A/D (Analog to Digital Converter)

このページでは、おもに10bitのA/Dについて取り上げます。12bitとは異なる点があることに注意してください。

A/Dコンバータの種類

dsPICのA/Dコンバータはデバイスによって異なり、大別すると次の3種があります。ここではType2のA/Dコンバータを例に解説します。

Type	分解能 Resolution	チャンネル数 Channel	変換速度 Conversion speed	ライブラリファイル Library file
1	12bit	16	100kspsまたは200ksps^※1	adc12.h^※2
2	10bit	16	500kspsまたは1Msps	adc10.h
3	10bit	12	2Msps	?

※1 sps (Sampling Per Second)
※2 dsPIC33FまたはPIC24Hは、adc.h

ライブラリ

ライブラリファイルはadc10.hをインクルードします。

ライブラリはA/Dコンバータの種類によって異なり、誤ったライブラリをインクルードした場合はコンパイルエラーとなります。ただしこのときのエラーは、

error: 'ADC_MODULE_ON' undeclared (first use in this function)
error: 'ADC_IDLE_STOP' undeclared (first use in this function)
error: 'ADC_FORMAT_INTG' undeclared (first use in this function)
 ...

のように、定数が宣言されていないことを通知するのみです。このような結果になる理由は、ライブラリ全体が

#if defined (__dsPIC30F2010__) || defined (__dsPIC30F3010__) || \
    defined (__dsPIC30F4012__) || defined (__dsPIC30F3011__) || \
    defined (__dsPIC30F4011__) || defined (__dsPIC30F6010__) || \
    defined (__dsPIC30F5015__) || defined (__dsPIC30F6010A__) || \
    defined (__dsPIC30F5016__) || defined (__dsPIC30F6015__)
 ...
#endif

のようなプリプロセッサディレクティブで囲まれているためです。

関数、マクロ

関数

用途	関数	説明
初期化	OpenADC10	ADCの設定をする
初期化	CloseADC10	ADCモジュールを無効にし、割り込みも無効にする
A/D変換	SetChanADC10	入力チャンネルを指定する
	ConvertADC10 (StopSampADC10)	A/D変換を開始する
	BusyADC10	AD変換の状態を取得する
	ReadADC10	ADCバッファレジスタから読み込む
割り込み	ConfigIntADC10	ADCの割り込みを設定する

dsPIC30F ADC10 Peripheral Module Library Help

マクロ

マクロ	説明
EnableIntADC
DisableIntADC
SetPriorityIntADC

レジスタ (Register)

ADCON1 (A/D CONtrol 1)
ADCON2 (A/D CONtrol 2)
ADCON3 (A/D CONtrol 3)

ADCHS (A/D CHannel Select) … A/Dコンバータからの入力チャンネル
ADPCFG (A/D Port ConFiGuration) … ピンのアナログ・デジタル指定
ADCSEL (A/D Channel scan SELection) … 自動スキャンに含めるチャンネル
ADCBUFn (ADC data BUFfer) … A/D変換結果を格納するバッファ

区分	SFR名	アドレス	Bit 15	Bit 14	Bit 13	Bit 12	Bit 11	Bit 10	Bit 9	Bit 8	Bit 7	Bit 6	Bit 5	Bit 4	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0	リセット後の値
ADCONx (制御)	ADCON1	02A0	ADON	-	ADSIDL	-	-	-	FORM<1:0>		SSRC<2:0>			-	SIMSAM	ASAM	SAMP	DONE	0000 0000 0000 0000
	ADCON2	02A2	VCFG<2:0>			-	-	CSCNA	CHPS<1:0>		BUFS	-	SMPI<3:0>				BUFM	ALTS	0000 0000 0000 0000
	ADCON3	02A4	-	-	-	SAMC<4:0>					ADRC	-	ADCS<5:0>						0000 0000 0000 0000
ADCHS (チャンネル選択)	ADCHS	02A6	CHXNB<1:0>		CHXSB	CH0NB	CH0SB<3 :0>				CHXNA<1:0>		CHXSA	CH0NA	CH0SA<3:0>				0000 0000 0000 0000
ADPCFG (ポート設定)	ADPCFG	02A8	PCFG15	PCFG14	PCFG13	PCFG12	PCFG11	PCFG10	PCFG9	PCFG8	PCFG7	PCFG6	PCFG5	PCFG4	PCFG3	PCFG2	PCFG1	PCFG0	0000 0000 0000 0000
ADCSEL (スキャン選択)	ADCSSL	02AA	CSSL<15:0>																0000 0000 0000 0000
ADCBUFx (バッファ)	ADCBUF0	0280	ADC Data Buffer 0																未知
	...	...	...
	ADCBUFF	029E	ADC Data Buffer 15

