avr单片机原理及应用

第七章A/D转换器,7、A/D转换器,概述,Vin： 输入模拟电压，Vref：比较器参考电压；n： 转换深度；Dx： 输出的数字量。,显然：（1）当Vref=5V，n=8，则Vin=0V，则Dx=0， 当Vin=5V，则Dx=255 当Vin在0-5V之间变化，Dx在0-255之间变化，Dx从0变到1，Vin应该从0变到5V/255=18mV。换言之，模拟电压每增加18mV，数字量增加1，此即为ADC的一重要概念分辨率，识别最小模拟电压的能力。输入模拟量若是小于18mV（非18mV整数倍）是无法被识别。,7、A/D转换器,概述,Vin： 输入模拟电压，Vref：比较器参考电压；n： 转换深度；Dx： 输出的数字量。,显然：（2）在实际中，通常用n表示分辨率大小，该值越大，能识别的模拟信号越小。 （3）Vin最大不能大于Vref。在其他条件不变，若Vref=2.5V，则n=8时，ADC转换的分辨率提高了一倍，但是输入模拟信号的最大值从5V降为2.5V，此即为ADC转换器的最大量程 （4）实际中，增大n提高分辨率，减少Vref也可以提高分辨率（精度），但会是ADC最大量程减少。显然，n=10比n=8的分辨率要高，Vref=2.5比vref=5v精度要高。,7、A/D转换器,概述,ADC分类： 接口类型：串口，并口，集成化。 分辨率：8位，10位，16位，24位。 速度：低速，高速。 工作方式：双积分，逐次比较型。 具体不赘述！,7、A/D转换器, 10 位 精度 0.5 LSB 的非线性度， 2 LSB 的绝对精度 65 - 260s的转换时间 最高分辨率时采样率高达15 kbPS 8 路复用的单端输入通道，7 路差分输入通道 2 路可选增益为10x 与200x 的差分输入通道 连续转换或单次转换模式 通过自动触发中断源启动ADC 转换 ADC 转换结束中断,0、特点,7、A/D转换器,1、A/D结构及工作原理,7、A/D转换器,1、A/D结构及工作原理,7、A/D转换器,1、A/D结构及工作原理,概述 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。 可选择AVCC 或内部2.56V电压作为AREF参考电压（可编程控制) 。单通道、差分及增益输入 模拟输入通道与差分增益通过ADMUX寄存器的MUX 位来选择。任何ADC输入引脚，ADC输入引脚可选作差分增益放大器的正或负输入。 如果选择差分通道，通过选择被选输入信号对的增益因子得到电压差分放大级。放大后作为ADC的模拟信号输入。如果使用单端通道，增益放大器无效。,7、A/D转换器,1、A/D结构及工作原理,启停控制 ADEN位为ADC启动控制位。只有当ADEN置位时ADC开始工作。ADEN清零时ADC并不耗电，可以在进入节能睡眠模式之前关闭ADC。,转换结果 ADC转换结果为10位，存放于ADC数据寄存器ADCH及ADCL中。默认结果为右对齐，也可左对齐（设置ADMUX中的ADLAR位）。 否则要先读ADCL，再读ADCH，以保证数据寄存器中的内容是同一次转换的结果。,7、A/D转换器,1、A/D结构及工作原理,转换结束 ADC转换结束可以触发中断。向 ADC 的ADSC位写“1”可以启动一次转换。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。,7、A/D转换器,1、A/D结构及工作原理,触发源 ADC转换有不同的触发源。设置ADCSRA寄存器的ADC自动触发允许位ADATE可以使能自动触发。设置ADCSRB 寄存器的ADC触发选择位ADTS可以选择触发源( 见触发源列表中对ADTS的描述)。触发信号上跳沿启动ADC开始进行转换。 转换结束后即使触发信号仍然存在，也不会启动一次新的转换。,7、A/D转换器,1、A/D结构及工作原理,ADC自动触发转换逻辑图,7、A/D转换器,2、预分频及转换时序,逐次逼近转换需要一个从50 kHz到200 kHz的输入时钟以获得最大精度。 如果所需的转换精度低于10 比特，那么输入时钟频率可以高于200 kHz，以达到更高的采样率。 ADC 模块包含一个预分频器，通过ADCSRA寄存器的ADPS 进行配置。置位ADCSRA寄存器的ADEN 将使能ADC，预分频器开始计数。只要ADEN为1，预分频器就持续计数，直到ADEN为零。 ADCSRA寄存器的ADSC置位后，单端转换在下一个ADC时钟周期的上升沿开始启动。完成一次转换大约需要13 个ADC 时钟周期。为了初始化模拟电路，第一次启动转换大约需要25 个ADC时钟周期。,7、A/D转换器,2、预分频及转换时序,7、A/D转换器,2、预分频及转换时序,转换结果被送入ADC 数据寄存器，且ADIF 标志置位。ADSC同时清零( 单次转换模式)，软件可以再次置位ADSC标志，启动一次新的转换。 使用自动触发时，触发事件发生将复位预分频器。这保证了触发事件和转换启动之间的延时是固定的。 在此模式下，采样保持在触发信号上升沿之后的2个ADC 时钟发生。在连续转换模式下，当ADSC为1时，只要转换一结束，下一次转换马上开始。