第10章模擬比較器和ADC接口課件

1第10章模擬比較器和ADC接口2單片機內(nèi)部常見的支持模擬信號輸入接口模擬比較器和模數(shù)轉換ADC3模擬量輸入通道構成主要組成：

信號處理裝置、采樣單元、采樣保持器、數(shù)據(jù)放大器、A／D轉換器控制電路。任務：完成模擬量的采集并轉換成數(shù)字量送入計算機。4AD轉換及其應用被測參數(shù)，如溫度、流量、壓力、液位、速度等都是連續(xù)變化的量－模擬量單片機只能處理數(shù)字量把輸入的連續(xù)變化的模擬電壓信號轉換成離散的數(shù)字量－ADCAVRATmega16內(nèi)置10bitADC5模擬比較器10.1模擬比較器610.1.1與模擬比較器相關的寄存器和標志位

SFIOR、ACSR2．模擬比較器控制和狀態(tài)寄存器—ACSR1.特殊功能IO寄存器—SFIOR為模擬比較器多路使能控制位7ACSR是模擬比較器主要的控制寄存器，各位的作用位7—ACD：模擬比較器禁止位6—ACBG：模擬比較器的能隙參考源選擇位5—ACO：模擬比較器輸出位4—ACI：模擬比較器中斷標志位位3—ACIE：模擬比較器中斷允許位1、0—ACIS1、ACIS0：模擬比較器中斷模式選擇位2—ACIC：模擬比較器輸入捕獲允許8表9-1模擬比較器中斷模式選擇ACIS1ACIS0中斷模式00比較器輸出的上升沿和下降沿都觸發(fā)中斷01保留10比較器輸出的下降沿觸發(fā)中斷11比較器輸出的上升沿觸發(fā)中斷模擬比較器的多路輸入用戶可以選擇ADC7..0引腳中的任一路的模擬信號代替AIN1引腳，作為模擬比較器的反向輸入端。9模擬比較器的多路輸入選擇10模擬比較器使用注意點包括：芯片RESET后，模擬比較器為允許工作狀態(tài)。如果系統(tǒng)中不使用模擬比較器功能，應將寄存器ACSR的ACD位置1，關閉模擬比較器，這樣可以減少電源的消耗。使用模擬比較器時，應注意比較器的兩個輸入端口PB2、PB3的設置。當PB2/PB3作為模擬輸入端使用時，PB2/PB3應設置為輸入工作方式，且上拉電阻無效，這樣就不會使PB2/PB3上輸入的模擬電壓受到影響。當AIN0設置為使用芯片內(nèi)部1.22V的固定能隙（Bandgap）參考電源時，PB2 口仍然可以作為通用I/O端口使用，這樣就能節(jié)省一個I/O引腳。在上面的例子里，AIN0就是設置為使用芯片內(nèi)部1.22V的固定能隙（Bandgap）參考電源，這樣就可將PB2口釋放出來，作為普通I/O口用來驅動LED了10.1.2模擬比較器的應用設計11系統(tǒng)電源電壓的監(jiān)測12程序#include<mega16.h>voidmain(void){PORTB.2=0x01;//PC0設置為輸出，控制LEDDDRB.2=0x01;ACSR=0x40;//模擬比較器初始化，允許模擬比較器，AIN0設置為內(nèi)部Bandgap參考電壓1.22Vwhile(1)//循環(huán)檢測AC0位

