【授業☆しょ~かい】『IoT不法侵入者警戒システム』をつくろう!~AD変換回路でアナログ入力!~ 電子技術科(都留キャンパス)No.128

2019年12月10日

こんにちは。あんどくんです。
電子技術科をPRしているよ!
みんな、令和元年もリアルに応援よろしくね (*´ω`)/
今日、令和元年12月6日(金)は、1,2限の時間に、2年生の『通信工学実習』におじゃましたんだ。この授業では、『IoT不法侵入者警戒システム』をつくるために、これに必要な技術を基礎から学んでいるんだよ。

 

前回は『センサ』について学んだんだ。『センサ』が何らかの変化を検知すると『センサ』にも変化が起きるんだよ。
その変化を『ラズパイ』に入力するには、『センサ』の変化を、『センサ回路』で、電気信号に変換しなきゃならないんだよ。

 

電気信号には、つぎの三つの種類:

  • デジタル電圧信号
  • アナログ電圧信号
  • シリアル電圧信号 (ある規則にしたがって変化するデジタル信号)

があるんだよ。
センサ回路』からの電気信号が 『デジタル電圧信号』の場合には、電気信号を『ラズパイ』のGPIOポートに入力できるんだ。

 

センサ回路』からの電気信号が『アナログ電圧信号』の場合には 、いったん『アナログ電圧信号』を 『デジタル電圧信号』にAD変換 (アナログ-デジタル変換)しなきゃならないんだ。残念ながら『ラズパイ』には、この『AD変換』の機能が搭載されてないんだよ。

 

そこで『AD変換』の機能を、基本的な 『アナログ回路』でつくることになったんだよ!
まずは 『アナログ電圧信号』を出力す『擬似センサ回路』として、 可変抵抗を使った『可変電圧発生回路』を考えることにしたんだ。

 

この回路から出力される『アナログ電圧信号』 (0V~3.3V) を『デジタル電圧信号』に変換するには、つぎの三つの手続きが必要なんだよ。

  • ①標本化 (サンプリング)
  • ②量子化
  • ③符号化

 

疑似センサ回路』で、可変抵抗のつまみを回したときに、下の写真のグラフみたいに0V~3.3Vの 『アナログ電圧信号』が得られたとするよ。ここで、グラフの横軸は時間軸で、縦軸は電圧軸だよ。
さっそく、この 『アナログ電圧信号』に対して、 『標本化 (サンプリング)』『量子化』『符号化』をやってみるよ。

 

①標本化 (サンプリング): 時間軸 (横軸) を、一定時間ごとに区切って、電圧軸の値を『AD変換回路』に読み込むんだよ。

 

②量子化:下の写真のグラフで、電圧軸 (縦軸) を、一定の値ごとに区切るんだ。下の写真では、3.3Vを4等分する、0.825V, 1.650V, 2.475Vに線を引いて、四つの区間に区切ったんだよ。この区間を、電圧が低い側から、0、1、2、3とラベル付しておくんだ。そしたら、サンプリングした電圧値を、その値が属する区間のラベルで表してあげるんだよ。

 

③符号化 : 写真では、4等分した各区間のラベルを、2進数で表して00、01、10、11としたよ。
これにより、サンプリングした電圧値が、2桁の2進数、言い換えると2ビットのデジタル信号に変換されたことになるんだ。

 

ここから『AD変換回路』の設計だよ。
①の『標本化 (サンプリング)』は後回しにして、さきに②の『量子化』の回路をつくることにしたんだ。

 

量子化』の回路は、こんな風に同じ抵抗を四つ使って、0V, 0.825V, 1.650V, 2.475V基準電圧を発生する『基準電圧発生回路』 を使って構成できるんだよ。ちなみに、この回路の抵抗値は、回路に流れる電流の値を設定しないと、決まらないんだよ。

 

ここで、 四つのオペアンプを使って『擬似センサ回路』からの電圧信号Vsを、それぞれ四つの基準電圧と比較することで、その大小関係から、電圧信号が属する区間を特定することができるんだよ。

 

下の写真の回路図で、オペアンプの出力電圧は『擬似センサ回路』からの電圧信号Vs基準電圧より大きいときに、3.3V、小さいときに0Vになるんだ。3.3Vが HIGH (論理1)、0Vが LOW (論理0)なので、 オペアンプの出力は デジタル信号だね。

 

オペアンプの出力を、回路の上側から QU3QU2QU1QU0 とおくと、『擬似センサ回路』からの電圧信号Vsに対して、4ビットの『デジタル電圧信号(QU3, QU2, QU1, QU0) が、

  • 2.475V < Vs <= 3.300V のとき (1, 1, 1, 1)
  • 1.650V < Vs <= 2.475V のとき (0, 1, 1, 1)
  • 0.825V < Vs <= 1.650V のとき (0, 0, 1, 1)
  • 0.000V < Vs <= 0.825V のとき (0, 0, 0, 1)

となるんだ。

 

符号化』と『標本化 (サンプリング)』がまだなんだけど、もし、この4ビットの『デジタル電圧信号(QU3, QU2, QU1, QU0) を、『ラズパイ』の四つのGPIOポートにそれぞれ入力して・・・

 

下の写真のPADみたいにすれば、Python言語のプログラムで『擬似センサ回路』からの電圧信号Vsの大きさを特定できるね! このとき、一定の時間間隔でデジタル電圧信号(QU3, QU2, QU1, QU0) を取り込めば、プログラムで『標本化 (サンプリング)』をやったことになるね!
さっそく、『量子化』の回路と『標本化 (サンプリング)』のプログラムをつくることになったよ。

 

これが、ブレッドボード上につくった 『量子化』の回路 を『ラズパイ』に接続したところだよ。

 

回路ができたら、つぎは、Python言語でプログラムの作成だね。

 

プログラムは、こんな感じになったよ。
擬似センサ回路』の可変抵抗のつまみを回すと、電圧信号Vs が属する区間が、一定の時間間隔で モニタに表示されたよ。

 

今日は、ここまで。
電車』で帰るよ ≡3

 

みんな、今日も1日おつかれさま☆彡
次回はAD変換の『符号化』だよ!
今日も『産短大の毎日』をみてくれてありがとう!
また、明日からがんばろっ٩( ‘ω’ )و

それじゃ ≡3 ≡3 ≡3

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