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2019.12.16

電子回路の素人が、USB制御できる0-10V電圧源を「格安で」作る　その1　構成を考える

テーマ：私のPC生活(7578)

カテゴリ：家電

産業機器には、0-10Vの電圧で制御するものが多いんですが、
機械の老朽化やwindowsの更新で、今まで使っていたPC制御の電源などが使えなくなってきています。
PCIバス(experssじゃないよ)のGPIB制御ボードとかね。

USB-GPIBの変換を買えば良いのですが、4万円以上とお高い。

ラトックシステム REX-USB220　USB to GPIB Converter 目安在庫=△
それに令和の時代になってまでGPIBってのもねぇ・・・
USB制御できる直流電源ならあと20年ぐらいは使えそうですが、10万円近くします。

産業機器の制御なので、そこそこ分解能は欲しい、しかし電圧がかかればいいので、応答速度はそれほど求めない。

最初に考えたのは、PWMを平滑化して直流電圧にする方法です。
試しに手持ちのKm2NetのUSB-FSIO30で試してみたところ、完全にキレイな平滑化ができず、低デューティー比の領域で変動が出てしまう。
LEDの調光ぐらいなら良いけど、これだと産業機器の制御にはちょっと厳しいかな。

そんな時、DACチップを使えばキレイなDC電圧が出せることを知りました。
ポピュラーなのはMCP4922というICらしく、12bitの分解能があり、2系統出力あります。秋月電子で250円でした。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02090/
楽天にもありましたね。

Microchip 12ビットDAコンバーター SPIインターフェース【MCP4922-E/P】

このIC、SPI通信という方式で制御するらしい。
シリアル通信の一種で、クロック信号に合わせてデータ線のビットを上げ下げして設定値を書き込むらしい。
シリアル通信というと何千bpsとか同期タイミングがどうだとかストップビットやらパリティやら、どうしてもRS-232Cっぽいものを想像してしまい、そんな制御回路を組むなんて、別に電子回路の専門家ではない私にとっては難しすぎる、と思ったのですが、

SPIの罠
http://mhage.zombie.jp/PicTrap/SPI.html

要するに、クロックのピンの状態(0 or 1)が変わったタイミングで、データ線(SDIピン)のon/off状態が読み込まれる、ってことらしい。
クロックは調律された信号である必要はなく、MCP4922の場合、クロックの周波数の上限はあるけど、下限はない。
極端な話、手でスイッチをon/offして設定値を書き込むことだってできる。
要するに、適当なデジタルI/Oの出力ピンにMCP4922をつなぎ、ピンの状態を順番に変えていけばそれで動作させることができるのです。

デジタルI/Oは、昔ならパラレルポートが使えたかもしれませんが、今時は、やはりUSB制御でしょう。
安価で使いやすいものがいくつも市販されています。
今回使ったのは、Km2NetのUSB-IO2.0(AKI)ってやつです。これも秋月電子に売っています。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-05131/
1,000円なり。USB的にはHIDとして認識されるので、特別なドライバは不要です。
コレの出力ピンにMCP4922を繋いで叩いてやれば、晴れてUSB制御電源の完成です。

SPI通信インターフェースを備えた機械(FT232HLなど)を使っても良いんですが、
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-06503/
ちょっと高性能すぎるというか、そこまで多機能じゃなくても大丈夫です。

さて、欲しいのは0-10Vの出力です。
MCP4922の動作電圧は5V、USBの電源電圧も5Vなので、0-5Vは出せますが、これを10Vにするには昇圧しないといけません。
（ちなみにMCP4922にはゲインx2の設定があり、これを使えば10V出るような気が一瞬しましたが、そうは問屋が降ろしません。
あくまでも出るのは0-5Vの範囲内で、これは例えばVrefが2Vのときに4Vを出力するような設定です。）

そこで、オペアンプを使って昇圧します。
オペアンプなんて、大学の教養課程で理屈をちょっと勉強させられたぐらいで、実際に動作する回路を作るのは初めて。
今回使ったのは、LM358Nというポピュラーなやつ。
これまた秋月電子に売っています。一個20円（！）なり。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-11167/
楽天にもあります。

Op-Amp (Thru-Hole) - LM358

ただしオペアンプに0-10Vを出力させるためには、電源電圧としてそれ以上（12〜15V）が必要なので、別途ACアダプター等で電源を用意しないといけません。
私は手元にあった18Vの直流電源を使いましたが、5Vを15Vに昇圧するDC/DCコンバータ（例えばMCW03-05S15）を使えば、完全USBだけで0-10V制御ができるようになるでしょう。たぶん。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-04263/
またもや秋月です。1個650円なり

ま、何でもいいんでしょうけど

コーセル DC-DCコンバーター出力15V-0.1A 【SUS1R50515C】

上記の部品代の合計は1820円です。DC/DCコンバータを買わなければ1270円です。
プリント基板や抵抗なんかを入れたとしても、2000円ぐらいで収まってしまします。
そうそう、MCP4922は2系統出力があり、LM358Nも2個オペアンプが入っているので、配線するだけで2出力とれます。
つまり1ch当たりだと1000円ってことですね。

USB制御の定電圧電源を買うよりも遥かに安い値段で構築することができそうです。

明日にづつく。

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