り出し誤差低減のための窓掛器も備える．図 3 に FPU の時分割制御の様子を示す．A/D コンバータの サンプリングごとに，必要なすべての演算をリアルタ イムで実施する．100 タップ (帯域幅 100 Hz)の FIR フィルタ(後述)を使用した最大演算時でもサンプリン グ周期の 100 μs 以内にすべての演算を完了する． (3) 平均値演算部 単純平均(DC 平均値)と絶対値平均(AC 平均値) の選択が可能である．フィルタ，窓掛器も備える． (4) バーグラフ演算部 る．デジタル制御のためウインド幅を自由に変えるこ とがきる．導通チェック機能も本回路で実現している． また 10 kS/秒データで測定可能な低周波の周波数 測定や Duty 比測定にも使用でき，コンデンサの容 量測定でも使用している． 4.5 CPU-IF 部 (1) インタフェース CPU との通信に 3 線式シリアルインタフェース，各 種割込を備える．通信クロックは最大 320 kHz に対 応する． (2) コマンド制御 CPU からの制御を容易にするために，ファンクショ ンやレンジ設定はコマンド制御とビット制御の両方に 対応している． バーグラフ用のデータ演算部は，最速 12.5 ms で データ更新が可能である．データは実効値，平均値 を選択できる． (5) フィルタ部 大きく 2 種類のデジタルフィルタを持つ．一つはプ レフィルタと呼び，自乗回路の前に挿入され，測定 信号の帯域を制限する．もう一つはポストフィルタと 呼び，自乗回路の後に挿入され，自乗演算後のリッ プルを除去する．ノイズやレンジ切り替え中の過渡応 答など，いかなる信号が入力されても安定であること が要求されるため，プレフィルタは FIR フィルタとし， ポストフィルタは 1 次の IIR(Infinite Impulse Response) フィルタを縦続接続して構成した．プレフィルタは通 過帯域 100 Hz/500 Hz を選択でき，ポストフィルタは カットオフ周波数と次数を変更できる． (6) ピークホールド部 測定値の演算と同様に A/D コンバータの 100 μs ごとの出力データを使用したピークホールド回路を 持つ．更新レート 100 ms で，突入波形や，リップルの ピーク値を保持できる．デジタル回路で構成している ため温度ドリフトやリーク電流の影響を受けず安定で ある． 日 置 技 報 VOL.36 2015 NO.1 5 デジタルマルチメータ用 IC HAZ01 5. 特性 5.1 アナログスイッチ諸特性の電圧依存性 図 4 にマルチプレクサを構成するアナログスイッチ のオン抵抗とリーク電流の電圧依存性を示す．オン 抵抗の電圧依存性を低減した低ΔΩタイプとリーク電 流を抑えた低リークタイプの 2 種類を使い分けてい る．図中のリーク電流は入力保護ダイオードと 2 種類 のアナログスイッチのリーク電流を含むが，動作電圧 の範囲で±10 pA 以下に抑えられている． 5.2 レイル・ツー・レイル・アンプの直線性 図 5 にレイル・ツー・レイル・アンプの直線性を示す． ±0.1%精度を確保した．±1.2 V 以上での誤差はレイ 図 4 アナログスイッチの オン抵抗とリーク電流の電圧依存性 ル・ツー・レイル・アンプ入力部の構造に起因する． レイル・ツー・レイル・アンプ入力部は P 型と N 型の 2 組の差動対によって構成される．入力電圧によって P 型差動対と N 型差動対が切り替わり，電源電圧ま で動作する．この P 型と N 型の切り替わるポイントでク ロスオーバー歪やオフセット電圧変動が発生する． 市販のレイル・ツー・レイル・アンプ(図 6 中の Sample 1，2)でも同様の特性を示し，構造上不可避である． 