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Arduino UNO R4 のアナログ入力特性

◆まえがき
Arduino UNO R4 の性能の調査の2回目、前回はCPUの実行速度を測定しましたが、今回はアナログ入力の特性を調べます。

ボードはR4 MINIMA の互換品で調べましたが、実質的にはルネサスの RA4M1 のADC特性を測定していることになると思います。
・調査したチップ
R4のCPU
チップのマーキングは R7FA4M1AB3CFM でロット番号?は222AZ00 です。

格安の互換ボードに搭載されていたチップなので本物かどうか判断出来ません。真贋判定できる方のご意見を伺いたいところです。

◆UNO R4のアナログ入力特性
アナログポートに電圧を加え、Arduino から AnalogRead() で読んだ値をプロットしてみました。なお、分解能はデフォルトの10ビットの状態です。

・ADC特性、全体
ADC特性、全体
5Vではなく4.7Vあたりでフルスケールに達していますが、この理由は後で触れます。

一番心配していたゼロボルト付近にオフセットが生じるような挙動は無く、素直な特性に見えます。グラフの直線性が少し悪い感じもありますが、詳しく調べてはいません。たぶん測定誤差なんでしょう。

・ゼロボルト付近を拡大
ADC特性、ゼロ付近
原点付近でごく僅か直線性が悪くなっている(不感帯が5mVくらいある?)感じですが、問題無いレベルというか素晴らしい特性だと思います。流石ルネサスが作っているだけのことはあります。

これが当たり前と思われても困るので他のチップを調べた結果を示します。

◆ESP32
ESP32のアナログポートの特性調査-入力感度特性からグラフだけ抜粋
ESP32のAnalogRead特性
とんでもない非線形があるレンジがあります。

下記は同じグラフの原点付近を拡大したものです。
ESP32のAnalogRead特性(原点付近)
80mV以上の不感帯があります。

◆Raspberry PI pico
RP2040のADCの誤差の確認と簡単な補正プログラムのテスト
チップのエラッタに記載されていますが、ADCの直線性に大きな問題があって12ビット出力ですが、実力は7-8ビットくらいしかありません。

◆UNO R3 (ATmega328P)
ちゃんと評価したデーターは持ち合わせていないのですが、このチップのADC特性に大きな破綻は無かったと思います。

◆UNO R4のADCのフルスケールが4.7V付近になる理由
ADC の Vref を電源電圧の +5V から取っていますが、USBから給電した場合、ショットキーバリアダイオードが直列に入るのでVfの量だけ電圧が下がってしまっているのだと思います。

実測してみると、USBから給電してその電圧が5.183Vの時、R4のボード上の+5Vピンの電圧は4.847Vでした。つまりSBDの電圧降下が0.336Vあると言うことになります。なお、DCジャックから給電した場合はDCDCコンバーターの出力電圧が+5Vに供給されるので、5Vに近い電圧になると思います。

以上説明したように、UNO R4のADCのVrefを電源電圧の5Vで使う時(これがデフォルト)は要注意です。ちなみにUNO R3ではオペアンプとFETスイッチを使った切り替え回路が入っているので、このような問題は起こらないです。

◆まとめ
Arduino UNO R4のアナログ端子の特性を測定してみました。ゼロボルト付近の不感帯は数mV程度なので、小さな電圧から安心して使えると思います。ただ、Vrefを電源電圧の5Vとした場合はフルスケール感度に注意が必要です。

今回の調査はADCの分解能が10ビットの状態しか調べていません。12ビット、14ビットの時にどうなるかは判らないですが、この感じなら大丈夫な気がしてます。
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