A/D変換の動作確認（１）

A/D変換の動作を実感してみよう！

A/D変換器のポートを選ぶ
A/D変換器の入力ポートですが、PIC16F877は、(RA0/AN0)，(RA1/AN1)， (RA2/AN2)，(RA3/AN3)，(RA5/AN4)，(RE0/AN5) ， (RE1/AN6) ， (RE2/AN7) の全８ポートあります。まずは簡単のため、１つのA/D変換ポートとして、(RA0/AN0)を使いましょう。またリファレンス電圧（VREF+，VREF-）は未使用とします。ここで、「A/D変換の制御法」の表３．A/D ポートの設定表にて、A/Dポートの設定を確認します。PCFGx＝「1110」のとき、(RA0/AN0)がA/D変換入力ポートとなり、他のポートはディジタル入出力ポートになることが分かります。
さらに、「A/D変換の制御法」の表１．ＡＤＣＯＮ０レジスタの機能説明表にて、アナログチャネル指定ビットですが、CHSx＝「000」とすることで、ＣＨ０（ＲＡ０）の指定になります。


A/D結果レジスタの右／左詰めについて
ADRESH，ADRESL レジスタのペアは、A/D 変換の終了時に10 ビットのA/D 結果がロードされるロケーションです。（「A/D変換の制御法」の図８．A/D 結果の右／左詰めを参照）このレジスタのペアは16 ビット幅です。したがって、10ビットのデータが16ビットの幅に入るため、残りの6ビットは、空ビットになります。この10ビットを16ビット幅のどちら側に詰めるべきかを決める必要があります。今回は、他のポートに確認用のＬＥＤを接続し、A/D変換の結果をＬＥＤに点灯させて簡単に確認できるようにします。LEDの接続ポートですが、私のターゲットボードでは、PortBとPortDが隣り合って並んでいますので、10ビットの結果を右詰めにしたいと思います。したがって、
ADRESH＜１：０＞→PortB＜１：０＞
ADRESL＜７：０＞→PortD＜７：０＞
という配置に出力させます。
すなわち、１０ビットのＭＳＢから順に＜RB1，RB0，RD7，RD6，・・・，RD0＞とします。


A/D変換のクロックの選択
「A/D変換の制御法」の表４．A/D変換用クロックの選択を参照してください。内部ＲＣ発振回路を使用するＦｒｃ指定の場合は、システムクロックには影響されず、２〜６μｓの周波数になりますが、正確なクロック周波数ではなくなります。そこで、Fosc/2，Fosc/8，Fosc/32のどれかを選ぶことになります。システムクロックの周波数により、指定できる範囲が限られていますので注意が必要です。正しいA/D 変換のためには、必ずA/D 変換クロック（TAD）を、最小TAD 時間の1.6μｓ以上にする必要がありました。
２０ＭＨｚのシステムクロックでは、Fosc/32を選択することになります。
よって、ADCS1＝「１」，ADCS0＝「０」と決まります。


ADCON0レジスタの決定
（「A/D変換の制御法」の図１．　ADCON0レジスタの構成を参照）

ADCON0レジスタの内容の決定

• bit7：　A/D変換クロック（Fosc/32）指定より　ADCS1＝「１」
• bit6：　A/D変換クロック（Fosc/32）指定より　ADCS0＝「０」
• bit5：　アナログチャネルＣＨ０（ＲＡ０）指定より、CHS2＝「０」
• bit4：　アナログチャネルＣＨ０（ＲＡ０）指定より、CHS1＝「０」
• bit3：　アナログチャネルＣＨ０（ＲＡ０）指定より、CHS0＝「０」
• bit2：　A/D 変換ステータスビット（初期設定時は「０」としておく）
• bit1：　機能なし（とりあえず「０」とでもしておく）
• bit0：　A/D ON ビット（A/D機能を使うので「１」としておく）