Table 17-10: ADC Register Map (DS70064E)

ブロック図

10bit A/D

図のようにS/H回路 (Sample Hold) が4つあるため、4つの信号を同時に入力できます。

12bit A/D

初期化

void OpenADC10(
    unsigned int config1,      // ADCON1レジスタ (A/D Control1) の値
    unsigned int config2,      // ADCON2レジスタ (A/D Control2) の値
    unsigned int config3,      // ADCON3レジスタ (A/D Control3) の値
    unsigned int configport,   // ADPCFGレジスタ (A/D Port Configuration) の値
    unsigned int configscan    // ADCSELレジスタ (A/D Input Scan Selection) の値
    )

第1引数config1の定数 (ADCON1)
区分	定数	説明
A/Dコンバータ有効/無効	ADC_MODULE_ON	A/Dコンバータ有効
A/Dコンバータ有効/無効	ADC_MODULE_OFF	A/Dコンバータ無効
アイドルモード時の動作	ADC_IDLE_CONTINUE	A/D Operate in Idle mode
アイドルモード時の動作	ADC_IDLE_STOP	A/D Stop in Idle mode
出力データ書式 Output Formats	ADC_FORMAT_SIGN_FRACT	符号付き小数
	ADC_FORMAT_FRACT	小数
	ADC_FORMAT_SIGN_INT	符号付き整数
	ADC_FORMAT_INTG	整数
変換トリガーソース選択 SSRC:Conversion Trigger Source Select	ADC_CLK_AUTO	内部カウンター (自動変換)
	ADC_CLK_MPWM	モーター制御PWM (MPWM) インターバル
	ADC_CLK_TMR	タイマー比較
	ADC_CLK_INT0	INT0ピンのアクティブへの変化
	ADC_CLK_MANUAL	サンプル有効化 (SAMP) ビットのクリア (手動変換)
同時サンプル選択 Simultaneous sampling	ADC_SAMPLE_SIMULTANEOUS	複数チャンネルを同時にサンプリングする
同時サンプル選択 Simultaneous sampling	ADC_SAMPLE_INDIVIDUAL	複数チャンネルを順にサンプリングする
自動サンプリング有効/無効	ADC_AUTO_SAMPLING_ON	自動サンプリング
自動サンプリング有効/無効	ADC_AUTO_SAMPLING_OFF	手動サンプリング
サンプリング	ADC_SAMP_ON	開始 (サンプリング中)
サンプリング	ADC_SAMP_OFF	停止 (ホールド中)

第2引数config2の定数 (ADCON2)
区分	定数	説明
電圧リファレンス Voltage reference	ADC_VREF_AVDD_AVSS	※下表を参
	ADC_VREF_EXT_AVSS
	ADC_VREF_AVDD_EXT
	ADC_VREF_EXT_EXT
CH0のスキャン有効/無効	ADC_SCAN_ON	A/D Scan Input Selections for CH0 during SAMPLE A
CH0のスキャン有効/無効	ADC_SCAN_OFF	A/D Do notScan Input Selections for CH0+ during SAMPLE A
使用チャンネル	ADC_CONVERT_CH_0ABC	CH0、CH1、CH2、CH3を変換
	ADC_CONVERT_CH_0A	CH0、CH1を変換
	ADC_CONVERT_CH0	CH0を変換
割り込み頻度 (バッファの使用数)	ADC_SAMPLES_PER_INT_`n`	n回のサンプリングと変換の完了ごとに割り込む (nは1～16のいずれか) ここで設定されたn個まで、バッファ (ADCBUFx) に変換結果が格納される
バッファモード選択	ADC_ALT_BUF_ON	2つの8ワードバッファ
バッファモード選択	ADC_ALT_BUF_OFF	1つの16ワードバッファ
交互入力サンプルモード	ADC_ALT_INPUT_ON	MUXAとMUXBを交互に使用する
交互入力サンプルモード	ADC_ALT_INPUT_OFF	MUXAだけを使用する

第3引数config3の定数 (ADCON3)
区分	定数	説明
自動サンプル時間^※1	ADC_SAMPLE_TIME_`n`	n Tabの自動サンプル時間 (nは0～31のいずれか) 自動変換の時間として使用される
変換クロックソース	ADC_CONV_CLK_INTERNAL_RC	内部RCクロック
変換クロックソース	ADC_CONV_CLK_SYSTEM	システムクロック
変換クロック	ADC_CONV_CLK_`n`Tcy	nは、空欄または2～32のいずれか
変換クロック	ADC_CONV_CLK_`n`Tcy2	nは、空欄または3,5,7,…,59,61,63のいずれか

