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文檔簡介
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
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