《AT mega系列单片机原理及应用--C语言教程 教学课件 ppt 作者 海涛 第6章 ATmega 单片机的模拟接口及使用方法134~159》由会员分享，可在线阅读，更多相关《AT mega系列单片机原理及应用--C语言教程 教学课件 ppt 作者 海涛 第6章 ATmega 单片机的模拟接口及使用方法134~159（92页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第6章 ATmega单片机的 模拟接口及使用方法,主讲：海涛,广西大学电气工程学院,内容提要 本章描述ATmega单片机A/D转换器和PWM发生器的基本原理和应用。在A/D转换器中，首先说明原理、结构、控制和相应特殊寄存器的用法，然后介绍软件设计及应用实例。在PWM发生器中，分别介绍结构原理和实际应用。此外本章还介绍几种滤波方法。,6.1模拟比较器 模拟比较器对正极AIN0 的值与负极AIN1 的值进行比较。当AIN0 上的电压比负极AIN1上的电压要高时，模拟比较器的输出ACO 即置位。比较器的输出可用来触发定时器/ 计数器1 的输入捕捉功能。 此外，比较器还可触发自己专有的、独立的中断。用
2、户可以选择比较器是以上升沿、下降沿还是交替变化的边沿来触发中断。,图6.1为比较器及其外围逻辑电路的框图。,1、特殊功能IO寄存器SFIOR,Bit3ACME:模拟比较器多路复用器使能 当此位为逻辑“1”，且ADC处于关闭状态(ADCSRA 寄存器的ADEN为“0”)时，ADC多路复用器为模拟比较器选择负极输入。当此位为“0”时，AIN1连接到比较器的负极输入端。,2、模拟比较器控制和状态寄存器（ACSR）,例如ACSR0xXX； /可根据下面的引脚功能，来设置相应的值。,Bit7ACD:模拟比较器禁用 Bit6ACBG:选择模拟比较器的能隙基准源 Bit5 ACO:模拟比较器输出 Bit4A
3、CI:模拟比较器中断标志 Bit 3 ACIE: 模拟比较器中断使能 Bit 2 ACIC: 模拟比较器输入捕捉使能 Bits 1, 0 ACIS1, ACIS0: 模拟比较器中断模式选择,需要改变ACIS1/ACIS0 时，必须清零ACSR 寄存器的中断使能位来禁止模拟比较器中断。否则有可能在改变这两位时产生中断。,6.2 模数转换器 6.2.1 主要特点 ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0V (GND)为基准。 器件还支持16 路差分电压输入组合。两路差分输入(ADC1、ADC0
4、 与ADC3、ADC2)有可编程增益级，在A/D 转换前给差分输入电压提供0dB(1x)、20dB(10x) 或46dB(200x)的放大级。,七路差分模拟输入通道共享一个通用负端(ADC1), 而其他任何ADC 输入可做为正输入端。如果使用1x 或10x 增益，可得到8 位分辨率。如果使用200x 增益，可得到7 位分辨率。 ADC 包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC 的电压保持恒定。 ADC 由AVCC 引脚单独提供电源。AVCC 与VCC 之间的偏差不能超过 0.3V。 标称值为2.56V 的基准电压，以及AVCC，都位于器件之内。基准电压可以通过在AREF引脚上加一个
5、电容进行解耦，以更好地抑制噪声。,图6.2 模数转换器方框图,6.2.2 ADC的工作原理 ADC 通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个10 位的数字量。最小值代表GND，最大值代表AREF引脚上的电压再减去1 LSB。通过写ADMUX寄存器的REFSn位可以把AVCC 或内部2.56V 的参考电压连接到AREF 引脚。在AREF 上外加电容可以对片内参考电压进行解耦以提高噪声抑制性能。,6.2.3 启动ADC转换 向ADC 启动转换位ADSC 位写“1”可以启动单次转换。在转换过程中此位保持为高，直到转换结束，然后被硬件清零。如果在转换过程中选择了另一个通道，那么ADC 会在改变通道