※1 自動サンプリングが無効 (手動) のとき、自動サンプル時間の設定は無視されます。

入出力ピンを、アナログまたはデジタルに指定します。

アナログ入力とするピンは、対応するTRISビットが'1'となり、入力に設定されている必要があります。なお既定では、リセット時には入力に設定されています。

第4引数configportの定数 (ADPCFG)
	説明
ENABLE_ALL_DIG	すべてのピンをデジタルモードにする
ENABLE_ALL_ANA	すべてのピンをアナログモードにする
ENABLE_AN`n`_ANA	AN`n`ピンをアナログモードにする (nは0～15のいずれか)

自動スキャンに含めるピンを指定します。

第5引数configscanの定数 (ADCSEL)
定数	説明
SCAN_NONE	Skip AN0-AN15 for Input Scan
SCAN_ALL	Enable AN0-AN15 for Input Scan
SKIP_SCAN_AN`n`	Skip AN`n` for Input Scan (nは0～15のいずれか)

出力データ書式 (Output Formats)

バッファへの格納形式
書式	符号ビット	データ
符号付き小数 (signed fractional)	最上位ビット	左寄せ
小数 (fractional)	なし	左寄せ
符号付き整数 (signed integer)	最上位ビット	右寄せ
整数 (integer)	なし	右寄せ

各フォーマットのバッファへの格納例
V_IN	V_REF	10bit 出力コード	16bit フォーマット
V_IN	V_REF	10bit 出力コード	整数	符号付き整数	小数	符号付き小数
1023	1024	11 1111 1111	0000 0011 1111 1111	0000 0001 1111 1111	1111 1111 1100 0000	0111 1111 1100 0000
1023			= 1023	= 511	= 0.999	= 0.499
1022		11 1111 1110	0000 0011 1111 1110	0000 0001 1111 1110	1111 1111 1000 0000	0111 1111 1000 0000
1022			= 1022	= 510	= 0.998	= 0.498
...		...
513		10 0000 0001	0000 0010 0000 0001	0000 0000 0000 0001	1000 0000 0100 0000	0000 0000 0100 0000
513			= 513	= 1	= 0.501	= 0.001
512		10 0000 0000	0000 0010 0000 0000	0000 0000 0000 0000	1000 0000 0000 0000	0000 0000 0000 0000
512			= 512	= 0	= 0.500	= 0.000
511		01 1111 1111	0000 0001 1111 1111	1111 1111 1111 1111	0111 1111 1100 0000	1111 1111 1100 0000
511			= 511	= -1	= 0.499	= -0.001
...		...
1		00 0000 0001	0000 0000 0000 0001	1111 1110 0000 0001	0000 0000 0100 0000	1000 0000 0100 0000
1			= 1	= -511	= 0.001	= -0.499
0		00 0000 0000	0000 0000 0000 0000	1111 1110 0000 0000	0000 0000 0000 0000	1000 0000 0000 0000
0			= 0	= -512	= 0.000	= -0.500

Figure 17-23: Numerical Equivalents of Various Result Codes (DS70064E)

自動サンプリング

サンプリングのタイミングが重要な場合には「手動」で、さもなくば「自動」を指定します。

手動 (ADC_AUTO_SAMPLING_OFF)

サンプル有効化 (SAMP) ビットを'1'とした後に、サンプリングを開始します。

自動 (ADC_AUTO_SAMPLING_ON)

最後の変換完了後、ただちにサンプリングを開始します。

変換トリガーソース選択 (Conversion Trigger Source Select)

変換トリガーソースは、サンプリングの停止とA/D変換の開始方法を設定します。有効な変換トリガーソースは、デバイスの種類によって異なります。

変換トリガーソースは、A/Dモジュールが無効の状態でなければ変更できません。

手動変換 (ADC_CLK_MANUAL)

SAMPビットを'1'とするとサンプリングを開始し、'0'とするとサンプリングを停止し変換を開始します。サンプリング時間の調整もソフトウェアにより行う必要があります。

自動変換 (ADC_CLK_AUTO)

内部カウンターに基づき、サンプリングの開始と停止を行います。このときサンプリング時間 (T_SMP) は、

T_SMP = SAMC * T_AD

であり、自動サンプル時間 (SAMC) とアナログモジュールクロック (TAD) により決定されます。

電圧リファレンス (Voltage reference)

