LabVIEW入門 Arduinoで作るUSB I/O回路

溶液インピーダンスを測るポテンショスタット回路

パソコン制御のインピーダンス計測回路

自動計測とLabVIEWの活用

自動計測は，測定手順をプログラムで自動化し，再現性や効率を向上させる技術です．

LabVIEWは，ユーザ・インターフェース（UI）を構築するフロントパネルと，測定プロセスを制御するブロック・ダイヤグラムを利用して，直感的に自動計測システムを構築できます．これにより，ヒューマン・エラーの排除やIoT対応システムの構築が可能になります．一方で，電子回路やソフトウェアの専門知識が必要である点や，システム構築にコストがかかる点が課題です．

LabVIEWでは，特定の機能を提供する「VI（Virtual Instrument）」を組み合わせることで，複雑なプロセスもシンプルにプログラム可能です．Arduino Nanoを利用して，センサ・データを取得したり，電圧信号を制御する回路を操作することが可能です．この手法を活用すれば，ポテンショスタットのような高度な計測装置も簡単に構築できます．

ポテンショスタット回路と応用

ポテンショスタットは，電解溶液に電圧を印加し，流れる電流を測定することで溶液特性を分析する装置または回路です．この回路は，基準電極（RE），作動電極（WE），対極電極（CE）を用いて構成されます．

特に，サイクリック・ボルタンメトリ（CV）では，印加電圧を三角波状に変化させ，電流と電圧の関係を解析します．これにより，溶液中の反応特性を可視化することが可能です．

LabVIEWを活用することで，このプロセスも自動化できます．$V_{in}$をスキャンするプログラムを作成し，$I_{out}$を計測するしくみを組み込むことで，リアルタイムにデータを取得し，XYグラフで視覚化することが可能です．これにより，研究や開発の効率が大幅に向上します．

なお，ポテンショスタットは装置全体を指し、さまざまな測定手法に対応する汎用的な電気化学機器です．サイクリック・ボルタンメトリは，ポテンショスタットを用いた測定手法の一つで，酸化還元反応の動態を解析することに特化しています．両者は補完的な関係にあり、ポテンショスタットがなければサイクリック・ボルタンメトリ測定はできません．

ArduinoによるUSB I/O回路の構築

LabVIEWは，Arduinoと組み合わせることで，低コストで柔軟性の高いUSB I/O回路を実現します．次のような回路構成が可能です．

1. 負電圧電源回路：ICL7660を使用して+5Vから-5Vを生成
2. アナログ入力・出力回路：アナログ信号を取得し，制御信号を出力
3. 温度センサやI-V変換アンプ：センサ・データの収集や，流れる電流を電圧信号に変換するための基礎回路

これらをLabVIEWのプログラムと連携させることで，溶液インピーダンス測定や環境センサ・データ収集のような多様な応用が可能になります．

ポテンショスタット回路の基本動作

ポテンショスタットは，電気化学測定法の中核を担う回路であり，反応性溶液の特性評価に用いられます．基本的な動作は，作動電極（WE）と基準電極（RE）の間に精密な電圧を印加し，その結果，対極電極（CE）を通じて流れる電流を計測することです．このプロセスにより，溶液のインピーダンスや化学反応速度などを測定できます．

重要なポイントとして，$V_{in}$が印加されると，回路内のI-V変換アンプが流れる電流$I_{out}$を電圧$V_{out}$に変換します．この変換において，ゲイン$R_f$を調整することで，測定感度を変更することが可能です．

ポテンショスタットは，次のような場面で活用されています．

1. 材料開発：電極材料の特性評価
2. 化学分析：未知溶液中の成分解析
3. エネルギ分野：燃料電池やバッテリ特性評価

LabVIEWとの組み合わせにより，印加電圧のスキャンや測定データのリアルタイム解析が可能となり，高精度な自動計測システムが構築できます．このしくみは，学術研究から産業応用まで幅広い分野で利用されています．〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 計測器メーカの回路設計エンジニア　30年
• 現在　電子回路技術研究家，電子工作プロトタイピスト

著書

1. ［VOD/KIT］LabVIEW×Arduino！初めてのパソコン計測＆制御，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/KIT］LabVIEW×Arduino！初めてのパソコン計測＆制御】，ZEPエンジニアリング．
3. 測定器完備！バーチャル実験ベンチでI/O，トランジスタ技術，2018年2月号特集，CQ出版社．
4. クルマ先進！2眼カメラ＆ミリ波レーダの製作，トランジスタ技術，2019年3月号特集，CQ出版社．
5. 実験・研究で役立つハンディ計測アナライザ，トランジスタ技術，2020年11月号特集，CQ出版社．

参考文献

1. ［VOD/Pi KIT］ラズベリー・パイで学ぶLinux＆Pythonプログラミング超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/KIT］ラズパイ×Node-REDで作ろう！IoTアプリ開発入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/Pi KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］高精度アナログ計測回路＆基板設計ノウハウ，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/Pi KIT］SLAMロボット＆ラズパイ付き！ROSプログラミング超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. 関連記事：［技術解説］自宅で設計・開発！USBミクスト・シグナル・アナライザ，ZEPエンジニアリング株式会社．