ADS1232 vs HX711：Arduinoスケールに適したロードセルアンプはどちら？

ADS1232とHX711は、どちらもひずみゲージ、ホイートストンブリッジ、ロードセルで広く使用される24ビットのデルタシグマコンバータです。製品ページを見ると、両者の仕様は驚くほど似ているように見えます。しかし、実際の計量システムでは、測定結果の品質は公称ビット数以外の多くの要素によって決まります。

最近のメイカーやエンジニアの議論からは、一貫した傾向が見られます。ユーザーが求めているのは、単に分解能を高めることだけではありません。不安定な測定値を解消し、ゼロドリフトを減らし、長時間の平均化による遅延を避け、HX711ロードセルアンプからADS1232へ変更することで測定可能な改善が得られるかを確認したいと考えています。

このADS1232とHX711の比較ガイドでは、アーキテクチャ、サンプリングレート、ゲイン、リファレンス設計、ノイズ特性、およびArduino、ESP32、STM32との統合について比較します。高精度ADCモジュールをより幅広く比較したい場合は、ADS1256、ADS1232、ADS1220の比較ガイドもご覧ください。

1. ADS1232とHX711：簡単な選び方

シンプルで低コストなスケールにはHX711

コスト、入手性、ソフトウェアの扱いやすさを重視する場合、通常はHX711が適切な出発点になります。ArduinoおよびESP32向けライブラリが幅広く提供されており、多くのモジュールは励起、差動信号、クロック、データの各接続を使用して4線式ロードセルへ直接接続できます。

ArduinoおよびESP32の計量プロジェクトで使用される、一般的なHX711モジュールとロードセルの接続例です。

HX711ロードセルシステムは、次の用途に適しています。

• キッチンスケール、郵便用はかり、卓上スケール
• ArduinoおよびESP32の学習プロジェクト
• 1 kg、5 kg、20 kgのDIY計量システム
• 基本的な力および圧力の実験
• 毎秒10回または80回のサンプリングで十分なプロジェクト

ロードセルを正しく取り付け、HX711へ安定した電源を供給すれば、安定性と再現性に優れた結果を得られます。出力コードが数カウント変動するという理由だけで交換することが、最適な最初の対策になるとは限りません。

信号チェーンをより細かく制御する場合はADS1232

ADS1232はブリッジセンサー専用に設計されており、2つの差動入力チャンネル、1、2、64、128から選択できるゲイン、外部差動リファレンス入力を備えています。同じ安定した電源でロードセルを励起し、ADCリファレンスも定義するレシオメトリック測定に適したリファレンスアーキテクチャを採用しています。

プロジェクトで次の機能が必要な場合は、ADS1232を検討してください。

• ブリッジ励起とリファレンス電圧の詳細な制御
• 2つの差動センサー入力
• 10 SPS設定時の低周波商用電源ノイズに対する優れた除去性能
• システムレベルのオフセット校正
• 中程度の荷重範囲における1 g未満の変化の精密な評価
• 一般的な試作ボードではなく、用途に合わせて設計されたPCB

ADS1232を使用すれば、より適切に制御された測定システムを構築できます。ただし、品質の低いロードセル、不適切な取り付け、ノイズの多い電源を自動的に補正できるわけではありません。

どちらのADCも高速データ収集向けではありません

ADS1232とHX711は、通常10 SPSと80 SPSの出力レートを選択できます。10 SPSでは約100ミリ秒ごとに新しいサンプルが生成されます。80 SPSでは、追加のソフトウェアフィルタリングを適用する前の間隔が約12.5ミリ秒まで短縮されます。

フォースペダル、衝撃試験、振動システム、動的プレスで毎秒数百または数千のサンプルが必要な場合、どちらのデバイスも適切ではありません。計量用ADCを本来の動作範囲を超えて使用するのではなく、適切な計装アンプとアンチエイリアシングフィルターを組み合わせた高速ADCを選択してください。

