アナログ入出力について

1．概要
温度・湿度・光・力量などを監視／制御する際に使用する電気信号のことを言います。マイコンでは最終的にデジタル信号で処理を行うのですが、アナログ信号とデジタル信号を変換してマイコンが処理できるようにするために必要なインターフェイスがアナログ入出力となります。

2．分解能
デバイス選定の際に必要となる情報の一つで、アナログ信号とデジタル信号を変換する精度に関係します。仮に0～1.0Vのアナログ信号をデジタル変換する際に、分解能が4bitと記載されていた場合は「0000」～「1111」の16段階でのデジタル信号で表現されます。1.0Vを16で割ることになりますので、0.0625V毎の範囲でデジタル信号化されます。また、この1/n（nは分解能）を1LSB（Least Significant Bit）と言います。

3．量子化誤差
アナログ値を分解能で割ることで得られる1LSBと言う単位で分割することを量子化と言います。量子化した値を取ることでアナログ信号とデジタル信号を変換しているのですが、その際に必ず誤差が発生します。その誤差のことを量子化誤差と言います。仮に0～1.0Vのアナログ信号を分解能4bitで量子化誤差が±2LSBでデジタル信号に変換すると誤差として±0.125Vを考慮する必要があります。

4．バイポーラとユニポーラ
アナログ入出力にはバイポーラとユニポーラの仕様があります。
・バイポーラ
　双極性の意味を持ち、0Vを基準に±の各最大電圧で入出力する仕様です。
・ユニポーラ
　単極性の意味を持ち、0Vが最小電圧となり+の最大電圧で入出力する仕様です。

5．アナログ入出力回路の開発
アナログ入出力回路を開発する際には、高精度であるほど不安定な動作になります。高精度になると分解能も高くなり、1LSBあたりの電圧範囲が狭くなります。1LSBあたりの電圧範囲が狭くなることで微少なノイズでも影響を受けるようになりマイコン側で安定したアナログ値を得ることができなくなります。回路設計やアートワーク設計時にGNDの配線に注意したり、回路の電源仕様と必要としている精度に分解能を合わることが大切です。それでも不安定な動作をしている場合は誤差範囲を大きくしたり取り込みや出力タイミングを長くすることで安定した回路を開発することができるようになります。

2018/01/26