ADC（A/D変換）

概要

ADC（Analog-to-Digital Converter：A/D変換器）は、温度・圧力・電圧などのアナログ信号を、コンピュータやマイコンが処理できるデジタル値（2進数）に変換するハードウェアです。「A/D変換」「A-D変換」とも呼ばれます。

センサー（温度センサー・圧力センサー・加速度センサー・マイクロフォン等）の出力は通常アナログ電圧であるため、マイコンで処理するにはADCによるデジタル変換が必要です。現代のマイコン（MCU）の多くはADCを内蔵しており、外部ADC ICなしにアナログ入力を処理できます。

ADCの主要な性能指標は「分解能（ビット数）」と「サンプリングレート（サンプル毎秒）」です。分解能が高いほど細かな変化を捉えられ、サンプリングレートが高いほど速い信号変化に追従できます。

歴史・背景

ADCの基本概念はシャノンのサンプリング定理（1948年）に基づいており、信号の最高周波数の2倍以上のサンプリングレートが必要とされます（ナイキスト定理）。

1950〜60年代にはFlash ADC（並列比較型）が研究され、1960年代末には逐次比較型（SAR: Successive Approximation Register）ADCが実用化されました。1970〜80年代にはΔΣ（デルタシグマ）型ADCが登場し、高分解能・低速サンプリングの用途（オーディオ・計測器）に革命をもたらしました。

マイコンへのADC内蔵は1980年代から始まり、現在ではSTM32・ESP32・AVR・PIC等のほぼ全てのマイコンが12〜16ビットのADCを複数チャンネル内蔵しています。

技術仕様

ADCの種類

方式	原理	分解能	サンプリングレート	用途
SAR（逐次比較型）	二分探索	8〜18bit	数kS/s〜数MS/s	マイコン内蔵・汎用
ΔΣ（デルタシグマ）	ノイズシェービング	16〜32bit	数kS/s以下	計測・オーディオ
Flash（並列比較型）	全レベル同時比較	6〜10bit	数百MS/s〜数GS/s	高速デジタルオシロ
Dual-slope	積分	12〜22bit	数十S/s以下	高精度マルチメータ
Pipelined	多段SAR	10〜16bit	数十MS/s〜	高速中精度

マイコン内蔵ADCは通常SAR型です。

主要スペック

項目	説明
分解能	ビット数。12ビットなら0〜4095（2^12=4096段階）
フルスケール入力電圧	0〜VREFまたは差動入力範囲
サンプリングレート	1秒間のサンプル数（S/s, SPS）
SNR（信号雑音比）	理論上: SNR ≈ 6.02×N + 1.76 dB（Nはビット数）
INL（積分非線形誤差）	理想直線からの誤差（±LSB単位）
DNL（差分非線形誤差）	隣接ステップ間の誤差
ENOB（実効ビット数）	ノイズを含めた実際のビット精度

代表的なマイコン内蔵ADC

マイコン	分解能	チャンネル数	最大サンプリングレート
STM32F4xx	12bit	最大19ch	2.4 MS/s
STM32H7xx	16bit	最大20ch	3.6 MS/s
ESP32	12bit	18ch	〜18 ksps（ノイズ多い）
RP2040	12bit	5ch	500 ksps
nRF52840	12bit	8ch	200 ksps
Arduino Uno (ATmega328P)	10bit	6ch	15 ksps

外付け高精度ADC IC

マイコン内蔵ADCでは分解能・精度が不足する場合：

IC	方式	分解能	チャンネル	インターフェース
ADS1115	ΔΣ	16bit	4ch	I2C
ADS1256	ΔΣ	24bit	8ch	SPI
MCP3204	SAR	12bit	4ch	SPI
LTC2312	SAR	12bit	1ch	SPI
AD7124	ΔΣ	24bit	8ch	SPI

動作原理

SAR ADCの変換プロセス

逐次比較型ADCは2分探索アルゴリズムで変換を行います：

例：8ビットADCでアナログ入力=2.5V、VREF=3.3Vの場合

Step1: MSBを1（128）に仮定 → DAC出力=1.65V → 入力>1.65V → MSB=1
Step2: 次ビットを1（64）に仮定 → DAC出力=2.475V → 入力>2.475V → bit6=1
Step3: 次ビットを1（32）に仮定 → DAC出力=2.96V → 入力<2.96V → bit5=0
...（8回繰り返し）
結果: 0b11000000 = 192 → 192/255×3.3V ≈ 2.49V

