Аналого-цифровой преобразователь микроконтроллеров AVR

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. АЦП входит во многие современные модели МК AVR, он многоканальный. Обычно число каналов равно 8, но в разных моделях оно может варьировать от 4 каналов в младших моделях семейства Tiny, 6 в ATmega8, до 16 каналов в ATmega2560.

Многоканальность означает, что на входе единственного модуля АЦП установлен аналоговый мультиплексор, который может подключать этот вход к различным выводам МК для осуществления измерений нескольких независимых аналоговых величин с разнесением по времени. Входы мультиплексора могут работать по отдельности (в несимметричном режиме для измерения напряжения относительно "земли") или (в некоторых моделях) объединяться в пары для измерения дифференциальных сигналов. Иногда АЦП дополнительно снабжается усилителем напряжения с фиксированными значениями коэффициента усиления 10 и 200.

Сам АЦП представляет собой преобразователь последовательного приближения с устройством выборки-хранения и фиксированным числом тактов преобразования, равным 13 (или 14 для дифференциального входа; первое преобразование после включения потребует 25 тактов для инициализации АЦП). Тактовая частота формируется аналогично тому, как это делается для таймеров— с помощью специального предделителя тактовой частоты МК, который может иметь коэффициенты деления от 1 до 128. Но в отличие от таймеров, выбор тактовой частоты АЦП не совсем произволен, т. к. быстродействие аналоговых компонентов ограничено. Поэтому коэффициент деления следует выбирать таким, чтобы при заданном "кварце" тактовая частота АЦП укладывалась в рекомендованный диапазон 50-200 кГц (т. е. максимум около 15 тыс. измерений в секунду). Увеличение частоты выборки допустимо, если не требуется достижение наивысшей точности преобразования.

Разрешающая способность АЦП в МК AVR — 10 двоичных разрядов, чего для большинства типовых применений достаточно. Абсолютная погрешность преобразования зависит от ряда факторов и в идеальном случае не превышает ±2 младших разрядов, что соответствует общей точности измерения примерно 8 двоичных разрядов. Для достижения этого результата необходимо принимать специальные меры: не только "вгонять" тактовую частоту в рекомендованный диапазон, но и снижать по максимуму интенсивность цифровых шумов. Для этого рекомендуется, как минимум, не использовать оставшиеся выводы того же порта, к которому подключен АЦП, для обработки цифровых сигналов, правильно разводить платы, а как максимум — дополнительно к тому еще и включать специальный режим ADC Noise Reduction.

Отметим также, что АЦП может работать в двух режимах: одиночного и непрерывного преобразования. Второй режим целесообразен лишь при максимальной частоте выборок. В остальных случаях его следует избегать, т. к. обойти в этом случае необходимость параллельной обработки цифровых сигналов, как правило, невозможно, а это означает снижение точности преобразования.

Регистры управления АЦП

Ниже приведена таблица с описанием регистра ADCSR

Для разрешения работы АЦП необходимо записать лог. 1 в разряд ADEN регистра ADCSR, а для выключения — лог. 0. Если АЦП будет выключено во время цикла преобразования, то преобразование завершено не будет (в регистре данных АЦП останется результат предыдущего преобразования).

Режим непрерывных измерений активизируется установкой бита ADFR (бит 5) этого же регистра. В ряде моделей Mega этот бит носит наименование ADATE, и управление режимом работы производится сложнее: там добавляются несколько режимов запуска через различные прерывания (в т. ч. прерывание от компаратора, при наступлении различных событий от таймера и т. п.), и выбирать их следует, задавая биты ADTS регистра SFIOR, а установка бита ADATE разрешает запуск АЦП по этим событиям.

Так как нулевые значения всех битов ADTS (по умолчанию) означают режим непрерывного преобразования, то в случае, когда вы их значения не трогали, функции битов ADATE и ADFR в других моделях будут совпадать.

Если выбран режим запуска не от внешнего источника, то преобразование запускается установкой бита ADSС (бит 6). При непрерывном режиме установка этого бита запустит первое преобразование, затем они будут автоматически повторяться. В режиме однократного преобразования, а также независимо от установленного режима при запуске через прерывания (в тех моделях, где это возможно) установка бита ADSС просто запускает одно преобразование. При наступлении прерывания, запускающего преобразование, бит ADSС устанавливается аппаратно. Отметим, что преобразование начинается по-фронту первого тактового импульса (тактового сигнала АЦП, а не самого контроллера!) после установки ADSС. По окончании любого преобразования (и в одиночном, и в непрерывном режиме) устанавливается бит ADIF (бит 4. флаг прерывания). Разрешение прерывания АЦП осуществляется установкой бита ADIE (бит 3) все того же регистра ADCSR/ADCSRA.

