AD変換器 - kumikomi-yitjc @ ウィキ

　電圧などのアナログ値をデジタル値（数値）に変換する装置（ハードウエア）をA/C変換器（Analog to Digital Converter）という。
例えば、図の様なアナログの信号（電圧値）があった時に①の点では、5.5Vであったとすると、AD変換器（以下、ADC）を使えば、この電圧値を数値に変換する事が出来る。
　　　　　　　　　　
　ADCでアナログ電圧を数値に変換する事を、サンプリングと言う。サンプリングの周期は、アナログ電圧の周波数に対して、十分短い事が要求される。具体的には、アナログ電圧の最大の周波数成分に対して2倍以上の速度でサンプルすれば良い事が知られている。（サンプリング定理）
　ただし、実用上は3倍以上、出来れば10倍程度の速度でサンプルすることが望ましい。
 

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H8/3052のADC

　H8/3052には、分解能10bitのADC（逐次比較型）が実装されている。スペックは、以下の通り。

1. 10 ビットの分解能
2. 入力チャネル：8 チャネル（AN0～AN7の信号線）
3. アナログ変換電圧範囲の設定が可能
4. 高速変換
   　　変換時間：1チャネル当たり最小5.4μs（25MHz動作時）
5. 単一モード／スキャンモードの2 種類の動作モードから選択可能
   　　単一モード：1チャネルのA/D変換
   　　スキャンモード：1～4チャネルの連続A/D変換
6. サンプル＆ホールド機能
7. 外部トリガ信号による、A/D 変換の開始が可能
8. A/D 変換終了割り込み要求を発生

■ADCの動作には２つのモードがある。

• 単一モード
  　指定した一つのチャネルで変換が終了したら、ADCは停止。
• スキャンモード
  　指定したチャネル（複数指定可）で連続して変換を行う。

■２．の入力チャネルについては切り替え式で、同時に変換できるチャネルは１つである。（一つのADCに対して、8本のアナログ信号線を切り替えて使う事が出来ると言う事。ただし、変換結果を保存するレジスタADDRxは別々になる。）
　AN0～AN7の各信号線に対して、ADCSR（ADCの設定レジスタ、後述）の設定により、変換結果が保存されるレジスタは、以下の通り。
   単一モードでの信号線とAD変換レジスタの関係は、以下の通り。
　　　　　　

　　単一モードでは、一つのチャネルに対して変換が終了すると、変換終了フラグ(ADF)を1にして、ADCは停止する。
　　スキャンモードでは、
　　　　　　
　　　　①～④の順で変換が繰り返される。変換が一巡するとADFが1になる。
 

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設定の手順

　以下の内容を決めたうえで、プログラミングを行う。

1. 　入力チャネルを決める。
2. 　変換モードを決める。
3. 　変換時間を決める。
4. 　割り込みを使うかどうかを決める。（AD変換終了時に発生する割り込み）
    

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実際のプログラミング

　ADCの設定はADCSRを通じて行う。ADCSRの各ビットに割り当てられた機能は、以下の通り。

　　　　　

• ADF
  AD変換の終了(単一モード。スキャンモードの場合は、CH2～CH0で設定した変換が一巡した時）に1にセットされる。1にセットされた値を0にクリアする場合は、ADCSRをリードした後に0を書き込む。初期値は0。

ADIEが1にセットされている場合、ADFが1になると、割り込みが発生する。

• ADIE
  ADIEを1にセットすると、AD変換終了時(ADIFが1）の時に、割り込み（ADI割り込み、ベクタテーブルの60番）が発生する。0にクリアすると、割り込みは発生しない。初期値は0。
   
• ADST
   1にセットするとAD変換を開始する。変換が終了すると、自動的に0にクリア。変換中に0を書き込むと、ADCは停止する。スキャンモードでは、0にクリアされるまで、変換を継続する。初期値は0。
   
• SCAN
  ADCの変換モードを単一モードにするか、スキャンモードにするかを選択する。0の時は単一モード。1でスキャンモード。モードの切り替えは、ADSTが0の時におこなうこと。初期値は0。
   
• CKS
  クロックセレクトを行う。CKSを0にクリアすると、１チャンネル当たり、266ステート（10.8μS～25MHz動作）、1にセットすると134ステート（5.4S～25MHz動作）で変換を終了する。初期値は0。
   
• CH2～CH0
  チャンネルセレクト。前述の説明を参照のこと。

■ ADDRｘレジスタの構成について
  AD変換の結果を保存するレジスタであるADDRA～ADDRDのビットの構成は、以下の通りになる。

　　

　変換結果は10ビット長であり、図のように、左詰めとなっているため、右に6ビットシフトする必要がある。

 

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変換結果とアナログ電圧の関係

　これまで説明したように、AN0～AN7に入力されるアナログ入力電圧は、ADCによって数値に変換される。この時、数値と実際の電圧との関係は、以下のようになる。

　

　ADCの分解能は10bit（0～1023の数値を表現できる）なので、入力電圧の上限を5Vとすると、この間を1024等分する事になる。つまり、

入力電圧[V]　＝　5 ／ 1024 ×　変換後の数値

 　ということになる。

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【 スキャンモードを用いたプログラミング例 】

#include "monitor.h" #define ADCSR (*(volatile unsigned char *)0xFFFFE8) #define ADDRA (*(volatile unsigned int *)0xFFFFE0) #define ADDRB (*(volatile unsigned int *)0xFFFFE2) #define ADDRC (*(volatile unsigned int *)0xFFFFE4) #define ADDRD (*(volatile unsigned int *)0xFFFFE6) int main() {     unsigned long w;     unsigned int ad_result;    ADCSR = 0x30;  // スキャンモード、266ステートで変換、AN0を入力チャネルに設定     while(1) {         while ((ADCSR & 0x80) == 0); // 変換終了を待つ（ADF=1）        ADCSR &= 0x7F;// ADCSRのADFを0にクリア                 ad_result = ADDRA >> 6;  // 6ビット右シフトして、桁を合わせる         printf("%d\n", ad_result);         for (w=0;w<0x8FFFF;w++);     } }

【単一モードを用いたプログラミング例】

#include "monitor.h" #define ADCSR (*(volatile unsigned char *)0xFFFFE8) #define ADDRA (*(volatile unsigned int *)0xFFFFE0) #define ADDRB (*(volatile unsigned int *)0xFFFFE2) #define ADDRC (*(volatile unsigned int *)0xFFFFE4) #define ADDRD (*(volatile unsigned int *)0xFFFFE6) int main() {     unsigned long w;     unsigned int ad_result;    ADCSR = 0x00;  // 単一モード、266ステートで変換、AN0を入力チャネルに設定;     while(1) {         ADCSR |= 0x20;   // ADCスタート（ADST=1）         while ((ADCSR & 0x80) == 0);  // 変換終了を待つ（ADF=1）        ADCSR &= 0x7F;  // ADCSRのADFを0にクリア                 ad_result = ADDRA >> 6;  // 6ビット右シフトして、桁を合わせる         printf("%d\n", ad_result);         for (w=0;w<0x8FFFF;w++);     } }