A/D変換のための電圧リファレンスを設定します。

電圧リファレンスにするピン
定数	Vref+	Vref-	基準
ADC_VREF_AVDD_AVSS	AV_DD	AV_SS	モジュール電源
ADC_VREF_EXT_AVSS	V_REF+	AV_SS	モジュール電源と参照電圧
ADC_VREF_AVDD_EXT	AV_DD	V_REF-	モジュール電源と参照電圧
ADC_VREF_EXT_EXT	V_REF+	V_REF-	参照電圧

電圧リファレンスに使用するピンは、次の特性を持ちます。

電気特性
分類	記号	説明	電圧範囲^※1
分類	記号	説明	下限 [V]	上限 [V]
モジュール電源	AV_DD	供給電源	V_DD - 0.3 または 2.7の大きい方	V_DD + 0.3 または 5.5の小さい方
モジュール電源	AV_SS	グラウンド	V_SS - 0.3	V_SS + 0.3
参照電圧	V_REF+	参照電圧の上限	AV_SS + 2.7	AV_DD
参照電圧	V_REF-	参照電圧の下限	AV_SS	AV_DD - 2.7

※1 dsPIC30F4012の値

自動スキャン (Auto Scan)

あらかじめ指定されたピンを、自動で連続してA/D変換します。その結果はバッファに保存されます。

変換クロック (A/D Conversion Clock)

A/D変換のクロック源には、

内部RCクロック … 変換時間は一定、SLEEPでも有効
システムクロック … 変換時間は変更可、SLEEPでは停止

の2種類があります。

アナログモジュールクロック (T_AD)

A/D変換のタイミングはアナログモジュールクロック (T_AD) により制御され、デバイス命令クロック周期 (T_CY) と変換クロック選択ビット (ADCS) により、次式により決定されます。

F_CY = オシレータ周波数 * PLLの乗数 / 4

T_CY = 1 / F_CY

T_AD = T_CY (ADCS + 1 ) / 2

正常にA/D変換をするためには、T_ADが167ns以上となるようにクロックを選択する必要があります。

T_ADの時間
クロックソース		デバイス命令クロック周期 (T_CY) / 命令サイクルクロック (F_CY)
クロック	ADCS	50ns / 20MHz	100ns / 10MHz	1000ns / 1MHz
T_CY2	00 0000	^※1 25ns	^※1 50ns	500ns
T_CY	00 0001	^※1 50ns	^※1 100ns	1000ns
3T_CY2	00 0010
2T_CY	00 0011	^※1 100ns	200ns	2000ns
5T_CY2	00 0100
3T_CY	00 0101	^※1 150ns	400ns	3000ns
7T_CY2	00 0110
4T_CY	00 0111	200ns	400ns	4000ns
RC^※2	xx xxxx	200 - 400ns

※1 T_ADの最低値 167nsを下回るため、無効な値となります。
※2 内部RCクロックは、変換クロック選択ビットの影響を受けません。

A/D変換には12クロック周期が必要なため、変換にかかる時間はT_ADの12倍となります。

A/D変換の実行

A/D変換は、次の手順で行います。

チャンネルを指定する (SetChanADC10)
サンプリングを開始する (※自動サンプリングが無効の場合のみ)
A/D変換を開始する (ConvertADC10) (※手動変換の場合のみ)
変換終了まで待機する (BusyADC10)
変換結果を読み込む (ReadADC10)

手順2のサンプリング開始では、サンプルホールド回路 (S/H回路) へのアナログ入力のチャージを開始します。そして手順3でそれのA/D変換を開始し、変換結果をバッファに格納します。

サンプリングとA/D変換は別の工程です。

1. チャンネルの指定

A/D変換を行うには、どのA/Dコンバータから入力をするのか、まずそのチャンネルを指定する必要があります。

void SetChanADC10( unsigned int channel )

