A/D変換の分解能向上のノウハウ



＜項目＞Ｖｒｅｆ＋，Ｖｒｅｆ−端子を使ってA/D変換の測定分解能を向上させる

実際にどの程度の電圧が測定できるのかを考えてみます。通常のアナログリファレンス(VREF)は、デバイスのVDD とVSS です。絶対変換精度は±１ＬＳＢ（１０ビットであることから、１／１０２４）となっていますので、ＰＩＣの電源電圧がＶＤＤ＝５Ｖであるときには、測定できる最小の電圧（測定分解能）は、次のように見積られます。

測定分解能＝５Ｖ／１０２４＝約５ｍＶ　（VDD=5V，VSS=0V時）

もし、測定する電圧が、たとえば１Ｖ〜４Ｖの範囲に限定されるとしたら、A/D変換の測定分解能を上げる方法があります。これまで、アナログリファレンス(VREF)は、デバイスのVDD とVSSを基準にしていましたが、Ｖｒｅｆ＋＝４Ｖ，Ｖｒｅｆ−＝１Ｖに設定することで、測定分解能を向上させることができます。すなわち、

測定分解能＝（４Ｖ−１Ｖ）／１０２４＝約３ｍＶ　（Ｖｒｅｆ＋＝４Ｖ，Ｖｒｅｆ−＝１Ｖ時）

というように、測定分解能が約４０％ＵＰすることになります。
「Ｖｒｅｆ＋」は正極アナログリファレンス電圧端子、「Ｖｒｅｆ−」は負極アナログリファレンス電圧端子と呼ばれています。ＲＡポートの３ピンがVref+端子、２ピンがVref-端子になっています。

ここがポイントただし仕様上、表１に示すように、アナログリファレンス関連の電圧範囲には制限がありますので注意が必要です。

表１．アナログリファレンス関連の電圧範囲（MicroChip社データシート参照）
記号 特性 Ｍｉｎ Ｔｙｐ Ｍａｘ
Ｖｒｅｆ アナログリファレンス電圧
（Vref+ − Vref-）		 2.0V − VDD ＋ 0.3Ｖ
Ｖｒｅｆ＋ 正極アナログリファレンス電圧 AVDD − 2.5V 　 AVDD ＋ 0.3V
Ｖｒｅｆ− 負極アナログリファレンス電圧 AVSS − 0.3V 　 VREF+ − 2.0V
ＶＡＩＮ アナログ入力電圧 VSS − 0.3Ｖ − VREF+ ＋ 0.3Ｖ



＜項目＞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。ここでは、A/D変換入力ポートとして、(RA0/AN0)を使います。正極アナログリファレンス電圧端子(Vref+)は、３ピンの(RA3/AN3)であり、負極アナログリファレンス電圧端子(Vref-)は、２ピンの(RA2/AN2)となっています。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＝「1111」のとき、(RA0/AN0)がA/D変換入力ポートとなり、３ピンの(RA3/AN3)がVref+、２ピンの(RA2/AN2)がVref-に設定されます。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。

＜項目＞A/D結果レジスタの右／左詰めについて
これまでの例と同様に、結果を右詰めにします。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。

＜項目＞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。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。

＜項目＞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してください）

ADCON0レジスタの内容の決定

ということで、ADCON0→Ｂ’１００００００１’　（８１Ｈ）


＜項目＞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してください）

ADCON1レジスタの内容の決定

ということで、ADCON1→Ｂ’１０００１１１１’　（８ＦＨ）


＜項目＞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、先ほどの例のように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。アナログ入力の関連端子ですが、可変抵抗と２つの固定抵抗を直列にし、それぞれバッファ回路を通して接続します。Vref+端子となる(RA3/AN3)には可変抵抗の高電位側（Ａ点）に接続し、Vref-端子となる(RA2/AN2)には低電位側（Ｂ点）に接続します。A／D変換入力端子となる(RA0/AN0)は可変抵抗の中間タップに接続します。バッファ回路の出力に０．１μＦのセラミック・コンデンサを接続しましたが、これは無くてもかまいません。ただし、バッファ回路の出力配線が長い場合には、バッファ回路（μＰＣ４５１）が不安定になることがあります。一応、発振防止のために、セラミック・コンデンサを付けてあります。


