マイコンのＡ／Ｄ変換機能

この電子工作の知恵袋で良く使うＰＩＣ１６Ｆ６９０に限らず、ほとんどのマイコンには、ポート端子の電圧を測定しディジタル量に変換・取り込むＡ／Ｄ変換機能が搭載されています。

（Microchip Technology　PIC16F690 Data Sheet より抜粋）
このアナログ・ディジタル変換（Ａ／Ｄ変換）という機能は、大変便利で有用なのですが、うまく使うにはスイッチ入力と同じくコツが必要です。
ハードウエアとソフトウエア両面から使い方を説明します。

アナログ信号に含まれるノイズ

スイッチ入力とチャタリング除去でチャタリング除去手法を説明しましたが、アナログ電圧の読み取りでも同様の問題があります。
それは、正規の信号に混じる微小ノイズです。
微小ノイズの原因として、多いのは電源変動ノイズ・負荷変動によるＧＮＤレベルの変動・ＥＭＣ（電磁波障害）・電灯ノイズなどです。
ボリュームなどの操作系のある場合は、ボリュームを動かした時の摺動ノイズもあります。

要は、アナログ電圧というのは、どんな状況でも必ずノイズが混じっているということです。
この微小ノイズは、回路のインピーダンスによっても違いますが、普通数ｍＶから数百ｍＶ、場合によっては数Ｖ以上の電圧変動となって信号に混入します。
そのため、Ａ／Ｄ変換で読み取ろうとしても、スイッチのチャタリングと同じで、読み取った値を本当に信用していいのかどうかがわかりません。
よって、ノイズが誤動作につながるほど大きい場合は、必ずノイズ除去が必要になります。

ノイズ除去の手法

ノイズ除去の代表的な手法に平均化という方法があります。
一般的に、ノイズは時間平均をするとプラスマイナスゼロになる性質があり、その性質を利用し平均化することで正しいアナログ電圧を確定しようとする方法です。
平均化には、ハードウエアである積分回路などのフィルター回路を用いて平均化する方法と、ソフトウエアでノイズを平均化する方法の２つがあります。
ケースに応じて、単独もしくはハードウエアとソフトウエアの組み合わせます。

ハードウエアによるノイズ除去例

下記は、積分回路を使った簡易的なフィルター回路です。

ノイズの周波数成分より大きい時定数の積分回路に、ノイズ交じりの信号を通すことで滑らかになります。
段数を増やせば、その分ノイズ除去性能があがります。
ソフトウエアで処理が間に合わないような高速ノイズの場合に有効です。

ソフトウエアによるノイズ除去例

マイコンの処理時間が、ノイズに対し十分早い場合は、ソフトウエアによるノイズ除去が有効です。
ＰＩＣ１６Ｆ６９０で作る汎用モジュールとＰＩＣ１６Ｆ６９０汎用Ｃソースコードを使い、ノイズ除去手法の一つを説明します。
ＰＩＣ１６Ｆ６９０でなくとも、処理の考え方は、他のマイコンも同じです。

以下は、ノイズ除去のプログラム例です。
ここで記載されていない部分は、ＰＩＣ１６Ｆ６９０汎用Ｃソースコードをそのまま使用します。

adinit(0x00,0x14); //IO0をADポートとしての初期化 unsigned int temp=0; //テンポラリー変数 unsigned char adval=0; //テンポラリー変数 //メインルーチン開始-------------------- while(1){ temp=ad(4); //IO0(RC0)の電圧読み取り　１回目 wait(10); //10mS待機 temp=temp+ad(4); //２回目 wait(10); temp=temp+ad(4); //３回目 adval=temp/3; //平均値算出 pwmsetduty(adval); //LEDのPWMデューティ設定 wait(10); //次の処理までの待機 }

ボリュームの電圧を１０ｍＳ間隔３回連続で読み取り、それら３回のＡ／Ｄ変換値の平均値ａｄｖａｌを求めます
算出した平均値は、ｐｗｍｓｅｔｄｕｔｙ関数の引数にａｄｖａｌをそのまま使用すれば、ＬＥＤがボリュームの電圧に応じて変化するようになります。