センサインタフェース

センサは「物理量を電気に、電気を数値に」変換する連鎖

センサインタフェースとは、温度・圧力・光・加速度といった物理量を、マイコンが読める数値へ落とし込むまでの経路全体を指します。この経路は必ず二段構えです。第一段でセンサ素子が物理量を電気信号（電圧・電流・抵抗変化）に変え、第二段でその電気信号を離散的な数値へ量子化します。設計の勘所は、この「アナログ→デジタル」の境界を経路上のどこに置くか、そして境界の手前で信号をどれだけ整えるかにあります。

センサは大きく2種類に分かれます。アナログセンサは連続的な電圧や抵抗をそのまま出力し、デジタル化はマイコン側（またはその周辺）の役目です。デジタルセンサはセンサIC内部にADCと処理回路を内蔵し、I2C や SPI といったバス越しに整数値を返します。前者は回路設計の自由度が高い代わりにノイズとの戦いが設計者に委ねられ、後者は接続が容易な代わりに内部仕様に縛られます。

アナログ接続：信号調整がすべてを決める

アナログセンサの出力は、そのままADCに入れられることはほとんどありません。センサの出力範囲とADCの入力範囲が食い違い、微小信号は雑音に埋もれ、高周波成分は後述の折り返しを引き起こすからです。これを整えるのが**信号調整（シグナルコンディショニング）**で、典型的には次を組み合わせます。

とりわけ重要なのが計装アンプによる差動増幅です。ブリッジ型のひずみゲージや熱電対のように、信号が微小でコモンモード雑音（両線に等しく乗る雑音）を伴う場合、2線間の差だけを高利得で取り出しコモンモードを打ち消すことで、実用的なSNRを確保します。

ADCによる取り込み：分解能とサンプリング

ADC（アナログ・デジタル変換器）は連続量を2つの軸で離散化します。振幅方向の量子化と時間方向のサンプリングです。

振幅方向の細かさは分解能で決まります。N ビットADCはフルスケール電圧を2のN乗段に刻むので、識別できる最小の電圧差（1LSB）は次のとおりです。

1LSB = V_ref / 2^N

例) V_ref = 3.3V, N = 12bit のとき
    1LSB = 3.3 / 4096 ≒ 0.806 mV

理想的な量子化雑音の実効値 = 1LSB / sqrt(12)
理想SNR(dB) ≒ 6.02 * N + 1.76

12ビットで約74dB、16ビットで約98dBが理論上限です。ただしこれは量子化だけの理想値で、実際は基準電圧の雑音・非直線性（INL/DNL）・熱雑音でこれを下回ります。実力値は**有効ビット数（ENOB）**として別途規定され、カタログのビット数より小さいのが常です。

時間方向では、標本化定理（ナイキスト）が絶対の制約になります。信号に含まれる最高周波数を fmax とすると、サンプリング周波数 fs は 2·fmax を超えていなければ元の信号を復元できません。fs が不足すると、帯域外の高周波成分が低周波として折り返して現れる**エイリアシング（折り返し雑音）**が起き、しかもデジタル化後には除去不能です。この原理は /dsp-control/ のサンプリングと量子化の解説にも通じます。

ADCの方式選択も設計を左右します。高速・中分解能ならSAR型、超高分解能で低速な計測ならデルタシグマ型（オーバーサンプリングとノイズシェーピングで実効分解能を稼ぐ）、極めて高速ならフラッシュ型という住み分けが基本です。

デジタル接続：バス越しに数値を読む

デジタルセンサは内部でここまでの処理を済ませ、整数レジスタとして値を保持します。マイコンは I2C か SPI でそのレジスタを読むだけです。両者の性格は対照的です。

デジタル接続では、ノイズ対策の主戦場がアナログ経路からバスの信頼性へ移ります。I2C のプルアップ抵抗値（バス容量と速度で決まる）、配線長とリンギング、そしてレジスタ値の妥当性チェック（レンジ外の値やCRCの検証）が要点です。センサ内部のサンプリング設定（出力データレート、内蔵ローパスの帯域）もレジスタで構成するため、「デジタルだから調整不要」ではなく、調整の場所がIC内部へ移っただけと捉えるのが正確です。

キャリブレーション：生の値を物理量へ直す

ADC出力やセンサレジスタの生値は、そのままでは正しい物理量になりません。素子ばらつき・基準電圧誤差・温度依存により、必ずオフセット誤差（ゼロ点のずれ）とゲイン誤差（傾きのずれ）を含むからです。これを補正するのがキャリブレーションで、最も基本的なのが2点校正です。

生値 x を物理量 y へ写す線形補正：  y = a * x + b

既知の2点 (x1, y1), (x2, y2) を測定して係数を決める
    a(ゲイン)   = (y2 - y1) / (x2 - x1)
    b(オフセット) = y1 - a * x1

非線形なセンサ（熱電対・サーミスタ等）は
多項式近似 or ルックアップテーブル＋区間線形補間を用いる

ノイズ対策：アナログとデジタルの両輪

最後に、実測値の「ふらつき」を抑える対策を整理します。ノイズには帯域外から折り返す成分、電源やグラウンド経由で混入する成分、そして量子化・熱雑音のようなランダム成分があり、対策の層が異なります。

• アナログ層：アンチエイリアスフィルタで帯域を制限し、差動増幅でコモンモード雑音を除去。アナロググラウンドとデジタルグラウンドを一点で接続し、基準電圧源をローノイズに保つ。センサ配線は短く、必要ならシールドする。
• サンプリング層：オーバーサンプリングして平均を取ると、ランダム雑音は標本数の平方根に反比例して減る（4倍のサンプルで雑音半分＝実効1ビット向上）。取り込みタイミングを電源周期に同期させ、電源由来のハムを打ち消す手もあります。
• デジタル層：移動平均・メディアンフィルタ・指数移動平均（IIR）で残ったランダム成分と外れ値を平滑化。ただし平滑化は応答遅延と表裏一体なので、必要な応答速度とのトレードオフで次数を決めます。

センサインタフェースは、素子選定に始まり信号調整・ADC・校正・雑音対策まで、アナログとデジタルの境界をまたいで一本の信号経路として設計する営みです。「どこでデジタル化し、境界の手前で信号をどう整え、生値をどう物理量へ直すか」を原理から押さえれば、値がずれる・ふらつくといった不具合の切り分けが確実になります。センサから先の演算やフィルタ設計は /dsp-control/、電源とグラウンドの扱いは /power/ が土台になります。