第6章ATmega单片机的模拟接口及使用方法.

1、第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法第第6章章 ATmega单片机的单片机的 模拟接口及使用方模拟接口及使用方法法模拟比较器模拟比较器A/D转换器转换器PWM发生器发生器数字滤波方法数字滤波方法第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 6.1模拟比较器模拟比较器 模拟比较器对正极模拟比较器对正极AIN0 的值与负极的值与负极AIN1 的值进的值进行比较。当行比较。当AIN0 上的电压比负极上的电压比负极AIN1上的电压上的电压要高时，模拟比较器的输出要高时，模拟比较器的输出ACO 即置位。即置位。 比较器的输出可用来触

2、发定时器比较器的输出可用来触发定时器/ 计数器计数器1 的输入的输入捕捉功能。捕捉功能。 此外，比较器还可触发自己专有的、独立的中断。此外，比较器还可触发自己专有的、独立的中断。用户可以选择比较器是以上升沿、下降沿还是交用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。替变化的边沿来触发中断。中断向量：中断向量：ANA_COMP_vect第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法图图6.1为比较器及其外围逻辑电路的框图。为比较器及其外围逻辑电路的框图。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法1、特殊功能、特殊

3、功能IO寄存器寄存器SFIORBit3ACME:Bit3ACME:模拟比较器多路复用器使能模拟比较器多路复用器使能当此位为逻辑当此位为逻辑“1”1”，且，且ADCADC处于关闭状态处于关闭状态(ADCSRA (ADCSRA 寄存器的寄存器的ADENADEN为为“0”)0”)时，时，ADCADC多路复用器为模拟比多路复用器为模拟比较器选择负极输入。当此位为较器选择负极输入。当此位为“0”0”时，时，AIN1AIN1连接到连接到比较器的负极输入端。比较器的负极输入端。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机

4、的模拟接口及使用方法2、模拟比较器控制和状态寄存器（、模拟比较器控制和状态寄存器（ACSR） Bit7ACD:模拟比较器禁用模拟比较器禁用 Bit6ACBG:选择模拟比较器的能隙基准源选择模拟比较器的能隙基准源 Bit5 ACO:模拟比较器输出模拟比较器输出 Bit4ACI:模拟比较器中断标志模拟比较器中断标志 Bit 3 ACIE: 模拟比较器中断使能模拟比较器中断使能 Bit 2 ACIC: 模拟比较器输入捕捉使能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模拟比较器中断模式选择 第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模

5、拟接口及使用方法需要改变需要改变ACIS1/ACIS0 时，必须清零时，必须清零ACSR 寄存器寄存器的中断使能位来禁止模拟比较器中断。否则有可能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。在改变这两位时产生中断。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法模拟比较器的应用举例模拟比较器的应用举例 如图所示：外部信号由模拟比较器的AIN0输入，AIN1接至VCC的分压，取R1R2，则AIN1的电压为0.5VCC。 当AIN0的电压大于0.5VCC时，ACSR中的ACO置1；低于时则清0。当AIN0的电压大于0.5VCC时，LED灯亮，反之

6、熄灭。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法include “avr/io.h”int main()unsigned char mid; /定义变量定义变量 DDRD = 0 xff; /设置设置PC口为输出口为输出 PORTD = 0 xff; /设置设置PC口为输出为高电平（口为输出为高电平（LED熄灭）熄灭） ACSR = 0 x00; /启动模拟比较器启动模拟比较器 while(1) mid = ACSR & 0 x20; /读出模拟比较器的输出值读出模拟比较器的输出值 if( mid = 0 ) / 输出输出1 熄灭熄灭LED PORTD

7、=1; else PORTD=0; / 输出输出0 点亮点亮LED 第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 6.2 模数转换器模数转换器 6.2.1 主要特点主要特点 ATmega16有一个有一个10位的逐次逼近型位的逐次逼近型ADC。ADC与一个与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口来自端口A的的8路单端输入电压进行采样。路单端输入电压进行采样。 器件还支持器件还支持16 路差分电压输入组合。两路差分输路差分电压输入组合。两路差分输入入(ADC1、ADC0 与与ADC3、ADC2)有可编程增益有可编程增益级，在级，在