{if(ACSR.5)PORTB.2=0;//AIN0>AIN1,低電壓報警elsePORTB.2=1;//AIN0<AIN1,

}}1310.2模數(shù)轉換器ADC外部的模擬信號量需要轉變成數(shù)字量才能進一步的由MCU進行處理。ATmega16內(nèi)部集成有一個10位逐次比較（successiveapproximation）ADC電路。因此使用AVR可以非常方便的處理輸入的模擬信號量。ATmega16的ADC與一個8通道的模擬多路選擇器連接，能夠對以PORTA作為ADC輸入引腳的8路單端模擬輸入電壓進行采樣，單端電壓輸入以0V（GND）為參考。另外還支持16種差分電壓輸入組合，其中2種差分輸入方式（ADC1，ADC0和ACD3，ADC2）帶有可編程增益放大器，能在A/D轉換前對差分輸入電壓進行0dB（1×），20dB（10×）或46dB（200×）的放大。還有七種差分輸入方式的模擬輸入通道共用一個負極（ADC1），此時其它任意一個ADC引腳都可作為相應的正極。若增益為1×或10×，則可獲得8位的精度。如果增益為200×，那么轉換精度為7位。14AVR的模數(shù)轉換器ADC具有下列特點：10位精度；0.5LSB積分非線形誤差±2LSB的絕對精度；13μs-260μs的轉換時間；在最大精度下可達到每秒15kSPS的采樣速率；8路可選的單端輸入通道；7路差分輸入通道；2路差分輸入通道帶有可選的10×和200×增益；ADC轉換結果的讀取可設置為左端對齊（LEFTADJUSTMENT）；10.2.110位ADC結構15ADC的電壓輸入范圍0～Vcc；可選擇的內(nèi)部2.56V的ADC參考電壓源；自由連續(xù)轉換模式和單次轉換模式；ADC自動轉換觸發(fā)模式選擇；ADC轉換完成中斷；休眠模式下的噪聲抑制器（NOISECANCELER）。16ADC功能單元包括采樣保持電路，以確保輸入電壓在ADC轉換過程中保持恒定。圖10-3ADC功能單元方框圖1710.2.2ADC相關的I/O寄存器位7，6—REFS[1:0]：ADC參考電源選擇位5—ADLAR：ADC結果左對齊選擇位4..0—MUX4:0：模擬通道和增益選擇1．ADC多路復用器選擇寄存器—ADMUX18位7—ADEN：ADC使能位6—ADSC：ADC轉換開始位5—ADATE：ADC自動轉換觸發(fā)允許位4—ADIF：ADC中斷標志位位3—ADIE：ADC中斷允許位2，0—ADPS[2:0]：ADC預分頻選擇2.ADC控制和狀態(tài)寄存器A—ADCSRA193．ADC數(shù)據(jù)寄存器—ADCL和ADCHADLAR=0，ADC轉換結果右對齊時，ADC結果的保存方式20ADLAR=1，ADC轉換結果左對齊時，ADC結果的保存方式21當ADC轉換完成后，可以讀取ADC寄存器的ADC0-ADC9得到ADC的轉換的結果。如果是差分輸入，轉換值為二進制的補碼形式。一旦開始讀取ADCL后，ADC數(shù)據(jù)寄存器就不能被ADC更新，直到ADCH寄存器被讀取為止。因此，如果結果是左對齊（ADLAR=1），且不需要大于8位的精度的話，僅僅讀取ADCH寄存器就足夠了。否則，必須先讀取ADCL寄存器，再讀取ADCH寄存器。ADMUX寄存器中的ADLAR位決定了從ADC數(shù)據(jù)寄存器中讀取結果的格式。如果ADLAR位為“1”，結果將是左對齊；如果ADLAR位為“0”（默認情況），結果將是右對齊。讀數(shù)注意224．特殊功能I/O寄存器—SFIOR23位7..5—ADTS[2:0]：ADC自動轉換觸發(fā)源選擇，見表9-6表9-6ADC自動轉換觸發(fā)源的選擇ADTS[2:0]觸發(fā)源000連續(xù)自由轉換001模擬比較器010外部中斷0011T/C0比較匹配100T/C0溢出101T/C1比較匹配B110T/C1溢出111T/C1輸入捕捉24

1．預分頻與轉換時間在通常情況下，ADC的逐次比較轉換電路要達到最大精度時，需要50kHz~200kHz之間的采樣時鐘。在要求轉換精度低于10位的情況下，ADC的采樣時鐘可以高于200kHz，以獲得更高的采樣率。圖10-4帶預分頻器的ADC時鐘源10.2.3ADC應用設計要點25AVR的ADC完成一次轉換的時間見表10-7。從表中可以看出，完成一次ADC轉換通常需要13-14個ADC時鐘。而啟動ADC開始第一次轉換到完成的時間需要25個ADC時鐘，這是因為要對ADC單元的模擬電路部分進行初始化。表10-7ADC轉換和采樣保持時間轉換形式采樣保持時間完成轉換總時間啟動ADC后的第一次轉換13.5個ADC時鐘25個ADC時鐘正常轉換，單端輸入1.5個ADC時鐘13個ADC時鐘自動觸發(fā)方式2個ADC時鐘13.5個ADC時鐘正常轉換，差分輸入1.5/2.5個ADC時鐘13/14個ADC時鐘26輸入通道：ADMUX寫入?yún)⒖茧娫矗篈Vcc或芯片內(nèi)部的2.56V參考源2．ADC輸入通道和參考電源的選擇27在單次轉換模式下，總是在開始轉換前改變通道設置。在連續(xù)轉換模式下，總是在啟動ADC開始第一次轉換前改變通道設置。改變ADC輸入通道時，應該遵循的原則283．ADC轉換結果A/D轉換結束后（ADIF=1），在ADC數(shù)據(jù)寄存器（ADCL和ADCH）中可以取得轉換的結果。對于單端輸入的A/D轉換，其轉換結果為：ADC=（VIN×1024）/VREF其中VIN表示選定的輸入引腳上的電壓，VREF表示選定的參考電源的電壓。對于差分轉換，其結果為：ADC=(VPOS-VNEG)×GAIN×512/VREF說明：VPOS為差分正極輸入電壓，VNEG為差分負極輸入電壓2910.2.4ADC的應用實例30

