Mikrokontrolery

• Rozdzielczość 10-bitów
• Nieliniowość całkowa na poziomie 0,5 LSB
• Całkowita dokładność ± 2 najmłodsze bity
• Czas przetwarzania 13 - 260 μs.
• 15 tysięcy próbek na sekundę przy pełnej rozdzielczości
• 8 multipleksowanych nieróżnicowych kanałów wejściowych
• 7 multipleksowanych różnicowych kanałów wejściowych
• 2 różnicowe kanały wejściowe z opcjonalnym wzmocnieniem 10x i 200x
• Opcjonalna korekcja lewostronna dla odczytu wyniku przetwarzania
• Zakres napięcia wejściowego: 0 – V_CC
• Wybieralne napięcie odniesienia 2,56 V
• Tryb przetwarzania ciągłego lub pojedynczego
• Rozpoczynanie przetwarzania przez samowyzwalanie ze źródeł przerwań
• Przerwanie przy zakończeniu przetwarzania
• Układ zmniejszania szumu w trybie uśpienia

Mikrokontroler ATmega32 udostępnia 10-bitowy kompensacyjny przetwornik analogowo/cyfrowy. Przetwornik połączony jest do 8-kanałowego multipleksera analogowego, który pozwala na wprowadzenie ośmiu nieróżnicowych napięć pobieranych z końcówek portu A. Wejścia napięć nieróżnicowych odnoszą się do 0V (GND).

Mikrokontroler wspiera również 16 kombinacji napięć różnicowych. Dwa z wejść różnicowych (ADC1, ADC0 i ADC3, ADC2) jest wyposażone w programowany stopień wzmacniający, który dostarcza stopnie wzmocnienia 0dB (1x), 20 dB (10x) i 46dB (200x) wejściowego napięcia różnicowego przed konwersją analogowo/cyfrową. Siedem różnicowych wejść analogowych współdzieli wspólne wejście odwracające (ADC1), a każde inne wejście przetwornika można wybrać na wejście nieodwracające. Jeśli używane jest wzmocnienie 1x lub 10x, to można oczekiwać rozdzielczości 8 bitów. Jeśli używane jest wzmocnienie 200x, to można oczekiwać rozdzielczości 7 bitów.

Przetwornik posiada obwód próbkowania z podtrzymaniem, który zapewnia, iż napięcie wejściowe do przetwornika jest utrzymywane na stałym poziomie podczas konwersji. Poniższy rysunek przedstawia schemat blokowy przetwornika.

Przetwornik A/C posiada oddzielną końcówkę analogowego napięcia zasilania, AV_CC. Napięcie to nie powinno się różnić więcej niż ±0.3V od V_CC. Zobacz do podrozdziału "Filtr zakłóceń", gdzie opisano sposób podłączania tej końcówki.

Wewnętrznie dostępne jest napięcie odniesienia o wartości znamionowej 2,56V lub AV_CC. Napięcie odniesienia może być zewnętrznie odsprzęgane na końcówce AREF kondensatorem w celu zwiększenia odporności na zakłócenia.

Przetwornik analogowo/cyfrowy zamienia analogowe napięcie wejściowe na 10-bitową wartość za pomocą kolejnych przybliżeń. Wartość minimalna reprezentuje GND, a wartość maksymalna reprezentuje napięcie na końcówce AREF minus 1 LSB (najmłodszy bit). Opcjonalnie do końcówki AREF można podłączyć AV_CC lub wewnętrzne napięcie odniesienia 2,56V przez zapis bitów REFSn w rejestrze ADMUX. W ten sposób wewnętrzne napięcie odniesienia można odsprzęgnąć zewnętrznym kondensatorem podłączonym do końcówki AREF, co polepszy odporność na zakłócenia.

Analogowy kanał wejściowy oraz wzmocnienie różnicowe są wybierane przez zapis bitów MUX w rejestrze ADMUX. Jako kanał nieróżnicowy dla przetwornika A/C może być wybrana dowolna z końcówek wejściowych ADC, jak również GND i stałe napięcie odniesienia. Wybór końcówek wejściowych ADC może być następnie wybrany jako wejścia odwracające i nieodwracające dla różnicowego wzmacniacza wejściowego (ang. gain amplifier).