6、前完成这一次转换。,图6.3 ADC 自动触发逻辑,使用ADC 中断标志作为触发源，可以在正在进行的转换结束后即开始下一次ADC 转换。之后ADC 便工作在连续转换模式，持续地进行采样并对ADC 数据寄存器进行更新。第一次转换通过向ADCSRA 寄存器的ADSC 写1 来启动。 如果使能了自动触发，置位ADCSRA 寄存器的ADSC 将启动单次转换。ADSC 标志还可用来检测转换是否在进行之中。不论转换是如何启动的，在转换进行过程中ADSC 一直为1。,6.2.4 预分频及ADC 转换时序,图6.4 ADC 预分频器,图6.5 ADC 时序图， 第一次转换( 单次转换模式),图6.6 ADC
7、时序图，单次转换,图6.7 ADC 时序图，自动触发的转换,图6.8 ADC 时序图，连续转换,表6.3 ADC转换时间,6.2.5 差分增益信道 当使用差分增益通道，需要考虑转换的确定特征。 差分转换与内部时钟CKADC2 同步等于ADC 时钟的一半。同步是当ADC 接口在CKADC2边沿出现采样与保持时自动实现的。 如果使用差分增益通道且通过自动触发启动转换，在转换时ADC 必须关闭。当使用自动触发时， ADC 预分频器在转换启动前复位。由于在转换前的增益级依靠稳定的ADC 时钟，该转换无效。,6.2.6 通道或基准源的选择 ADMUX寄存器中的MUXn及REFS1:0通过临时寄存器实现了
8、单缓冲。CPU可对此临时寄存器进行随机访问。这保证了在转换过程中通道和基准源的切换发生于安全的时刻。 在转换启动之前通道及基准源的选择可随时进行。一旦转换开始就不允许再选择通道和基准源了，从而保证ADC 有充足的采样时间。,6.2.7 ADC 输入通道 选择模拟通道时请注意以下几个方面： 工作于单次转换模式时，总是在启动转换之前选定通道。在ADSC 置位后的一个ADC 时钟周期就可以选择新的模拟输入通道了。但是最简单的办法是等待转换结束后再改变通道。,在连续转换模式下，总是在第一次转换开始之前选定通道。在ADSC 置位后的一个ADC时钟周期就可以选择新的模拟输入通道了。但是最简单的办法是等待转
9、换结束后再改变通道。 然而，此时新一次转换已经自动开始了，下一次的转换结果反映的是以前选定的模拟输入通道。以后的转换才是针对新通道的。,6.2.8 ADC 基准电压源 ADC的参考电压源(VREF)反映了ADC的转换范围。若单端通道电平超过了VREF，其结果将接近0x3FF。VREF 可以是AVCC、内部2.56V 基准或外接于AREF 引脚的电压。 AVCC通过一个无源开关与ADC相连。片内的2.56V参考电压由能隙基准源(VBG)通过内部放大器产生。无论是哪种情况，AREF 都直接与ADC 相连，通过在AREF 与地之间外加电容可以提高参考电压的抗噪性。,6.2.9 ADC 噪声抑制器 A
10、DC的噪声抑制器使其可以在睡眠模式下进行转换，从而降低由于CPU及外围I/O设备噪声引入的影响。噪声抑制器可在ADC 降噪模式及空闲模式下使用。为了使用这一特性，应采用如下步骤： 1. 确定ADC 已经使能，且没有处于转换状态。工作模式应该为单次转换，并且ADC 转换结束中断使能。 2. 进入ADC 降噪模式( 或空闲模式)。一旦CPU 被挂起， ADC 便开始转换。,3. 如果在ADC转换结束之前没有其他中断产生，那么ADC中断将唤醒CPU并执行ADC 转换结束中断服务程序。如果在ADC 转换结束之前有其他的中断源唤醒了CPU，对应的中断服务程序得到执行。ADC 转换结束后产生ADC 转换结
11、束中断请求。CPU 将工作到新的休眠指令得到执行。,6.2.10 模拟输入电路 单端通道的模拟输入电路见图6.9 。不论是否用作ADC 的输入通道，输入到ADCn的模拟信号都受到引脚电容及输入泄露的影响。用作ADC 的输入通道时，模拟信号源必须通过一个串联电阻( 输入通道的组合电阻) 驱动采样/保持(S/H) 电容。,图6.9 模拟输入电路,图6.10所示为一通用的模拟信号输入电路。它对模拟输入信号进行偏移和增益处理，使输入到模拟引脚（ADC0ADC7）的电压为05V，偏移细调通过R2实现。增益范围由调整R5完成。,图6.10 偏移和增益整定电路,例6.1 电压采集，通道ADC2，ADC3。