引数のchannelに指定できる値は、次の定数のいずれかです。

	チャンネル数	Mux A^※1	Mux B
正側	単一	ADC_CH0_POS_SAMPLEA_AN0	ADC_CH0_POS_SAMPLEB_AN0
		ADC_CH0_POS_SAMPLEA_AN1	ADC_CH0_POS_SAMPLEB_AN1
		…	…
		ADC_CH0_POS_SAMPLEA_AN15	ADC_CH0_POS_SAMPLEB_AN15
	複数	ADC_CHX_POS_SAMPLEA_AN0AN1AN2	ADC_CHX_POS_SAMPLEB_AN0AN1AN2
	複数	ADC_CHX_POS_SAMPLEA_AN3AN4AN5	ADC_CHX_POS_SAMPLEB_AN3AN4AN5
負側	単一	ADC_CH0_NEG_SAMPLEA_NVREF	ADC_CH0_NEG_SAMPLEB_NVREF
	単一	ADC_CH0_NEG_SAMPLEA_AN1	ADC_CH0_NEG_SAMPLEB_AN1
	複数	ADC_CHX_NEG_SAMPLEA_NVREF	ADC_CHX_NEG_SAMPLEB_NVREF
		ADC_CHX_NEG_SAMPLEA_AN6AN7AN8	ADC_CHX_NEG_SAMPLEB_AN6AN7AN8
		ADC_CHX_NEG_SAMPLEA_AN9AN10AN11	ADC_CHX_NEG_SAMPLEB_AN9AN10AN11

※1 Mux = Multiplexer (マルチプレクサ)

正入力と負入力を対応するように設定します。

SetChanADC10(
    ADC_CH0_POS_SAMPLEA_AN0 &
    ADC_CH0_NEG_SAMPLEA_NVREF );

アナログ入力マルチプレクサは、MUXAとMUXBの2つの入力設定構成をサポートしており、A/D変換の合間に構成を切り替えて使用できます。

2. サンプリングの開始

この処理は、自動サンプリングが無効とされている場合のみ有効です。

サンプル有効化 (SAMP) ビットを'1'とします。

ADCON1bits.SAMP = 1;

3. 変換の開始

この処理は、変換トリガーソース選択で手動変換が選択されている場合のみ有効です。

A/Dコンバータのサンプリングを停止し、変換の開始を指示します。これは「ADCON1bits.SAMP = 0」とするのと同義です。

void ConvertADC10( void )

または、

#define StopSampADC10 ConvertADC10

のように定義されているため、StopSampADC10()でも同様です。

4. 変換完了の待機

A/D変換が完了するのを待ちます。変換の完了はADCON1<DONE>で確認でき、関数ではBusyADC10()を用います。

char BusyADC10( void )

ただ、この関数はADCON1<DONE>とは逆の値を返すことに注意が必要です。

ADCON1<DONE>とBusyADC10()の戻り値
	A/D変換中	A/D変換完了
ADCON1<DONE>	0	1
BusyADC10()	1	0

単純に変換完了を待つだけならば、次のようにします。

while( BusyADC10() );

または、

while( ! ADCON1bits.DONE );

としても同様です。ただしこの方法ではループを抜けられなくなる恐れがあるため、後述の割り込みを使用します。

変換時間の算出

5. 変換結果の読み込み

バッファのインデックスを指定して、バッファから変換結果を読み込みます。

unsigned int ReadADC10( unsigned char bufIndex )

SMPI (ADCON2<5:2>) で設定される割り込み頻度が1のとき、変換結果はつねにインデックス0のバッファに書き込まれます。

割り込み (Interrupt)

A/D変換の完了で割り込みが発生します。

許可、禁止

/* Macros to Enable/Disable interrupts of ADC module */
#define EnableIntADC     IEC0bits.ADIE = 1
#define DisableIntADC    IEC0bits.ADIE = 0

割り込み優先順位

#define SetPriorityIntADC( priority )    IPC2bits.ADIP = ( priority )

設定

ConfigIntADC10()で、割り込みの許可、禁止および割り込み優先順位を一括して設定できます。

void ConfigIntADC10( unsigned int config )

/* Setting the priority of adc interrupt */
#define ADC_INT_PRI_0                   0xFFF8
#define ADC_INT_PRI_1                   0xFFF9
#define ADC_INT_PRI_2                   0xFFFA
#define ADC_INT_PRI_3                   0xFFFB
#define ADC_INT_PRI_4                   0xFFFC
#define ADC_INT_PRI_5                   0xFFFD
#define ADC_INT_PRI_6                   0xFFFE
#define ADC_INT_PRI_7                   0xFFFF

/* enable / disable interrupts */
#define ADC_INT_ENABLE                  0xFFFF
#define ADC_INT_DISABLE                 0xFFF7

参考

Section 17. 10-bit A/D Converter (DS70064E)
dsPIC30Fファミリーリファレンスマニュアル (DS70046B_JP)
17章「10ビットA/D コンバータ」
dsPIC30F ADC10 Peripheral Module Library Help/Microchip/MPLAB C30/docs/periph_lib/dsPIC30F_ADC10_Library_Help.htm