Re: メインアンプが必要なのでしょうか？ - ｃｈｙ_farm

2012/09/14 (Fri) 00:39

inara1さま

少しわかりました。
筋電計の方（回路図の）の電源を９Vに変更して、
筋電計からの出力を増幅する正帰還アンプの電源を１２Vで試しました。
正帰還の増幅を、30k／1kで添付写真（オシロ）のように50mV程度になりました。
ですが、５分間程度経過すると次第にマイナス領域が半波整流のように変形して、
ついに2-3mVの直流になってしまいます。

増幅の抵抗値を100k／1kで試しましたら、1－2分間程度経過でやはり半波整流に
なってその後直流になります。
このような変化は、バイパスが無くて電流がどこかに張り付く現象に似ています
ね。

Re: メインアンプが必要なのでしょうか？ - ｃｈｙ_farm

2012/09/14 (Fri) 22:30

inara1さま

初段の後に追加している増幅回路（添付）です。
このページの一番上の回路が初段部分です。
初段部分の右端のVM4　→　追加増幅回路のIN-1端子に接続、
初段部分のCOM端子　→　追加増幅回路のIN-2端子に接続しています。

すでにご説明しましたとおり、追加増幅回路の抵抗値を「100k／1k」で試しました
ら、1－2分間程度経過で半波整流になって、その後直流になります。
回路の電流をオフにして、100kの抵抗器をいったん外してしばらく放置すると再び
1－2分間程度は増幅可能になります。

増幅できている時間内と、増幅できなくなってからの両方で、追加増幅回路のCOM
～(V-)間電圧値、COM～(V+)間電圧値を測定しました。
（増幅できている時間内）
　COM～(V-)間電圧値:　5.99V
　COM～(V+)間電圧値:　6.01V
　
（増幅できなくなってから）
　COM～(V-)間電圧値:　6.01V
　COM～(V+)間電圧値:　6.01V
　
増幅できなくなってからのCOM～(V-)間電圧値が5.99Vから20mV上昇して6.01Vに
なっています。
これはご指摘いただいたオフセット電圧の1000倍の値に近いです。オフセット電圧
値がどこかに蓄積されて逃げられないのでしょうか？

Re: メインアンプが必要なのでしょうか？ - inara1

2012/09/15 (Sat) 10:15

今日から３連休です。LT1167は手元にあるので実験してみます。

＞５分間程度経過すると次第にマイナス領域が半波整流のように変形し、その後１
０秒程度経過してついに2-3mVの直流になる
マイナス領域というのは電圧が負の意味ですか？マイナス電圧が出ないというのは
オペアンプの負電源がつながっていないのでしょうか。

ｃｈｙ_farmさんは、知恵袋とokwaveでADCの質問をされてましたね（会社で見
た）。あの質問が見つからないのですが削除されました？

Re: メインアンプが必要なのでしょうか？ - chy_farm

2012/09/16 (Sun) 08:24

それからすぐに全体の波形が小さくなって行き（添付オシロ写真）、そのあと直線
になってしまいます。

Re: メインアンプが必要なのでしょうか？ - inara1

2012/09/16 (Sun) 17:04

inara1です。
手元にあるLT167とLT1112をブレッドボードに組んで実験してみました。ところ
が、初段がちゃんと動作していませんでしたので、chy_farmさんの不具合確認にま
で至っておりません。

添付図の信号源V2のところを1MΩの抵抗に置き換えて、各部のDC電圧を測定しまし
た（添付図の茶色の数値が測定値）。COM電圧はOKですが、LT1167のREF端子の電圧
が6Vからかなりずれています（本来は6Vになるはず）。オシロでLT1167の端子波形
を見てみましたが発振している様子はありません。

LT1167の出力とREF端子間にはLPFが入っているため、LT1167のDC利得は0になりま
す。前の回答で「利得1000倍だとオフセット電圧も1000倍される」と書きました
が、それは間違いです（すみません）。LT1167の出力に現れるオフセット電圧（入
力信号がないときの出力電圧-COM電圧）は、U2のオフセット電圧程度になるはずな
ので、COM電圧から1V以上ずれるはずはありません。LT1167が壊れているのかもし
れませんが、残念なことに手元に１個しかありません（LT1112は5個ある）。

