ACカップリング回路を自作して、実際に波形をオシロで測定してみました。
測定結果とシミュレーションを比較して、理論通りの結果であることを確認しています。
ACカップリングの原理を分かりやすく紹介します。
ACカップリング回路の波形をオシロスコープで確認してみた
ACカップリングの回路を作り、オシロスコープで波形測定してみました。
ACカップリング回路はコンデンサで簡単に作れます。
カップリング後は結果が分かりやすいように基準電圧をシフトしています。
交流成分のみが伝わることをシミュレーション含めて確認しています。
ACカップリングされてコンデンサ後に交流成分のみが伝達されています。
25MHzの方形波の交流成分のみが伝わっています。
青色のACカップリング後の波形は基準(オフセット)電圧が4.5Vレベルになっています。
ACカップリング回路の原理含めて紹介していきます。
動画でもACカップリング回路をオシロスコープで測定する様子も紹介しています。
ぜひ一緒にご覧ください。
ACカップリング回路の原理
ACカップリング回路の原理は簡単です。
コンデンサにより直流成分のみ除去して、交流成分のみが伝達されます。
ACカップリングを周波数特性のグラフでみると下記形になります。
低周波数帯はカットして、高周波帯のみを通すことで交流成分のみ伝えることになります。
ACカップリングはハイパスフィルターと同じ
ACカップリングはハイパスフィルター(CR回路)と同じ回路構成となっています。
コンデンサが直列にある形です。
抵抗に関しては並列に接続され、GNDもしくは電源と繋がっている形が基本です。
ハイパスフィルター、またローパスフィルター含めて下記記事で紹介しています。
よろしければ一緒にご覧ください。(リンク先はこちら)
ACカップリングをLTSPICEでシミュレーション
最初にイメージしやすいようにACカップリングのシミュレーションをしてみます。
シミュレーションのソフトはLTSPICEを利用しています。
最初に紹介した周波数特性のグラフも下記シミュレーションの結果です。
オフセットを0Vにしてみる
ACカップリング前は「0～3.3V」の25MHz周波数の波形とします。
ACカップリング後の基準電圧(オフセット)を0Vとするシミュレーションが下記です。
シミュレーション結果が下記となります。
ACカップリング後は基準電圧(オフセット)が0Vとなりました。
- ACカップリング前…「0V～3.3V」の25MHzの波形
- ACカップリング後…「-1.65V～1.65V」の25MHzの波形
オフセットを4.5Vにしてみる
ACカップリングのメリットとして基準電圧(オフセット)を自由に変更可能な点があります。
今度は抵抗と電源を繋げるプルアップにする形をシミュレーションします。
基準電圧(オフセット)を4.5Vにしてみます。
シミュレーション結果が下記となります。
- ACカップリング前…「0V～3.3V」の25MHzの波形
- ACカップリング後…「2.85V～6.15V」の25MHzの波形
ACカップリング回路をオシロスコープで測定する準備
シミュレーションでACカップリングの効果が確認できました。
次は実際に(0.1uF+1kΩで)ACカップリング回路を作り、オシロスコープで測定してみます。
シミュレーションで実施した通りにオフセット電圧を4.5Vとします。
FPGAで25MHzを出力する
ACカップリングに出力する25MHz周波数のクロックを作ります。
高速信号でよくACカップリングされるのがMHz,GHz帯域のため、今回25MHzを使っています。
XilinxのFPGAのPLLから25MHz出力させています。
FPGAでPLLを使い、任意の周波数を出力したい場合は下記記事を参考ください。
FPGAのPLLの使い方！ロック信号と一緒にクロック出力してみた
FPGAでなくても、数百Hz,kHzレベルの簡易的なクロックならばラズパイでも作れます。
下記記事では100Hzをラズベリーパイで作り、ローパスフィルターを確認しています。
よろしければ一緒にご覧ください。(リンク先はこちら)
カットオフ周波数を考慮してコンデンサを選ぶ
今回の回路構成としてはシミュレーション通りにコンデンサ0.1uF(と抵抗1kΩ)を使用します。
抵抗やコンデンサは市販の電子工作の部品セットのものです。
今回のテスト回路の0.1uFと1kΩのカットオフ周波数は1.59kHzです。
(カットオフ周波数は「f=1/2πRC」の計算式で出ます)
今回の25MHzの交流成分の信号は特にカットされず、そのまま通過します。
仮に高速信号で使われる終端抵抗の50Ωとした場合でも0.1uFで基本問題有りません。
0.1uFのコンデンサならばカットオフ周波数が約32kHz程度です。
25MHzの周波数をACカップリングするコンデンサとしては機能すると思われます。
使う周波数・コンデンサの容量・終端抵抗値によっては信号に影響してきます。
ACカップリングする上でカットオフ周波数は注意する必要があります。
オフセット電圧の4.5Vを乾電池で作る
ACカップリング後のオフセット電圧に関しては乾電池3本で作りました。
乾電池1本が1.5Vのため。3本で4.5Vとなります。
プローブをACカップリング前後に接続する
ACカップリング前後にプローブを接続します。
実際のテスト回路でのオシロスコープ・プローブの接続は下記となります。
「CH1_ACカップリング前」「CH2_ACカップリング後」となっています。
ACカップリング前後の波形を測定してみる
準備も整いましたのでオシロスコープでACカップリング回路を測定していきます。
オシロスコープの使い方などに関しては下記記事で紹介しています。(リンク先はこちら)
基本的な使い方から応用例まで説明しています。よろしければ一緒にご覧ください。
オシロスコープの使い方！初めての人向けに多くの測定事例を紹介
また冒頭でも紹介しましたが、実際の測定の様子を下記動画でも紹介してます。
ACカップリングの波形が実際に測定できている様子がわかります。
ACカップリング回路の測定結果
ACカップリング回路の測定結果を貼り付けていきます。
ACカップリング前の波形が下記となります。
「0V～3.3V」の25MHzの波形が出力されていることが分かります。
ACカップリング後の波形が下記となります。
「2.85V～6.15V」の25MHzの波形が出力されています。
ACカップリング前後の波形を一緒に表示した結果が下記となります。
交流成分のみが伝わり、基準電圧(オフセット)が変わっていることが分かります。
まとめ
今回はACカップリング回路の波形に関して紹介させていただきました。
記事をまとめますと下記になります。
文中でも紹介しましたが、ACカップリングではカットオフ周波数の概念があります。
周波数帯域・コンデンサ容量によっては交流成分の伝達具合が変わりますので注意が必要です。
下記記事で紹介しています。是非一緒にご覧ください。(リンク先はこちら)
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