2. ADS1232とHX711によるロードセル信号の処理方法

24ビット分解能と実際の測定精度

24ビット出力には最大16,777,216個のデジタルコードが含まれます。しかし、スケールが1,600万分の1の変化を安定した校正精度で識別できるという意味ではありません。

実際に利用できる性能は、次の要素によって制限されます。

• 入力換算ADCノイズ
• ロードセルの感度と定格出力
• ブリッジ励起の安定性
• リファレンス電圧のノイズとドリフト
• 機械的クリープとヒステリシス
• 温度変化
• 電源およびグラウンドからの干渉
• PCBレイアウト、配線、電磁干渉

適切な質問は、“どちらのADCのビット数が多いか？”ではありません。どちらも公称24ビット出力です。重要なのは、“必要な測定時間、荷重範囲、温度条件において、どの信号チェーン全体が最も小さい再現誤差を実現するか？”という点です。

チャンネル、ゲイン、リファレンス電圧

HX711は2つの入力チャンネルを備えています。チャンネルAは通常128または64のゲインに対応し、チャンネルBは32のゲインを使用します。24ビットの変換結果を読み出した後に1、2、または3個の追加PD_SCKパルスを送信することで、次回の変換に使用するチャンネルとゲインを選択します。

• 合計25個のPD_SCKパルスで、チャンネルAとゲイン128を選択します。
• 合計26個のPD_SCKパルスで、チャンネルBとゲイン32を選択します。
• 合計27個のPD_SCKパルスで、チャンネルAとゲイン64を選択します。

RATEピンが制御するのは出力データレートだけです。HX711の入力チャンネルやゲインは選択しません。

ADS1232も2つの差動入力を備え、1、2、64、128のゲインを選択できます。ゲイン1および2では高ゲインPGA経路をバイパスするため、より大きな差動入力や信号チェーンのテストに適しています。ゲイン64および128は、ロードセルやその他のブリッジセンサーが生成する低レベル出力に適しています。

アーキテクチャ上の大きな違いの1つがリファレンス設計です。ADS1232は専用のREFPおよびREFNピンを備えており、ロードセルの励起電圧を差動変換リファレンスとして直接使用できます。これにより、外部リファレンスのフィルタリングとレシオメトリックブリッジ測定を明確に制御できます。

HX711は独立したリファレンス入力ピンを備えていません。変換リファレンスはアナログ電源に追従し、一般的な設計では同じAVDD電源レールからロードセルブリッジへ電力を供給することで、レシオメトリック動作を実現できます。チップには外部PNPパストランジスタを駆動できるレギュレーター制御回路が含まれていますが、実際のレギュレーター、フィルタリング、ブリッジ励起の実装はモジュールによって異なります。

HX711のチャンネルおよびゲイン選択と、ADS1232の差動リファレンス経路を示す信号チェーンの比較です。

10 SPS、80 SPS、測定レイテンシー

10 SPS設定は、ノイズが少なく50 Hzおよび60 Hzの干渉をより効果的に除去できるため、通常は静的計量に適しています。80 SPS設定は応答時間を改善しますが、一般にノイズが増加します。

ソフトウェアフィルターによって、さらに遅延が加わります。例えば、10 SPSで16個のサンプルを平均化するには約1.6秒分のデータが必要です。出力は安定して見えても、急激な荷重変化は遅れて表示されます。

互いに独立したN個のサンプルを平均化すると、ランダムノイズをおよそNの平方根に比例して低減できます。しかし、ロードセルのクリープ、熱ドリフト、リファレンスの不安定性、電磁干渉、アンプの飽和を除去することはできません。

3. ADS1232とHX711の比較

仕様の比較

実際の用途における違い

HX711は、コスト、入手性、開発速度の面で優れています。動作確認済みのサンプルコード、校正ライブラリ、完全なセンサーキットを簡単に入手できます。一般的なデジタルスケールでは、これらの利点がADS1232の追加設定機能よりも重要になる場合があります。

単にモジュールを接続するのではなく、アナログ回路部分を設計する場合にはADS1232が有力な選択肢になります。外部差動リファレンス、選択可能なゲイン、校正制御により、ブリッジ、リファレンス、電源、PCBレイアウトを1つの測定システムとして設計できます。