図 5 レイル・ツー・レイル・アンプ直線性 図 6 レイル・ツー・レイル・アンプ オフセット電圧－同相電圧特性 日 置 技 報 VOL.36 2015 NO.1 6 デジタルマルチメータ用 IC HAZ01 図 7 デシメーションフィルタ全体の周波数特性 図 8 デシメーションフィルタの周波数肩特性 5.3 デシメーションフィルタの周波数特性 図 7 にデシメーションフィルタの全体の周波数特 性，図 8 に周波数特性の肩部の拡大特性を示す． 安定性を重視し通過帯域は約 3 kHz とした．また SINC3 フィルタの減衰分を FIR フィルタで補正するこ とで，通過帯域リップルを±0.05%(±0.00434 dB)に抑 えた． 5.4 プレフィルタの周波数特性 図 9 に測定信号の帯域制限用プレフィルタの特性 を示す．通過帯域は 100 Hz，500 Hz，3 kHz(A/D コ ンバータ内のデシメーションフィルタの帯域)となって いる． 図9 プレフィルタの周波数特性 5.5 ポストフィルタの周波数特性 図 10 に自乗演算後のリップル除去用ポストフィル タの特性を示す．100 ms 平均化処理でも LPF 特性 が得られるが(図中の Default 特性)，LPF を追加する ことでより高い減衰量を得ることができる．さらに窓掛 演算を組み合わせることで，1 次フィルタであっても 2 次以上の減衰特性を得られることが確認できる． 図 10 ポストフィルタの周波数特性 日 置 技 報 VOL.36 2015 NO.1 7 デジタルマルチメータ用 IC HAZ01 5.6 A/D コンバータの S/N 図 11 に正弦波(600 mV rms，100 Hz)を入力したと きの A/D コンバータ出力の FFT 解析結果を示す． S/N(信号とノイズフロアとの比)はおよそ 120 dB， SFDR(Spurious Free Dynamic Range)でおよそ 96 dB を確保した． 5.7 システムの直線性 図 12 にシステム全体の直線性を示す．システム全 体でも±0.1%の精度を確保した．±1.2 V 以上での誤 差は前述レイル・ツー・レイル・アンプのオフセット電 圧誤差である． 図 11 A/D コンバータの FFT 解析 5.8 システムの S/N 図 13 にシステム全体の S/N と有効ビット数(ENOB) との関係を示す．システム全体の S/N(図中の○)は およそ 120 dB で有効ビット数の 19 ビット相当にあた り，目標の 16 ビット精度を十分に確保した．SFDR(図 中の△)は，前述レイル・ツー・レイル・アンプの直線 性に起因する劣化が見られるが，常用の振幅範囲 (クレストファクタ 1.5)の 1.8 Vpp までは 16 ビット精度を 確保した．さらに入力範囲上限の 3 Vpp まで 60 dB 以上(0.1 %以下)を確保し，SFDR としても十分な性能 が得られた． 6. おわりに 多様な機能，設計要件を高次元でバランスさせた 図 12 システムの直線性 CMOS ミクスドシグナル IC HAZ01 を開発した．今後 多くの製品に展開する予定である． 開発にあたり，開発委託先はもちろんのこと，故・ 岡村迪夫先生，信州大学の井澤裕司先生，電気通 信大学の樋口幸治先生，法政大学の安田彰先生， 神奈川工科大学の小室貴紀先生をはじめ，多くの方 にご指導，ご協力をいただいた．各位に深く感謝の 意を表したい． 参考文献 1) 宮沢好幸：デジタルマルチメータ DT4281/DT4282，日置技報，VOL．34 2013 NO． 1，29/36 (2013) 2) 三木昭彦：デジタルマルチメータ DT4220/DT4250シリーズ，日置技報，VOL．35 2014 NO．1，35/40 (2014) 日 置 技 報 VOL.36 2015 NO.1 図 13 入力振幅-S/N 特性 8 デジタルマルチメータ用 IC HAZ01 日 置 技 報 VOL.36 2015 NO.1
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