デジタル計測の基礎 - 第5回「ACDCと計測器」

今回は、AC/DC に関して計測器と関わる話題をお話しします。非常に基礎的な内容ですので、お気軽にお読みください。
AC/DC は、もちろん交流(Alternating Current:AC)と直流(Direct Current:DC)の略ですが、一般に多くは下記の 3 つの意味で使われます。

交流電源と直流電源
交流結合と直流結合
交流出力と直流出力

1番目のAC/DCは、最も一般的な意味で、電源の種類を表します。例えば、AC100V は交流電源(AC)、乾電池などのバッテリは直流電源(DC)です。最近の小型電子機器(計測器も含む)は、AC(正しくは、AC/DC)アダプタと呼ばれる交直変換器を使って電源を供給するケースが多くなっていますので、機器の仕様にあった正しい AC アダプタを使用することが大切です。

2番目の AC/DC は、オシロスコープなどでもおなじみの入力アンプへの接続方法の種類で、交流結合(AC)と直接結合(DC)の意味です。Fig.1 は、入力部の概略ブロック図で、DC結合は、文字通り直接アンプに接続され、AC 結合は、通常は 1 次のハイパスフィルタとなっていて、信号の直流成分(DC)をカットする役目を担っています。

Fig. 1 入力結合

例えば、弊社の FFT アナライザの AC 結合の代表的な特性は、Fig.2 のようになっています。

Fig. 2 FFT アナライザの AC 結合特性

具体的には、カットオフ周波数(fc)が 0.5Hz で約 3dB 減衰する仕様ですので;

;から、入力抵抗(インピーダンス)を1MΩとすると、コンデンサーC は、約 0.3μF となります。
さて、入力結合の使い分けですが、オシロスコープのような時間軸波形を忠実に見たい場合は、DC 結合を使うのが一般的ですが、FFT アナライザのように音や振動の周波数分析が主な用途の場合は、AC 結合が一般的です。
FFT アナライザで DC 結合を使う場合は;

直流成分(DC)も含めて測定したい場合
1Hz 以下の信号(低周波の振動など)を精度良く測定したい場合

;などが、考えられます。
AC 結合での分析で注意する点は、FFT 分析した結果のパワースペクトルに計測器自体のアンプの自己オフセットによる DC 成分を含むということです。入力レンジの-60dB 程度(1Vレンジで 1mV 程度)ですので、普通の場合だと問題にならないのですが、特に微小信号の全体のパワー(オーバオール値)を求める時はご注意下さい。

3 番目の AC/DC は、計測器のアナログ信号出力の形態に関する分類です。交流出力(AC)は、センサなどの時間軸の生信号そのもので、直流出力(DC)は、交流信号の振幅(大きさ)をレベル化した時間信号(トレンド)です。具体的な事例として、Fig.3 に騒音計の機能ブロック図を示します。AC 信号を DC 信号に変換する手法が、前号までにお話しした実効値演算となります。