ただし、シールドされていないユニバーサル基板上のADS1232は、適切に設計されたHX711 PCBよりも性能が低くなる可能性があります。マイクロボルトレベルの信号では、バイパスコンデンサー、グラウンド、コネクター品質、温度勾配、ケーブルの動きがすべて測定結果に影響します。

推奨されるモジュールとロードセルの構成

4. HX711ロードセルの測定値にノイズや不安定さが生じる理由

機械的な取り付けとロードセルのクリープ

HX711の測定値が不安定になる原因の多くは、電子回路ではなく機械構造にあります。ビーム型ロードセルには通常、固定端と荷重端があります。向きの間違い、緩んだネジ、高さの異なるスペーサー、筐体に接触するプラットフォームなどにより、出力が非線形または不安定になる可能性があります。

ロードセルケーブルは通常、固定側から引き出す必要があります。ケーブルが可動部を引っ張ると、ケーブルの動きがすべて測定値に含まれます。

ロードセルにはクリープも発生します。一定の荷重を加えた後、金属と接着剤が安定するまで出力がゆっくりと変化し続けることがあります。ソフトウェアによる平均化では、この物理的な現象を除去できません。

電源、グラウンド、配線、干渉

ロードセルは、最大定格荷重でも一般にミリボルト単位で測定される小さな差動信号を生成します。そのため、長い非シールド配線、ブレッドボードの接点、スイッチング電源によって大きな誤差が発生する可能性があります。

信号経路を短くし、確実なはんだ接続を使用し、離れたセンサーにはツイストペアを使用してください。長いケーブルにはシールド線が有効ですが、シールドを追加の信号導体として扱わず、グラウンド設計に従って接続してください。

バイパスコンデンサーをADCの電源ピンの近くに配置してください。DC-DCコンバータ、リレー、ディスプレイ、モーター、SPIクロック、無線アンテナはブリッジ入力から離してください。ADS1232ロードセル設計では、リファレンスと励起の接続を慎重に配線し、選択したモジュールが目的のレシオメトリック接続をサポートしていることを確認してください。

HX711のピン機能と、4線式ロードセル、電源、マイクロコントローラーの正しい接続方法です。

フィルタリング、風袋引きのタイミング、無線干渉

移動平均はランダムな変動を低減できますが、大きな平均化ウィンドウを使用するとスケールの応答が遅くなります。中央値フィルターは一時的なスパイクを抑え、ローパスフィルターは連続的なノイズを平滑化できます。ただし、緩んだ接続、飽和した入力、不安定なリファレンスを隠すためにフィルターを使用してはいけません。

機械構造、ADC、電源が安定してから風袋引きを実行してください。任意に設定した起動遅延は特定の環境では機能しても、温度、電源、ロードセルが変わると機能しない可能性があります。

ESP32のWi-FiおよびLoRa送信機は、電源レール、グラウンドプレーン、周辺配線を通じて干渉を結合させる可能性があります。無線機能を無効にした状態と有効にした状態で、それぞれ生の測定値を記録してください。測定可能な差がある場合は、ファームウェアの平均化だけに依存せず、電源分離、レイアウト、測定タイミングを改善してください。

ボードレイアウト、電源レギュレーション、無線機能はESP32のモデルによって異なります。ネットワーク対応の計量システムを構築する場合は、IoTプロジェクトに適したESP32ボードの選び方をご覧ください。

5. HX711またはADS1232ロードセルシステムのテスト方法

ロードセルを正しく取り付けて配線する

• ロードセルの固定端と荷重端を確認します。
• 適切なスペーサーを使用して、両端を硬く平らな面に取り付けます。
• 計量プラットフォームがフレームや筐体に接触していないことを確認します。
• 固定端からケーブルを引き出し、ストレインリリーフを追加します。
• 励起の正極と負極をブリッジ電源へ接続します。
• 信号の正極と負極をADCの差動入力へ接続します。
• モジュールへ電源を供給する前に、供給電圧、ロジックレベル、グラウンドを確認します。
• ADS1232をレシオメトリック動作させる場合は、ブリッジ励起を差動リファレンス入力へ接続する前にモジュール回路図を確認します。

