Любой микроконтроллер общается с периферийными устройствами при помощи портов ввода/вывода. При этом он способен “воспринимать” только цифровые сигналы – логический ноль или единицу. Например, у МК ATmega8 при напряжении питания 5 В логический ноль – это напряжение лежащие в интервале от 0 до 1,3 В, а единица – от 1,8 до 5 В. Довольно часто в радиолюбительской практике возникает необходимость измерять напряжения, которое может принимать любое значение в диапазоне от нуля до уровня напряжения питания. Для этих задач в составе всех микроконтроллеров AVR имеется аналого-цифровой преобразователь.

Не вникая в подробности устройства АЦП, представим его типовым черного ящика. На вход АЦП идет аналоговый сигнал, а на выходе его имеем последовательность цифровых значений. АЦП имеет огромное число различных характеристик, из них можно выделить такие как: разрешающая способность, абсолютную точность, предельная частота дискретизации и диапазон входных напряжений.

Разрешающая способность или разрешение – эта характеристика АЦП помогает различать два значения входного сигнала. Определяется как величина обратная наибольшему числу кодовых комбинаций АЦП на выходе. У нашего МК АЦП десяти разрядный, поэтому максимальное число возможных кодовых комбинаций будет равно 2 10 = 1024 , а его разрешающая способность равна 1/1024 от полной шкалы допустимых входных напряжений.

Для правильной работы АЦП требуется источник опорного напряжения (ИОН). По отношению к которому, АЦП измеряет сигналы поступающие на его вход. МК AVR позволяют в роли ИОН применять напряжение питания, их внутренний опорный источник на 2,56 В, а напряжение на выходе AREF (внешний ИОН).

Так как наша схема запитана от 5 В, тогда 1/1024 от всей шкалы получится 0,0048 В или около 5 мВ. С таким шагом АЦП будет определять уровень входного напряжения. Если два ближайших значения на входе преобразователя будут отличаться друг от друга на величину менее 5 мВ, АЦП будет считать равными. На практике разрешающая способность любого АЦП ограничена шумами.

Абсолютная точность АЦП это отклонение реального преобразования от идеального. Это составной результат нескольких погрешностей преобразователя. Математически описывается в количестве младших значащих разрядов (LSB). Максимальная абсолютная погрешность АЦП «Atmega8» равна 1.5 LSB. Для нашего случая абсолютная точность равна 2 × 5 мВ = ±10 мВ

Предельная частота дискретизации это есть быстродействие АЦП, которое измеряется в Гц или количестве выборок за секунду (SPS – samples per second). Для МК AVR она равна15 kSPS (килло семплов за секунду).

На порт В - МК AVR подключен типовой ЖК дисплей 16х2. Выводы AREF и AVCC подключены к питающему напряжению 5В. Это и есть ИОН. На порт С Atmega к нулевому разряду подключен контакт с вольтметром и переменным сопротивлением для изменения уровня входного напряжения. Наша задача в этом учебном примере следующая: Мы хотим вывести на ЖК экран величину напряжения, аналогичную измерению вольтметра.

Переходим к программированию запускаем новый проект в программе . В настройках Chip выбираем МК Atmega8, частоту выставляем 4,00000000 MHz. (см. пример с мигающим светодиодом). Переходим во вкладку LCD выбираем PORTB. И сохраняем проект под названием ADC (аббревиатура АЦП на забугорном языке). Вначале необходимо добавить две директивы препроцессора для работы с текстом и задержкой. Для этого после директивы LCD вставим две строки.

#include
#include

Первая строка необходима для задержек, а вторая для работы дисплея с текстом. Далее создаем массив для промежуточного хранения форматированного текста. После текста в коде, пишем.

Затем после открытия главной функции main, мы должны добавить еще две переменных. Одна из них используется для хранения значения после выборки, а другая для хранения выводимого на экран значения.

Теперь настроим сам АЦП. Для этого после настройка компаратора запишем следующее.

// Analog Comparator initialization
// Analog Comparator: Off
// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off
ACSR=0x80;
SFIOR=0x00;

ADMUX=0; // Первая строка, № порта.
ADCSR=0x85; // Вторая строка настройка АЦП. (в двоичной системе x85=10000101)

Для того чтоб начать работу с АЦП у МК имеется регистр ADCSR. Вот, что в нем находится.

0-й бит ADPS0 Настройка частоты преобразования
1-й бит ADPS1 -/-/-
2-й бит ADPS2 -/-/-
3-й бит ADIE Разрешение прерывания
4-й бит ADIF Флаг прерывания
5-й бит ADFR Выбор работы АЦП. 1-непрерывный либо 0-по запуску ADSC
6-й бит ADSC Запуск преобразование 1-старт. После преобразования сбрасывается в ноль аппаратно.
7-й бит ADEN Разрешение работы АЦП 1-да 0-нет

Для включения в АЦП записываем 1 в 7-й разряд, 0 в 6-й, 5-й, 3-й и 4-й разряды. Теперь подбираем частоту, т.к у нас кварц на 4000 кГц, то нам его надо поделить (для стабильной работы АЦП его требуется тактировать частотой в диапазоне 50 кГц - 200 кГц), чуть ниже представлена таблица коэффициентов деления.

Возьмем коэффициент делителя на 32, получим частоту 125 кГц, что вполне достаточно для стабильной работы АЦП. Итак, в регистр ADCSR нам надо записать значение 10000101.

С настройками АЦП надеюсь понятно. Теперь давайте выведем в первой строке на экране наши намерения. Для этого после инициализации LCD дисплея запишем строчку. lcd_putsf("Work with ADC");

// LCD module initialization
lcd_init(16);
lcd_putsf("Work with ADC"); // Выводим запись

Теперь при старте программы В МК увидим эту надпись. Далее в бесконечном цикле пишем тело основной программы.

while (1)
{
delay_ms(20); // Задаем задержку в 20 миллисекунд
ADCSR |= 0x40; // Записываем 1 в ADSC
data = ADCW; // Вычитываем значение
V = (float) data*0.0048828; // Переводим в вольты
sprintf(string, "Data: %1.2f", V); // форматируем
lcd_gotoxy(0,1); // Выставляем курсор
lcd_puts(string); // Выводим значение

delay_ms(20); задержку на 20 миллисекунд.
ADCSR |= 0x40; битное ИЛИ. Число 0х40 в бинаре выглядит так 0b01000000. Если мы проведем по битное ИЛИ с 0х85 (0b10000101), то у нас в 6-й разряд запишется 1. Для того, чтобы началось преобразование в 6-й разряд нужно записать 1. А после преобразование он сбросится в 0 аппаратно.
data = ADCW; После преобразования микроконтроллер записывает полученное значение в ADCW. Вот оттуда мы его и возьмем
V = (float) data*0.0048828; Преобразуем полученное значение в вольты, т.к ИОН=5В, а значение регистра 1024, то мы 5/1024=0.0048828 получим коэффициент напряжения. Минимальная величина напряжения будет при минимальном значении регистра ADCW. То есть если в нем будет значение 1, то напряжение будет 0.0048828 В. Поэтому в строке, данные ADCW перемножаем на это значение - 0.0048828. Слово float в скобке используется для того чтобы преобразовать переменную data из целочисленной в вещественную с плавающей точкой.
sprintf(string, "Data: %1.2f", V); Заносим значение напряжения в массив string с последующим форматированием. Сначала впишем Data: . После ставим знак процента. 1.2f - говорит о том что мы хотим вывести на экран один знак до запятой и два знака после, а буква f означает, что это значение вещественным с плавающей точкой.
lcd_gotoxy(0,1); Курсор в нулевую позицию во второй строке.
lcd_puts(string); Выводим значение на дисплей.

