Микропроцессоры и микроконтроллеры

Аналого-цифровой преобразователь в составе микроконтроллера

Структура и управление АЦП

Микроконтроллеры ATmega16 оснащены 10-разрядным АЦП последовательного приближения. Основные параметры этого модуля следующие:

·        абсолютная погрешность: ±2 МЗР;

·        интегральная нелинейность: ±0.5 МЗР;

·        быстродействие до 15 тыс. выборок/с.

На входе модуля АЦП всех моделей имеется 8-канальный аналоговый мультиплексор, предоставляющий в распоряжение пользователя 8 каналов с несимметричными входами.

В модели ATmega16 входы АЦП могут также объединяться попарно для формирования в общей сложности до 13 каналов с дифференциальным входом. Два канала при этом имеют возможность 20 - и 200-кратного предварительного усиления входного сигнала. При коэффициентах усиления 1х и 20х действительная разрешающая способность – 8 разрядов, а при коэффициенте 200х – 7 разрядов.

В качестве источника опорного напряжения для АЦП может использоваться как напряжение питания микроконтроллера, так и внутренний либо внешний источник напряжения.

АЦП может функционировать в двух режимах:

·        режим одиночного преобразования, когда запуск каждого преобразования инициируется пользователем;

·        режим непрерывного преобразования, когда выполняется непрерывно через определенные интервалы времени.

Для управления модулем АЦП в микроконтроллере ATmega16 предусмотрены следующие регистры (табл. 28.2):

Таблица 28.2

Структура регистров управления модулем АЦП

Окончание табл. 28.2

Регистры данных АЦП – ADCL и ADCH – фиксируют результат преобразования в зависимости от настройки ADLAR (см. рис. 28.1).

Биты результата преобразования

ADCH ADCL

Биты результата преобразования

ADCH ADCL

Рис. 28.1. Принцип выравнивания результата преобразования АЦП

Работа аналого-цифрового преобразователя

Работа АЦП разрешается установкой в состояние 1 бита ADEN в регистре ADCSR. Если АЦП будет выключен во время цикла преобразования, то преобразование завершено не будет (в регистрах данных АЦП останется результат предыдущего преобразования).

В режиме циклического преобразования (ADATE=1) запуск каждого следующего преобразования осуществляется автоматически после окончания текущего. В режиме одиночного преобразования оно осуществляется по команде пользователя.

Преобразование начинается с установки в состояние «1» бита начала преобразования ADSC регистра ADCSR. Этот бит находится в состоянии «1» в течение всего цикла преобразования и сбрасывается, по завершении преобразования аппаратно. Запуск преобразования по прерыванию осуществляется при установке в «1» флага выбранного прерывания. Разряд ADSC при этом аппаратно устанавливается в «1». Запуск преобразования в этих режимах также может быть осуществлен записью «1» в разряд ADSC.

Длительность цикла составляет около 15 тактов. Когда преобразование завершается, разряд ADSC аппаратно сбрасывается в «0» и результат преобразования сохраняется в регистрах данных АЦП. Одновременно устанавливается флаг прерывания ADIF регистра ADCSR и генерируется запрос на прерывание. Разрешение прерывания осуществляется установкой в «1» разряда ADIE регистра ADCSR при установленном флаге I регистра SREG.

Поскольку АЦП формирует 10-разрядный результат, то данные размещаются в двух регистрах данных ADCH и ADCL. При этом используется специальная логика защиты: при считывании данных первым должен быть считан регистр ADCL, после чего обращение ADC к регистрам данных блокируется. Обращение АЦП к ADCH и ADCL разрешается по завершении считывания содержимого регистра ADCH.

Если результат преобразование выравнивается влево и достаточно точности 8-разрядного значения, для получения результата можно прочитать только содержимое регистра ADCH.

Для каналов с несимметричным входом результат преобразования определяется выражением , где – значение входного напряжения, а – величина опорного напряжения.

Для каналов с дифференциальным входом результат преобразования определяется выражением , где – величина напряжения на положительном входе, – величина напряжения на отрицательном входе, – коэффициент усиления. Результат преобразования представляется в дополнительном коде.

Наибольшая точность преобразования достигается, если АЦП работает с тактовой частотой в диапазоне от 50 до 200 кГц.

Выводы микроконтроллера, подключенные ко входам АЦП, определяются состоянием разрядов MUX4..0 регистра ADMUX. Для каналов с дифференциальным входом указанные разряды определяют также коэффициент предварительного усиления входного сигнала. Принцип выбора входного канала представлен в табл.28.3.

Состояние разрядов MUX4..0 можно изменить в любой момент, однако, если это будет сделано во время цикла преобразования, смена канала произойдет только после завершения преобразования.

Таблица 28.3

Управление входным мультиплексором в модели ATmega16