LT1167の消費電流は1.6mA、LT1112は0.612mA(U2)、0.524mA(U3)でした。

添付図の周波数特性と波形は、LT-Spiceによるシミュレーション結果です。R3とC1
によるカットオフ周波数（1/2/π/C1/R3=1.59Hz）より小さい周波数で利得が落ち
ています。したがって、DC利得は全くないので、「利得1000倍だとオフセット電圧
も1000倍される」ことはありません。ただしU2のLT1112の反転入力（－）とCOM間
の入力オフセット電圧（最大75μV）があるので、入力信号がないときのLT1167の
出力電圧はCOM電圧とは完全に一致しませんが、高々75μVなので、それが100倍さ
れても7.5mVになるだけです。

Re: メインアンプが必要なのでしょうか？ - chy_farm

2012/09/16 (Sun) 21:14

inara1さま
hiroさま

こんばんは。休日にわたくしの問題におつきあいくださいましてありがとうござい
ます。お二方様のご専門の方にこのように丁寧に見ていただき心から有り難く感謝
いたします。
　
さて、hiroさまがご指摘くださいましたことを確認しております。
＞1.オペアンプの温度が高くなっていませんか？
↑追加増幅回路のほうで、分圧器に使っているボルテージフォロアが温度が高く
なっています。それで電流値を測る方法をお示しくださったので、今確認しており
ます。
もうしばらくしましたら結果をご報告させていただきます。

inara1さまには回路をわざわざおためしくださいましてありがとうございます。
LT1167出力のところにある積分回路でオフセット電圧がまずまずの範囲であること
を御確認くださいましてありがとうございます。
初段の回路（LT1167～Twin-Tまでのところ）で１０００倍にしたことで、その後ろ
の追加増幅回路のほうに影響を与えているのでしょうか？

追加増幅回路のほうに初段の回路（LT1167～Twin-Tまでのところ）を接続しない
で、代わりにシグナルジェネレータで初段の回路がしゅつりょくするのと同程度の
振幅でサイン波をインプットしますと全く正常に作動します。
しかし、初段の回路を接続するとダメです。

hiroさまがご指摘のような発熱が見られますので、どうも追加増幅回路のGND電流
が怪しいような感じがして参りました。
もう少し調べてご報告いたしますので、どうぞよろしくご教示お願いいたします。

Re: メインアンプが必要なのでしょうか？ - chy_farm

2012/09/17 (Mon) 00:57

電流値を計算で求めるのにわたくしはどうもまだ計算が苦手ですから、HPのE3638A
というプログラマブル電源を使って電流をチェックしながら実験してみました。追
加増幅回路の増幅率を1:10で押さえるようにしました（本当は100倍～200倍にした
いのですが・・・）。

添付１のような波形と、添付２のような波形と両方出るようになりました。
どちらの波形も、追加増幅回路の電源電圧をステップアップしてゆくと欠けた部分
が治ってきます。

電圧を上げると治るのですが、次のように結果としてオペアンプの能力以上を求め
ると無理でした。
入力テスト信号：2mVp-pサイン波
　　　　　　　　　↓（G=1000）
　　　　　　　　2.0Vp-p
　　　　　　　　　↓（追加増幅回路のG=10）
　　　　　　　　20.0Vp-p
　　　　　　　　
わたくしが求めたい入力のレベルは20μVp-pですので、
入力テスト信号：20μVp-pサイン波
　　　　　　　　　↓（G=1000）
　　　　　　　　20mVp-p
　　　　　　　　　↓（追加増幅回路のG=10）
　　　　　　　　200mVp-p
です。
添付３のように200mVp-pのサイン波を欠けないように出すためには、添付４のよう
に追加増幅回路の供給電圧を10Vに上げなければなりませんでした。この時電流値
は1mAでした。
inara1さまがご教示くださったLT1112の電流値が
＞LT1112は0.612mA(U2)、0.524mA(U3)
でしたので、LT1112を２ヶ使った実験の回路では、この1mAは正しい値と思いまし
た。

この波形は３０分以上安定的に継続しました。はじめはやや上の方にセンターが
移っています（添付３）が、次第に下に降りてきて、添付５のようになり、その後
３０分経過すると添付６のようになりました。

さらに再び下の方が平らになって来ましたので、電圧を１Vずつステップアップし
て元へ戻します。
このように乱れはじめてからは、ステップアップの間隔が短くなって、添付７のよ
うになってしまいました。この時供給電圧は添付８の通りです。

この直後にサイン波が崩れて、電流が一気に２倍の2mAに上昇しています（添付
９）。
hiroさまがご指摘くださったように、何かの原因で電流値が突然上昇するポイント
があるようです。

