PIC/16F1705のオペアンプをDACのバッファとして使ってみた

さてきむしげさん（きむ茶工房ガレージハウス）から教えていただいたPIC16F1075なんですが、

　　Cost Effective 8-Bit Intelligent Analog Flash Microcontrollers

と銘打っているそうです。8bitのDAC（DAコンバータ）以外にもいくつか機能があるのですが、その一つ内蔵オペアンプについて書きます。

16F1705の全体像についてはきむしげさん（きむ茶工房ガレージハウス）の

　　「16F1705覚書」

が詳しいです。

“実用”に使うのであれば

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

が参考になると思います。またこのオペアンプの特性については

　　「オペアンプのオフセット電圧とバイアス電流の測定 - PIC16F1705」
　　「PIC16F1705のオペアンプの周波数特性」

にあります。

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以前「PICのDAC（DAコンバータ）を使ってみた」に書いたようにPICのDAC出力には

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、また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。

という特性があります。そしてこのため次段の入力抵抗が数百kΩから数MΩないと波形が歪みます。これは16F1705も同じでした（「PIC/16F1705のDAC（DAコンバータ）を使ってみた（ソース付き）」）

これについて

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。

と書いたのですが、16F1705にもバッファはついていないもののオペアンプがついていますのでこれでバッファを作れそうです。

そしてこのオペアンプがまさしくいたれりつくせりの印象があります。

今回もソースを用意しました。

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16F1705のオペアンプを使うのは簡単でOPA1CONあるいは OPA2CON の OPAxEN ビットをセットするだけです。

OPA1CONの方をセットすれば10(IN+),9(IN-),8(OUT)がOPA2CONの方をセットすれば5(IN+),6(IN-),7(OUT)がオペアンプの入出力になります。IN+、IN-、OUTと端子を並べIN-、OUTを隣り合わせに置くというオペアンプによく見られる使いやすい配置です。

バッファつまりボルテージフォロワとして使うとなると位相余裕（Phase Margin）が気になりますがデータシートによると（OPAxSP = 1 (High GBWP mode)のとき）

　　GBWP(Gain Bandwidth Product) = 2MHz
　　Phase Margin = 40degrees

となっており問題なさそうです。というか設定のみでボルテージフォロワー（Unity Gain）として使うことができるようになっています。OPAxUGビットをセットするとIN+とOUTは内部的に接続されしかもIN-端子は解放されふつうの入出力ピンとして使用できるようになります。なんという心遣いでしょう (^^)

これであとはDAC出力をIN+端子に接続すればバッファとして使えそうですが、じつはその必要はありません。オペアンプの入力は設定でFVR、DAT、IN+のいずれかを選択できるのです。

つまりOPA1CONあるいはOPA2CONを適切に設定すればバッファされたDAC出力が得られるわけです。

これが“このオペアンプがまさしくいたれりつくせり”と書いた理由です。

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まず前記事にも示したDAC出力のスペクトラムです。
これはDACの出力抵抗の変動の影響を避けるため7MΩの入力抵抗で受けています。
電源ノイズが乗るのもわかっていただけると思います。


オペアンプでバッファされたDAC出力です。
こちらはDAC出力直接つなげば波形が大きくくずれてしまうはずの10KΩという低い抵抗で受けています。


きれいです。DACの出力よりきれいです (^^)

ちなみにDACの出力を直接10kΩで受けたもの。


悲惨です (^^;;

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ソースです。

16F1705は初めてなので動かすのには最低何が必要なのかと考えながらコーディングしてみました。こう書いたら動いた、というだけでこれが正しいとか適切であるとかいう意味じゃありませんので念のため。

クロックの記述がありませんが、この場合500kHzになります。
回路的には/MCLRを10kでプルアップしてあるだけです。
DAC出力はオペアンプ2でバッファし7ピン（RC3/OPA2OUT）から取り出しています。今回はオペアンプ出力は10kΩの入力抵抗で受けています。

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#include <pic.h>
#include <math.h>
#define _XTAL_FREQ 500000   // delay用クロック設定

// DAC1CON0
#define DAC1EN  0x80
#define DAC1OE2 0x10
#define DAC1PSS_VDD     0x00
#define DAC1NSS_VSS     0x00

// OPAxCON
#define OPAxEN  0X80
#define OPAxSP_High 0x40  // 扱う周波数が高いときはこちらの方が安全でしょう。
#define OPAxSP_Low  0x00
#define OPAxUG_ON   0x10
#define OPAxCH_DAC  0x02

#pragma config WDTE = OFF

void main()
{
    static short    lvl[64];
    float           PIx2=6.2832;
    unsigned short  i;

    for( i=0; i<64; i++) lvl[i]=(int)(100.0*sin(PIx2*(float)i/64.0)+128.0);

    DAC1CON0 = DAC1EN | DAC1OE2 | DAC1PSS_VDD | DAC1NSS_VSS;

    OPA2CON = OPAxEN | OPAxSP_Low | OPAxUG_ON | OPAxCH_DAC;

    while(1) {
        DAC1CON1 = lvl[i & 0x3F];
        i++;
        __delay_us(50);
    }

}

// 16F1075
// 01 VDD....(2)
// 02 RA5/T1CKI/SOSCI/CLCIN3/OSC1/CLKIN
// 03 RA4/AN3/T1G/SOSCO/OSC2/CLKOUT
// 04 RA3/MCLR/VPP....(1)
// 05 RC5/OPA2IN+/CCP1/RX
// 06 RC4/OPA2IN-/CK/CLCIN1
// 07 RC3/AN7/C1IN3-/C2IN3-/OPA2OUT/CCP2/SS/CLCIN0
// 08 RC2/AN6/C1IN2-/C2IN2-/OPA1OUT
// 09 RC1/AN5/C1IN1-/C2IN1-/OPA1IN-/SDI/SDA/CLCIN2
// 10 RC0/AN4/C2IN+/OPA1IN+/SCK/SCL
// 11 RA2/AN2/DAC1OUT2/ZCD/T0CKI/COGIN/INT
// 12 RA1/AN1/VREF+/C1IN0-/C2IN0-/ICSPCLK....(5)
// 13 RA0/AN0/VREF-/C1IN+/DAC1OUT/ICSPDAT....(4)
// 14 VSS....(3)

// DAC1CON0
// #define DAC1EN  0x80
// #define DAC1OE1 0x20
// #define DAC1OE2 0x10
// #define DAC1PSS_FVR     0x08
// #define DAC1PSS_VREF    0x04
// #define DAC1PSS_VDD     0x00
// #define DAC1NSS_VREF    0x01
// #define DAC1NSS_VSS     0x00

// OPAxCON
// #define OPAxEN  0X80
// #define OPAxSP_High 0x40
// #define OPAxSP_Low  0x00
// #define OPAxUG_ON   0x10
// #define OPAxUG_OFF  0x00
// #define OPAxCH_FVR  0x03
// #define OPAxCH_DAC  0x02
// #define OPAxCH_OPAxIN   0x00

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