センサのためのマイコンを選ぶ　──センサ利用のノウハウをファームウェアとして提供

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◆A-Dコンバータと周波数カウンタ◆

● A-Dコンバータ

　A-Dコンバータは，センサ素子の出力が電圧変化，または電流変化の場合に使用します．電流変化の場合は，いったん電圧に変換してからA-Dコンバータでディジタル化します．

　A-Dコンバータの変換方式には，主に逐次比較型，並列比較型，2重積分型の三つがあります．それぞれの方式に特徴があり，それに合った分野で使用されています．

1） 逐次比較型

　入力電圧と一致するようなD-A出力になるD-A入力値を探し出し，その値をA-D変換値として出力する方式です．具体的には，逐次比較レジスタに最初は0を出力しておきます．変換を開始するとまず最上位ビットを1にして，コンパレータ出力が変化しなければそのままに，変化したら0に戻します．次に，一つ下のビットを1にして，同様の操作を繰り返し，最下位ビットまで変換を行います．

2） 並列比較型

　逐次比較型ではカウンタの値を1ビットずつ操作するので，それなりの変換時間がかかります．そこで，それを一括して変換しようとする方式が並列比較型です．例えば，8ビットのA-D変換を行う場合，あらかじめ2⁸＝256通りの基準電圧と，256個の比較器を用意し，変換したい電圧をすべての基準電圧と一度に比較します．

　この方式だと変換は非常に高速ですが，分解能（＝ビット・レート）が細かくなるほど回路規模が非常に大きくなってしまい，コスト面での問題が出てきます．

3） 2重積分型

　積分回路（OPアンプの入力と出力をコンデンサでつないだ回路）で一定時間スイッチを閉じるとコンデンサは充電され，充電された電荷の量に比例した電圧が出力されます．2重積分型A-Dコンバータは，A-D変換したい電圧（Vin）でコンデンサを一定時間充電し，次に，極性が反対の基準電圧（V0）を加えてその電荷をすべて放電させ，放電に要する時間を測定することでA-D変換を行います．

　実際の回路には，コンデンサが放電したことを検出するための比較器やVin/V0の切り替え，時間測定のためのクロック回路，Vinを算出する機能などを含む必要があるので，回路規模は少々大きくなってしまいます．ただし，積分時間を長く取ることで，同じ回路構成で精度を上げることができます．この方法はノイズに強く，計測器などに用いられています．

　このように，2重積分型は低速ですが，安価で高精度/高分解能が得られます．逐次比較型はそこそこの速度で処理できますが，高精度/高分解能となるとコストが高いのが難点です．並列比較型は高速ですが，分解能を高くするとやはりコストが高くなります．

　また，電圧値をA-D変換する場合，基準電圧以外の誤差要因として直線性誤差，オフセット，ゲイン誤差などがあります．最終的な精度は変換値の誤差無効ビット数（±2LSBなど）で表します．

　一般に，電圧変化や電流変化によるA-Dコンバータの消費電流は1mA～数mA程度です．

● 周波数カウンタ

　周波数カウンタは，センサ素子の出力が周波数変化，または抵抗値変化の場合に使用します^注A．抵抗値の場合は，いったん周波数に変換してから，周波数カウンタでディジタル化します．

　周波数カウンタは，基準時間内の入力パルス数をカウントします．このカウント値を基準時間で割ると，周波数が求められます．周波数は同じでも基準時間が長いほどカウンタ値は大きくなり，その分分解能を高くできますが，一方でノイズを拾いやすくなる，消費電流が大きくなるなどの不利な点も出てきます．

　一般に，周波数カウンタの消費電流は，発振に伴う基準容量の充放電電流程度（今回使用したものでは数十μA程度）です．変換速度は，カウントアップして計測するという性質上，A-Dコンバータに比べて遅くなります（本事例の周波数カウンタは100ms程度．例えば逐次比較型A-Dコンバータは，精度が16ビットの場合，16回の電圧比較，つまりマイコンの16命令程度で計測できる）．

 注A；ただし，抵抗値を出力するセンサ素子（サーミスタ）でも，値を電圧値に変換してA-Dコンバータを使用することもある．