Для работы с АЦП необходимо еще установить его тактовую частоту. Это делается тремя младшими битами регистра ADCSR/ADCSRA под названием ADPS0..2. Коэффициент деления частоты тактового генератора МК устанавливается по степеням двойки, все нули в этих трех битах соответствуют коэффициенту 2, все единицы — 128. Оптимальная частота преобразования лежит в диапазоне 50-200 кГц, так что, например, для тактовой частоты МК, равной 4 МГц, коэффициент может иметь значение только 32 (состояние битов ADPS0..2 = 101, частота 125 кГц) или 64 (состояние битов ADPS0..2 = 110, частота 62,5 кГц). При тактовой частоте 16 МГц в допустимый диапазон укладывается только коэффициент 128.

Ниже приведена таблица с описанием регистра ADMUX.

Выборка источника опорного напряжения производится битами REFS1..0 регистра ADMUX (старшие биты 7 и 6), причем их нулевое значение (по умолчанию) соответствует внешнему источнику. Напряжение этого внешнего источника может лежать в пределах от 2 В до напряжения питания аналоговой части AVcc (а оно, в свою очередь, не должно отличаться от питания цифровой части более чем на 0,3 В в большую или меньшую сторону). Можно выбрать в качестве опорного и питание самой аналоговой части, причем двояким способом: либо просто соединить выводы AREF и AVcc микросхемы, либо установить биты REFS1..0 в состояние 01 (тогда соединение осуществляется внутренними схемами, но заметим, что внешний опорный источник при этом должен быть отключен). Предусмотрен и встроенный источник (задается REFS1..0 в состоянии 11, при этом к выводу AREF рекомендуется подключать фильтрующий конденсатор), имеющий номинальное напряжение 2,56В с большим разбросом от 2,4 до 2,7 В.

Результат преобразования АЦП оказывается в регистрах ADCH:ADCL. Поскольку результат 10-разрядный, то по умолчанию старшие 6 битов в регистре ADCH оказываются равными нулю. Чтение этих регистров производится, начиная с младшего ADCL, после чего регистр ADCH блокируется, пока не будет прочитан. Следовательно, даже если момент между чтением регистров попал на фронт 14 (15) такта АЦП, когда данные в них должны меняться, значения прочитанной пары будут соответствовать друг другу, пусть и результат этого преобразования пропадет. В противоположном порядке читать эти регистры не рекомендуется. Но бит ADLAR (бит 5 регистра ADMUX) предоставляет интересную возможность: если его установить в 1, то результат преобразования в регистрах ADCH:ADCL выравнивается влево: бит 9 результата окажется в старшем бите ADCH, а незначащими будут младшие 6 битов регистра ADCL. В этом случае, если хватает 8-разрядного разрешения результата, можно прочесть только значение ADCH.

Выбор каналов и режимов их взаимодействия в АЦП производится битами MUX0..3 в регистре ADMUX. Их значения выбирают нужный канал в обычном (недифференциальном) режиме, когда измеряемое напряжение отсчитывается от "земли". Последние два значения этих битов для семейства Mega (11110 и 11111 в большинстве моделей или 1110 и 1111 для ATmega8) выбирают режимы, когда вход АЦП подсоединяется к опорному источнику компаратора (1,22 В) или к "земле" соответственно, что может использоваться для автокалибровки устройства.

Управление входным мультиплексором в моделях Atmega8x

Остальные комбинации разрядов MUX предназначены для установки различных дифференциальных режимов — в тех моделях, где они присутствуют, в других случаях эти биты зарезервированы (как в моделях Atmega8, ATmega163 и др.). В дифференциальном режиме АЦП измеряет напряжение между двумя выбранными выводами (например, между ADC0 и ADC1), причем не все выводы могут быть в таком режиме задействованы. В том числе дифференциальные входы АЦП можно подключать к одному и тому же входу для коррекции нуля. Дело в том, что в ряде моделей на входе АЦП имеется встроенный усилитель, с коэффициентом 1х, 10х и 200х (коэффициент выбирается теми же битами MUX0..4), и такой режим используется для его калибровки — в дальнейшем значение выхода при соединенных входах можно просто вычесть.

После завершения преобразования (при установке в «1» флага ADIF регистра ADCSR) его результат сохраняется в регистре данных АЦП. Поскольку АЦП имеет 10 разрядов, этот регистр физически размещен в двух регистрах ввода/вывода ADCH:ADCL, доступных только для чтения. По умолчанию результат преобразования выравнивается вправо (старшие 6 разрядов регистра ADCH — незначащие). Однако он может выравниваться и влево (младшие 6 разрядов регистра ADCL — незначащие). Для управления выравниванием результата преобразования служит разряд ADLAR регистра ADMUX. Если этот разряд установлен в «1», результат преобразования выравнивается по левой границе 16-разрядного слова, если сброшен в «0» — по правой границе.