12、ADMUX=0xED(ADC3-ADC2，10x增益，2.56V参考电压，左对齐) ADC3上电压为300mV，ADC2电压为500mV。 ADCR=512*10*(300-500)/2560=-400=0x270 ADCL将读为0x00，且ADCH 读为0x9C。给ADLAR写0右对齐：ADCL=0x70， ADCH=0x02。,6.2.11 ADC 转换结果 转换结束后(ADIF 为高)，转换结果被存入ADC 结果寄存器(ADCL, ADCH)。单次转换的结果如下：,式中，VIN 为被选中引脚的输入电压，VREF 为参考电压，0x000 代表模拟地电平， 0x3FF 代表所选参考电压的数值
13、减去1LSB。,如果使用差分通道，结果是：,式中，VPOS 为输入引脚正电压，VNEG 为输入引脚负电压，GAIN 为选定的增益因子，且VREF 为参考电压。结果用2 的补码形式表示，从0x200(-512d)到0x1FF(+511d)。如果用户希望对结果执行快速极性检测，判断MSB( ADCH 中ADC9 )，如该位为1，结果为负；该位为0，结果为正。,表6.4 给出当选定的增益为GAIN且参考电压为VREF 的差分输入对(ADCn - ADCm)的输入码结果。 下表6.4 输入电压与输出码的相互关系,1、 ADC多工选择寄存器（ADMUX）,例如：ADMUX0xXX；/根据下面的表6.5和
14、表6.6来选择ADC的参考电压和通道, Bit 7:6 REFS1:0: 参考电压选择 表6.5 ADC参考电压选择,Bit5ADLAR:ADC转换结果左对齐 Bits 4:0 MUX4:0: 模拟通道与增益选择位 细节见表6.6。,2、 ADC控制和状态寄存器A（ADCSRA）,例如：ADCSRA0xXX；/根据使用情况，对所需要的功能标志位置位即可 ADPS20是用来选择几分频, Bit7ADEN:ADC使能 Bit 6 ADSC: ADC 开始转换 Bit 5 ADATE: ADC 自动触发使能 Bit 4 ADIF: ADC 中断标志 Bit 3 ADIE: ADC 中断使能 Bits
15、 2:0 ADPS2:0: ADC 预分频器选择位,表6.7 ADC预分选择,3、ADC数据寄存器（ADCL及ADCH）ADLAR = 0,ADLAR = 1,ADC 转换结束后，转换结果存于这两个寄存器之中。如果采用差分通道，结果由2 的补码形式表示。 读取ADCL 之后，ADC 数据寄存器一直要等到ADCH 也被读出才可以进行数据更新。因此，如果转换结果为左对齐，且要求的精度不高于8 比特，那么仅需读取ADCH 就足够了。否则必须先读出ADCL 再读ADCH。,4、 特殊功能IO 寄存器（SFIOR）, Bit 7:5 ADTS2:0: ADC 自动触发源 若ADCSRA寄存器的ADATE
16、置位，ADTS的值将确定触发ADC 转换的触发源；否则，ADTS的设置没有意义。被选中的中断标志在其上升沿触发ADC转换。,表6.8 ADC自动触发选择, Bit 4Res:保留位 这一位保留。为了与以后的器件相兼容，在写SFIOR 时这一位应写0。,例6.4 图6.11是以ATmage16为核心构成多路电力参数数据采集系统，UN1UN6是精密运放，ADC选择片内2.56为基准电压，64分频时钟源，将采集数值在数码管上显示出来，控制数码管74LS595从上到下排列顺序为：c、b、a。 1、电力参数数据采集系统原理图 图6.11 ATmage16构成多路数据采集系统原理图,2、电力参数数据采集流 程框图 图6.12 电力参数数据采集流程框图,6.3 脉冲宽度调制输出 PWM（DA）功能特点及功能 1、 脉冲宽度调制输出 PWM的结构和工作原理 将某个要转换的数字量（例512）写入到OCR0（输出比较寄存器）中，其值不断与8位循环记数器的内容比较。二