8、A/D 转换前给差分输入电压提供转换前给差分输入电压提供0dB(1x)、20dB(10 x) 或或46dB(200 x)的放大级。的放大级。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 七路差分模拟输入通道共享一个通用负端七路差分模拟输入通道共享一个通用负端(ADC1), 而其他任何而其他任何ADC 输入可做为正输入端。如果使用输入可做为正输入端。如果使用1x 或或10 x 增益，可得到增益，可得到8 位分辨率。如果使用位分辨率。如果使用200 x 增益，可得到增益，可得到7 位分辨率。位分辨率。 ADC 包括一个采样保持电路，以确保在转换过程包括一个采样保持电

9、路，以确保在转换过程中输入到中输入到ADC 的电压保持恒定。的电压保持恒定。ADC 由由AVCC 引脚单独提供电源。引脚单独提供电源。AVCC 与与VCC 之间的偏差不能超过之间的偏差不能超过 0.3V。 标称值为标称值为2.56V 的基准电压，以及的基准电压，以及AVCC，都位于，都位于器件之内。基准电压可以通过在器件之内。基准电压可以通过在AREF引脚上加一引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法图图6.2 模数转换器方框图模数转换器方框图第第6章章 ATmega单片机的模拟接

10、口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 6.2.2 ADC的工作原理的工作原理 ADC 通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个成一个10 位的数字量。位的数字量。最小值代表最小值代表GND，最大值代表，最大值代表AREF引脚上的电引脚上的电压再减去压再减去1 LSB。通过写通过写ADMUX寄存器的寄存器的REFSn位可以把位可以把AVCC 或内部或内部2.56V 的参考电压连接到的参考电压连接到AREF 引脚。引脚。在在AREF 上外加电容可以对片内参考电压进行解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。耦以提高噪声抑制性能。第第6章章

11、 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 6.2.3 启动启动ADC转换转换 向向ADC 启动转换位启动转换位ADSC 位写位写“1”可以启动单次可以启动单次转换。转换。在转换过程中此位保持为高，直到转换结束，然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后被硬件清零。如果在转换过程中选择了另一个通道，那么通道，那么ADC 会在改变通道前完成这一次转换。会在改变通道前完成这一次转换。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法图6.3 ADC 自动触发逻辑第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及

12、使用方法单片机的模拟接口及使用方法 使用使用ADC 中断标志作为触发源，可以在正在进行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的转换结束后即开始下一次ADC 转换。之后转换。之后ADC 便工作在连续转换模式，持续地进行采样并便工作在连续转换模式，持续地进行采样并对对ADC 数据寄存器进行更新。第一次转换通过向数据寄存器进行更新。第一次转换通过向ADCSRA 寄存器的寄存器的ADSC 写写1 来启动。来启动。 如果使能了自动触发，置位如果使能了自动触发，置位ADCSRA 寄存器的寄存器的ADSC 将启动单次转换。将启动单次转换。ADSC 标志还可用来检标志还可用来检测转换是否在

13、进行之中。不论转换是如何启动的，测转换是否在进行之中。不论转换是如何启动的，在转换进行过程中在转换进行过程中ADSC 一直为一直为1。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 6.2.4 预分频及预分频及ADC 转换时序转换时序图6.4 ADC 预分频器第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法图6.5 ADC 时序图， 第一次转换( 单次转换模式)第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法图6.6 ADC 时序图，单次转换第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及

14、使用方法图6.7 ADC 时序图，自动触发的转换第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法图6.8 ADC 时序图，连续转换第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法表6.3 ADC转换时间13.5第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 6.2.7 ADC 输入通道输入通道 选择模拟通道时请注意以下几个方面：选择模拟通道时请注意以下几个方面： 单次转换模式，总是在启动转换之前选定通道。在单次转换模式，总是在启动转换之前选定通道。在ADSC 置位后的一个置位后的一个ADC 时钟周期就可以选择