＜注意事項＞


Vref+，Vref-端子を使ったＡ／Ｄ変換の動作確認回路
図１．Vref+，Vref-端子を使った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。
A／D変換入力端子の電圧範囲を見積ります。
ＶＤＤ＝５Ｖとして、
最小電圧＝５Ｖ×２．７ｋΩ／（４．７ｋΩ＋１０ｋΩ＋２．７ｋΩ）＝約０．７８Ｖ
最大電圧＝５Ｖ×（１０ｋΩ＋２．７ｋΩ）／（４．７ｋΩ＋１０ｋΩ＋２．７ｋΩ）＝約３．６５Ｖ
すなわち、約０．７８Ｖ〜３．６５Ｖまでの２．８７Ｖ幅になります。この設計において、表１のアナログリファレンス関連の仕様範囲を満たすかどうか確認します。表２に仕様と設計値を比較した結果を示します。（設計値は、いずれも仕様範囲内である）

表２．アナログリファレンス関連仕様と設計値との比較
記号 特性 設計値 仕様
Ｍｉｎ Ｔｙｐ Ｍａｘ
Ｖｒｅｆ アナログリファレンス電圧
（Vref+ − Vref-）		 ３．６５Ｖ−０．７８Ｖ
＝２．８７Ｖ		 ２．０Ｖ − VDD ＋ 0.3Ｖ
＝5V＋0.3V
＝５．３Ｖ
Ｖｒｅｆ＋ 正極アナログリファレンス電圧 ３．６５Ｖ AVDD − 2.5V
＝5V-2.5V
＝２．５Ｖ		 　 AVDD ＋ 0.3V
＝5V＋0.3V
＝５．３Ｖ
Ｖｒｅｆ− 負極アナログリファレンス電圧 ０．７８Ｖ AVSS − 0.3V
＝0V−0.3V
＝−０．３Ｖ		 　 VREF+ − 2.0V
＝3.65V−2.0V
＝１．６５Ｖ
ＶＡＩＮ アナログ入力電圧 ０．７８Ｖ〜３．６５Ｖ VSS - 0.3Ｖ
＝0V-0.3V
＝−０．３Ｖ		 − VREF+ ＋0.3Ｖ
＝3.65V＋0.3V
＝３．９５Ｖ



＜項目＞A/D変換動作確認プログラム（４）
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（４）」の項をご参照ください。

Ａ／Ｄ変換プログラム（４）のフローチャート
図２．A/D変換プログラム（４）
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。
＜ダウンロードする＞　　ファイル名：「adconv4.asm」　サイズ２．２８ｋ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。
＜ダウンロードする＞　　ファイル名：「adconv4.hex」　サイズ１６５バイト

プログラムリスト中、青字となっている行が、A/D変換プログラム（１）で変更された部分です。違いは、（６）の１行だけです。

;***********************************************************
; A/D変換動作チェックプログラム（４）
; A/D変換入力端子（CH0／RA0）
; A/D変換の結果はLED点灯により確認
; RB1(MSB),RB0,RD7,RD6,RD5,RD4,RD3,RD2,RD1,RD0(LSB)
; の１０ビット
; Vref+(CH3／RA3), Vref-(CH2／RA2) 端子を使用
; A/D 割り込みは使用せず、簡単のため GO ビットで判断
;***********************************************************
　　　　LIST　　　P=PIC16F877
　　　　INCLUDE 　P16F877.INC
 ;（１）プロセッサの種別指定
;（２）インクルードファイルの指定
;***********************************************************
; 変数定義とレジスタ割付
;***********************************************************
COUNT 　EQU 　20H