サンプリングと変換タイミング

ADCは「サンプリング→ホールド→変換」の順序で動作します：

// STM32 HALを使ったADC読み取り（ポーリング）

// ADC初期化後
HAL_ADC_Start(&hadc1);
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);  // 変換完了まで最大100ms待機
uint32_t raw = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
HAL_ADC_Stop(&hadc1);

// 電圧換算（3.3V VREF、12ビット）
float voltage = (float)raw / 4095.0f * 3.3f;
printf("ADC: raw=%lu, voltage=%.3fV\r\n", raw, voltage);

// DMAを使った連続サンプリング
#define ADC_BUF_SIZE 256
uint32_t adc_buffer[ADC_BUF_SIZE];

HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, adc_buffer, ADC_BUF_SIZE);

// 変換完了コールバック
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc) {
    // adc_buffer に256サンプルが揃った
    // 平均値計算や移動平均など
    uint32_t sum = 0;
    for (int i = 0; i < ADC_BUF_SIZE; i++) sum += adc_buffer[i];
    uint32_t avg = sum / ADC_BUF_SIZE;
}

オーバーサンプリングによる分解能向上

複数サンプルを平均することで、実効的な分解能を上げるオーバーサンプリング技術：

// 4倍オーバーサンプリングで12bit→14bitに向上
// 4^N倍のサンプル数 → Nビット向上（4倍=1ビット）
// 例：16倍オーバーサンプリング → +2ビット向上

uint32_t oversampled_read(uint32_t samples) {
    uint64_t sum = 0;
    for (uint32_t i = 0; i < samples; i++) {
        HAL_ADC_Start(&hadc1);
        HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10);
        sum += HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    }
    return (uint32_t)(sum / samples);  // 平均値を返す
}

// 256倍オーバーサンプリング → +4ビット（12bit→16bit相当）
uint32_t high_res = oversampled_read(256);

用途・ユースケース

ADCが使われる典型的な場面：

温度測定: サーミスタ・Pt100温度センサーのアナログ出力を読み取り
電圧・電流モニタリング: バッテリー電圧監視・電流センサー（分流抵抗）の計測
圧力・ひずみセンサー: ホイートストンブリッジ型センサーの微小電圧変化を計測
マイクロフォン入力: アナログマイクの音声信号サンプリング（PCM変換）
ポテンショメータ（ボリューム）: ツマミ回転角を電圧値として読み取り
光センサー: フォトダイオード・CdSセルの電流/電圧を計測
バッテリーマネジメント: Li-ionセル電圧を個別モニタリング（BMSの基本機能）

実装・開発のポイント

アナログ入力の保護と調整

ADCへのアナログ入力は過電圧保護と適切な信号調整が必要です：

センサー出力 ─── R(10kΩ) ─── ADC入力ピン
                          |
                     TVSダイオード（ESD保護）
                          |
                         GND

注意：ADCピンの最大入力電圧はVDDA（通常VCC=3.3V）を超えてはならない
5V信号は分圧抵抗（10kΩ/6.8kΩ）で3.3V系に変換する

リファレンス電圧の重要性

ADCの精度はリファレンス電圧（VREF）の安定性に直結します：

内部VREF: 多くのマイコン内蔵ADCはVDDAをVREFとして使用。電源ノイズが直接影響
外部VREF IC: 高精度計測にはLM4040・MAX6102等の精密電圧リファレンスICを外付け
VDDA安定化: ADC近くに100nF + 10μFのデカップリングコンデンサを配置

シングルエンド vs 差動入力

シングルエンド入力: GNDを基準とした電圧を計測（ほとんどの用途）
差動入力: 2本の入力線の電位差を計測。コモンモードノイズを除去できる（計装用途）

ノイズ低減のレイアウト対策

高精度ADC回路のPCBレイアウト：

アナログGNDとデジタルGNDを分離し、ADCピン直下の1点でのみ接続
ADCの電源ピン（VDDA/VREF）に専用デカップリングコンデンサ（100nF + 10μF）
アナログ入力ラインとデジタル信号ラインを離す（クロストーク防止）

他技術との比較

内蔵ADC vs 外付けADC

項目	内蔵ADC	外付けADC（SPI/I2C接続）
コスト	低い（追加部品不要）	高い
精度	中程度（12〜16bit）	高精度（16〜24bit）
ノイズ	デジタルノイズの影響受けやすい	専用チップで低ノイズ
チャンネル数	多い	IC依存
サンプリングレート	高速可能	一般に低速

ADC vs DAC

DAC（デジタル/アナログ変換）はADCの逆方向変換です。ADCが現実世界のアナログ信号をデジタルに取り込むのに対し、DACはデジタル制御値をアナログ電圧・電流として出力します。音声再生・アナログ制御出力・基準電圧生成等にDACを使います。

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