別シリーズでSAR型ADCの原理回路の実験をしました。しかしアナログ部分のみ、SAR（逐次比較）らしいデジタルの２分検索のステートマシンは実装せず、「また後で」などと書いてました。そこで今回はArduinoを使って「２分検索部分」をプログラムしてステートマシンで制御できそ～（でも不安あり）なところをやってみます。
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※今回実験に使用のArduino Unoは立派な10 bit ADC搭載なのでわざわざADCを外付けすることはないでしょう。
４ビットＳＡＲ型ＡＤＣの原理回路
別シリーズでやったのは「４ビット」の回路です。ザックリした動作原理を復習すると以下のとおり。
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- ４ビットのデジタル出力でＲ２Ｒラダーを制御しアナログ比較電圧を出力する（ＤＡＣ部分。）
- 上記の比較電圧と測定すべきアナログ入力電圧をコンパレータで比較して、電圧の大小関係を０、１のデジタルな結果として読み取る
- ２分検索の要領で、デジタル出力を上位ビットから決めて行けば所定のビット数だけの繰り返しで「近しい」デジタル値を決定することができる。
今回はArduino Unoを「ステートマシン」として使ったので回路は以下のようになりました。Ｄ３からＤ６が抵抗ラダーの制御用デジタル出力、Ｄ７がコンパレータの結果を読み取るデジタル入力です。
アナログ的にはフニャフニャ、砂上の楼閣？
別件記事でもアナログ部分の不安定さというか、信号品質の悪さが問題になってましたが、Arduinoに接続したからといってそれが直ることはなく（どちらかというと悪くなる方向？）、ボロボロです。
試みに４ビット１６段階の値を出力し、抵抗ラダーの出力（ボルテージフォロワの出力）の波形を観察したものが以下に。結構、不気味な影が見えてます。こんな感じ。
実際に拡大してみると、階段状の立ち上がり部分で結構きてます。ピコんと。あまりよろしくないです。でも今回は「あくまでデジタル」と割り切って、アナログの問題点には見て見ぬフリ、ともかくステートマシンがそれらしく動けばＯＫという不甲斐なさ。
実験用のArduinoコード
実験用のコードは、ともかく２分検索らしきことをして、デジタル出力をアナログ入力に追従した値にさせるだけのコードといたしました。いろいろデコレーションしてるとメンドイし。。。
#define COMP (7)
#define BIT0 (3)
#define BIT1 (4)
#define BIT2 (5)
#define BIT3 (6)
int r2r;
int setR2R() {
if (r2r & 0x8) {
digitalWrite(BIT3, HIGH);
} else {
digitalWrite(BIT3, LOW);
}
if (r2r & 0x4) {
digitalWrite(BIT2, HIGH);
} else {
digitalWrite(BIT2, LOW);
}
if (r2r & 0x2) {
digitalWrite(BIT1, HIGH);
} else {
digitalWrite(BIT1, LOW);
}
if (r2r & 0x1) {
digitalWrite(BIT0, HIGH);
} else {
digitalWrite(BIT0, LOW);
}
delayMicroseconds(100);
return digitalRead(COMP);
}
void initR2R() {
pinMode(BIT3, OUTPUT);
pinMode(BIT2, OUTPUT);
pinMode(BIT1, OUTPUT);
pinMode(BIT0, OUTPUT);
pinMode(COMP, INPUT);
}
void setup() {
initR2R();
r2r = 0;
}
void loop() {
r2r = 8;
if (setR2R()) {
r2r += 4;
} else {
r2r -= 4;
}
if (setR2R()) {
r2r += 2;
} else {
r2r -= 2;
}
if (setR2R()) {
r2r += 1;
} else {
r2r -= 1;
}
if (!setR2R()) {
r2r -= 1;
}
delay(10);
}
実験結果
Digilent Analog Discovery2の「ロジアナ」機能で、デジタル出力の４ビットをＢＵＳとして観察してます。以下一番上のBusというのがデジタル出力の４ビットの値で、８から始めて２分検索しながら、４ステップで出力値にいたるという塩梅です。その下の３，２，１，０はデジタル出力の各ビットです。一番したのDIO4とあるのが、コンパレータの比較結果（デジタル入力）です。アナログ入力値が抵抗ラダーの出力電圧より高いと１、低いと０が見える筈。
アナログ入力４．５V設定
上記のように、４ステップ後１５となりました。参照電圧＝電源電圧で５Vなので、５V x 15/16 = 4.69Vという換算となります。
アナログ入力４V設定
こんどは１３ね。換算値は4.06V
アナログ入力３V設定。
換算値3.44V、ちょっとデカイです。
アナログ入力２V設定。
換算値2.19V、３Vと２Vの間の落差デカイです。
アナログ入力１V設定
換算値0.94V
アナログ入力０V設定
換算値0.31V
もともと４ビットなので「粗い」です（レゾリューションは0.3125V。）しかしま、それより実験結果はもっと悪い。まあ何もしてないのだから当たりまえですかい。そんなに簡単にAD出来たら誰も苦労しない？ やっぱりアナログ部分が確固として揺らがない感じにできないとダメでやんすか。