15、新的模拟输入通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。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，切换通道的方法同单次模式，若转换在连续转换模式下，切换通道的方法同单次模式，若转换结束后再改变通道，此时新一次转换已经自动开始了，下结束后再改变通道，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。的转换才是针对新通道的。 若切换到差分增益通道，由于自动偏移抵消电路需要沉积若切换到差分增益通道，由于自动偏移抵消电路需要沉积时

16、间，第一次转换结果准确率很低，最好舍弃。时间，第一次转换结果准确率很低，最好舍弃。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 6.2.8 ADC 基准电压源基准电压源 ADC参考电压源参考电压源(VREF)反映了反映了ADC的转换范围。的转换范围。若单端通道电平超过了若单端通道电平超过了VREF，其结果将接近，其结果将接近0 x3FF。VREF 可以是可以是AVCC、内部、内部2.56V 基准或基准或外接于外接于AREF 引脚的电压。引脚的电压。 AVCC通过一个无源开关与通过一个无源开关与ADC相连。相连。片内片内2.56V参考电压由能隙基准源参考电压由能隙

17、基准源(VBG)通过内部通过内部放大器产生。放大器产生。AREF 直接与直接与ADC 相连，通过在相连，通过在AREF 与地之间与地之间外加电容可以提高参考电压的抗噪性。外加电容可以提高参考电压的抗噪性。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 6.2.9 ADC 噪声抑制器噪声抑制器 ADC的噪声抑制器使其可以在睡眠模式下进行转的噪声抑制器使其可以在睡眠模式下进行转换，从而降低由于换，从而降低由于CPU及外围及外围I/O设备噪声引入的设备噪声引入的影响。噪声抑制器可在影响。噪声抑制器可在ADC 降噪模式及空闲模式降噪模式及空闲模式下使用。为了使用这一特性，

18、应采用如下步骤：下使用。为了使用这一特性，应采用如下步骤： 1. 确定确定ADC 已经使能，且没有处于转换状态。工已经使能，且没有处于转换状态。工作模式应该为单次转换，并且作模式应该为单次转换，并且ADC 转换结束中断转换结束中断使能。使能。 2. 进入进入ADC 降噪模式降噪模式( 或空闲模式或空闲模式)。一旦。一旦CPU 被挂起，被挂起， ADC 便开始转换。便开始转换。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 3. 如果在如果在ADC转换结束之前没有其他中断产生，转换结束之前没有其他中断产生，那么那么ADC中断将唤醒中断将唤醒CPU并执行并执行ADC

19、转换结束转换结束中断服务程序。如果在中断服务程序。如果在ADC 转换结束之前有其他转换结束之前有其他的中断源唤醒了的中断源唤醒了CPU，对应的中断服务程序得到，对应的中断服务程序得到执行。执行。ADC 转换结束后产生转换结束后产生ADC 转换结束中断转换结束中断请求。请求。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 6.2.10 模拟输入电路模拟输入电路 单端通道的模拟输入电路见图单端通道的模拟输入电路见图6.9 。不论是否用作。不论是否用作ADC 的输入通道，输入到的输入通道，输入到ADCn的模拟信号都受的模拟信号都受到引脚电容及输入泄露的影响。用作到引脚电

20、容及输入泄露的影响。用作ADC 的输入的输入通道时，模拟信号源必须通过一个串联电阻通道时，模拟信号源必须通过一个串联电阻( 输输入通道的组合电阻入通道的组合电阻) 驱动采样驱动采样/保持保持(S/H) 电容。电容。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法图6.9 模拟输入电路第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 6.2.11 ADC 转换结果转换结果 转换结束后转换结束后(ADIF 为高为高)，转换结果被存入，转换结果被存入ADC 结结果寄存器果寄存器(ADCL, ADCH)。单次转换的结果如下：。单次转换的结果如下：