Перед тем как собрать проект нужно сделать небольшие настройки в CodeVisionAVR. В меню нажимаем "Project->Configure" и в открывшемся окне переходим во вкладку "C Compiler", затем в левом нижнем углу меняем значение (s)printf Features: с int, width на float, width, precision.

Результат работы программы на рисунке ниже:

Архив с проектом для CodeVisionAVR и Proteus вы можете скачать по зеленой ссылке выше. Затем распакуйте архив в корень диска С и проект можно запускать.

Давайте рассмотрим основной спектр вопросов, которые можно отнести к принципу действия разных типов. Последовательный счет, поразрядное уравновешивание - что скрывается за этими словами? В чем заключается принцип работы АЦП микроконтроллера? Эти, а также ряд других вопросов мы рассмотрим в рамках статьи. Первые три части мы посвятим общей теории, а с четвертого подзаголовка будем изучать принцип их работы. Вы можете в различной литературе встречать термины АЦП и ЦАП. Принцип работы этих устройств немного различается, поэтому не путайте их. Так, в статье будет рассматриваться из аналоговой формы в цифровую, в то время как ЦАП работает наоборот.

Определение

Прежде чем рассматривать принцип работы АЦП, давайте узнаем, что это за устройство. Аналого-цифровые преобразователи являются приборами, которые физическую величину превращают в соответствующее числовое представление. В качестве начального параметра может выступать практически всё что угодно - ток, напряжение, емкость, сопротивление, угол поворота вала, частота импульсов и так далее. Но чтобы иметь определённость, мы будем работать только с одним преобразованием. Это "напряжение-код". Выбор такого формата работы не случаен. Ведь АЦП (принцип работы этого устройства) и его особенности в значительной мере зависят от того, какое понятие измерения используется. Под этим понимают процесс сравнения определённой величины с ранее установленным эталоном.

Характеристики АЦП

Основными можно назвать разрядность и частоту преобразования. Первую выражают в битах, а вторую - в отсчетах на секунду. Современные аналого-цифровые преобразователи могут обладать разрядностью 24 бита или скоростью преобразования, которая доходит до единиц GSPS. Обратите внимание, что АЦП может одновременно предоставлять вам в использование только одну свою характеристику. Чем большие их показатели, тем сложнее работать с устройством, да и оно само стоит дороже. Но благо можно получить необходимые показатели разрядности, пожертвовав скоростью работы прибора.

Типы АЦП

Принцип работы разнится у различных групп устройств. Мы рассмотрим следующие типы:

1. С прямым преобразованием.
2. С последовательным приближением.
3. С параллельным преобразованием.
4. Аналого-цифровой преобразователь с балансировкой заряда (дельта-сигма).
5. Интегрирующие АЦП.

Есть много других конвейерных и комбинированных типов, которые обладают своими особенными характеристиками с разной архитектурой. Но те образцы, которые будут рассматриваться в рамках статьи, представляют интерес благодаря тому, что они играют показательную роль в своей нише устройств такой специфики. Поэтому давайте будем изучать принцип работы АЦП, а также его зависимость от физического устройства.

Прямые аналого-цифровые преобразователи

Они стали весьма популярными в 60-70-х годах прошлого столетия. В виде производятся с 80-х гг. Это весьма простые, даже примитивные устройства, которые не могут похвастаться значительными показателями. Их разрядность обычно составляет 6-8 бит, а скорость редко превышает 1 GSPS.

Принцип работы АЦП данного типа таков: на плюсовые входы компараторов одновременно поступает входной сигнал. На минусовые выводы подается напряжение определённой величины. А затем устройство определяет свой режим работы. Это делается благодаря опорному напряжению. Допустим, что у нас есть устройство, где 8 компараторов. При подаче ½ опорного напряжения будет включено только 4 из них. Приоритетным шифратором сформируется который и зафиксируется выходным регистром. Относительно достоинств и недостатков можно сказать, работы позволяет создавать быстродействующие устройства. Но для получения необходимой разрядности приходится сильно попотеть.

Общая формула количества компараторов выглядит таким образом: 2^N. Под N необходимо поставить количество разрядов. Рассматриваемый ранее пример можно использовать ещё раз: 2^3=8. Итого для получения третьего разряда необходимо 8 компараторов. Таков принцип работы АЦП, которые были созданы первыми. Не очень удобно, поэтому в последующем появились другие архитектуры.

Аналого-цифровые преобразователи последовательного приближения

Здесь используется алгоритм «взвешивания». Сокращенно устройства, работающие по такой методике, называют просто АЦП последовательного счета. Принцип работы таков: устройством измеряется величина входного сигнала, а потом она сравнивается с числами, которые генерируются по определённой методике:

1. Устанавливается половина возможного опорного напряжения.
2. Если сигнал преодолел предел величины из пункта №1, то сравнивается с числом, которое лежит посредине между оставшимся значением. Так, в нашем случае это будет ¾ опорного напряжения. Если опорный сигнал не дотягивает до этого показателя, то сравнение будет проводиться с другой частью интервала по такому же принципу. В данном примере это ¼ опорного напряжения.
3. Шаг 2 необходимо повторить Н раз, что даст нам Н бит результата. Это благодаря проведению Н количества сравнений.

Данный принцип работы позволяет получать устройства с относительной высокой скоростью преобразования, которыми и являются АЦП последовательного приближения. Принцип работы, как видите, прост, и данные приборы отлично подходят для различных случаев.

Параллельные аналого-цифровые преобразователи

Они работают подобно последовательным устройствам. Формула расчета - (2^Н)-1. Для рассматриваемого ранее случая нам понадобится (2^3)-1 компараторов. Для работы используется определённый массив этих устройств, каждое из которых может сравнивать входное и индивидуальное опорное напряжение. Параллельные аналого-цифровые преобразователи являются довольно быстрыми приборами. Но принцип построения этих устройств таков, что для поддержки их работоспособности необходима значительная мощность. Поэтому использовать их при батарейном питании нецелесообразно.

Аналого-цифровой преобразователь с поразрядным уравновешиванием

Он действует по похожей схеме, что и предыдущее устройство. Поэтому чтобы объяснить функционирование АЦП поразрядного уравновешивания, принцип работы для начинающих будет рассмотрен буквально на пальцах. В основе данных устройств лежит явление дихотомии. Иными словами, проводится последовательное сравнение измеряемой величины с определённой частью максимального значения. Могут браться значения в ½, 1/8, 1/16 и так далее. Поэтому аналого-цифровой преобразователь может выполнить весь процесс за Н итераций (последовательных шагов). Причем Н равняется разрядности АЦП (посмотрите на ранее приведённые формулы). Таким образом, мы имеем значительный выигрыш во времени, если особенно важным является быстродействие техники. Несмотря на значительную скорость, эти устройства также характеризуются низкой статической погрешностью.

