3軸加速度センサーADXL335の使い方を、設計編と確認編の2回に分けて紹介しています。
今回は確認編です。
設計編の回路を実際にブレットボードに配線して、設計通りに動作するのかを確認しました。
ここでは、この確認内容を紹介します。また気になった点もあったので一緒に紹介します。
ADXL335はアナログ出力センサーなので、測定値の確認のためにADコンバータLTC2450とオペアンプAD822ARを一緒に使用しています。
また、ADコンバータの制御はRaspberr PiとPythonプログラムで行っています。
「設計編」は、こちらです。
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回路図と使用部品
回路図
備考
・Vcc（電源）は、ラズベリーパイの3.3Vを使用
・ADXL335のX軸のみ測定対象。Y軸とZ軸は未接続
・C1、C2、C3コンデンサは、ADXL335モジュールに実装済
・C6、C7コンデンサは、LTC2450モジュールに実装済
・AD822のバイパスコンデンサC4は、個別に実装
使用部品
| 名称 | 型名 | 個数 | 備考 |
| 3軸加速度センサー | ADXL335モジュール | 1 | アナログ・デバイセズ |
| オペアンプ | AD822ARZ | 1 | アナログ・デバイセズ |
| ADC | LTC2450モジュール | 1 | アナログ・デバイセズ |
| セラミックコンデンサ | RPEF11H104Z2P1A01B | 1 | 村田製作所 |
C1、C2、C3の容量は0.1μFで、-3dB帯域制限（約70%になる周波数）は、約50Hzです。
50Hzの帯域制限を確認する術がないので、『こういうものだ』として次に進みます。
接続写真
ブレットボードを使用して、Raspbery Piと回路を配線した写真です。
ブレットボード上のジャンパーワイヤは、単線タイプを使用しています。
各ポイントの電圧
各ポイントの電圧値と電圧波形示します。
①Vcc（3.3V電源）
センサーとオペアンプの電源をRaspberry Piの3.3Vから供給しています。
デジタル系のノイズが見られます。
| 電源電圧 |
| 3.293V |
ACカップリング Y：1V/div X：50μs/div
②GND
オシロスコープと回路のGNDと接続しています。
ノイズを見るときの目安（基準）にします。
| GND |
| ０.000V |
ACカップリング Y：1V/div X：50μs/div
③ADXL335のアナログ出力
ADXL335内部発振回路の約50kHzのノイズを確認できます。
| 角度 | 電圧 |
| 0° | +1.652V |
| +90° | +1.978V |
| -90° | +1.327V |
ACカップリング Y：1V/div X：50μs/div
④LTC2450の入力電圧
バッファなのでADXL335のアナログ出力とほぼ変わりません。
（他の性能は省略）
| 角度 | 電圧 |
| 0° | +1.657V |
| +90° | +1.986V |
| -90° | +1.332V |
ACカップリング Y：1V/div X：50μs/div
アナログデジタル変換結果
以下のような結果を得ることが出来ました。
（0gと±1g（重力加速度）で確認）
１．感度
| 角度 | ADカウント値 | 理論値 |
| 0° | 32998 | 32767 |
| +90° | 39613 | 39321 |
| -90° | 26497 | 26213 |
机上の計算通りの結果を得られました。
２．ばらつき
ADカウント値のばらつきは22LSBです。
（0°の状態で放置して300回のサンプルの結果）
| 角度 | ADカウント値 | 加速度 |
| 0° | 32992～33014 | ±1.7mg |
3.3V（測定範囲） / 65536（AD分解能） = 50.354μV
50.354μV × 22 = 1.11mV
実測値から325mV/gなので
1.11mV / 325mV/g ≒ 3.4mg ＝ ±1.7mg
今回の確認した環境では、±1.7mgのばらつきがありました。
気になった点
動作確認で気になった点です。
- 直線性の確認が出来ていない
- データのばらつきが妥当か？
- エイリアシング対策が不十分
１．直線性の確認が出来ていない
測定範囲±3gのところ±1gまでしか確認できていません。
経験上、センサーもオペアンプもフルスケール付近で感度が下がる（直線性の悪化）デバイスがあり、その確認が出来ていないことが気になります。
２．データのばらつきは妥当か？
22LSB程度のばらつきがありました。加速度では、±1.7mg程度です。
ADC単体でのばらつきは1LSBであることを確認しているので、22LSBのばらつきはADC以外が原因です。ADXL335のアナログ出力ピンにコンデンサを接続して帯域制限をしましたが、もう少し配線に気を遣わなければいけないのかも。。。と気になりました。
３．エイリアシング対策が不十分
LTC2450のサンプリングは 1秒間に30回です。
エイリアシングを抑えるためには、入力はサンプリングの1/2の15Hz以下です。
モジュールに実装されているコンデンサの容量だと、-3dB帯域制限は50Hzとなり十分にエイリアシングを抑えられていません。ここがちょっと気になりました。
エイリアシングの詳しい説明はこちら
「折り返し雑音」（2021年3月13日 (土) 15:10 UTCの版）『ウィキペディア日本語版』
まとめ
加速度センサー、オペアンプ、アナログデジタルコンバータを実際に組み合わせて動作確認しました。
前回の机上の計算から今回の実際の動作確認までの内容は如何でしたでしょうか。
各ポイントの電圧とアナログデジタル変換の結果をみると、簡単な加速度測定であれば十分な能力を発揮すると思います。
構成する部品が少ないので、アナログ出力センサーからオペアンプ、ADCと基本的な部品を使用してRaspberryPiにデータを取り込んで確認するといった一連の流れも分かり易いと思います。
前回の『設計編』は、こちらです。
プログラミングやソフトウェアの記事です。
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