小さな信号を取り出す：増幅とデジタルへの変換

センサーが出す小さな電気の信号を、増幅し、雑音を取り除き、デジタルの値に変えるまでの流れを説明する。増幅器とフィルター、時間で区切る標本化、段階に分ける量子化、分解能と速さのつり合い、センサーの近くで処理する理由を扱う。

センサーの信号は、小さい

センサーは、温度や光、圧力などを、電気の信号に変える。しかし、その信号は、多くの場合、非常に小さい。そのままでは、デジタルの回路で扱えないし、まわりの雑音に埋もれてしまう。

このページでは、センサーの小さな信号を、扱いやすい形にするまでの流れを、順に見ていく。アナログ半導体と、デジタルへの橋渡しの話でもある。

増幅する

最初の段階は、増幅である。小さな信号を、扱いやすい大きさまで大きくする。増幅する回路を、増幅器と呼ぶ。

ここで大事なのは、信号だけを大きくして、雑音は大きくしないことである。増幅器自身も、雑音を出す。センサーの信号が小さいほど、この雑音の影響は大きい。そのため、センサーの信号を扱う増幅器は、雑音の少なさが特に重視される。

不要な成分を取り除く

増幅した信号には、必要な成分のほかに、不要な成分が混ざっている。電源の揺らぎや、まわりの機器から入る雑音などである。

そこで、必要な範囲の成分だけを通す回路（フィルター）を通す。たとえば、ゆっくり変わる温度の信号には、速い変化の成分は不要なので、それを取り除く。こうして、信号をきれいにする。

デジタルの値に変える

きれいにした信号を、デジタルの回路が扱える値に変える。この働きをする回路が、AD変換回路である。変換は、二つの操作でできている。

一つは、時間で区切ることである。連続して変わる信号を、一定の間隔で測り、その時刻の値だけを取り出す。これを、標本化と呼ぶ。もう一つは、値を段階に分けることである。測った値を、あらかじめ決めた段階の、いちばん近いところに当てはめる。これを、量子化と呼ぶ。

分解能と速さのつり合い

段階を細かくするほど、信号を細かく表せる。この細かさを、分解能と呼ぶ。分解能が高いほど、小さな違いを区別できる。

ただし、細かい段階に分けるには、時間か、回路の大きさか、電力がかかる。また、測る間隔を短くして、速く変換しようとすると、細かい分解能を保つのが難しくなる。用途に応じて、必要な細かさと速さを決める。

センサーの近くで処理する

小さな信号は、長い配線を通ると、雑音を拾ってしまう。そのため、増幅とAD変換は、センサーのなるべく近くで行う。センサーと処理の回路を、同じチップや、同じパッケージの中に入れる製品も多い。デジタルの値にしてから運べば、雑音に強くなる。

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