PICのDAC（DAコンバータ）を使ってみた

8bitDAC版も作ってみました。
　　「PIC/16F1705のDAC（DAコンバータ）を使ってみた（ソース付き）」

実用するにはバッファを入れます。
　　「PIC/16F1705のオペアンプをDACのバッファとして使ってみた」

（2014.11.22）

実際に実験に使えるようなものも作りました。

　　「PIC16F1705の8ビットDACを使って(実用的)正弦波発振器を作る - 1」

(2015.01.30)
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「風速計・風向計を作る - 1」で超音波風向風速計を作るんだと書いてもう一ヶ月経ちましたが手付かずです（超音波の送受信ユニットはひとまず一組入手しました）

こういうのをやろうとするとスピーカとかマイク（に相当するもの）を使うわけで最初から最後までデジタルで済むわけでもないので波形を調べたり、調べるためにいろんな周波数や波形の信号を作ったりしなければならなくなります。

以前は地道にコルピッツとかウィーンブリッジ発振器とか作ってましたが年とともに短気になりもうやっていられません。そこでなんとかPICですまそうと考えました。

ちょっと話がそれますがウィーンブリッジだとこんな記事を書かれている方がいらっしゃいます。

　　「電子回路実験教材の部屋 - ウィーンブリッジ正弦波発振回路」

何事にしてもやるならこのくらいとことんやりたいものです。他の記事も含めていろいろと参考にさせていただきました。

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PICにはADコンバーター（ADC）とともにDAコンバータ（DAC）があるのでこれを使えないかというわけです。以下読んでいただくとわかるようにこれがいい方法とはいえないような気もするのですが、最低限のものはできそうです。

DACについても書いてる方はたくさんいらっしゃるのでソースは重要なところだけにします。

まず正弦波モドキを作ってGoldWaveで観察してみることにしました（オシロスコープは持ってません）

※ 回路的なことは
　　「PICのDAコンバータ(DAC)を使ってみた - 補足」
　　に書きました。
　　またこれを“実用”に使った例が
　　「インダクタンスの測り方」
　　にあります。
　　PIC自体の使い方やソースについてはまだです。
　　じっさいに作ろうという方は次のページが参考になると思います。
　　「きむ茶工房ガレージハウス  - ＰＩＣの内蔵ＤＡＣ機能を動作させて見る」

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要するにこんなのが作りたいわけですね。


ただPICからこんな波形が出力されるなんて思ってはダメです。PICのADCって10bitあるのでDACも10bitくらいあるだろうと思っていたらなんと5bitしかありませんでした。

まず波形データを計算して配列に格納しておきあとはタイマー割り込みでそれを順番にDACに出力していく方法を採ります。
以下Cで書いてありますが、もしアセンブラで書かれるのでしたら波形データの計算はExcelで済ましておいて波形データの計算結果を初期値として与えるという方法がいいでしょう。

波形データを作るところ

     for( i=0; i<32; i++) {

        //  正弦波
         if( PORTBbits.RB0 == 0 ) {
             level[i]=(unsigned char)(15-round(sin(6.2832*i/32.0)*15.0));

        //  鋸歯状波
         } else if( PORTBbits.RB1 == 0 ) {
             level[i]=i;

        //  三角波
         } else if( PORTBbits.RB2 == 0 ) {
             if( i < 16 ) {
                 level[i]=i*2+1;
             } else {
                 level[i]=(31-i)*2;
             }

        //  方形波
        } else {
             if( i < 16 ) {
                 level[i]= 0;
             } else {
                 level[i]=31;
             }
         }
     }

まあ雑といえば雑なんですが、5bitと聞くとあんまり真剣に作ろうという気になりません。

割り込みがかかったらこんな風に出力します。

void interrupt itr( void )
{
    static unsigned char i=0;
     if (T0IF == 1) {

        i &=0x1F;
        VREFCON2=level[i];
        i++;

        TMR0 = 0;
        T0IF = 0 ;
     }
}

まず正弦波を作って波形を見てみたらギザギザどころかとんでもないことになってました。
これじゃ三角波です。というか三角波よりとんがってます。


例えばDAC出力の出力（能力）不足とすると波形の上部がつぶれたりクリップされたりするのですが、これはそれとは逆の不思議な現象です。電圧の低い部分は電圧の高い部分以上に伸びているようです。

これはデータシートにあるDACの内部構成を示す図を見たら理由がわかりました。
DAC出力は出力電圧によって出力抵抗が変化してしまうようです。出力抵抗が一番高くなるのは中くらいの電圧が出力されたときで（おそらく）40ｋΩくらいです。一方出力抵抗が一番低くなるのは出力電圧が最低のときでほぼ0kΩ、次が出力電圧が最高のときで（おそらく）５ｋΩのようです。これらの間を出力抵抗は出力電圧に応じて連続的に変化していきます。

確かにこれなら上のような波形になるはずです。要するに負荷抵抗が低すぎました。このとき10kΩにしていたのです。どんなに低くても100kΩとか200kΩが必要でしょう。
実際に使うのであればボルテッジフォロワーをかましたほうが話がはやそうです。

PICと言うと内部プルアップとかいたれりつくせりな印象があるんですが、ぜったいバッファが必要になりそうなDAC出力にバッファがついてないのはなぜなんでしょう。不思議です。

以下負荷100kΩでやっています。

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正弦波

雰囲気的には正弦波になりました。5bitだとこんなものだと思います。
波形データの作成方法にもう一工夫必要だとは思いますが....



上のような波形なのでとうぜん高調波もあればサンプリング周波数の影響もあります。
ただスペクトラムを見ると基本は以外はそんなにレベルが高いわけでもありません。ローパスフィルターを通せば（目的にもよりますが）なんとか使えそうなものにはなりそうです。





矩形波

さすがにこれは問題なさそうです。よく見るとリンギングがありますが、これは波形を記録したPC側の問題ではないかと思います。



奇数次の高調波が高い周波数まで存在するというのが矩形波の特徴です。





三角波

これは明らかに波形データの作り方がいい加減なんですが、まあまあ三角波らしくはなっています。



これも矩形波と同じく奇数次の成分だけですが、高い周波数の成分はどんどん減衰していくので、2kHzあたりのサンプリング周波数の影響が目立っています。





鋸歯状波

のこぎりの刃の部分が直線になっていないのがDACの出力抵抗が一定していないことの影響です。つまり負荷は100kΩでもまだ小さすぎたということになります。何せ出力電圧が中くらいのときの出力抵抗は40kΩもありますから。


スペクトラムは矩形波や三角波とは異なり偶奇関係なくかなり高い周波数まで高調波が存在します。



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関連
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参考

「きむ茶工房ガレージハウス - ＰＩＣの動かせ方入門はこちら - 16F1938覚書」
「きむ茶工房ガレージハウス - Ｉ２Ｃ通信の実験」
「きむ茶工房ガレージハウス - 気圧センサーで大気圧と標高を測定して見ます(MPL115A1)(MPL115A2)」

以上は予習として拝見していたのですが、とても参考になります。他にも勉強になる記事が多いです。
私の記事を読んでI2Cのセンサーを使って温度計とか気圧計とかそういうものを作りたくなった方も実際に作られるときはこちらを読まれた方がいいと思います。