　　　　ORG 　0
 ;（３）ループカウンタ

;（４）プログラムの開始番地の指定
;***********************************************************
; 入出力ピン初期化
;***********************************************************
　　　　BSF 　　　STATUS,RP0
　　　　MOVLW 　　B'10001111'
　　　　MOVWF 　　ADCON1
　　　　CLRF　　　TRISB
　　　　CLRF　　　TRISD
　　　　BCF 　　　STATUS,RP0

　　　　MOVLW 　　B'10000001'
　　　　MOVWF 　　ADCON0
 ;（５）Bank 1 へ切替
 ;（６）RA0アナログ, Vref+, Vref-, 結果右詰
;（７）ADCON1レジスタの設定
;（８）PortB 出力モードに設定
;　　　PortD 出力モードに設定
;（９）Bank 0 へ戻す
;
;（10）Fosc/32,CH0 設定, A/D on
;（11）ADCON0レジスタの設定
;***********************************************************
; メインプログラム
;***********************************************************
ADSTART
　　　　CALL　　　TIME

　　　　BSF 　　　ADCON0,GO
WAIT
　　　　BTFSC 　　ADCON0,GO
　　　　GOTO　　　WAIT
　　　　MOVF　　　ADRESH,W
　　　　MOVWF 　　PORTB
　　　　BSF 　　　STATUS,RP0
　　　　MOVF　　　ADRESL,W
　　　　BCF 　　　STATUS,RP0
　　　　MOVWF 　　PORTD
　　　　GOTO　　　ADSTART
 ;
;（12）23.2μs 一定時間待つ
;　　（2TAD [2×1.6μｓ]＋アクィジション時間[20μｓ]）
;（13）A/D スタート
;（14）A/D が完了すると GOが0になる
;（15）GO 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
;（16）A/D データ上位（データは右詰）
;（17）PortBへ A/D 結果を出力
;（18）Bank 1 へ切替
;（19）A/D データ下位
;（20）Bank 0 へ戻す
;（21）PortDへ A/D 結果を出力
;（22）A/D 変換を繰り返す
;***********************************************************
;２３μｓ遅延サブルーチン（２０ＭＨｚクロック時）
;***********************************************************
TIME
　　　　MOVLW 　　25H
　　　　MOVWF 　　COUNT
　　　　NOP
LOOP
　　　　DECFSZ　　COUNT,F
　　　　GOTO　　　LOOP
　　　　RETURN

　　　　END
 ;
;（23）1サイクル 25H = 37
;（24）1サイクル
;（25）1サイクル 微調整ダミー
;
;（26）1×(37-1)＋2 = 38サイクル
;（27）2×(37-1) = 72サイクル
;（28）2サイクル
;　　　合計 115サイクル×0.2μｓ = 23μｓ
;（29）プログラム・ソースの終わり

【プログラムの説明（４）】
このプログラムについて、解説を加えておきましょう。ただし、プログラムリスト中、青字となっている（６）の行以外は、プログラムの説明（１）と同じです。
他の行の解説は、こちらをクリックしてご覧ください。

（６）RA0アナログ, Vref+, Vref-, 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。正極アナログリファレンス電圧端子(Vref+)は、３ピンの(RA3/AN3)であり、負極アナログリファレンス電圧端子(Vref-)は、２ピンの(RA2/AN2)となっています。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＝「1111」のとき、(RA0/AN0)がA/D変換入力ポートとなり、３ピンの(RA3/AN3)がVref+、２ピンの(RA2/AN2)がVref-に設定されます。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。

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＝「１」
ということで、Ｂ’１０００１１１１’　（８ＦＨ）をＷｒｅｇにロードする。


＜項目＞A/D変換動作の確認
テスターで各電圧を測定します。（Ａ点）の電圧は、実測 ３．６１８Ｖ、（Ｂ点）の電圧は、０．７７４Ｖでした。すなわち、入力電圧の可変幅は、２．８４４Ｖ（０．７７４Ｖ〜３．６１８Ｖ）となります。
理論値の計算ですが、たとえば入力電圧が、２Ｖであった場合には、
１０２３×（２Ｖ−０．７７４Ｖ）／２．８４４Ｖ＝４４２（数字は１０進表示、端数は四捨五入）
というように計算できます。
表３で、ターゲットボードの値と理論値を比べてみると、最大１ＬＳＢ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、
１／１０２３×２．８８４Ｖ＝約２．８ｍＶとなりました。