Аналого-цифровые преобразователи с балансировкой заряда (дельта-сигма)

Это самый интересный тип устройства, не в последнюю очередь благодаря своему принципу работы. Он заключается в том, что происходит сравнение входного напряжения с тем, что накопилось интегратором. На вход подаются импульсы с отрицательной или положительной полярностью (всё зависит от результата предыдущей операции). Таким образом, можно сказать, что подобный аналого-цифровой преобразователь является простой следящей системой. Но это только как пример для сравнения, чтобы вы могли понимать, АЦП. Принцип работы системный, но для результативного функционирования этого аналого-цифрового преобразователя мало. Конечным результатом является нескончаемый поток единиц и нулей, который идёт через цифровой ФНЧ. Из них формируется определённая битная последовательность. Различают АЦП-преобразователи первого и второго порядков.

Интегрирующие аналого-цифровые преобразователи

Это последний частный случай, который будет рассмотрен в рамках статьи. Далее мы будем описывать принцип работы данных устройств, но уже на общем уровне. Этот АЦП является аналого-цифровым преобразователем с двухтактным интегрированием. Встретить подобное устройство можно в цифровом мультиметре. И это не удивительно, ведь они обеспечивают высокую точность и одновременно хорошо подавляют помехи.

Теперь давайте сосредоточимся на его принципе работы. Он заключается в том, что входным сигналом заряжается конденсатор на протяжении фиксированного времени. Как правило, этот период составляет единицу частоты сети, которая питает устройство (50 Гц или 60 Гц). Также он может быть кратным. Таким образом, подавляются высокочастотные помехи. Одновременно нивелируется влияние нестабильного напряжения сетевого источника получения электроэнергии на точность полученного результата.

Когда оканчивается время заряда аналого-цифрового преобразователя, конденсатор начинает разряжаться с определённой фиксированной скоростью. Внутренний счетчик устройства считает количество тактовых импульсов, которые формируются во время этого процесса. Таким образом, чем больше временной промежуток, тем значительнее показатели.

АЦП двухтактного интегрирования обладают высокой точностью и Благодаря этому, а также сравнительно простой структуре построения они выполняются как микросхемы. Основной недостаток такого принципа работы - зависимость от показателя сети. Помните, что его возможности привязаны к длительности частотного периода источника питания.

Вот как устроен АЦП двойного интегрирования. Принцип работы данного устройства хотя и является довольно сложным, но он обеспечивает качественные показатели. В некоторых случаях такое бывает просто необходимым.

Выбираем АПЦ с необходимым нам принципом работы

Допустим, перед нами стоит определенная задача. Какое выбрать устройство, чтобы оно могло удовлетворить все наши запросы? Для начала давайте поговорим про разрешающую способность и точность. Очень часто их путают, хотя на практике они очень слабо зависят один от второго. Запомните, что 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь может иметь меньшую точность, чем 8-разрядный. В этом случае разрешение - это мера того, какое количество сегментов может быть выделено с входного диапазона измеряемого сигнала. Так, 8-разрядные АЦП обладают 2 8 =256 такими единицами.

Точность - это суммарное отклонение полученного результата преобразования от идеального значения, которое должно быть при данном входном напряжении. То есть первый параметр характеризует потенциальные возможности, которые имеет АЦП, а второй показывает, что же мы имеем на практике. Поэтому нам может подойти и более простой тип (например, прямые аналого-цифровые преобразователи), который позволит удовлетворить потребности благодаря высокой точности.

Чтобы иметь представление о том, что нужно, для начала необходимо просчитать физические параметры и построить математическую формулу взаимодействия. Важными в них являются статические и динамические погрешности, ведь при использовании различных компонентов и принципов построение устройства они будут по-разному влиять на его характеристики. Более детальную информацию можно обнаружить в технической документации, которую предлагает производитель каждого конкретного прибора.

Пример

Давайте рассмотрим АЦП SC9711. Принцип работы данного устройства сложен ввиду его размера и возможностей. Кстати, говоря о последних, необходимо заметить, что они по-настоящему разнообразные. Так, к примеру, частота возможной работы колеблется от 10 Гц до 10 МГц. Иными словами, оно может делать 10 млн отсчетов в секунду! Да и само устройство не является чем-то цельным, а имеет модульную структуру построения. Но используется оно, как правило, в сложной технике, где необходимо работать с большим количеством сигналов.

Заключение

Как видите, АЦП в своей основе имеют различные принципы работы. Это позволяет нам подбирать устройства, которые удовлетворят возникшие запросы, и при этом позволят разумно распорядиться имеющимися средствами.

Отличительные особенности:

• Рассмотрены характеристики аналогово-цифровых преобразователей
• Измерение описанных характеристик АЦП
• Влияние температуры, частоты и напряжения питания на результат преобразования
• Компенсация погрешностей смещения и коэффициента передачи

Введение

В данных "Рекомендациях…" объясняется снятие характеристик различных АЦП, приведенных в документации, и как они влияют на результат измерений АЦП. Также описывается, как определить данные параметры в процессе тестирования приложения на стадии производства и как выполнить реально-временную компенсацию некоторых измеренных отклонений.

Большим преимуществом флэш-памяти, встроенной в AVR, является возможность замены калибровочного кода кодом приложения сразу после снятия характеристик. Таким образом, выполнение калибровки не приводит к увеличению размера памяти программ конечного устройства.

1. Сведения из теории

Перед началом изучения деталей необходимо ознакомиться с некоторыми центральными понятиями. Если читатель знаком с такими понятиями, как квантование, разрешающая способность и передаточная функция АЦП, то следующий раздел можно пропустить.

1.1. Основные характеристики АЦП

АЦП преобразовывает аналоговый входной сигнал в цифровое выходное значение, которое соответствует уровню входного сигнала относительно опорного источника. Для более лучшего понимания характеристик АЦП представим его в виде трех разновидностей: идеальный, совершенный и реальный АЦП. Идеальный АЦП может быть описан только теоретически, физически реализовать его невозможно. Он обладает бесконечной разрешающей способностью, при которой каждому произвольному входному значению соответствует уникальное выходное значение в пределах диапазона преобразования. Математически идеальный АЦП описывается в виде прямолинейной передаточной функции (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Передаточная функция идеального АЦП

Чтобы дать определение совершенного АЦП необходимо предварительно рассмотреть понятие квантование. В связи с тем, что АЦП имеет цифровую основу, то генерация им непрерывных значений невозможна. Выходной диапазон может быть представлен в виде множества интервалов, каждому из которых соответствует собственное цифровое значение. Это означает, что одно выходное значение соответствует не конкретному уровню входного напряжения, а небольшому диапазону входных значений. Передаточная функция такого преобразования имеет лестничную форму. Например, АЦП с 8 интервалами имеет разрешающую способность 8 уровней или иными словами 3 разряда. На рисунке 2 представлен пример передаточной функции 3-хразрядного совершенного АЦП вместе с передаточной функций идеального АЦП. Как следует из рисунка совершенный АЦП эквивалентен идеальному точно посредине каждого интервала квантования. Это означает, что совершенный АЦП по существу округляет входные значения к ближайшему выходному значению.