基準テストと校正を行う前のHX711 Arduinoスケールの完全な配線です。

基準ノイズとドリフトを測定する

プラットフォームに荷重をかけず、10 SPSから開始します。ウォームアップ後、フィルタリングされていない生のコードを数分間記録します。次の項目を計算または記録してください。

• 生コードの平均値
• 標準偏差
• ピークツーピーク変動
• 時間経過による平均値の変化
• 温度、電源電圧、無線機能の状態

次に、安定した既知の荷重を加えてテストを繰り返します。良好なシステムはゼロ点の変動が小さいだけでなく、荷重を取り除いた後にほぼ同じゼロ点へ戻る必要があります。

ディスプレイ、リレー、Wi-Fi、Bluetooth、LoRaを有効にした状態でも測定を繰り返します。これにより、ADCノイズとシステムの他の部分から発生する干渉を区別できます。

電源投入テストは、校正前に測定値の安定性、正しいディスプレイ出力、システムの安定化を確認するために役立ちます。

両方のADCを同じ条件で校正して比較する

基本的な線形校正では、次の式を使用します。

重量 =（生の測定値 − ゼロオフセット）÷ 校正係数

プラットフォームに荷重がない状態でゼロオフセットを決定します。既知の校正用分銅を載せ、生コードの変化から係数を計算します。精度を高めるには、1点だけの校正に依存せず、使用予定の範囲全体で複数の重量をテストしてください。

無負荷時のゼロオフセットを記録した後、既知の分銅を使用してHX711スケールを校正します。

ADS1232とHX711を比較する場合は、次の条件を同一にしてください。

• 同じロードセルと取り付け構造
• アーキテクチャ上可能な場合は同じ励起電圧
• 同じサンプリングレート設定
• 同じ試験用分銅と周囲条件
• ソフトウェアフィルタリング前の生データ
• 同じ測定時間

標準偏差、ピークツーピークノイズ、ゼロ復帰、ドリフト、応答時間を比較してください。表示された数値がどれだけ安定して見えるかだけで結果を判断しないでください。

6. 用途に適したADCの選び方

低コストのArduinoデジタルスケール

キッチンスケール、荷物用スケール、一般的なArduino計量プロジェクトには、通常HX711ロードセルキットが最も実用的です。多くのライブラリを利用でき、配線が簡単で、完全なキットを選べばセンサー容量に関する不確実性も減らせます。

定格容量が予想最大荷重に適度に近いロードセルを選択してください。数グラムだけを測定するために20 kgロードセルを使用すると、適切に選択した1 kgセンサーよりも1 gあたりの信号変化が大幅に小さくなります。

初めての計量プロジェクトには通常Arduinoが扱いやすく、より高度な組み込み設計にはSTM32が優れた制御性を提供します。開発プラットフォームを選定中の場合は、初心者向けのSTM32とArduinoの比較をご覧ください。

1 g未満の再現性を目指すESP32、STM32、IoTスケール

1 g未満の再現性を目指す2 kgまたは3 kgのシステムでは、ロードセル、機械構造、リファレンス、PCBレイアウトがADCと同じくらい重要になります。

無線接続と従来型の組み込み制御のどちらを選ぶか検討している場合は、STM32とESP32の比較で、処理性能、接続機能、開発ワークフロー、IoT統合の主な違いを確認できます。

レシオメトリックブリッジ励起、適切に制御されたグラウンド、短い差動配線、十分なデカップリングを採用した設計では、ADS1232が有力な選択肢になります。ADCを変更する前に、現在のHX711の誤差がケーブルの動き、温度、無線送信、電源変動と関連しているかをテストしてください。

安定したHX711システムが、制御された条件でも必要なノイズとドリフトの基準を満たせない場合は、ADS1232が合理的なアップグレード候補になります。機械構造に原因がある場合は、アップグレード後も同じ問題が残ります。