21、1024INR E FVA D CV式中，式中，VIN 为被选中引脚的输入电压，为被选中引脚的输入电压，VREF 为参为参考电压，考电压，0 x000 代表模拟地电平，代表模拟地电平， 0 x3FF 代表所选代表所选参考电压的数值减去参考电压的数值减去1LSB。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 如果使用差分通道，结果是：如果使用差分通道，结果是：()512POSNEGREFVVGAINADCV式中，式中，VPOS 为输入引脚正电压，为输入引脚正电压，VNEG 为输入引脚为输入引脚负电压，负电压，GAIN 为选定的增益因子，且为选定的增益因子，且VRE

22、F 为参考为参考电压。结果用电压。结果用2 的补码形式表示，从的补码形式表示，从0 x200(-512d)到到0 x1FF(+511d)。如果用户希望对结果执行快速极性检。如果用户希望对结果执行快速极性检测，判断测，判断MSB( ADCH 中中ADC9 )，如该位为，如该位为1，结果，结果为负；该位为为负；该位为0，结果为正。，结果为正。 第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 1、 ADC多工选择寄存器（多工选择寄存器（ADMUX） Bit 7:6 REFS1:0: 参考电压选择参考电压选择ADC参考电压选择参考电压选择 Bit5ADLAR:ADC转换结

23、果左对齐转换结果左对齐Bits 4:0 MUX4:0: 模拟通道与增益选择位模拟通道与增益选择位 第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 2、 ADC控制和状态寄存器控制和状态寄存器A（ADCSRA） Bit7ADEN:ADC使能使能 Bit 6 ADSC: ADC 开始转换开始转换 Bit 5 ADATE: ADC 自动触发使能自动触发使能 Bit 4 ADIF: ADC 中断标志中断标志 Bit 3 ADIE: ADC 中断使能中断使能 Bits 2:0 ADPS2:0: AD

24、C 预分频器选择位预分频器选择位第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 3、ADC数据寄存器（数据寄存器（ADCL及及ADCH）ADLAR = 0 ADLAR = 1第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 ADC 转换结束后，转换结果存于这两个寄存器之转换结束后，转换结果存于这两个寄存器之中。如果采用差分通道，结果由中。如果采用差分通道，结果由2 的补码形式表的补码形式表示。示。 读取读取ADCL 之后，之后，ADC 数据寄存器一直要等到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，如也被读出才可以进

25、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果转换结果为左对齐，且要求的精度不高于8 比比特，那么仅需读取特，那么仅需读取ADCH 就足够了。否则必须先就足够了。否则必须先读出读出ADCL 再读再读ADCH。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 4、 特殊功能特殊功能IO 寄存器（寄存器（SFIOR） Bit 7:5 ADTS2:0: ADC 自动触发源自动触发源 若若ADCSRA寄存器的寄存器的ADATE置位，置位，ADTS的值将确定触发的值将确定触发ADC 转换的触发源；否则，转换的触发源；否则，ADTS的设置没有意义。被选中的设置没有

26、意义。被选中的中断标志在其上升沿触发的中断标志在其上升沿触发ADC转换。转换。 Bit 4Res:保留位。这一位保留。为了与以后的器件相兼容，保留位。这一位保留。为了与以后的器件相兼容，在写在写SFIOR 时这一位应写时这一位应写0。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法实例：测量和显示PA0引脚的电压。 输入电压采用电位器5V的分压，电压变化范围为05V之间，大小可以调节。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 #include avr/io.h #include util/delay.h #include math

27、.h #include max7219.c float lvboxishu,bilixishu; long int dianya; long int zhuanhuan(char tongdao) / AD转换函数转换函数 ADCSRA =0 x86; / 设置设置AD转换转换 ADMUX = 0 x40+ tongdao; / 设置转换通道设置转换通道 ADCSRA =ADCSRA | (1ADSC); / 启动转换启动转换 while(! (ADCSRA&(1ADIF); / 判断转换是否结束判断转换是否结束 return ADCW; / 取取AD转换的值转换的值 第第6章章 AT