ということで、ADCON0→Ｂ’１００００００１’　（８１Ｈ）


ADCON1レジスタの決定
（「A/D変換の制御法」の図２．　ADCON１レジスタの構成を参照）

ADCON1レジスタの内容の決定

• bit7：　A/D 結果フォーマットセレクト：右詰＝「１」
• bit6：　機能なし（とりあえず「０」とでもしておく）
• bit5：　機能なし（とりあえず「０」とでもしておく）
• bit4：　機能なし（とりあえず「０」とでもしておく）
• bit3：　PCFG3＝「１」　上記（１）の項目を参照
• bit2：　PCFG2＝「１」　上記（１）の項目を参照
• bit1：　PCFG1＝「１」　上記（１）の項目を参照
• bit0：　PCFG0＝「０」　上記（１）の項目を参照

ということで、ADCON1→Ｂ’１０００１１１０’　（８ＥＨ）


ハード側の接続について
A/D変換の結果を簡単に確認するためＬＥＤを接続し点灯させます。LEDの接続ポートですが、私のターゲットボードでは、PortBとPortDが隣り合って並んでいますので、図１のように１０ビットのＭＳＢから順に＜RB1，RB0，RD7，RD6，・・・，RD0＞と接続します。A/D変換入力の端子ですが、簡単のため１０ｋΩの可変抵抗を図１のように接続し、０〜５Ｖの可変電圧を入力できるようにしました。


接続先のインピーダンスは１０ｋΩ以下にせよ！！
アナログソースの最大推奨インピーダンスは 10kΩですから、それより大きい抵抗値は好ましくありません。接続先のインピーダンスが大きいと、アクィジション時間が長くなるため、A/D変換動作に支障をきたします。逆に小さい抵抗値ですと、抵抗による消費電流が増えますので注意してください。
１０ｋΩの可変抵抗器ですが、タップが中央の位置のときインピーダンスは最大の２．５ｋΩになります。すなわち、中点から見ると、ちょうど ５ｋΩ と ５ｋΩ の並列接続に見えます。
なお、逆にタップが端に位置したとき（＋５Ｖ、もしくは０Ｖのとき）可変抵抗のインピーダンスは、最小の０Ωになります。

図１．A/D変換の動作確認回路

アナログ入力端子ですが、テスタなどを接続してアナログの電圧値が分かるようにします。また、アナログ入力電圧が安定しない場合には、１０ｋΩの可変抵抗に ０．１μＦ程度のセラミックコンデンサを接続するとよいでしょう。
ＬＥＤの接続ですが、ポートに負荷がかからないようにターゲットボードにはバッファ回路がついています。バッファ回路を省略する場合には、ＬＥＤに接続の２００Ωをもう少し大きくする必要があります。各ポートは１ピン当たり、最大２５ｍＡまで電流を流せますが、入出力ピンの合計最大ドライブ電流が２００ｍＡを越えないようにする必要があります。全１０ビット点灯すると、１ピン当たり２００ｍＡ／１０＝２０ｍＡとなります。ただし、入出力ポート以外の消費電流があるので、余裕をみて１０ｍＡと設定します。ＬＥＤの降下電圧を約１．５Ｖすれば、抵抗は、（５Ｖ−１．５Ｖ）／１０ｍＡ＝３５０Ωですので、３３０Ω〜３６０Ω程度の抵抗を接続すればＯＫです。


A/D変換動作確認プログラム（１）
図２にA/D変換のフローチャートを示します。
プログラムの解説については、「プログラムの説明（１）」の項をご参照ください。

図２．A/D変換プログラム（１） フローチャート

（注）以下に示すプログラムには、ホームページ画面作成の都合上、空白として全角文字のスペースなどが挿入されています。したがって、下記プログラムリストをそのままコピーしてＭＰＬＡＢのソースファイルとされた場合には、エラーとなることがあります。

