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1、1,第10章 模拟比较器和ADC接口,2,单片机内部常见的支持模拟信号输入 接口,模拟比较器和模数转换 ADC,3,模拟量输入通道构成,主要组成： 信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据放大器、AD转换器控制电路。,任务：完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机。,4,AD转换及其应用,被测参数，如温度、流量、压力、液位、速度等都是连续变化的量模拟量 单片机只能处理数字量 把输入的连续变化的模拟电压信号转换成离散的数字量ADC AVR ATmega16 内置10bit ADC,5,模拟比较器,10.1 模拟比较器,6,10.1.1 与模拟比较器相关的寄存器和标志位 SFIOR、ACSR,2模
2、拟比较器控制和状态寄存器ACSR,1.特殊功能IO寄存器SFIOR,为模拟比较器多 路使能控制位,7,ACSR是模拟比较器主要的控制寄存器，各位的作用,位7ACD：模拟比较器禁止 位6ACBG：模拟比较器的能隙参考源选择 位5ACO：模拟比较器输出 位4ACI：模拟比较器中断标志位 位3ACIE：模拟比较器中断允许 位1、0ACIS1、ACIS0：模拟比较器中断模式选择 位2ACIC：模拟比较器输入捕获允许,8,表9-1 模拟比较器中断模式选择,模拟比较器的多路输入 用户可以选择ADC7.0引脚中的任一路的模拟信号代替AIN1引脚，作为模拟比较器的反向输入端。,9,模拟比较器的多路输入选择,1
3、0,模拟比较器使用注意点包括： 芯片RESET后，模拟比较器为允许工作状态。如果系统中不使用模拟比较器功能，应将寄存器ACSR的ACD位置1，关闭模拟比较器，这样可以减少电源的消耗。 使用模拟比较器时，应注意比较器的两个输入端口PB2、PB3的设置。当PB2/PB3作为模拟输入端使用时，PB2/PB3应设置为输入工作方式，且上拉电阻无效，这样就不会使PB2/PB3上输入的模拟电压受到影响。 当AIN0设置为使用芯片内部1.22V的固定能隙（Bandgap）参考电源时，PB2口仍然可以作为通用I/O端口使用，这样就能节省一个I/O引脚。在上面的例子里，AIN0就是设置为使用芯片内部1.22V的固
4、定能隙（Bandgap）参考电源，这样就可将PB2口释放出来，作为普通I/O口用来驱动LED了,10.1.2 模拟比较器的应用设计,11,系统电源电压的监测,12,程序,#include void main(void) PORTB.2=0 x01; /PC0设置为输出，控制LED DDRB.2=0 x01; ACSR=0 x40; /模拟比较器初始化，允许模拟比较器，AIN0设置为内部Bandgap参考电压1.22V while (1) /循环检测AC0位 if (ACSR.5) PORTB.2 = 0; / AIN0 AIN1,低电压报警 else PORTB.2 = 1; / AIN0 A
5、IN1, ,13,10.2 模数转换器ADC,外部的模拟信号量需要转变成数字量才能进一步的由MCU进行处理。ATmega16内部集成有一个10位逐次比较（successive approximation）ADC电路。因此使用AVR可以非常方便的处理输入的模拟信号量。 ATmega16的ADC与一个8通道的模拟多路选择器连接，能够对以PORTA作为ADC输入引脚的8路单端模拟输入电压进行采样，单端电压输入以0V（GND）为参考。另外还支持16种差分电压输入组合，其中2种差分输入方式（ADC1，ADC0和ACD3，ADC2）带有可编程增益放大器，能在A/D转换前对差分输入电压进行0dB（1），20
6、dB（10）或46dB（200）的放大。还有七种差分输入方式的模拟输入通道共用一个负极（ADC1），此时其它任意一个ADC引脚都可作为相应的正极。若增益为1或10，则可获得8位的精度。如果增益为200，那么转换精度为7位。,14,AVR的模数转换器ADC具有下列特点： 10位精度； 0.5LSB积分非线形误差 2LSB的绝对精度； 13s-260s的转换时间； 在最大精度下可达到每秒15kSPS的采样速率； 8路可选的单端输入通道； 7路差分输入通道； 2路差分输入通道带有可选的10和200增益； ADC转换结果的读取可设置为左端对齐（LEFT ADJUSTMENT）；,10.2.1 10位A
7、DC结构,15,ADC的电压输入范围0Vcc； 可选择的内部2.56V的ADC参考电压源； 自由连续转换模式和单次转换模式； ADC自动转换触发模式选择； ADC转换完成中断； 休眠模式下的噪声抑制器（NOISE CANCELER）。,16,ADC功能单元包括采样保持电路，以确保输入电压在ADC转换过程中保持恒定。,图10-3 ADC功能单元方框图,17,10.2.2 ADC相关的I/O寄存器,位7，6REFS1:0：ADC参考电源选择 位5ADLAR：ADC结果左对齐选择 位4.0MUX4:0：模拟通道和增益选择,1ADC多路复用器选择寄存器ADMUX,18,位7ADEN：ADC使能 位6A
8、DSC：ADC转换开始 位5ADATE：ADC自动转换触发允许 位4ADIF：ADC中断标志位 位3ADIE：ADC中断允许 位2，0ADPS2:0：ADC预分频选择,2.ADC控制和状态寄存器AADCSRA,19,3ADC数据寄存器ADCL和ADCH,ADLAR = 0，ADC转换结果右对齐时，ADC结果的保存方式,20,ADLAR = 1，ADC转换结果左对齐时，ADC结果的保存方式,21,当ADC转换完成后，可以读取ADC寄存器的ADC0-ADC9得到ADC的转换的结果。如果是差分输入，转换值为二进制的补码形式。一旦开始读取ADCL后，ADC数据寄存器就不能被ADC更新，直到ADCH寄存
