AVR单片机原理及应用

第七章A/D转换器

7.1

7.2

7.3

7.47、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•0.5LSB的非线性度，±2LSB的绝对精度•65-260μs的转换时间•最高分辨率时采样率高达15kbPS•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50kHz到200kHz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200kHz，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125μs稳定的稳定时间，故选定新通道后125μs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。Figure111给出差分输入域的解码。Table82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300mV，ADC2电压为500mV。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－ADMUX7、A/D转换器5、寄存器功能（1）、通道选择寄存器－ADMUX•Bit5–ADLAR:ADC转换结果左对齐=1，左对齐=0，右对齐Bits4:0–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•Bit7–ADEN:ADC使能ADEN置位即启动ADC，否则ADC功能关闭。•Bit6–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。•Bit5–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•Bit4–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。•Bit3–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。•Bits2:0–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ADCHADLAR=1ADLAR=07、A/D转换器5、寄存器功能（4）、特殊功能IO寄存器－SFIOR•Bit7:5–ADTS2:0:ADC自动触发源若