Рисунок 2. Передаточная функция 3-разрядного совершенного АЦП

Максимальная погрешность совершенного АЦП составляет ±1/2 интервала дискретизации. Иными словами, максимальная погрешность квантования всегда ±1/2 мл.разр., где мл. разр. - приращение входного напряжения, при котором изменяется значение младшего разряда выходного кода. Реальный АЦП характеризуется другими источниками погрешностей, которые будут рассмотрены далее.

1.2. Диапазоны преобразования

АЦП в микроконтроллерах AVR можно сконфигурировать на несимметричное и на дифференциальное преобразование. Несимметричный режим используется для измерения уровней входных напряжений в одном входном канале, а дифференциальный режим предназначен для измерения разности напряжений между двумя каналами. Независимо от режима преобразования, входные напряжения на любом из каналов должны находиться между GND и AVCC.

При использовании несимметричного режима напряжение относительно общего (GND) преобразовывается в цифровое значение. Если же используется дифференциальный режим, то в цифровое значение преобразовывается напряжение с выхода дифференциального усилителя (с опциальным усилением). На рисунке 3 показана упрощенная схема входного каскада АЦП.

Рисунок 3. Упрощенная схема входного каскада АЦП

Для задания диапазона преобразования в схеме необходим источник опорного напряжения (Vион), который задает, какому уровню входного напряжения соответствует выходное значение. В соответствии с документацией напряжение Vион должно быть не менее 2,0В для стандартных микроконтроллеров и не менее 1,0В для микроконтроллеров с напряжением питания от 1,8В. Данное распространяется на оба режима преобразования: несимметричный и дифференциальный. Подробности необходимо выяснить в документации.

1.2.1. Несимметричный диапазон преобразования

В несимметричном режиме входной сигнал поступает непосредственно к схеме преобразования (см. рисунок 3а). 10-разрядный АЦП микроконтроллера AVR, таким образом, преобразовывает непрерывные входные напряжения в диапазоне от GND до Vион в дискретные выходные значения от 0 до 1023, соответственно.

1.2.2. Дифференциальный диапазон преобразования

В дифференциальном режиме преобразования два входных канала подключаются к дифференциальному усилителю с опциональным усилительным каскадом. Затем напряжение с выхода усилителя поступает к логике преобразования, как показано на рисунке 3б. В этом случае разности напряжений в диапазоне от -Vион до +Vион соответствуют выходные значения в диапазоне от -512 до +511. Выходное значение представляется в формате двоичного дополнения. Несмотря на возможность образования отрицательного напряжения на выходе дифференциального усилителя входные напряжения должны быть в диапазоне GND…AVCC.

Обратите внимание, что некоторые микроконтроллеры не могут измерить отрицательного приращения, как, например, ATtiny26.

1.3. Необходимость калибровки

Общая погрешность реального АЦП складывается не только из погрешности квантования. В данном документе рассматриваются погрешности смещения и коэффициента передачи и методы их компенсации. Кроме того, рассматривается измерение двух нелинейностей, а именно дифференциальной и интегральной нелинейности.

В большинстве приложений нет необходимости выполнять калибровку АЦП при использовании несимметричного режима преобразования. Типичная погрешность в этом случае составляет 1-2 мл.разр., что зачастую удовлетворяет требованиям приложения и исключает необходимость калибровки.

Однако, при использовании дифференциального преобразования ситуация меняется, особенно при использовании внутреннего усилительного каскада с большим усилением. Незначительные отклонения, вызванные особенностями производства микроконтроллеров, умножаются усилительным каскадом и, поэтому, у разных микроконтроллеров могут наблюдаться существенные отличия в результате измерения при прочих равных условиях. Некомпенсированная погрешность может достигать 20 мл. разр. и выше. Данные отклонения могут быть определены для каждого микроконтроллера, а затем компенсированы программно.

Значение 20 мл. разр. на первый взгляд может показаться большим значением, но это не означает, что дифференциальный режим непрактичен в использовании. С помощью простого калибровочного алгоритма возможно достичь точность 1-2 мл.разр.

1.4. Абсолютная погрешность

Абсолютная погрешность - максимальное отклонение между идеальной прямолинейной и реальной передаточными функциями, в т.ч. внутри интервалов квантования. Минимальная абсолютная погрешность, таким образом, равна погрешности квантования 1/2 мл. разр.

Абсолютная погрешность или абсолютная точность - общая некомпенсированная погрешность, которая включает погрешность квантования, погрешность смещения, погрешность коэффициента передачи и нелинейность. Смещение, коэффициент передачи и нелинейность будут описаны далее.

Абсолютная погрешность может быть измерена с помощью пилообразного входного напряжения. В этом случае все выходные значения сравниваются с входным напряжением, а по максимальному отклонению определяется абсолютная погрешность.

Обратите внимание, что абсолютная погрешность не может быть компенсирована непосредственно, без использования таблиц преобразования или полиноминальной аппроксимации. Однако, наиболее весомые составляющие общей погрешности - передаточная погрешность и погрешность смещения - могут быть компенсированы.

Необходимо помнить, что абсолютная погрешность сокращает диапазон АЦП и, поэтому, необходимо учесть запас ко входным минимальным и максимальным напряжениям, чтобы далее исключить необходимость помнить все время о абсолютной погрешности.

1.5. Погрешность смещения

Погрешность смещения - отклонение фактической передаточной функции АЦП от прямолинейной передаточной функции идеального АЦП при нулевом входном напряжении.

Когда выходное значение изменяется от 0 к 1, но при этом входное напряжение не достигло уровня 1/2 мл.разр., то говорят, что имеет место погрешность смещения. Если ошибка смещения положительная, то выходное значение будет больше 0, когда входное напряжение приближается к 1/2 мл.разр. снизу. Если ошибка смещения отрицательная, то входное значение будет больше 1/2 мл.разр. при первом изменении выходного кода. Другими словами, если фактическая передаточная функция становится ниже идеальной линии, то погрешность смещения отрицательная и наоборот. Отрицательные и положительные смещения показаны на рисунке 4.

Рисунок 4. Примеры положительного (а) и отрицательного (б) смещений

Поскольку несимметричное преобразование дает только положительный результат, то процедура измерения смещений дифференциального и несимметричного преобразований отличаются.

1.5.1. Погрешность смещения в несимметричных каналах

Для измерения погрешности смещения необходимо увеличивать входное напряжение от GND до возникновения первого изменения выходного значения. Далее необходимо вычислить разницу между входным напряжением, при котором совершенный АЦП выполняет такой переход, и входным напряжением, при котором произошел фактический переход. Далее данную разницу преобразовываем в мл. разр., что будет эквивалентно ошибке смещения.

