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ＰＩＣ１６Ｆ８７３のＡ／Ｄコンバータ機能

Ａ／Ｄコンバータ機能はアナログの入力信号の電圧を計測し、計測結果をデジタル情報に変換する機能です。PIC16F873では１０ビットのデジタル情報に変換します。ですから、計測の最大範囲に対して1/1024の精度で計測することができます。最大計測範囲を０Ｖから＋５Ｖまでの５Ｖとすると5/1024=0.004883（約５mV）の精度で計測できることになります。 入力ポート PIC16F873では最大５ポートをアナログ入力ポートに指定することができます。Ａ／Ｄ変換をするモジュールは１つしかないので、同時には１ポートの測定しかできません。でも、各ポートを順番に計測すれば、複数のポートの電圧を計測することはできます。一回の測定は約４０μ秒なので、多少変動のあるアナログ電圧でもポートを切り替えながら測定することができると思います。周波数の高い信号の測定はできません。 PCFG 3210 ポート 備考 AN4 AN3 AN2 AN1 AN0 0000 A A A A A 0001 A VREF+ A A A 0010 A A A A A 0000と同じ 0011 A VREF+ A A A 0001と同じ 0100 D A D A A 0101 D VREF+ D A A 0110 D D D D D 0111 D D D D D 0110と同じ 1000 A VREF+ VREF- A A 1001 A A A A A 0000と同じ 1010 A VREF+ A A A 0001と同じ 1011 A VREF+ VREF- A A 1000と同じ 1100 A VREF+ VREF- A A 1000と同じ 1101 D VREF+ VREF- A A 1110 D D D D A 1111 D VREF+ VREF- D A どのポートをアナログポートにするかはADCON1レジスタのPCFG0からPCFG3の４ビットで指定します。この４ビットで指定できるパターンはあらかじめ決められているので、その中から選択します。 Ａ／Ｄ変換モジュールに接続するポートはADCON0レジスタのCHS0,CHS1およびCHS2で指定します。ここで指定されるポートはTRISAレジスタの該当ビットを１にして入力モードにする必要があります。 同じパターンがあるのは、このパターンがPIC16F87xシリーズで共用にしているためです。 PIC16F874/877(40ピンタイプ)は上記ポート以外にAN5,AN6,AN7を持っており、そのパターンも考慮されています。 A:アナログポート D:デジタルポート VREF+:上限基準電圧 VREF-:下限基準電圧 計測レンジと計測精度 計測レンジはVSS(0V)からVDD(+5V)の範囲が基本ですが、それ以外にVREF-(下限電圧）とVREF+(上限電圧）で設定することができます。ただし、VREF-,VREF+ともVSSからVDDの範囲内でなければいけません。 例えば低電圧側をVSSとし、高電圧側をVREF+で３Ｖと設定した場合、計測範囲は３Ｖになります。この範囲が1/1024の精度で計測されるので、この場合の計測精度は3/1024=0.002929(約３mV）になります。 VREF-またはVREF+を使うのにはADCON1レジスタのPCFG0-3のパターンで指定します。 計測レンジとしてADCON1レジスタのPCFG0からPCFG3のパターン指定でVREF-とVREF+が指定されている場合にはAN2およびAN3に入力される電圧の差が計測範囲になります。 VREF+だけが指定されている場合、下限電圧はVSSになります。 VREF-、VREF+が指定されていない場合、下限電圧はVSS、上限電圧はVDDになります。 Ａ／Ｄ変換の結果 アナログ電圧をA/D変換した結果はADRESHおよびADRESLレジスタに格納されます。この２つのレジスタは組み合わせて１つの１６ビットのレジスタとして使われます。ADRESHが上位側、ADRESLが下位側です。変換された結果は１０ビットなので１６ビットの下側に寄せるか、上側に寄せるかを指定することができます。ADCON1レジスタのADFMビットがその指定ビットで、１は右寄せ、０は左寄せになります。 アナログ電圧の計測の仕組み Ａ／Ｄモジュールではアナログ入力ポートに加えられた電圧によりモジュール内部のサンプル／ホールド・コンデンサを充電し、このコンデンサの電圧を測定してデジタル値に変換します。ですから、入力ポート（チャネル）をADCON0レジスタのCHS0,CHS1およびCHS2で指定した後、コンデンサの充電が完了するまで変換開始を待つ必要があります。この時間は自動的には行われないので、ソフトウェアの処理でチャネル指定してから変換開始指示までのタイミングをとる必要があります。この時間は約２０μ秒です。 充電完了を見計らってＡ／Ｄ変換を開始させます。変換時間は変換クロックにより異なりますが最短で約２０μ秒です。変換中、入力ポートは変換モジュールから切り離されるので、変換中に入力電圧が変動しても、変換結果に影響しません。 Ａ／Ｄ変換はADCON0レジスタのGOビットを１に設定することにより開始されます。変換が完了するとGOビットが０になります。変換完了を検出する方法はGOビットが０になるかどうかを周期的に確認する方法と割り込み機能を使う方法があります。