会社のニュース データ取得のためのアナログIOをマスターするためのガイド

コンピューターが温度や圧力、その他の現実世界の類似信号をどのように認識しているか疑問に思ったことはありませんか？または、モーター、バルブ、その他のアクチュエーターをどのように制御しているのでしょうか？その答えは、アナログ入出力（I/O）技術にあります。この記事では、アナログI/Oのコアコンセプト、技術的原理、およびアプリケーションをわかりやすく説明し、初心者と経験豊富なエンジニアの両方にとって貴重な洞察を提供します。

自然界では、温度、圧力、流量などの物理量は、連続的に変化するアナログ信号として存在します。しかし、コンピューターは離散的なデジタル信号しか処理しません。アナログI/Oインターフェースは、アナログ信号をデジタル信号に変換する（A/D変換）と、その逆（D/A変換）を行う翻訳者として機能します。

• アナログ入力デバイス（A/Dコンバーター）： 外部アナログ信号をコンピューター処理用のデジタルデータに変換します。
• アナログ出力デバイス（D/Aコンバーター）： コンピューターからのデジタル出力を外部デバイスを制御するため、アナログ信号に変換します。
• 複合アナログI/Oデバイス： A/D変換とD/A変換の両方の機能を統合しています。

A/D変換には、連続的なアナログ信号を2つの主要なプロセスを通じて離散的なデジタル値に変換することが含まれます。

• 量子化： アナログ信号を有限のレベルに分割します。レベルが多いほど、精度が高くなります。
• サンプリング： アナログ信号を一定の間隔でキャプチャします。サンプリングレートが高いほど、信号の忠実度が高くなります。

このプロセスはA/D変換を逆に行い、デジタル値をアナログ電圧または電流に再構築して外部デバイスを駆動します。

ノイズ耐性と安全性を高めるために、アナログI/Oデバイスは絶縁を使用します。

• バス絶縁： 光結合器を使用して、コンピューター回路を外部I/Oから分離し、電気的干渉を防ぎます。
• チャネル間絶縁： 個々のI/Oチャネル間に絶縁を追加し、異なるグラウンド電位を持つデバイスに不可欠です。

適切なアナログI/Oデバイスを選択するには、これらのパラメータを評価する必要があります。

• シングルエンド入力： 1本の信号線を使用して、グラウンドを基準とした電圧を測定します。シンプルですが、ノイズの影響を受けやすいです。
• 差動入力： 2本の信号線間の電圧を測定し、コモンモードノイズを除去します。より複雑ですが、より高い精度が得られます。

デジタル表現の粒度を定義します。例：

• 16ビット分解能は、信号を65,536レベルに分割します。
• 12ビット分解能は、4,096レベルを提供します。

センサー/アクチュエーターの仕様に一致する必要があります。

• ユニポーラ： 正の信号のみを処理します（例：0–10V）。
• バイポーラ： 正/負の信号に対応します（例：±10V）。

信号精度に不可欠です。

• ナイキストの定理は、信号周波数の≥2×でサンプリングすることを義務付けています。
• 実際には、エイリアシングを防ぐために、10×オーバーサンプリングがよく使用されます。

• クロックソース： 内部（正確）、外部（同期）、またはソフトウェアベース（精度が低い）。
• トリガーモード： ソフトウェアコマンド、外部信号、またはしきい値ベースのアクティベーション。

データ処理効率を向上させます。

• FIFO： 先入れ先出しシーケンス。
• リングバッファ： イベントトリガーされたデータキャプチャ用の円形ストレージ。

CPUのオーバーヘッドなしで、高速データ転送のための直接メモリアクセス（DMA）を可能にします。

アナログI/O技術は、現代の自動化のバックボーンを形成し、物理現象とデジタル制御を結びつけます。これらの原理を習得することで、産業オートメーション、科学計測などにおける能力が開花します。

• LSB： 最下位ビット
• MSB： 最上位ビット
• FSR： フルスケールレンジ