高速な力、ペダル、衝撃の測定

ロードセルペダルや力制御インターフェースでは、10 SPSの応答が遅く感じられることがあります。HX711のRATE設定を80 SPSへ変更し、平均化ウィンドウを小さくすると応答を大幅に改善できる可能性があります。

ハードウェアでレートを変更した後、データレディイベント間の実際の間隔を確認してください。モジュールによって、抵抗の位置、はんだパッド、配線構成が異なる場合があります。

80 SPSを超える信頼性の高いデータ収集が必要な場合は、より高速なADCと計装アンプを選択してください。高いサンプリングレート、低レイテンシー、高精度の静的計量は、それぞれ異なる設計目標です。

7. よくある質問と最終的な推奨事項

ADS1232とHX711に関するよくある質問

ADS1232はHX711より高精度ですか？

ADS1232は信号チェーンをより細かく制御でき、ブリッジセンサー用に設計されていますが、すべてのプロジェクトで自動的に高い精度が得られるわけではありません。最終的な測定結果は、ロードセルの品質、取り付け、励起、リファレンス、PCBレイアウト、校正によって決まります。

ADS1232でHX711を直接置き換えられますか？

置き換えられません。ピン互換性がなく、同じソフトウェアインターフェースも使用しません。ADS1232には異なる設定、配線、校正処理が必要です。HX711を置き換える前に、モジュール回路図を確認してファームウェアを更新してください。

HX711の測定値が1 gまたは2 gずつ変動するのはなぜですか？

想定される原因には、容量が大きすぎるロードセル、品質の低いロードセル、不適切な取り付け、ケーブルから加わる力、電源ノイズ、緩んだ接続、温度ドリフト、振動、安定化時間の不足があります。平均化を増やす前に、生のコードをテストしてください。

10 SPSと80 SPSのどちらを使用すべきですか？

静的計量、低ノイズ、商用電源ノイズの効果的な除去には10 SPSを使用してください。高速な応答が重要で、ノイズの増加を許容できる場合は80 SPSを使用してください。多くのモジュールでは、80 SPSを選択するためにRATEピンのハードウェア接続を変更する必要があります。

どちらかのADCで高速な力の変化を測定できますか？

どちらも公式には最大80 SPSに対応します。信号にこの範囲を超える重要な成分が含まれる場合は、適切なアナログフロントエンドとアンチエイリアシングフィルターを備えた高速ADCを使用してください。

ロードセルADC購入時のチェックリスト

• 最大荷重と検出する必要がある最小変化量
• 静的計量または動的荷重測定
• 必要なサンプリングレートと許容できるレイテンシー
• ロードセルの定格出力とブリッジ抵抗
• 入力ゲインとコモンモードの要件
• リファレンス電圧と励起アーキテクチャ
• 機械的な取り付けと過負荷保護
• ケーブル長、シールド、グラウンド
• Arduino、ESP32、STM32のソフトウェアサポート
• 校正、温度、長期ドリフトの要件

最終的な推奨事項

低コストのArduinoまたはESP32スケールにはHX711を選択してください。完全なHX711ロードセルキットと豊富なライブラリサポートが必要な場合には、特に適しています。センサーが正しく取り付けられ、電源が安定し、必要な応答時間に適したフィルタリングを使用すれば、引き続き有効なソリューションになります。

外部差動リファレンス、柔軟なゲイン設定、2つの差動入力、慎重に設計された低ノイズ回路が必要なブリッジ測定システムにはADS1232を選択してください。アナログ信号チェーン全体がこれらの機能を活用できるよう設計されている場合に、その利点を発揮します。

24ビットという表示や不安定な画面だけを理由にアップグレードしないでください。まず生のノイズ、ドリフト、ゼロ復帰を測定し、機械的および電気的な問題を修正してから、両方のコンバータを同じ条件で比較してください。最適なロードセルアンプとは、計量システム全体における実際の誤差と応答要件を満たす製品です。