→ここをクリックして、下記のプログラムをダウンロードするようにしてください。
　　ファイル名：「adconv1.asm」　サイズ２．２２ｋバイト

→ここをクリックして、下記のオブジェクトファイルをダウンロードするようにしてください。
　　ファイル名：「adconv1.hex」　サイズ１６５バイト

【プログラムの説明（１）】
このプログラムについて、順を追って解説を加えておきましょう。

（１）プロセッサの種別指定
定義の仕方は「PROCESSOR」か「LIST」命令を使って設定します。ここで指定するプロセッサ名称は、パッケージの種類を示すサフィックス（最後の英記号の部分）は不要です。

　　　PROCESSOR　　PIC16F877
　　　　または
　　　LIST　　P=PIC16F877

（２）標準ヘッダーファイルのインクルード
標準ヘッダーファイルとは、各プロセッサが持っているＳＦＲ（Special Function Register）をラベル（記号）で使える様にするため、ラベルとハードウェアの場所とを定義しているファイルです。標準ヘッダーファイルは　「プロセッサ名．INC」というファイル名で統一されて、MPLABのディレクトリに格納されています。従って、これのインクルード方法は下記のようにして行います。
一度、参考までに標準ヘッダーファイルの内容をエディタ等で見ておくことをお勧めします。

　　　INCLUDE 　　　P16F877.INC
　　　　または
　　　#INCLUDE　　　P16F877.INC

（３）変数定義とレジスタ割付
レジスタファイルアドレスを指定するときに、アドレス数値を直接指定することもできますが、数値だけでは間違いも多く、プログラム自身も分かりにくくなってしまいます。そこで、ＥＱＵ命令などを使ってラベルを設定し変数を定義します。レジスタファイルアドレスは、７ビットあるので、００〜７Ｆまで最大１２８個のレジスタが指定できますが、実際に物理的に実装されて汎用的に使用できるレジスタ数はデバイスによって異なっていますので注意が必要です。
ＰＩＣ１６Ｆ８７７の汎用レジスタのアドレスは、２０Ｈ〜７ＦＨ
となっていますので、２０Ｈ以降のアドレスに割り付けます。

（４）プログラムの開始番地の指定
「ORG」はプログラムの開始番地を指定する擬似命令で、ORG以下の実際のプログラム命令が格納されるプログラムメモリ内の位置（アドレス）を指定します。

　　　ORG　　0　　;0番地から格納することを示します。

コンピュータは一般に電源投入時やリセットをすると必ず0番地からスタートするようになっているので、0番地には必ず命令があることが必要です。

（５）Bank 1 へ切替
PICには各種の動作モードを設定するための Special Register と呼ばれるものが用意されています。PICを動作させるためには、まずこのSpecial Registerの設定から始めます。そしてそれらは全て、Register File と呼ぶメモリとして用意されています。その Register Fileは Bank0, Bank1, Bank2, Bank3 とよばれるアドレス空間をもっているため、多少アクセスの仕方が面倒です。つまりRESET後の通常はBank0となっているので、Bank1側のレジスタにアクセスするときはBankの切替えをしてからとなります。またBank0とBank1に同じ物があるときにはどちらでも同じ様に使えます。
Bank1へ切り替える方法ですが、「STATUS」レジスタにある２ビットのRP0、RP1を変えてBankを指定します。デフォルトは、Bank0です。表１にＢａｎｋとＲＰ１，ＲＰ０ビットとの関係を示します。Bank1へ切り替えるためには、ＲＰ０ビットを「１」にします。（ＲＰ１はデフォルトで「０」なので変える必要はない。）