前段のG=1000の回路と、後段の追加増幅回路をアイソレートしてしまえばどうで
しょうか？

Re: メインアンプが必要なのでしょうか？ - inara1

2012/09/17 (Mon) 05:52

inara1です。
電源電圧を大きくすると波形がクリップしなくなるということから、LT1112の出力
電流が大きすぎるのが原因ではないでしょうか。LT1112のデータシート
（http://cds.linear.com/docs/Japanese%20Datasheet/j111214fb.pdf）の8ページ
右上の「出力電圧振幅と負荷電流」のグラフにあるように、LT1112の出力端子から
の電流が外向き（SOURCE）のとき、電流値が6mAだと、最大出力電圧は「+側電源電
圧-2V」にまで下がります。出力端子からの電流が内向き（SINK）のときも、電流
値が6mAだと、最大出力電圧は「-側電源+2V」にまで上がってしまいます。信号の
振幅を大きくすると、出力電圧が大きくなると同時に、出力電流も増えるので、波
形がクリップしやすくなるのではないでしょうか。電源電圧を大きくすると、最大
出力電圧範囲が広がるので、出力波形がクリップしにくくなるのではないでしょう
か。

LT-Spiceを使って、入力信号の大きさを変えたとき、LT1112の出力電流等がどう
なっているのかを調べてみます（しばらくお待ちください）。もし出力電流が大き
すぎて波形がクリップしているのであれば、電流値が大きくならないように、帰還
抵抗等の抵抗値を大きくする方法が有効かもしれません。波形がクリップしたと
き、コモン電圧を作っているLT1112の出力電圧は大きく変化していませんか？

Re: メインアンプが必要なのでしょうか？ - chy_farm

2012/09/17 (Mon) 08:04

inara1さま
ありがとうございます。
今日は朝から仕事なので帰りましたら早速試してみます。
＞コモン電圧を作っているLT1112の出力電圧
↑これを測るときの基準点はボルテージフォロアの+pin側で良いでしょうか？

＞帰還抵抗等の抵抗値を大きくする方法が有効
↑これはコモン電圧を作っているLT1112の帰還抵抗ですね？ゲインが１ですから、
帰還抵抗と同じ抵抗値のものを-pinからCOMへも接続すると良いでしょうか
？

Re: メインアンプが必要なのでしょうか？ - chy_farm

2012/09/21 (Fri) 00:38

こんばんは。しばらくご無沙汰してしまいました。

さて、やはり電流値は1mAで、これはLT1112を２ヶ使用したときの合計電流にほぼ
等しいので、特段大きな電流値が流れているとは考えにくいです。

もし回路のオペアンプが壊れていて大きな電流値があるなら、こちらだけでシグナ
ルジェネレータのサイン波を増幅してみたときにも同様の現象になるはず・・・
ところがそのときは正常です。

LT1167で1000倍にしたので、その時のCommon Mode Rejection電圧がどこかに隠れ
ていて、それがGNDを通じてこちらに流れ込んで邪魔をしている、ということは無
いのでしょうか？

試しに筋電計とこちらを分離して、筋電計の出力にオシロ１CHのプローブを接続、
オシロ１CHの出力からこちらの増幅回路へ取り回してオシロ２CHで計測したら、添
付のようになります。
これですとこちらの回路電源を７Vに上げれば、その跡は安定して増幅波形を見せ
てくれました。
オシロのGNDは内部で一緒になっているはずですから、これまでの実験と大差ない
かも・・・？と試行してみましたが・・・。

Re: メインアンプが必要なのでしょうか？ - chy_farm

2012/09/22 (Sat) 00:09

＞1.「一体型アクティブ電極」とその他の回路の距離？
150cmです。これくらいでないと取り回しが不便ですので、
このアクティブ電極の前はもっともっとひどかったんですよ～

＞2.電源はニッケル水素、アルカリ等？
アルカリです。どちらがお薦めですか？

＞3.LT1167のRefにLT1112を近接できないの？
本体側で入力端子を計測しますと600KHzの高周波が混じっていて、これは後段の
LPFで落とすようにしましたが、この雑音は環境から入ってくるのでは、特にパソ
コン、とわかってきました。試しに近接してみます。


＞4.「一体型アクティブ電極」側へ、「COM」(GND又は0V)を持っていく理由は？
LT1167の差動入力端子に入る信号の出力インピーダンスが20MΩにもなるところが
あります。それでここからバイパスして逃がしています。もしバイパスしないとす
ぐにクリップしてしまいます。