,7、A/D转换器,3、输入通道切换与参考源,ADMUX寄存器中的MUXn及REFS1:0通过暂存器器实现单缓冲。CPU可对此暂存器行随机访问，以保证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参考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参考源了。在转换完成(ADCSRA寄存器的ADIF 置位) 之前的最后一个时钟周期，通道和基准源的选择又可以重新开始。转换的开始时刻为ADSC置位后的下一个时钟的上升沿。因此，在置位ADSC后的一个ADC时钟周期内，不要能切换ADMUX及基准源。 使用自动触发时，触发事件发生的时间是不确定的。为了控制新设置对转换的影响，在更新ADMUX 寄存器时一定要特别小心。,7、A/D转换器,3、切换输入通道或参考源,若ADATE及ADEN都置位，则中断事件可以在任意时刻发生。如果在此期间改变ADMUX寄存器的内容，那么用户就无法判别下一次转换是基于旧的设置还是最新的设置。在以下时刻可以安全地对ADMUX 进行更新：（1）. ADATE 或ADEN 为 0（2）. 在转换过程中，但是在触发事件发生后至少一个ADC 时钟周期（3）. 转换结束之后，但是在作为触发源的中断标志清零之前 ADMUX更新后，新设置将在下一次ADC时生效。选定差分通道后，增益级要用125 s稳定的稳定时间，故选定新通道后125s内不应启动转换，或舍弃换结果。,7、A/D转换器,3、切换输入通道或参考源,7、A/D转换器,4、转换结果,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减去1LSB。,7、A/D转换器,4、转换结果,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。 结果为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，读MSB位即可( ADCH 中ADC9 )。该位为1，结果为负；为0，结果为正。 Figure 111 给出差分输入域的解码。 Table 82 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。,7、A/D转换器,4、转换结果,7、A/D转换器,4、转换结果,7、A/D转换器,4、转换结果,例：ADMUX = 0xED (ADC3 - ADC2，10x 增益， 2.56V 参考电压，左对齐)ADC3 上电压为300 mV， ADC2 电压为500 mV。ADCR = 512 * 10 * (300 - 500) / 2560 = -400 = 0x270ADCL 将读为0x00，且ADCH 读为0x9C。给 ADLAR 写0 右对齐：ADCL = 0x70，ADCH = 0x02。,7、A/D转换器,5、寄存器功能,（1）、通道选择寄存器 ADMUX,7、A/D转换器,5、寄存器功能,（1）、通道选择寄存器 ADMUX, Bit 5 ADLAR: ADC 转换结果 左对齐=1，左对齐=0，右对齐,Bits 4:0 MUX4:0: 模拟通道与增益选择位,通过这几位的设置，可以对连接到ADC 的模拟输入进行选择。也可对差分通道增益进行选择。如果在转换过程中改变这几位的值，那么只有到转换结束(ADCSRA 寄存器的ADIF 置位) 后新的设置才有效。,7、A/D转换器,5、寄存器功能,（2）、ADC控制和状态寄存器A ADCSRA, Bit 7 ADEN: ADC 使能ADEN置位即启动ADC，否则ADC功能关闭。 Bit 6 ADSC: ADC 开始转换在单次转换模式下，ADSC 置位将启动一次ADC 转换。在连续转换模式下，ADSC 置位将启动首次转换。在转换进行过程中读取ADSC 的返回值为1”，直到转换结束。ADSC 清零不产生任何动作。 Bit 5 ADATE: ADC 自动触发使能ADATE置位将启动ADC自动触发功能。触发信号的上升沿启动ADC转换。触发信号源通过SFIOR 寄存器的ADC 触发信号源选择位ADTS 设置。,7、A/D转换器,5、寄存器功能,（2）、ADC 控制和状态寄存器A ADCSRA, Bit 4 ADIF: ADC 中断标志如果ADIE 及SREG .7 也置位，ADC 转换结束中断服务程序即得以执行，同时ADIF 硬件清零。可以通过向此标志写1 来清ADIF。 Bit 3 ADIE: ADC 中断使能若ADIE 及SREG 的位I 置位， ADC 转换结束中断即被使能。 Bits 2:0 ADPS2:0: ADC 预分频器选择位由这几位来确定XTAL 与ADC 输入时钟之间的分频因子。,7、A/D转换器,5、寄存器功能,7、A/D转换器,5、寄存器功能,（3）、ADC 数据寄存器 ADCL 及ADCH,ADLAR=1,ADLAR=0,7、A/D转换器,5、寄存器功能,（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AD