Обращение к регистрам ADCH и ADCL для получения результата преобразования должно выполняться в определенной последовательности: сначала необходимо прочитать регистр ADCL, а затем ADCH. Это требование связано с тем, что после обращения к регистру ADCL процессор блокирует доступ к регистрам данных со стороны АЦП до тех пор, пока не будет прочитан регистр ADCH. Благодаря этому можно быть уверенным, что при чтении регистров в них будут находиться составляющие одного и того же результата. Соответственно, если очередное преобразование завершится до обращения к регистру ADCH, результат преобразования будет потерян. С другой стороны, если результат преобразования выравнивается влево и достаточно точности 8-разрядного значения, для получения результата можно прочитать только содержимое регистра ADCH.

Для недифференциального режима АЦП, когда напряжение отсчитывается от "земли", результат преобразования определяется формулой:

Ка = 1024Uвх/Uref

, где Ка — значение выходного кода АЦП, Uвх и Uref — входное и опорное напряжения.

Дифференциальному измерению соответствует такая формула:

Ка = 512(Upos - Uneg)/Uref

, где Upos и Uneg — напряжения на положительном и отрицательном входах соответственно. Если напряжение на отрицательном входе больше, чем на положительном, то результат в дифференциальном режиме становится отрицательным и выражается в дополнительном коде от $200 (-512) до $3FF (-1). Реальная точность преобразования в дифференциальном режиме равна 8 разрядам.

Делаем светодиодный индикатор напряжения

Для практического изучения АЦП напишем программу светодиодного индикатора напряжения. Как и в прошлых примерах будем использовать микроконтроллер Atmega8. Восемь индикаторов подключаем к порту D контроллера, это будет линейная шкала уровня сигнала от 0 до 5V. Входом АЦП у нас будет вывод PC0(ADC0), к которому через переменный резистор сопротивлением 10кОм подается напряжение. Схема устройства представлена ниже:

К точности АЦП в этом устройстве предъявляются наименьшие требования. Источником опорного напряжения служит напряжение питания микроконтроллера - 5 Вольт, для этого вывод AREF соединяем с выводом Vcc микроконтроллера, также поступаем с выводами питания аналоговой части AVcc и AGND, подключаем их к плюсу и минусу соответственно, в программе битами REFS1 и REFS0 задаем источник ИОН.

Режим индикации работает следующим образом: после окончания преобразования, которое работает в непрерывном режиме, считываем биты ADCH и ADCL. Это значение потом сравниваем с предварительно расчитанными константами. Если значение ADC больше константы загорается один светодиод, если значение ADC больше второй константы загораются уже два светодиода и т.д.

Константы высчитываются так: так как АЦП 10-ти битный, число 1024 раскладываем на 8 равных частей, а по формуле уже вычисляем эти значения в Вольтах.

128...0,625V

256...1.25V

384...1.875V

512...2.5V

640...3.125V

768...3.75V

896...4.375V

1020...5V(приблизительно)

Полный код программы показан ниже. Частота тактового генератора контроллера 8MHz.

/*** Использование АЦП. Светодиодная шкала ***/

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h> 

int main (void) 
{
DDRD = 0xFF;
PORTD = 0x00;

/*** Настройка АЦП ***/ 
ADCSRA |= (1 << ADEN) // Включение АЦП
             |(1 << ADPS1)|(1 << ADPS0);	// предделитель преобразователя на 8
ADMUX |= (0 << REFS1)|(0 << REFS0) // внешний ИОН
            |(0 << MUX0)|(0 << MUX1)|(0 << MUX2)|(0 << MUX3); // вход PC0

while(1)
{ 
unsigned int u;
ADCSRA |= (1 << ADSC);	// Начинаем преобразование
while ((ADCSRA&(1 << ADIF))== 0); // Ждем флага окончания преобразования    
 
u = (ADCL|ADCH << 8); // Считываем  ADC
	 	 
if (u > 128) // 0.625V
PORTD = 0b00000001;          
else
PORTD = 0b00000000;
	 
if (u > 256) // 1.25V
	 PORTD = 0b00000011;     
if (u > 384) // 1.875V  
	 PORTD = 0b00000111;
if (u > 512) // 2.5V
	 PORTD = 0b00001111;
if (u > 640) // 3.125V
	 PORTD = 0b00011111;
if (u > 768) // 3.75V
	 PORTD = 0b00111111;
if (u > 896) // 4.375V
	 PORTD = 0b01111111;
if (u > 1020) // 5V
	 PORTD = 0b11111111;
	 
_delay_ms(30);
}
}

В следующем примере мы разберем принципы создания вольтметра 0-30V на микроконтроллере Atmega8.