PWMでD/A変換：アナログマルチプレクサの応用で

・2020年8月13日：Arduino、analogWriteは捨てちゃえ。ちゃんとしたPWMを使おう
ということで、過去、PWMを使ったDAC(D/A変換回路)を
さまざまなツールで使っています。

例えば、
・JIS C8708による充放電サイクル試験回路(トランジスタ技術2010年2月号)
・2020年4月10日：JIS C8708:2019対応ニッケル水素電池充放電実験回路(回路図とプログラム)
・2022年4月14日：Arduino IDEでRaspberry Pi Pico：PWMでD/A出力してA/D入力を試す
・2022年4月15日:Arduino IDEでRaspberry Pi Pico：A/D入力が…あれっ？

これらでは、PWM波からDC電圧を作るのに、
基準電圧ICを使っています。
Vref値とGND間をPWM波でマルチプレックスし、
LPFを通すことで直流に。
デューティ比に比例したDC電圧を得ています。

この応用ということで、Arduino UNOのマイコン
ATmega328PのAREF電圧を取り出した使った実験も
しています。

例えば、この記事。
・2022年10月5日：サーミスタ103JTで計った温度をシリアル出力

サーミスタの抵抗値を見るのに、AREF電圧を取り出して
A/D変換します。
　　※これはMPXとは関係なしの用例。

次のこの記事では、AREFをオペアンプでバッファして
PWMし、LPFを通してD/A変換しています。
・2022年4月22日：Arduino UNOのA/D入力：PWMでD/A出力してA/D入力を試す

ここで問題に気が付きました。
「なんじゃこれは？」の信号が見えたのです。

こんな模式図を描いてみました。

AREFをオペアンプでバッファして取り出します。
ATmega328Pに関してはこれでうまく基準電圧が
取り出せます。

そのオペアンプ出力を直にマルチプレクサの入力に
つないでいます。
外付け基準電圧ICを使った時のようにコンデンサを
入れたいところなのですが、発振の可能性があるので、
オペアンプの出力にコンデンサは入れられません。

たまたま、このPWM→D/A変換部の波形を見た所、
こんな信号になっていました。

AREF電圧を出力しているオペアンプ、そこにPWM波に
同期した負パルス(▼マーク位置)が出ているのです。
出力インピーダンスは低いはずなので、MPXの切換
ノイズが飛び込んでいるわけではありません。

そこで、こんな回路を使って実験してみました。
プラス側のIN1入力は1kΩで+5Vに。
マイナス側は1kΩでGNDに。



すると・・・・
まず、1ゲートタイプのマルチプレクサ TC7W53。

3回路入った74HC4053の場合。

MPXパルスが変化したエッジでIN0、IN1に瞬間的な
電流が流れている様子が見えています。

AREF電圧をバッファした通常速度のオペアンプでは、
この短いパルス(150nsくらい)を抑えきることができない
のでしょう。

なぜこんなことが起こるのか・・・
TC7W53の内部回路を見ると分かってきます。

IN0とIN1の切換には、2直にしたインバータが
入っています。
IN1側がその後段につながっているので、IN0から
遅れて切換されます。
その一瞬、COM端子につながるOUT0とOUT1を通して
IN0とIN1が短絡するのです。
IN0はGNDにつながっていますので、オペアンプ出力を
つないでいるIN1が一瞬だけGNDに引っ張られることに
なってしまいます。
それがオペアンプ出力に現れた負パルスの原因です。

　　※観察のためIN0とIN1に1kΩの抵抗を入
　　　れましたが、IN0、IN1とGND間に0.01uF以上、
　　　0.1uF程度のコンデンサを入れると短絡パルス
　　　は見えなくなります。
　　　基準電圧ICを使った時のパスコンは有効という
　　　ことがわかります。

対策案
・ATmega328PのAREFをオペアンプでバッファして
　基準電圧を得るのはOKだが、それをPWM制御する
　マルチプレクサにつなぐのは×。
・PWMするマルチプレクサでD/A変換する時は、
　パスコンを付加できる基準電圧ICを使う。

こんなところでしょう。
　　※見えなくなるけど、それでも、短絡は発生してる。
　　　ノイズ発生の要因になるか。

※注１
基準電圧ICに付加するパスコン、こんなことも
ありますので。
2019年9月14日：良かれと思って付けたコンデンサが・・・
　　※AD680・・・発振！

※どうなんだろう
多チャンネル入力A/Dコンバータ、たいていの場合
マルチプレクサが入力。
チャンネル切換時に今回のようなことが起こる心配
は無いのか？
入力に入れたCRフィルタが役立つかも。

※ブレッドボードで実験

クロック源はATmega328Pを使ったパルスジェネレータ
拡大。