　BSF　　　　STATUS,RP0
「ＳＴＡＴＵＳ」レジスタのＲＰ０ビットを「１」にする。

（６）RA0のみアナログ、結果右詰
A/D変換器の入力ポートとして、(RA0/AN0)を使います。またリファレンス電圧（VREF+，VREF-）は未使用とします。ここで、「A/D変換の制御法」の表３．A/D ポートの設定表にて、A/Dポートの設定を確認します。PCFGx＝「1110」のとき、(RA0/AN0)がA/D変換入力ポートとなり、他のポートはディジタル入出力ポートになることが分かります。A/D 結果フォーマットは右詰に設定します。

bit7：　A/D 結果フォーマットセレクト：右詰＝「１」
bit6：　機能なし（とりあえず「０」とでもしておく）
bit5：　機能なし（とりあえず「０」とでもしておく）
bit4：　機能なし（とりあえず「０」とでもしておく）
bit3：　PCFG3＝「１」
bit2：　PCFG2＝「１」
bit1：　PCFG1＝「１」
bit0：　PCFG0＝「０」
ということで、Ｂ’１０００１１１０’　（８ＥＨ）をＷｒｅｇにロードする。


（７）ADCON1レジスタの設定
Ｗｒｅｇの内容をADCON1レジスタに上書きする。


（８）PortB，PortDを 出力モードに設定
ＴＲＩＳＢおよびＴＲＩＳDレジスタは、ＣＬＲＦ（ｆレジスタをゼロクリアする命令）で出力設定となります。

　CLRF　　　TRISB
「ＴＲＩＳBレジスタをゼロクリアする。すなわち、ＰＯＲＴＢ全ポートを出力に設定する」
　CLRF　　　TRISD
「ＴＲＩＳDレジスタをゼロクリアする。すなわち、ＰＯＲＴＤ全ポートを出力に設定する」

なお、ＰｏｒｔＡの設定ですが、デフォルトが入力ポートになっていますので省略できます。

（９）Bank 0 へ戻す
動作モードの設定後は、Ｂａｎｋ０に戻しておきます。Bank1へ切り替えるためには、ＲＰ０ビットを「０」にします。（ＲＰ１はデフォルトで「０」なので変える必要はない。）

BCF　　　　STATUS,RP0
「ＳＴＡＴＵＳ」レジスタのＲＰ０ビットを「０」にする。すなわち、Ｂａｎｋ０に戻す。」


（１０）Fosc/32，CH0 設定，A/D on
「A/D変換の制御法」の表４．A/D変換用クロックの選択を参照してください。内部ＲＣ発振回路を使用するＦｒｃ指定の場合は、システムクロックには影響されず、２〜６μｓの周波数になりますが、正確なクロック周波数ではなくなります。そこで、Fosc/2，Fosc/8，Fosc/32のどれかを選ぶことになります。システムクロックの周波数により、指定できる範囲が限られていますので注意が必要です。正しいA/D 変換のためには、必ずA/D 変換クロック（TAD）を、最小TAD 時間の1.6μｓ以上にする必要がありました。
２０ＭＨｚのシステムクロックでは、Fosc/32を選択することになります。
また、「A/D変換の制御法」の表１．ＡＤＣＯＮ０レジスタの機能説明表を参照してください。アナログチャネル指定ビットですが、CHSx＝「000」とすることで、ＣＨ０（ＲＡ０）の指定になります。

bit7：　A/D変換クロック（Fosc/32）指定より　ADCS1＝「１」
bit6：　A/D変換クロック（Fosc/32）指定より　ADCS0＝「０」
bit5：　アナログチャネルＣＨ０（ＲＡ０）指定より、CHS2＝「０」
bit4：　アナログチャネルＣＨ０（ＲＡ０）指定より、CHS1＝「０」
bit3：　アナログチャネルＣＨ０（ＲＡ０）指定より、CHS0＝「０」
bit2：　A/D 変換ステータスビット（初期設定時は「０」としておく）
bit1：　機能なし（とりあえず「０」とでもしておく）
bit0：　A/D ON ビット（A/D機能を使うので「１」としておく）