本例利用ATmega16內(nèi)部的ADC進行轉換，轉換后的結果換算成測量的電壓值在4位LED數(shù)碼管上顯示。在數(shù)碼管上顯示AD采樣值，實現(xiàn)和完成一個簡易電壓表的設計。通過調節(jié)W改變AD采樣值

實例功能31程序#include<mega16.h>flashunsignedcharled_7[10]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};flashunsignedcharposition[4]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};unsignedchardis_buff[4]={0,0,0,0},posit;bittime_2ms_ok;32//ADC電壓值送顯示緩沖區(qū)函數(shù)voidadc_to_disbuffer(unsignedintadc) { unsignedchari; for(i=0;i<=3;i++) { dis_buff[i]=adc%10; adc/=10; }}33//Timer0比較匹配中斷服務interrupt[TIM0_COMP]voidtimer0_comp_isr(void){ time_2ms_ok=1;}//ADC轉換完成中斷服務interrupt[ADC_INT]voidadc_isr(void){unsignedintadc_data,adc_v;adc_data=ADCW;//讀取ADC置換結果

adc_v=(unsignedlong)adc_data*5000/1024;//換算成電壓值

adc_to_disbuffer(adc_v);}34voiddisplay(void) //4位LED數(shù)碼管動態(tài)掃描函數(shù){PORTA|=0x0f; PORTC=led_7[dis_buff[posit]]; if(posit==3)PORTC|=0x80; PORTA&=position[posit]; if(++posit>=4)posit=0;}35voidmain(void){ DDRA=0x0f; PORTA=0x0f; DDRC=0xff;//LED顯示控制I/O端口初始化

PORTC=0x00;

//T/C0初始化

TCCR0=0x0B;//內(nèi)部時鐘，64分頻（4M/64=62.5KHz），CTC模式

TCNT0=0x00; OCR0=0x7C;//OCR0=0x7C(124),(124+1)/62.5=2ms TIMSK=0x02;//允許T/C0比較中斷

//ADC初始化

ADMUX=0x47;//參考電源AVcc、ADC7單端輸入

SFIOR&=0x1F;SFIOR|=0x60;//選擇T/C0比較匹配中斷為ADC觸發(fā)源

ADCSRA=0xAD;//ADC允許、自動觸發(fā)轉換、ADC轉換中斷允許、ADCclk=125Kz#asm("sei")//開放全局中斷36while(1){if(time_2ms_ok){ display(); //LED掃描顯示

time_2ms_ok=0;}}}3710.2.5ADC的應用設計的深入討論1．AVcc的穩(wěn)定性。

AVcc是提供給ADC工作的電源，如果AVcc不穩(wěn)定，就會影響ADC的轉換精度。通常采用系統(tǒng)電源通過一個LC濾波后接入AVcc，抑制掉系統(tǒng)電源中的高頻躁聲，提高AVcc的穩(wěn)定性。必要時，PA口上的那些沒被用做ADC輸入的端口盡量不要作為數(shù)字I/O口使用。因為PA口的工作電源是由AVcc提供的，如果PA口上有比較大的電流波動，也會影響AVcc的穩(wěn)定。382．參考電壓VREF的選擇確定ADC的參考電壓VREF還決定了A/D轉換的范圍。如果單端通道的輸入電壓超過VREF，將導致轉換結果全部接近于0x3FF，因此ADC的參考電壓應稍大于模擬輸入電壓的最高值。

ADC的參考電壓VREF可以選擇為AVCC，或芯片內(nèi)部的2.56V參考源，或者為外接在AREF引腳上的參考電壓源。外接參考電壓應該穩(wěn)定，并大于2.0V（芯片的工作電壓為1.8V時，外接參考電壓應大于1.0V）。要求比較高的場合，建議在AREF引