表３．A/D変換結果
A/D変換
入力電圧
（　）内は実測値		 出力結果
ターゲットボード 理論値
２進 １６進 １０進 ２進 １６進 １０進
最大電圧
（３．６１８Ｖ）		 Ｂ’１１１１１１１１１１’ Ｈ’３ＦＦ’ Ｄ’１０２３’ Ｂ’１１１１１１１１１１’ Ｈ’３ＦＦ’ Ｄ’１０２３’
３．０Ｖ
（３．００６Ｖ）		 Ｂ’１１００１０００１１’ Ｈ’３２３’ Ｄ’８０３’ Ｂ’１１００１０００１０’ Ｈ’３２２’ Ｄ’８０２’
２．５Ｖ
（２．５０１Ｖ）		 Ｂ’１００１１０１１１０１’ Ｈ’２６Ｄ’ Ｄ’６２１’ Ｂ’１００１１０１１０１’ Ｈ’２６Ｄ’ Ｄ’６２１’
２．０Ｖ
（２．００５Ｖ）		 Ｂ’０１０１１１１０１０’ Ｈ’１ＢＡ’ Ｄ’４４２’ Ｂ’０１１０１１１０１０’ Ｈ’１ＢＡ’ Ｄ’４４２’
１．５Ｖ
（１．５０４Ｖ）		 Ｂ’０１０００００１０１’ Ｈ’１０５’ Ｄ’２６１’ Ｂ’０１０００００１１０’ Ｈ’１０６’ Ｄ’２６２’
１．０Ｖ
（１．００３Ｖ）		 Ｂ’０００１０１０００１’ Ｈ’０５１’ Ｄ’０８１’ Ｂ’０００１０１００１０’ Ｈ’０５２’ Ｄ’０８２’
最小電圧
（０．７７５Ｖ）		 Ｂ’００００００００００’ Ｈ’０００’ Ｄ’０００’ Ｂ’００００００００００’ Ｈ’０００’ Ｄ’０００’



＜項目＞失敗例
アナログ入力部ですが、簡単のため可変抵抗と２つの固定抵抗を使い、バッファ回路を使用せずに、図３のように接続しました。

Vref+，Vref-端子を使ったＡ／Ｄ変換の動作確認回路＜失敗例＞
図３．Vref+，Vref-端子を使ったA/D変換の動作確認回路
失敗例

ここがポイント
Ｖｒｅｆ入力ポート(RA３/AN３)には、A/D 変換サイクル中で、１０μＡ程度の入力電流が流れます。
ＶＤＤから ４．７ｋΩを通して(RA３/AN３)ポートに、１０μＡ程度の電流が流れるとすると、４．７ｋΩ×１０μＡ＝４７ｍＶ変動します。これでは、A/D変換の測定分解能を上げる目的で構成した回路が、逆に変換精度を低下させていることになります。アナログ入力端子（特にＶｒｅｆ＋端子）には、必ずバッファ回路を接続して入力電流による電圧変動を抑えるか、または安定な電位に接続する必要があります。

表４．Ｖｒｅｆ入力電流の仕様（MicroChip社データシート参照）
記号 特性 仕様 備考
Ｍｉｎ Ｔｙｐ Ｍａｘ
ＩＲＥＦ Ｖｒｅｆ入力電流
（RA3ピン）		 １０μＡ − １０００μＡ VAIN 獲得中
− − １０μＡ A/D 変換サイクル中



＜前ページへ＞
＜ＴＯＰページへ＞


テレワークならECナビ Yahoo 楽天 LINEがデータ消費ゼロで月額500円〜！
無料ホームページ 無料のクレジットカード 海外格安航空券　海外旅行保険が無料！ 海外ホテル