ということで、Ｂ’１００００００１’　（８１Ｈ）をＷｒｅｇにロードする。


（１１）ADCON0レジスタの設定
Ｗｒｅｇの内容をADCON０レジスタに上書きする。


（１２）２３．２μｓ　一定時間待つ
PICでは、A/D変換をするために、まずアナログ信号を一旦内部のコンデンサに蓄えます。その後、参照となる一定の電圧を加算して比較しながら計測するという逐次変換方式であるため、A/D変換を正確に行うためには、蓄積するまでの時間（アクィジション時間）が必要です。１０ビットではアクィジション時間＝２０μｓになります。
また、メインプログラムでは、A/D変換が一通り終了すると、またADSTARTへ戻り繰り返し行うようになっています。次のアクィジション開始前に、少なくとも ２ＴＡＤ待つ必要があります。
すなわち、ＴＡＤ＝１．６μｓですので、２×ＴＡＤ＝３．２μｓとなります。よって、合計２３．２μｓの時間が最低限必要になります。ここで、遅延サブルーチンにジャンプします。


（１３）A/D スタート
ADCON０レジスタのGOビットをセットすると、A/D変換が開始されます。

BSF 　　　ADCON0,GO
「ADCON0」レジスタのGOビットを「１」にする。すなわち、A/D変換を開始する。」


（１４）A/D が完了すると GOビットが0になる
A/D変換を開始してから１２ＴＡＤの変換時間すなわち、１２×１．６μｓ＝１９．２μｓ必要となります。

A/Dが完了するとＧＯビットが「０」となりますので、時間で確認する必要はありません。


（１５）GOビットが 0 だったらループから抜ける。
　　　　GO が 1 だったら WAIT へループする
A/D変換が完了するとGOビットが「０」となり、次の命令で分岐されます。
BTFSC 　　ADCON0,GO
「ADCON0」レジスタのGOビットが「０」だったら次の命令をスキップし、ループから抜けます。
GOTO　　　WAIT
ただし、A/D変換が終了しない間は、「ADCON0」レジスタのGOビットが「１」のままですので、WAITラベルへ戻ってループを繰り返します。


（１６）A/D データ上位（データは右詰）
MOVF　　　ADRESH,W
「ADRESH」レジスタの内容をＷｒｅｇに上書きする。
データは右詰ですので、ADRESHの＜１：０＞ビットに上位データが入り、他のビットは「０」が入ります。


（１７）PortBへ A/D 結果を出力
Ｗｒｅｇのデータは、ADRESHレジスタの値ですので、ＰｏｒｔＢの＜１：０＞ビットに上位データが出力され、他のビットは「０」となります。ＬＥＤは「１」となったビットで点灯します。
MOVWF　　PORTB
「ＰＯＲＴＢへＷｒｅｇのデータを出力します。」


（１８）Bank 1 へ切替

ADRESＬレジスタは、Ｂａｎｋ１にありますので
Ｂａｎｋを切り替える必要があります。

（１９）A/D データ下位
MOVF　　　ADRESL,W
「ADRESL」レジスタの内容をＷｒｅｇに上書きする。

（注）もしＢａｎｋ１への切り替えを忘れて（Bank０のままで）、この命令を行った場合には、ADRESHレジスタの内容がＷｒｅｇに入ってしまいます。


（２０）Bank 0 へ戻す
「ADRESL」レジスタの内容をＷｒｅｇに移したら、Ｂａｎｋ０に戻しておきましょう。


（２１）PortDへ A/D 結果を出力
Ｗｒｅｇのデータは、ADRESLレジスタの値ですので、ＰｏｒｔＤに下位データが出力されます。ＬＥＤは「１」となったビットで点灯します。
MOVWF　　PORTD
「ＰＯＲＴＤへＷｒｅｇのデータを出力します。」