На рисунке 5а первый переход возникает при уровне 1 мл.разр. При изменении выходного кода с 2 к 3 у совершенного АЦП эквивалентное входное напряжение будет равно 2 1/2 мл. разр. Разница равна +1 1/2 мл. разр. и является погрешностью смещения. Данная разница показана на рисунке размерной линией. Такие же рассуждения применимы и к рисунку 5б. Первое изменение возникает при 2 мл.разр. У совершенного АЦП переход от 0 к 1 возникает при входном напряжении 1/2 мл.разр. Таким образом, погрешность смещения равна разнице: - 1 1/2 мл. разр.

Рисунок 5. Положительная (а) и отрицательная (б) погрешности смещения в режиме несимметричного преобразования

Процедура измерения может быть формализована в виде блок-схемы (см. рисунок 6).

Рисунок 6. Блок-схема измерения несимметричных погрешностей смещения

Для компенсации погрешностей смещения в несимметричных каналах необходимо из каждого измеренного значения вычесть погрешность смещения. Необходимо, помнить, что погрешности смещения ограничивают диапазон преобразования АЦП. Большие положительные погрешности смещения вызывают установку на выходе максимального значения еще до достижения входным напряжением максимума. В свою очередь отрицательные погрешности смещения приводят к появлению на выходе 0 при минимальных входных напряжениях.

1.5.2. Погрешность смещения в дифференциальных каналах

Погрешность смещения в дифференциальных каналах вычисляется более просто, т.к. в этом случае не требуется регулировка входного напряжения. Два дифференциальных входа необходимо подключить к одному и тому же напряжению, а результирующее выходное значение и будет погрешностью смещения. Поскольку при данном способе не дается точная информация при каком именно уровне возник первый переход, то его погрешность равно от 1/2 до 1 мл.разр. в худшем случае.

Для компенсации погрешностей смещения при использовании дифференциальных каналов необходимо из каждого измеренного значения вычесть погрешность смещения.

1.6. Передаточная погрешность

Передаточная погрешность определяется как отклонение в средней точке последнего интервала дискретизации от идеальной прямой линии после компенсации погрешности смещения. После компенсации всех погрешностей смещения нулевому входному напряжению всегда соответствует нулевое выходное значение. Однако, под влиянием передаточных погрешностей изменяется наклон фактической передаточной функции относительно идеального наклона. Данная передаточная погрешность может быть измерена и компенсирована путем масштабирования выходных значений.

При реально-временной компенсации часто используется целочисленная арифметика, т.к. вычисления с плавающей точкой выполняются гораздо дольше. Таким образом, для достижения наилучшей точности измерения отклонения наклона оно должно быть выполнено как можно далее от нулевого значения. Чем выше значения, тем лучше точность измерения. Это более подробно описано далее. Пример передаточной функции 3-разрядного АЦП с передаточной погрешностью показан на рисунке 7. Приведенное далее описание распространяется на оба режима преобразования: несимметричный и дифференциальный.

Рисунок 7. Примеры положительной (а) и отрицательной (б) передаточных погрешностей

Для измерения передаточной погрешности необходимо увеличивать входное напряжение от 0 до достижения последнего интервала преобразования. Масштабирующий коэффициент для компенсации передаточной погрешности равен отношению идеального выходного значения посредине последнего интервала дискретизации и фактического значения в этой же точке.

На рисунке 7а выходное значение достигло предела еще до достижения максимума входным напряжением. Вертикальная размерная линия показывает середину последнего выходного интервала дискретизации. Идеальное выходное значение для данного входного напряжения равно 5,5, таким образом, масштабирующий коэффициент равен 5,5/7. На рисунке 7б выходное значение достигло только 6 при достижении входным напряжением максимума. В итоге присутствует отрицательное отклонение от фактической передаточной функции. Для этого случая идеальное выходное значение посередине последнего интервала преобразования равно 7,5, а масштабирующий коэффициент 7,5/6. Процедура измерения представлена на рисунке 8.

Рисунок 8. Блок-схема измерения передаточных погрешностей

1.7. Нелинейность

После компенсации погрешности смещения и передаточной погрешности фактическая передаточная функция должна совпадать с передаточной функцией совершенного АЦП. Однако ввиду нелинейности АЦП фактическая кривая может слегка отклоняться от совершенной кривой, даже если обе кривые совпадают в районе 0 и в точке измерения передаточной погрешности. Имеется два способа измерения нелинейности; оба метода описаны ниже. На рисунке 9 показаны примеры для обоих методов измерения.

Рисунок 9. Пример нелинейной кривой преобразования АЦП

1.7.1. Дифференциальная нелинейность

Дифференциальная нелинейность (ДНЛ) - максимальное и минимальное отклонения фактической ширины интервала от ширины интервала совершенного АЦП (1 мл. разр.) для всех интервалов дискретизации. Нелинейность приводит к варьированию размеров интервалов дискретизации. Все интервалы должны иметь ширину 1 мл. разр., но некоторые уже или шире.

Для измерения ДНЛ на вход подается пилообразное напряжение и записываются все изменения выходных значений. Ширина интервала определяется как расстояние между двумя переходами и большинство отрицательных и положительных отклонений от 1 мл.разр. используются для определения максимальной и минимальной ДНЛ.

Интегральная нелинейность

Интегральная нелинейность (ИНЛ) - максимальное отклонение по вертикали между фактической и совершенной кривыми преобразования АЦП.

ИНЛ можно интерпретировать как сумму ДНЛ. Например, несколько последовательных отрицательных ДНЛ поднимают фактическую кривую над совершенной, как показано на рисунке 9а. Отрицательные ИНЛ сигнализируют о снижении фактической кривой ниже совершенной. Максимальная и минимальная ИНЛ измеряются с помощью того же пилообразного входного напряжения, что и при измерении ДНЛ. Для этого записываются отклонения посередине каждого интервала преобразования, а затем определяются максимальное и минимальное значения, соответствующие максимальной и минимальной ИНЛ.

Измерения и компенсация

Очень важно, что бы измерение ИНЛ и ДНЛ выполнялось после компенсации погрешности смещения и передаточной погрешности. В противном случае в результат измерения будут входить указанные погрешности и, следовательно, полученные значения ДНЛ и ИНЛ не будут соответствовать действительности.

Нелинейность не может быть компенсирована с помощью простых вычислений. Для этого необходима либо полиноминальная аппроксимация, либо таблицы преобразования. Однако типичные значения ИНЛ и ДНЛ для 10-разрядных АЦП микроконтроллеров AVR составляют 1/2 мл. разр. и редко влияют на жизнеспособность приложений.

1.8. Влияние температуры, частоты и напряжения питания

При использовании внутреннего ИОН совместно с АЦП необходимо уточнить его точность. Технические характеристики внутреннего ИОН приводятся в документации на интересующий тип микроконтроллера. Из них следует, что напряжение ИОН слегка зависит от напряжения питания и рабочей температуры.