＞単純な抵抗とコンデンサによる分圧回路で十分かと思います。
実際それで試みましたが、ボルテージフォロアで分圧後の処理をしたほうが高い入
力インピーダンスを使えて、良かったです。

＞5.４芯シールドの「シールド」で伝送しているのはどのライン？もし「GND」を
シールドとされると仮にテストで上手くいっても後でトラブル出ますよ
そうなんですか？ちょっと気をつけて見てみます。LT1167はシングル電源を使えな
いのでCOMでないといけないのではありませんか？

＞アクティブ電極との間にカップリングコンデンサーを入れましょう。出力端にも
カップリングコンデンサーを入れた方が良い結果が生まれる可能性も有ります。
実際の検査機器としましたら、それは規格でも義務づけられていますので必要です
ね。

＞シグナルジェネレータのサイン波を増幅しただけなら、9/17添付の1や2にあるよ
うな綺麗なラインが観測できる筈です。
＞観測ポイントのGNDポイントですが、-V側対でAC計測された方が安定する
＞オシロをGNDに接続するだけで、肝心な0Vラインが汚染される可能性が
＞対GNDで計測する必要があるのなら、接続はどちらかのプローブの１点にしてお
く必要があり
＞GNDのテストポイントを分圧器出力直近に設ける等、不具合を起こさせにくい配
慮も必要です。
いろいろお考えくださってありがとうございます。お時間も使ってくださったこと
に感謝いたします。
結局、こちら側（追加増幅回路）のCOMに本体側のCOMを接続したくなかったので、
アクティブ電極で使っているLT1167を使ってもう一度差動入力しました。これで
G=500でCommon Mode Rejenctionをかけてみました。
すると、これまでで一番安定して波形が出ています。まだずいぶん雑音が入るので
すが、これまでのようにひどくなく、1MHzと550Hzの雑音がメインで入ってきてい
ることまでわかるくらいになってきました。
こちら側の電流値も2mAだったのが1mAに落ちて、それで波形がきれいになりました
ので、こんな方向性かも・・・と思えるようになりました。
明日、この雑音をカットするフィルターを考えてみます。

ありがとうございます。

Re: メインアンプが必要なのでしょうか？ - chy_farm

2012/09/22 (Sat) 10:11

お世話になります。

添付は20μVp-pのサイン波を増幅したところの様子です。
上は筋電計本体だけで、G=1000です。
下は追加のアンプを接続したもので、G=1000ｘ 500 です。

Re: メインアンプが必要なのでしょうか？ - hiro

2012/09/22 (Sat) 13:06

chy_farm　さま

自分の思いつきに、いつもお付き合い下さり恐縮です。
タイムスタンプ2012/09/22 (Sat) 00:09:16へのお返事となります。

＞2.電源のお薦め
ニッケル水素等の充電池は一般的に内部抵抗が低く（一部の自己放電の少ないモデ
ルは内部抵抗が高い）＜アルカリ＜マンガンと順に高くなっていた筈です。
今回の回路は急峻な電力変動が無いと想像できますので、電池の内部抵抗までは考
えなくても良い筈ですが、本来この回路と同種である筈の音響機器でその差がわか
る？とも言われており、理論とかだけでは完全な説明ができない何か（若しくはオ
カルト神話か？）があることも窺い知れます。
ただ、電池の入手性とか、直ぐに予備が用意できるといったメリットを生かして私
なら「アルカリ」を選定した上で、1000～2000μ程度の大容量のケミコンと220～
680μ程度の低ESRのケミコンをパラに電源に抱かせて使うと思います。（電圧レ
ギュレータを用意しない場合）

＞3.LT1167のRefにLT1112を近接
ご指摘の通り、近接しても、S/N比改善にはなりません。
あくまで、LT1167のRefを引き回さない対策です。
合わせて他の手段で大きくした出力電圧を送り出せばS/N比改善に繋がるかもしれ
ません。

＞4.「一体型アクティブ電極」側へ、「COM」(GND又は0V)を持っていく理由
どうやら私の説明が不十分で誤解を与えてしまったようですみません。
この部分で私が言いたかったのは、「アクティブ電極側」と「後段増幅回路部」と
で同じ「GND」を物理的に共有する必要があるのか？と言う問題です。
ボルテージフォロアで生成したGNDを広範囲に引き回すより、必要な部分毎に生成
してやればGNDの品質低下に起因する問題が改善できるのではないかと思ったから
です。
２箇所で基準電位を作った時、此処で発生するであろう僅かな電圧差は本回路では
問題にならないのではないかと思われます。
単純な抵抗による分圧回路で不十分となると回路規模は大きくなってしまいます
が、スペースが許すなら配線を引き回さない分有利ではないでしょうか？