（２２）A/D 変換を繰り返す
GOTO　　　ADSTART
「ADSTART」のラベルまで戻り、A/D変換動作を繰り返す。


【２３μｓ遅延サブルーチンの説明】
（２３）ループ回数（２５H＝３７回）をＷｒｅｇにロードする。
（２４）Ｗｒｅｇの内容をｆレジスタ（ＣＯＵＮＴ）に入れる
（２５）サイクル数をちょうど１１５にするために、
　　１サイクル分のＮＯＰ命令（何もしないダミー）を入れた。
（２６）ｆレジスタ（ＣＯＵＮＴ）の減算をし、結果が０なら次の命令をスキップする。
　　０以外である（３７−１）回分は、１サイクル。
　　最後０になってスキップするとき２サイクル。
（２７）（３７−１）回分は、２サイクル
（２８）サブルーチンから無条件復帰するとき、２サイクル
よって、計１１５サイクルになり、２０ＭＨｚクロックでは、１サイクル０．２μｓであることから、１１５サイクル×０．２μｓ＝２３μｓになります。


（２９）プログラム・ソースの終わり
「END」はソースの終わりを示す必ず必要な擬似命令で、アセンブラに対し、ここがソースの終わりであることを知らせる役割があります。

　　　END
「ソースプログラムの終わりであることを示す。」


A/D変換動作の確認
図３にA/D変換の動作確認をしている様子を示します。写真の左側のボードがＰＩＣターゲットボードです。ターゲットボード左端のA/D変換入力ポート（ＰｏｒｔＡ）には、コネクタケーブルが接続されており、その先はブレッドボードの回路に接続されています。中央の測定器は、ＭＥＩＥＸ社製のテスター（Ｍ−３８５０Ｄ）で、A/D変換の入力電圧を測定します。
図４は、簡単にA/D変換の入力電圧を与えるため、１０ｋΩの可変抵抗で構成されています。回路図は図１に示されています。

図３．A/D変換の動作を 確認している様子	図４．ブレッドボード上の 接続回路

図５に、A/D変換の各入力電圧の違いにおけるＬＥＤ点灯の様子を示します。私のターゲットボードでは、PortBとPortDが隣り合って並んでいますので、10ビットの結果を右詰めに表示しています。したがって、
ADRESH＜１：０＞→PortB＜１：０＞
ADRESL＜７：０＞→PortD＜７：０＞
という配置に出力させます。
すなわち、１０ビットのＭＳＢから順に＜RB1，RB0，RD7，RD6，・・・，RD0＞となっています。
結果のビットですが、「１」のとき点灯し、「０」のとき消灯しています。

図５（ａ）．入力電圧５Ｖ時	図５（ｂ）．入力電圧３Ｖ時
図５（ｃ）．入力電圧１Ｖ時	図５（ｄ）．入力電圧０Ｖ時

それでは、ターゲットボード上のＬＥＤ点灯の結果から、ちゃんと動作しているかどうかチェックしていきましょう。図５（ａ）A/D変換入力電圧が５Ｖのとき、PortB＜１：０＞、PortD＜７：０＞のＬＥＤが全点灯しています。また、図５（ｄ）A/D変換入力電圧が０Ｖのとき、全消灯していますので、最大・最小電圧の入力時では一目でＯＫということが分かります。
次に、５Ｖ〜０Ｖ間の電圧の時はどうでしょうか。確認してみましょう。表２にA/D変換結果を求めてみました。
理論値の計算ですが、５Ｖ時の実測データ（４．９７Ｖ）と、各電圧の実測データから次のように計算できます。（数字は１０進表示、端数は四捨五入）
４Ｖ時は、１０２３×（４．００Ｖ／４．９７Ｖ）＝８２３
３Ｖ時は、１０２３×（３．００２Ｖ／４．９７Ｖ）＝６１８
２Ｖ時は、１０２３×（２．０００Ｖ／４．９７Ｖ）＝４１２
１Ｖ時は、１０２３×（１．００２Ｖ／４．９７Ｖ）＝２０６

表２で、ターゲットボードの値と理論値を比べてみると、２Ｖ〜３Ｖあたりで最大２ＬＳＢの誤差があることが分かります。電圧換算すると、テスターでの測定誤差も含まれますが、
２／１０２３×４．９７Ｖ＝約９．７ｍＶ程度が実力のようです。

次へは、「ＰＩＣをSLEEPさせたA/D変換法」について解説します

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