Точность работы АЦП также связана с его синхронизацией. Рекомендованная максимальная частота синхронизации АЦП ограничивается характеристиками внутреннего ЦАП в схеме преобразования. Для достижения оптимальных характеристик частота синхронизации АЦП не должна превышать 200 кГц. Однако частоты до 1 МГц не приводят к существенному ухудшению разрешающей способности.

Характеристики работы АЦП с частотами синхронизации выше 1МГц не определялись.

1.9. Частотный диапазон и входное сопротивление

В несимметричном режиме работы АЦП частотный диапазон ограничивается частотой синхронизации АЦП. Одно преобразование длиться 13 тактов, поэтому, при максимальной тактовой частоте 1 МГц достигается частота преобразования 77 тысяч преобразований в секунду. Таким образом, в соответствии с теоремой Котельникова частотный диапазон для несимметричного режима преобразования ограничивается частотой 38,5 кГц.

В дифференциальном режиме частотный диапазон ограничивается частотой 4 кГц за счет дифференциального усилителя. Частотные составляющие выше частоты 4 кГц должны быть удалены с помощью внешнего аналогового фильтра, что позволить избежать нелинейностей.

Входное сопротивление по отношению к VCC и GND составляет 100 МОм (типичное значение). Совместно с внутренним сопротивлением источника сигнала образуется делитель напряжения. Таким образом, для получения корректного результата преобразования необходимо, чтобы внутреннее сопротивление источника сигнала было намного меньше входного сопротивления АЦП.

2. Реализация

На рисунке 10 показан пример установки для выполнения калибровки.

Рисунок 10. Установка для калибровки в производственных условиях

На этапе тестирования выполняется определение характеристик АЦП каждого микроконтроллера с помощью подобной приведенной испытательной установки. После подключения тестового блока к калибруемому микроконтроллеру AVR его тестовые сигналы выполняют самокалибровку автоматически. В состав тестового блока входит высокоточный ЦАП (например, с 16-разрядным разрешением) для генерации входных напряжений в соответствии с калибровочным алгоритмом. По завершении калибровки определенные значения погрешности смещения и передаточной погрешности записываются в ЭСППЗУ для дальнейшего использования, а затем AVR сигнализирует о готовности к следующей фазе тестирования.

Обратите внимание, что в данном случае требуется, чтобы бит EESAVE был запрограммирован. В этом случае выполнение операции стирания всей памяти, которая предшествует программированию флэш-памяти, не затрагивает содержимое ЭСППЗУ. В противном случае, параметры АЦП должны быть временно запомнены программатором перед стиранием памяти микроконтроллера.

2.1. Арифметика с фиксированной точкой для коррекции погрешности смещения и передаточной погрешности

Арифметика с плавающей точкой неэффективна для масштабирования значений АЦП. Однако значение масштабирующего коэффициента для компенсации передаточной погрешности очень близко к 1, что требует некоторой точности для достижения хорошей компенсации значений АЦП. Таким образом, могут использоваться значения с фиксированной точкой, представленные в виде целочисленных значений.

Поскольку коэффициент компенсации передаточной погрешности никогда не превысит значения 2, то можно отмасштабировать с коэффициентом 2 14 , чтобы точно вписаться в 16-разрядное слово. Иными словами, масштабирующий коэффициент может быть представлен двумя байтами как число с фиксированной точкой и знаком 1:14.

Ниже приведено выражение для одновременной компенсации передаточной погрешности и погрешности смещения.

Фактическое_значение = (Код_АЦП - Смещение) · Км, (1)

где Км- масштабирующий коэффициент передаточной погрешности.

При преобразовании результата вычисления к целочисленной форме он всегда округляется к наибольшему целочисленному значению, которое меньше или равно результату. Чтобы добиться корректного округления к ближайшему целому перед преобразованием необходимо добавить 0.5. Прибавление 0.5, масштабирование на 214 и смещение представим в виде выражения (2).

2 14 · Фактическое_значение = 2 14 · Код_АЦП · Км + 2 14 · 0,5 - 2 14 · Смещение · Км (2)

Поскольку значения коэффициента масштабирования передаточной погрешности и смещения являются константами, то вычисления можно оптимизировать. Кроме того, если результат отмасштабировать на 2 2 , т.е. достигая общего масштабирования 2 16 , то старших два байта результата будут равны преобразованному целому, исключая необходимость выполнения 16 сдвигов вправо.

Введя две отмасштабированные константы factor и correction, которые используются в программе, получаем итоговые выражения:

factor = 2 14 · Км,

correction = 2 14 · (0,5 - Смещение · Км), (3)

2 16 · Фактическое_значение = 2 2 · (Код_АЦП · factor + correction).

С помощью данного метода калибровочная программа вычисляет константы factor и correction, а затем сохраняет их в ЭСППЗУ. Время выполнения программы компенсации составляют одно целочисленное умножение, одно сложение и два сдвига влево. При использовании компилятора Си компании IAR C с максимальной оптимизацией быстродействия на эти действия потребуется 42 такта ЦПУ.

2.1.1. Калибровка

Разработка тестового блока не рассматривается в рамках данных "Рекомендаций…". Однако блок-схема калибровки с помощью микроконтроллера AVR приведена. В ней подразумевается использование в тестовом блоке внешнего ЦАП и работа по собственному калибровочному алгоритму.

Нет необходимости использования нескольких каналов АЦП, необходимо только переключение между несимметричным и дифференциальным режимами. Параметры АЦП не изменяются при переключении канала, т.е. мультиплексор не вносит каких-либо погрешностей в работу АЦП.

Программа должна быть реализована, как показано на рисунке 11.

Рисунок 11. Блок-схема калибровочной программы

Данная часть программного обеспечения записывается в AVR до начала калибровки, а по ее завершении заменяется программным кодом фактического приложения. Еще раз необходимо обратить внимание, что программирование конфигурационного бита EESAVE позволит заблокировать действие команды стирания всей памяти относительно ЭСППЗУ во время перепрограммирования флэш-памяти и, таким образом, калибровочные данные будут незатронутыми.

2.1.2. Компенсация

Программный код реально-временной компенсации реализован как небольшая функция. Каждый результат измерения АЦП пропускается через эту функцию, в который используются константы factor и correction .

Рисунок 12. Блок-схема программы компенсации погрешности смещения и передаточной погрешности

Вычисления на рисунке 12 могут быть реализованы с помощью следующей Си-функции или альтернативно с помощью макроса:

Signed int adc_compensate(signed int adcvalue, signed int factor, signed long correction) { return (((((signed long)adcvalue*factor)+correction)<<2)>>16); }

Константы хранятся в ЭСППЗУ и перед началом работы должны быть скопированы в ОЗУ для ускорения доступа к ним.