＞5.「シールド」について
ここでは、LT1167の要求電源では無く、あくまで「シールド線」のお話。
イメージとしては中の信号を外来ノイズから守ったり、中の信号を外部に漏らさな
い為の「バリアー」的なイメージですよね？
このシールドは、本来ならアースに接続するのが適当であり、大地となります。
例えば、大地と接しない航空機であれば、その最も大きい機体フレームがアースで
すし、大地とゴムタイヤで絶縁されて走行する車も車体がアースです。
車であれば、大半の場合バッテリーの－側を車体に接続してアースとしています。
「回路の中で最も安定的に電位の低い場所」は上2.で話題になった電源のコンデン
サの－端子ですから、こことシールドを接続する事が最も良いかと思います。
ボルテージフォロアで作られたGNDは仮想電位であり、信号線の一種として考えて
下さい。
例えば、信号の流れる配線を電気的に繋がるからとシールド線のシールド側に繋が
ないですよね？


回路的にもいろいろ試行錯誤されている中、横から雑音を入れて恐縮です。
ご参考まで。

Re: メインアンプが必要なのでしょうか？ - chy_farm

2012/09/25 (Tue) 16:11

hiroさま

急な出張で研究室を空けてしまい、ご無沙汰いたしました。帰ってくるとあの暑さ
は無くなってめっきり秋らしくなっています。

＞2.電源のお薦め→ニッケル水素等の充電池

そうですかー、それは良いことを学びました。ありがとうございます。

＞4.「一体型アクティブ電極」側へ、「COM」(GND又は0V)を持っていく理由→「ア
クティブ電極側」と「後段増幅回路部」とで同じ「GND」を物理的に共有する必要
があるのか？と言う問題です。ボルテージフォロアで生成したGNDを広範囲に引き
回すより、必要な部分毎に生成してやればGNDの品質低下に起因する問題が改善で
きるのではないか

ほんとうにそうですねー。先日２２日に書きましたようにCOMを分離したら良い結
果が出たのでその延長で考えるようにしました。アクティブ電極はちょっと特殊な
形状に加工していましたから今から分離するのは設計にも時間が掛かるし予算
も・・・。それでここはそのままにして、先日の延長で「アクティブ電極側＋積分
回路」、「Notich Filter」、「後段の差動増幅回路」の３つを分離しました。

「Notich Filter」のところはこれまでTwin-T　RCを使っていて、これもまずまず
と満足していたのですが、いよいよ計測を視野に入れると、どうも50Hz周辺の周波
数をかなり巻き込んで減衰してしまっていましたので改善してみました。

４次の多重帰還Bessel Filterで、減衰量は欲張らずにPassband Widthを３Hzに設
定して、Allowable Passband Rippleは１dbで計算しました。そうすると減衰量は
-17.2dbでした。
これくらいですと、減衰しすぎでもなく具合良いようです。

Notch Filterのデータは、減衰開始周波数が約47.5Hz、中心周波数が49.7Hz、減衰
終わり周波数が約52.2Hzになりました。

波形（添付）もこれまでで最もきれいに描かれるようになりました。やっとお勉強
の努力が実ってうれしいです！

これもinara1さま、hiroさまのご指導のお陰です。
あらためて、ありがとうございます！！

Re: メインアンプが必要なのでしょうか？ - hiro

2012/09/26 (Wed) 00:16

chy_farm　さま

いやぁ、随分綺麗な波形になりましたね。
ただ、波形を見ていて気になるのが僅かな揺らぎ？
僅か３サイクル弱ですが、上下のピークが揃っていないのはたまたまでしょうか？
全体に渡ってあるのであれば、もう一度電源周りを見直したほうが良いかもしれま
せん。

また時々覗かせて貰いますので、是非経過も書き込んでいただければと思います。
上手くいくと良いですね。

Re: メインアンプが必要なのでしょうか？ - chy_farm

2012/09/26 (Wed) 07:21

hiroさま

おはようございます。いつもありがとうございます。

＞波形を見ていて気になる揺らぎ→３サイクル弱

たまたまでは無いです。これを何とかしたいですね。
もうちょっとチャレンジしてみます。