連 載 クローズアップ！ ！ワンチップ・マイコン ワンチップ・マイコン クローズアップ 平均誤差±１LSB を実現できる 第７回 高分解能 A − D を内蔵する 低消費電力マイコン H８/３８０８６R 斉藤 正/菅井 賢 Tadashi Saito / Masaru Sugai 昭和 30 年代に考案されたデルタ・シグマ型 A − D 変換器（デルタ・シグマ型 ADC）は，半導体プロセス 較（微分，デルタ，Δ）しながらディジタル値に変換す る方式です． の微細化，処理速度の向上に伴って，単独の A − D 変 定規で物を測るのに例えるなら，被測定物の長さを 換チップの時代を経て，今ではマイコンの周辺機能と して内蔵されるようになりました． いくつか足し合わせたものに 1 cm がいくつ入ってい るかを数えて，その数値を足し合わせた数で割る方法 本稿では，14 ビット・デルタ・シグマ型 ADC を内 蔵した 16 ビット・マイコン H8/38086R（ルネサス テ です．したがって，その積分と微分を行うことに相当 します． クノロジ）を題材に，その原理と使い方を説明します． 話を簡単にするために，直流電圧を測定することに します（図 7 − 2）．まず，何も考えずに Vref と Ain を比 逐次比較型とデルタ・シグマ型の 違い ● 逐次比較型の動作 多くのマイコンに採用されている逐次比較型 ADC （図 7 − 1）は，被測定電圧と可変の基準電圧（D − A 変 較してみましょう． ① SC=1 では，SC=0 で比較電圧はまだ 0 V なの で，0 ＜ Ain となり，ディジタル出力は 1 る．そして，比較する電圧を +Vref する にな 換器で発生させる電圧）を比較しながら測定する方式 ② SC=2 では Vref と Ain を比較する．Vref ＞ Ain で で，その動作は次のとおりです． ディジタル出力は 0 になり，次に比較する電 圧はそのままである（Vref） ① D − A 変換器の出力を中央値にして，アナログ 測定電圧と比較する ③ SC=3 でも Vref と Ain を比較する．Vref ＞ Ain で ディジタル出力は 0 になり，次に比較する電 ② アナログ測定電圧が大きければ上側，小さけ 圧はそのままである（Vref） れば下側について，D − A 変換器の出力をその中 央値にして比較を繰り返す 切り替え スイッチ ③ これを n ＋ 1 回（n ビット分解能の場合）繰り返 して測定を完了する 定規で物を測ることに例えるなら，いろいろな長さ の定規を当ててみて，どれに一番近いかを逐次絞り込 D-A 変換器 比較器 逐次比較 レジスタ シリアル んで測定する方法です． ● デルタ・シグマ型の動作 デルタ・シグマ型 ADC は，被測定電圧をサンプリ ングして積分し，その増分と一定電圧の基準電圧と比 アナログ 測定電圧 図 7 − 1 逐次比較型 A-D 変換器の基本構成 被測定電圧と可変の基準電圧を比較しながら測定する Keywords H8/38086R，デルタ・シグマ A − D 変換器内蔵マイコン，デルタ・シグマ A − D 変換器，逐次比較型 A − D 変換器，デルタ変調器，デ ルタ・シグマ変調器，FIR 型ディジタル・フィルタ，S/N，オフセット誤差，フルスケール誤差の補正式，複数補正式，誤差の平均 化処理，A − D 変換器精度比較システム，H8/38076R 2006 年 11 月号 171 ② SC=2 では Ain が 2 回積分されるので，Vref と 2Ain を比較することになる． Vref ＞ 2Ain なのでディ アナログ入力 Ain Vref （アナログ入力） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 ジタル出力は 0 になり，比較する電圧はその ままである（Vref） 13 ③ SC=3 では Ain が 3 回積分されるので，Vref と Dout 1 （ディジタル出力） 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 13 SC （Sampling clock） Vref ＜ 3Ain なのでディ 3Ain を比較することになる． ジタル出力は 1 になり，次に比較する電圧を 図 7 − 2 デルタ・シグマ型 ADC を使った直流電圧の測定原理 +Vref する（2Vref になる） ④ SC=4 では Ain が 4 回積分されるので，2Vref と 何回繰り返しても Dout は 1 が最初に 1 回出るだけで残りはずっと 0 4Ain を比較することになる．図 7 − 3 では 2Vref ＞ となる 4Ain なのでディジタル出力は 0 になり，比較 する電圧はそのままである（Vref） これを何回繰り返してもディジタル出力 Dout は 1 が最初に 1 回出るだけで残りはずっと 0 です．い つまでたっても Ain の値はわかりません． そこで，Ain を積分します．積分した波形の傾きが Ain を表すことになります． では，図 7 − 3 のように積分した値と V ref を比較し てみましょう． ① SC=1 では Ain を 1 回積分なので，Vref は 0 のま まである．Vref ≦ Ain でディジタル出力は なる．次に比較する電圧を＋ Vref する 1 に 以上を何回か繰り返します． A in は周期的に積分されています（傾きが A in）．こ れと V ref と比較して，大小関係をチェックしながら V ref を足して比較を繰り返します．これは，傾きの Ain と Vref を比較していることになります． 1 回の増加分の Ain が V ref よりは小さいので，何回 か加算して Vref と比較します．加算を繰り返して Vref よりも大きくなったら今度は Vref を加算して，また比 較します．サンプリングが 1 回よりは 2 回，2 回より は 3 回のほうが精度が上がります． 同じ大きさ アナログ入力 Ain 積分 （アナログ入力） 0 1 1 Dout （ディジタル出力） 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Vref nAin 9 10 11 12 13 mVref Ain 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Vref Ain をn 回積分した値とVref をm 回足 した値が同じならば， SC （Sampling clock） m Ain ＝ n Vref となる 図 7 − 3 積分値と Vref の比較 サンプリングが 1 回よりは 2 回，2 回よりは 3 回の方が精度が上がることがわかる． Ain 積分 （アナログ入力） デルタ・シグマ 変調器 Dout （ディジタル出力） アナログ電圧を ディジタル・パルスに変換 ディジタル・ フィルタ ディジタル・パルス列を 14ビット・データに変換 変換データ （14ビット） レジスタに格納 図 7 − 4 H8/38086R に内蔵されている 14 ビット・デルタ・シグマ型 ADC の構成 アナログ電圧→ディジタル・パルス→ディジタル・データの順に処理 172 2006 年 11 月号
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