Использованная литература:

1. Robert Gordon - A Calculated Look at Fixed-Point Arithmetic (Прагматичный взгляд на арифметику с фиксированной точкой)
   http://www.embedded.com/98/9804fe2.htm
2. Рекомендации по применению AVR210: Использование аппаратного умножающего устройства микроконтроллеров AVR

Основные особенности АЦП

Микроконтроллер stm32f1xx имеет на борту 3 12-ти разрядных АЦП. Каждое АЦП может быть подключено к любому из 16-ти аналоговых входов. Более того, каждое из АЦП может сканировать эти входы, снимая с них данные в заданном пользователем порядке.
По окончании преобразования АЦП может выдать прерывание. Вообще АЦП может выдать одно из трёх прерываний: Об окончании преобразования обычного (регулярного) канала, об окончании преобразования по инжекторному каналу и событие по Watchdog.
В режиме сканирования прерывание об окончании преобразования выдаётся только по завершении всего сканирования. И при использовании регулярных каналов, в которых данные записываются всегда в один и тот же регистр, вы будете получать результаты только последнего преобразования.
Что бы этого не происходило, в микроконтроллере предусмотрено наличие так называемых инжекторных каналом, имеющих в своём наличии 4 разных регистра для записи данных. Т.е. если вам надо сканировать не более 4-х каналов, то результаты преобразований вы не потеряете. Т.к. каждый канал будет писать данные в свой регистр.
Для параллельного снятия данных сразу по нескольким каналам, предусмотрена возможность одновременного запуска нескольких АЦП. Данный режим получил название Dual Mode.

Подключение АЦП

Прежде всего рассмотрим подключение АЦП. Для чего нужна каждая ножка показано в таблице 1.

Таблица 1

Из перечисленных ножек интересны -Vоп и +Vоп. Они определяют диапазон напряжений, воспринимаемых АЦП. Если подключить -Vоп к земле, а +Vоп к питанию, то АЦП сможет оцифровать аналоговые сигналы во всём диапазоне от 0, до питания. Т.к. питания МК составляет 3,3В, а разрядность АЦП равна 12-ти, т.е. мы имеем 2^12=4096 уровней квантовая, шум АЦП составит 3,3/4096=0,8 мВ.

Виды АЦП

В микроконтроллере существует 2 вида каналов АЦП: регулярные и инжекторные. Эти 2 канала настраиваются независимо. Но работать может только один из них для каждого канала. Основным различием этих каналов является то, что для хранения данных, получаемых с помощью регулярного канала используется только один регистр. Это не плохо, если вам надо снять за один раз данные только с одного канала для каждого АЦП. Но, если Вам надо производить сканирование данных, то все снятые данные будут записываться с один и тот же регистр. Т.о. при чтении данных в прерывании по окончании преобразования Вы будете получать только последние снятые данные. Эту проблему призваны исправить инжекторные каналы. У них предусмотрены 4 регистра для хранения данных. Т.е. Вы сможете хранить данные с 4-х каналов сканирования. Недостатком инжекторных каналов является несколько более сложная система настройки, в которой надо описать данные, с какого канала в какой регистр будут записаны.

Настройка регулярного канала

Рассмотрим настройку регулярного канала АЦП. Настроим АЦП на ножке А4. Прежде всего, надо узнать какие АЦП имеют доступ к этой ножке и какие каналы на неё выведены. В частности это 4-й канал первого АЦП.
Как обычно используем стандартную схему:
1) Включить тактирование порта
2) Настроить вывод
3) Включить тактирование АЦП
4) Настроить АЦП
5) Включить нужные прерывания
6) Включить глобальные прерывания
7) Включить АЦП

При настройке порта главное в режиме задать аналоговый режим.

Настройка вывода в аналоговом режиме

GPIO_InitTypeDef GPIO_Init_user;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);

GPIO_Init_user.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
GPIO_Init_user.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;
GPIO_Init_user.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
GPIO_Init_user.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_Init_user.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;

GPIO_Init(GPIOA, & GPIO_Init_user);

Включаем тактирование АЦП:

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

Настраиваем АЦП:

Настройка регулярного канала АЦП

ADC_InitTypeDef ADC_InitType;

ADC_InitType.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
ADC_InitType.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitType.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1;
ADC_InitType.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None;
ADC_InitType.ADC_NbrOfConversion = 1;
ADC_InitType.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;
ADC_InitType.ADC_ScanConvMode = DISABLE;

ADC_Init(ADC1, &ADC_InitType);

Рассмотрим настройки подробнее:
ContinuousConvMode – Этот режим, если включен, запускает следующее преобразование сразу по окончании предыдущего. Так можно добиться максимальной скорости работы АЦП. В нашем случае это не надо и данная функция отключена.
DataAlign – выравнивание данных в 2-хбайтном слове. Есть 2 варианта. ADC_DataAlign_Right при котором данные выравниваются по правому краю, а неиспользуемые биты при этом равны нулю. Т.е. мы получаем обычные числа в 2-х байтах от 0 до 8192. При ADC_DataAlign_Left данные выравниваются по левому краю. Т.е. фактически для 12-ти битного преобразования они увеличиваются в 16 раз. Это может быть использовано например при передаче их через SPI, поддерживающий 12-ти битную передачу данных. Если настроить SPI на передачу начиная со старшего разряда. ExternalTrigConvEdge – настраивает запуск преобразования по какому либо событию, например переполнению таймера. В нашем случае не требуется.
ExternalTrigConv – Устанавливает какие именно события запустят АЦП. Т.к. триггер отключен, то эта функция не используется.
NbrOfConversion – число каналов, которые будет сканировать МК. Сюда записывается требуемое значение, а ниже, если это число больше 1 и ADC_ ScanConvMode=ENABLE, описывается какие каналы и в какой последовательности они будут сканироваться
ScanConvMode – Этот параметр определяет будет ли АЦП сканировать несколько каналов. Если этот режим включен, то АЦП будет последовательно оцифровывать данные с заданных каналов в заданной последовательности. И каналы и последовательность легко можно задать. Но возникает небольшая проблема со снятием данных.

Настраиваем конкретный канал. В нашем случае это всего один канал, потому настройка будет выглядеть так:

ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_4,1, DC_SampleTime_56Cycles);

Из параметров тут:
ADC1 – номер настраиваемого АЦП.
ADC_Channel_4 задаёт снимаемый канал.
1 – так называемый rank. Показывает в каком порядке этот канал будет оцифровываться. В нашем случае канал один, потому и rank=1.
DC_SampleTime_56Cycles – задаёт за какое время будет произведена оцифровка. Чем медленнее, тем точнее.

Теперь осталось настроить прерывания и включить:

NVIC_EnableIRQ(ADC_IRQn);
ADC_ITConfig(ADC1, ADC_IT_EOC, ENABLE);

ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

На этом настройка закончена.

