応用組み込み電子工学

第7章. データ・コンバータ：ADCとDAC

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この章（）では、データ・コンバータについて簡単に紹介し、次に組込みシステムで広く使われているコンバータのテクニックをいくつか取り上げる。"さらなる読み取り "には、コンバータの性能や内部回路技術をより深く知りたい人のためのリソースが含まれている。

電子システムにおいて、データ・コンバータはデジタル制御と非デジタル周辺機器との間に必要な橋渡しを作成する。アナログ情報をデジタルデータに変換することは、現代のエレクトロニクスの基本である（図 7-1）。現代の組込みシステムは、データコンバータを使用して周辺機器とインタフェースする。デジタル信号処理とデジタル制御システムは、外部とのインタフェースを必要とする。デジタル・アナログ・コンバータ（DAC）とアナログ・デジタル・コンバータ（ADC）はこのインタフェースを提供し、ドライブ回路やセンス回路の一部としても使用される。

図7-1. システム内のデータ・コンバーター

DAC性能の基本

ブラックボックスとして、DACは2つのグループに分けられる：

• ナイキストレートのDACは、1クロックサイクルに1回出力を更新する。

• パルス密度DACは、繰り返しデジタルパターンの平均化に基づいて安定した出力を得るために、複数のクロック・サイクルを必要とする。パルス幅変調（PWM）とΔΣ（デルタ・シグマ）の2つのメソッドがここで使用される。

ナイキストレートDACとパルス密度DACの両方が、組み込みシステムで一般的に使用されている。2023年現在、利用可能なDAC性能は最大32ビットの分解能と、1～2ナノ秒以内に最終値に落ち着く高速DACまでである。高性能デバイスは電力を消費し、高価になる可能性がある。8ビットから16ビットの間であれば、費用対効果の高い製品が数多く存在する。

システムレベルの設計者は、一般的にこれらのデバイスをブラックボックス・モジュールとして扱うため、内部の詳細についてはここでは触れない（FDI: Razavi, 1995）。例外はPWM DACで、システム設計者はマイクロコントローラ（MCU）の汎用入出力（GPIO）ポートを使用して実装することが多い。

図7-2に示すように、DACは3つの異なるタイプの出力のいずれかを持つことができる：

電圧出力、接地基準

出力信号は、出力ピンとグランド間の電圧として定義される。これは最も単純なオプションであり、広く使用されている。しかし、ダイナミック・グラウンド変動と出力への電磁干渉（EMI）カップリングの両方によるノイズに悩まされる可能性がある。

電圧出力、差動信号

これらのデバイスは2つの電圧出力を持ち、受信信号はその差として定義される。この利点は以下の通りである：

より大きな振幅の信号

差動電圧はグラウンド参照DACの2倍である。これにより、信号対雑音比（SNR）が6dB向上する。

グランドノイズの影響を受けにくい

グラウンドノイズは両出力に共通で、レシーバーはコモンモードノイズを除去する（コモンモードノイズ除去は20-30dBが一般的）。

EMIの影響を受けにくい

EMIは両出力に共通で、レシーバーはコモンモードノイズを除去する。この場合も、20～30dBのコモンモードノイズ除去が典型的である。 ...