9、器被读取为止。因此，如果结果是左对齐（ADLAR=1），且不需要大于8位的精度的话，仅仅读取ADCH寄存器就足够了。否则，必须先读取ADCL寄存器，再读取ADCH寄存器。ADMUX寄存器中的ADLAR位决定了从ADC数据寄存器中读取结果的格式。如果ADLAR位为“1”，结果将是左对齐；如果ADLAR位为“0”（默认情况），结果将是右对齐。,读数注意,22,4特殊功能I/O寄存器SFIOR,23,位7.5ADTS2:0：ADC自动转换触发源选择，见表9-6,表9-6 ADC自动转换触发源的选择,24,1预分频与转换时间 在通常情况下，ADC的逐次比较转换电路要达到最大精度时，需要50kHz200
10、kHz之间的采样时钟。在要求转换精度低于10位的情况下，ADC的采样时钟可以高于200kHz，以获得更高的采样率。,图10-4 带预分频器的ADC时钟源,10.2.3 ADC应用设计要点,25,AVR的ADC完成一次转换的时间见表10-7。从表中可以看出，完成一次ADC转换通常需要13-14个ADC时钟。而启动ADC开始第一次转换到完成的时间需要25个ADC时钟，这是因为要对ADC单元的模拟电路部分进行初始化。,表10-7 ADC转换和采样保持时间,26,输入通道：ADMUX写入 参考电源：AVcc或芯片内部的2.56V参考源,2ADC输入通道和参考电源的选择,27,在单次转换模式下，总是在开
11、始转换前改变通道设置。 在连续转换模式下，总是在启动ADC开始第一次转换前改变通道设置。,改变ADC输入通道时，应该遵循的原则,28,3ADC转换结果,A/D转换结束后（ADIF = 1），在ADC数据寄存器（ADCL和ADCH）中可以取得转换的结果。对于单端输入的A/D转换，其转换结果为：ADC =（VIN1024）/ VREF 其中VIN表示选定的输入引脚上的电压，VREF表示选定的参考电源的电压。 对于差分转换，其结果为：ADC=(VPOS-VNEG) GAIN512/VREF 说明：VPOS为差分正极输入电压，VNEG为差分负极输入电压,29,10.2.4 ADC的应用实例,30,本例
12、利用ATmega16内部的ADC进行转换，转换后的结果换算成测量的电压值在4位LED数码管上显示。在数码管上显示AD采样值，实现和完成一个简易电压表的设计。通过调节W改变AD采样值,实例功能,31,程序,#include flash unsigned char led_710=0 x3F,0 x06,0 x5B,0 x4F,0 x66,0 x6D,0 x7D,0 x07,0 x7F,0 x6F; flash unsigned char position4=0 xfe,0 xfd,0 xfb,0 xf7; unsigned char dis_buff4=0,0,0,0,posit; bit ti
13、me_2ms_ok;,32,/ ADC电压值送显示缓冲区函数 void adc_to_disbuffer(unsigned int adc) unsigned char i; for (i=0;i=3;i+) dis_buffi=adc%10; adc /= 10; ,33,/ Timer 0 比较匹配中断服务 interrupt TIM0_COMP void timer0_comp_isr(void) time_2ms_ok = 1; / ADC 转换完成中断服务 interrupt ADC_INT void adc_isr(void) unsigned int adc_data,adc_v
14、; adc_data=ADCW; /读取ADC置换结果 adc_v=(unsigned long)adc_data*5000/1024; /换算成电压值 adc_to_disbuffer(adc_v); ,34,void display(void)/ 4位LED数码管动态扫描函数 PORTA |= 0 x0f; PORTC = led_7dis_buffposit; if (posit=3) PORTC |= 0 x80; PORTA ,35,void main(void) DDRA=0 x0f; PORTA=0 x0f; DDRC=0 xff; / LED显示控制I/O端口初始化 PORTC
15、=0 x00; / T/C0 初始化 TCCR0=0 x0B; / 内部时钟，64分频（4M/64=62.5KHz），CTC模式 TCNT0=0 x00; OCR0=0 x7C; / OCR0 = 0 x7C(124),(124+1)/62.5=2ms TIMSK=0 x02; / 允许T/C0比较中断 / ADC 初始化 ADMUX=0 x47; / 参考电源AVcc、ADC7单端输入 SFIOR / ADC允许、自动触发转换、ADC转换中断允许、ADCclk=125Kz #asm(sei) / 开放全局中断,36,while (1) if (time_2ms_ok) display();
16、/ LED扫描显示 time_2ms_ok = 0; ,37,10.2.5 ADC的应用设计的深入讨论,1AVcc的稳定性。 AVcc是提供给ADC工作的电源，如果AVcc不稳定，就会影响ADC的转换精度。 通常采用系统电源通过一个LC滤波后接入AVcc，抑制掉系统电源中的高频躁声，提高AVcc的稳定性。 必要时，PA口上的那些没被用做ADC输入的端口尽量不要作为数字I/O口使用。因为PA口的工作电源是由AVcc提供的，如果PA口上有比较大的电流波动，也会影响AVcc的稳定。,38,2参考电压VREF的选择确定,ADC的参考电压VREF还决定了A/D转换的范围。如果单端通道的输入电压超过VREF，将导致转换结果全部接近于0 x3FF，因此ADC的参考电压应稍大于模拟输入电压的最高值。 ADC的参考电压VR