28、mega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 int main() long int x; char k,i; spi_7219c(); /初始化显示初始化显示 dianya = 0; / 电压初值电压初值 i=8; /采集次数采集次数 while(1) x=0; for(k=0;ki;k+) x=x+zhuanhuan(0); / 采集采集8次和求次和求和和 x/=i; / 求平均值求平均值 dianya=x*5000/1024; xunce_7219(0,dianya,4); / 显示电压值显示电压值 _delay_ms(1000); / 延时延时1S 第第6章章 ATme

29、ga单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 6.4 数字滤波方法数字滤波方法 单片机系统面对的现场往往比较恶劣，因此所采单片机系统面对的现场往往比较恶劣，因此所采集信号中总会混杂有各类干扰。除了采用硬件进集信号中总会混杂有各类干扰。除了采用硬件进行滤波（如阻容滤波）外，对输入计算机的信号行滤波（如阻容滤波）外，对输入计算机的信号进行数字滤波也是十分必要的。进行数字滤波也是十分必要的。所谓数字滤波，就是通过一定的计算程序，对采所谓数字滤波，就是通过一定的计算程序，对采集的数据进行处理，以提高有用信号在采集值中集的数据进行处理，以提高有用信号在采集值中的比例，减少各种干扰和噪声。的比

30、例，减少各种干扰和噪声。第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 与阻容滤波相比，数字滤波具有如下一些优点：与阻容滤波相比，数字滤波具有如下一些优点：1、可以根据干扰的类型，设计出相应类型的数字滤、可以根据干扰的类型，设计出相应类型的数字滤波器。波器。2、滤波范围宽，特别是对于低频信号（如、滤波范围宽，特别是对于低频信号（如0.001Hz及以下）更为有效，而模拟滤波器由于电容容及以下）更为有效，而模拟滤波器由于电容容量的限制，频率不能太低。量的限制，频率不能太低。3、可靠性高。、可靠性高。4、数字滤波程序可以多路共享。、数字滤波程序可以多路共享。第第6章章

31、ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 下面介绍几种常用的数字滤波方法。下面介绍几种常用的数字滤波方法。1算术平均值滤波算术平均值滤波 设测量值为，则每采集了设测量值为，则每采集了N个数据后，进行一次算个数据后，进行一次算术平均。术平均。 从上面可以看出，每计算一次控制器输出值，就从上面可以看出，每计算一次控制器输出值，就必须采样必须采样N次。因此，次。因此，N的取值不能太大。算术平的取值不能太大。算术平均值法主要对压力，流量等含有周期性脉动的信均值法主要对压力，流量等含有周期性脉动的信号有效。而对突发性的脉冲干扰，这种滤波方法号有效。而对突发性的脉冲干扰，这种滤波方

32、法的效果则不理想。的效果则不理想。11()()NiCnciN第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 2中值滤波中值滤波 所谓中值滤波法是连续采样所谓中值滤波法是连续采样n次，首先要做的工次，首先要做的工作是先采集作是先采集n个参数并按大小排序，即有个参数并按大小排序，即有，或者从大到小排序。或者从大到小排序。 如果当如果当N为偶数时，为偶数时， 如果当如果当N为奇数时，为奇数时， 2121( )()2nnC nxx12()nCnx第第6章章 ATmega单片机的模拟接口及使用方法单片机的模拟接口及使用方法 中值滤波既可以去掉由于偶然因数引起的干扰，中值滤波既可以去掉由于偶然因数引起的干扰，同时对与脉动干扰也比较有效。但是这种方法由同时对与脉动干扰也比较有效。但是这种方法由于计算量比较大，对于一些需要快速采样的参数于计算量比较大，对于一些需要快速采样的参数就不十分合适。就不十分合适。 中值滤波的关键所在是形成按大小顺序排列的一中值滤波的关键所在是形成按大小顺序排列的一