Чтобы запустить преобразование, используйте функцию:

ADC_SoftwareStartConv(ADC1);

По окончании преобразования программа попадёт в функцию прерывания:

Void ADC_IRQHandler(void)
{
ADC_ClearFlag(ADC1, ADC_FLAG_EOC);
ADC_result = ADC_GetConversionValue(ADC1);
}

Сбрасываем флаг и считываем результат преобразования.
Можно скачать пример работы от

Урок 22

Часть 1

Изучаем АЦП

Сегодня мы начнем изучать очень интересную технологию, а для микроконтроллера — периферию — это аналго-цифровой преобразователь или как его называют АЦП . В английской аббревиатуре, гораздо чаще встречающейся в технической документации — ADC (Analog-to-Digital Converter ). Это такая штука, которая преобразует величину электрического сигнала в цифровой код. Затем данный код мы уже используем для обработки или для отображения тем или иным образом данной электрической величины. Это очень распространённая периферия или технология. АЦП активно используется в звукозаписи, измерительной технике, видеозаписи и во многих других случаях. Поэтому нас обойти данную вещь стороной никак не получится, тем более АЦП поддерживается аппаратно в контроллерах AVR .

В контроллере Atmega8 АЦП имеет следующие характеристики

• Разрешение 10 бит,
• Время преобразования одного показания от 13 до 250 микросекунд в зависимости от битности измерения, а также от тактовой частоты генератора, тактирующего контроллер,
• Поддержка запуска по прерываниям,

Есть ещё масса различных характеристик, с которыми мы, возможно, познакомимся в дальнейшем.

Как вообще работает цифровое преобразование?

Берётся опорное напряжение и сравнивается с измеряемым. Соответственно, опорное напряжение всегда должно быть больше измеряемого. Если это не так, то нужно будет применять делители напряжения.

Изобразим схематично процесс измерения

Отрезок — это диапазон измерений. Он находится между нулём и опорным напряжением. А стрелка — это измеряемое напряжение.

Данный отрезок делится пополам, и АЦП оценивает, в какой половине находится приложенное напряжение

Если оно находится в стороне нуля, то в самый старший бит результата записывается 0, а если в стороне максимального напряжения, то единица. У нас будет единица. Затем та половина отрезка, на которой находится измеряемое напряжение делится ещё пополам, и АЦП опять измеряет, в какой половинке уже данного отрезка у нас находится измеряемое напряжение

Оценка идёт по тому же принципу — в какой стороне отрезок. В нашем случае будет 0. И этот ноль записывается в следующий более младший бит

Затем та четвертинка опять делится пополам и АЦП опять оценивает,где находится отрезок

И АЦП так и продолжает такой процесс до тех пор, пока не кончатся ячейки для битов. То есть если мы используем 10-битный режим, то. соответственно, и будет 10 подобных измерений и заполнятся 10 бит величины. Чем больше бит, тем точнее результат, но уже потребуется на это больше времени и более серьёзный и точный АЦП. Имея данный результат, нам несложно будет посчитать величину измеренного напряжения. Мы знаем. что если у нас АЦП 10-битный, то данный результат у нас лежит в промежутке от 0 до 1024, получаемтся всего у нас 1023 отрезка. И мы затем наш результат делим на 1023 и умножаем на величину опорного напряжения.

Посмотрим блок-схему АЦП в контроллере Atmega8

Мы видим, что у нас есть мультиплексор, имеющий 8 каналов, вход для опрного напряжения AREF. Также существует 8-разрядная шина данных, значения с которых записываются в определённый регистр. Есть регистр данных, регистр управления и состояния, а также регистр управления мультиплексором.

Мы будем использовать самый первый вход ADC0 и в качестве источника измеряемого напряжения будем использовать центральную ножку переменного резистора, подлключенного к контактам питания

Работать будем сначала в протеусе. Также мы видим, что у нас подключен дисплей самым обычным образом.

Также мы всё подключим и на живом контроллере

Существует несколько вариантов опорных напряжений, которые мы можем использовать.в нашем АЦП. Мы будем использовать внутреннее опорное напряжение на 2,56 вольт, оно проще, не нужно ничего подключать. Возможно, при таком варианте не очень сильная точность, но перед нами не стоит задача создать точный измерительный прибор. У нас есть задача — изучить возможность использования АЦП в контроллере AVR.

А вот и таблица вариантов опроных напряжений для АЦП

Перечислим данные варианты сверху вних по таблице. 1 вариант — это внутреннее опорное напряжение, равное напряжению питания, 2 вариант — опорное напряжение подаётся на вход AREF извне, 3 вариант — внутреннее 2,56 вольт с использованием внешнего конденсатора, которы у нас уже припаян к отладочной плате к определённым ножкам контроллера.

Также в АЦП есть делитель частоты на величину от 2 до 128. Делитель этот для того, чтобы мы добивались частоты работы АЦП не больше 200 кГц, иначе точность измерений будет очень малой и мы просто растеряем самые младшие биты. Если у нас возникнет требование имено к скорости измерений и нам уже точность будет на так важна, то мы сможем использовать и более высокие частоты измерений.

Теперь немного поближе познакомимся с регистрами АЦП.

Регистр ADCSRA — управляющий и статусный регистр

Теперь побитно.

ADEN — данный бит включает АЦП.

ADSC — при установке в 1 заставляет АЦП начинать преобразование.

ADFR — используется в режиме с использованием прерываний. При установке в 1 включает круговой режим, при котором измерения автоматически следуют одно за другим.

ADIF — бит, также используемый только в режиме прерываний. Это флаг прерываний, который устанавливается в определённых условиях.

ADIE — бит, включающий режим прерываний.

ADPS2-ADPS0 — биты, от комбинации которых зависит величина делителя

Регистр ADMUX — это регистр для управления каналами мультиплексора АЦП

Но, помимо непосредственно битов управления каналами у данного регистра есть ещё некоторые управляющие биты

REFS1-REFS0 — биты, включающие определённый режим использования опорного напряжения. Таблица была размещена на данной странице выше.

ADLAR — это бит организации расположения измеренных 10 битов в двух байтах регистровой пары данных. Поближе мы с этим расположением познакомимся чуть позже.

MUX3-MUX0 — биты, включающие определённый канал мультиплексора

Отсюда видно, что мы можем пользоваться несколькими каналами сразу только по очереди, попеременно включая различные комбинации данных битов. Также внизу есть две комбинации для калибровки нашего АЦП.

Ну и, наконец, регистровая пара ADCH и ADCL , состоящая из старшего и младшего байта в которую и заносится измеряемый результат. А как именно он туда укладывается, этот результат, зависит от состояния бита ADLAR, рассмотренного выше в регистре ADMUX

То есть, если бит ADLAR не выставлен, то младшие 8 бит результата находятся в младшем байте регистровой пары, а 2 старших бита — в младших битах старшего байта. Если же бит ADLAR у нас выставлен, то 8 самых старших бит результата находятся в сатршем байте, а 2 младших в 2 старших битах младшего байта регистровой пары. Второй вариант нам интересен при исользовании 8-битного режима. В данном случае мы читаем только старший байт.

Проект был создан полностью из проекта Test09 и был назван MyADCLCD .

Также для выноса кода для реализации периферии АЦП были созданы стандартным образом два файла adc.h и adc.c . Соответственно файл adc.h был подключен и в файле main.h и в adc.c.

В файл MyADCLCD.c код был также полностью скопирован из главного файла проекта Test09, всё лишнее было удалено. Код в данном файле после данной операции принял следующий вид

#include "main.h"

//—————————————-

void port_ini ( void )

PORTD =0x00;