割り込み機能を使った場合(PIEレジスタのADIEビットおよびINTCONレジスタのGIEビットを１に設定)、変換が完了するとPIR1レジスタのADIFビットに１が立ち、割り込み動作が行われます。 アナログ入力電圧によりサンプル／ホールド・コンデンサ(CHOLD)が充電される回路は左図のようになります。サンプル・スイッチ(SS)が閉じた時に充電が行われます。ダイオードはVDD以上の電圧または接地以下の電圧が入力に加わった場合の保護用です。 CHOLD: ｻﾝﾌﾟﾙ/ﾎｰﾙﾄﾞ･ｺﾝﾃﾞﾝｻ ( 120pF ) RSS: ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ･ｽｲｯﾁ抵抗( VDD=5Vで約7KΩ ) SS: ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ･ｽｲｯﾁ RIC: 内部抵抗 ( =<1KΩ ) CPIN: 入力容量 ( 5pF ) ANx: 入力ピン RS: 被測定回路内部抵抗 ( =<10KΩ ) VA: 被測定アナログ電圧 Ａ／Ｄ変換クロック Ａ／Ｄ変換動作はＡ／Ｄ変換クロックに基づいて動作します。１ビットの変換を行うのには約１．６μ秒の時間が必要です。(TAD) ADCON0レジスタのADCS0ビットおよびADCS1ビットで４種類のクロックパターンを選択することができます。変換時間は１．６μ秒あれば良いので、これ以上長くしても変換に時間がかかるだけなので、なるべく１．６μ秒に近づけた方が良いわけです。Ａ／Ｄ変換クロックはPICのデバイスクロックをベースにしているので、１．６μ秒に近づけるように選択します。 パターンは４種類しかないので、以下のような選択基準になります。 デバイスクロック 選択 ADCS1 ADCS0 計算 1.25MHz以下 Fosc/2 0 0 (1/1.25)*2=1.6μS 5MHz以下 Fosc/8 0 1 (1/5)*8 =1.6μS 20MHz以下 Fosc/32 1 0 (1/20)*32=1.6μS 内部RCクロック RC 1 1 約4μS RCはSLEEPモードでＡ／Ｄ変換を行うときに使用します。 PIC16F873では変換に１２ビット相当の時間がかかります。実際に変換するのは１０ビットですが、前後に１ビットづつ前処理時間、後処理時間がかかります。１ビットの変換時間を１．６μ秒とした場合、変換時間は1.6x12=19.2μ秒になります。１ビットの変換時間がもっと長い場合にはもっと時間がかかります。１０ＭＨｚクロックの場合、Fosc/32を選択することになり、その場合の１ビット変換時間は(1/10)*32=3.2μ秒で１２ビット相当では３８．４μ秒かかることになります。 Ａ／Ｄコンバータのソフトウェア処理概要 割り込み処理を使用しない場合 １．Ａ／Ｄモジュールの構成を設定 （初期化処理） アナログポート、基準電圧ポート、デジタルポートを構成 ADCON1/PCFG0-3 Ａ／Ｄ変換クロックを選択 ADCON0/ADCS0-1 Ａ／ＤモジュールをＯＮ状態にする ADCON0/ADON ２．入力チャネル指定 Ａ／Ｄ入力ポートを選択 ADCON0/CHS0-2 ３．サンプル／ホールド・コンデンサ充電時間確保 入力取得時間経過を待つ 20μ秒 ４．変換開始 変換開始ビットを設定 ADCON0/GO=1 ５．変換終了確認 変換開始ビットがクリアされるのを周期的にチェックする ADCON0/GO=0? ６．変換結果読み込み 変換結果レジスタを読み込む ADRESH,ADRESL ７．次の変換のために１．または２．を必要に応じて実行 割り込み処理を使用する場合 １．Ａ／Ｄモジュールの構成を設定 （初期化処理） アナログポート、基準電圧ポート、デジタルポートを構成 ADCON1/PCFG0-3 Ａ／Ｄ変換クロックを選択 ADCON0/ADCS0-1 Ａ／ＤモジュールをＯＮ状態にする ADCON0/ADON ２．入力チャネル指定 Ａ／Ｄ入力ポートを選択 ADCON0/CHS0-2 ３．割り込み条件を設定 Ａ／Ｄ割り込みビットをクリア PIR1/ADIF=0 Ａ／Ｄ割り込み使用ビットを設定 PIE/ADIE=1 グローバル割り込み使用ビットを設定 INTCON/GIE=1 ４．サンプル／ホールド・コンデンサ充電時間確保 入力取得時間経過を待つ 20μ秒 ５．変換開始 変換開始ビットを設定 ADCON0/GO=1 ６．変換終了確認 割り込みを待つ ７．変換結果読み込み 変換結果レジスタを読み込む ADRESH,ADRESL Ａ／Ｄ割り込みビットをクリア PIR1/ADIF=0 ８．次の変換のために１．または２．を必要に応じて実行 割り込み処理を使う場合には、基本処理と割り込み処理の機能分担を検討する必要があります。 SLEEPモードでのＡ／Ｄ変換 PIC動作の雑音がＡ／Ｄ変換に影響しないようにSLEEP状態でＡ／Ｄ変換を実行することができます。 SLEEPモードで変換する場合にはＡ／Ｄ変換クロックとしてRC発振器を使う必要があります。RC発振器にするのにはADCON0レジスタのADCS0およびADCS1を両方とも１に設定します。この場合、１ビットの変換時間は約４μ秒になります。SLEEPモードにするタイミングはADCON0レジスタのGOビットを１にして変換起動指示をした直後のステップでSLEEP命令を実行してPICをSLEEPモードにします。SLEEPモードの解除は割り込み動作で行われるので、変換完了確認は割り込み方式を使う必要があります。