Jeśli zostały wybrane kanały różnicowe, to różnicowy stopień wzmacniający wzmacnia różnicę napięć pomiędzy parą kanałów wejściowych o wybraną wielkość wzmocnienia. Następnie wzmocniona wartość staje się wejściem analogowym dla przetwornika A/C. Jeśli wybrano kanały nieróżnicowe, to wzmacniacz jest całkowicie pomijany.

Przetwornik A/C jest włączany przez ustawienie bitu ADEN w rejestrze ADCSRA. Wybory napięcia odniesienia i kanałów wejściowych kanałów wejściowych nie wejdą w życie, dopóki nie zostanie ustawiony bit ADEN. Gdy bit ADEN jest wyzerowany, przetwornik A/C nie pobiera prądu, zatem zaleca się wyłączać przetwornik przed wejściem w tryby uśpienia oszczędzające energię.

Przetwornik A/C generuje 10-bitowy wynik, który będzie obecny w rejestrach danych przetwornika, ADCH i ADCL. Standardowo wynik jest prezentowany z wyrównaniem do prawej strony, lecz może być opcjonalnie prezentowany z wyrównaniem lewostronnym przez ustawienie bitu ADLAR w rejestrze ADMUX.

Jeśli wynik jest wyrównany lewostronnie i nie jest potrzebna wyższa precyzja od 8 bitów, to wystarczy odczytać rejestr ADCH. W przeciwnym razie najpierw musi być odczytany rejestr ADCL, a następnie ADCH, aby zagwarantować, iż zawartość rejestrów danych należą do tej samej konwersji. Gdy zostaje odczytany rejestr ADCL, przetwornik A/C ma zablokowany dostęp do rejestrów danych, żaden z nich nie będzie uaktualniony i wynik konwersji zostanie utracony. Gdy odczytywany jest rejestr ADCH, przetwornik A/C otrzymuje z powrotem dostęp do ADCH i ADCL.

Przetwornik A/C posiada swoje własne przerwanie, które może zostać wyzwolone przy zakończeniu konwersji. Gdy dostęp przetwornika A/C do rejestrów danych jest wzbroniony pomiędzy odczytem ADCH i ADCL, przerwanie zostanie wyzwolone, nawet, gdy wynik będzie utracony.

Pojedyncza konwersja rozpoczyna się przez zapisanie logicznej jedynki do bitu rozpoczynania konwersji w przetworniku A/C (ang. ADC Start Conversion bit, ADSC). Bit ten pozostaje w stanie wysokim przez cały czas wykonywania konwersji, a po jej zakończeniu jest zerowany sprzętowo. Jeśli zostanie wybrany inny kanał danych podczas trwania konwersji, przetwornik A/C zakończy bieżącą konwersję przed wykonaniem zmiany kanału.

Alternatywnie konwersja może zostać wyzwolona automatycznie przez różne źródła. Samowyzwalanie zostaje uaktywnione przez ustawienie w rejestrze ADCSRA bitu samowyzwalania przetwornika A/C (ang. Auto Trigger Enable bit, ADATE). Źródło wyzwalania jest wybierane przez ustawienie bitów ADTS (ang..ADC Trigger Select bits) w rejestrze SFIOR (listę źródeł wyzwalania znajdziesz w opisie bitów ADTS). Gdy w wybranym sygnale wyzwalającym pojawi się dodatnie zbocze, preskaler przetwornika A/C jest resetowany i rozpoczyna się przetwarzanie. Dostarcza to sposobu rozpoczynania konwersji w stałych odstępach. Jeśli sygnał wyzwalający jest wciąż ustawiony, gdy konwersja się kończy, to nowa konwersja się nie rozpocznie. Jeśli podczas trwania konwersji pojawi się kolejne dodatnie zbocze, to zostanie ono zignorowane. Zauważ, iż znacznik przerwania będzie ustawiany, nawet jeśli określone przerwanie jest wyłączone lub został wyzerowany bit globalnego uaktywniania przerwań w rejestrze SREG. Wynika z tego, iż konwersja może zostać wyzwolona bez powodowania żadnego przerwania. Jednakże znacznik przerwania musi być wyzerowany, aby wyzwolić nową konwersję przy następnym zdarzeniu przerwania.

Obwód wyzwalania automatycznego

Używanie znacznika przerwania z przetwornika A/C (ang. ADC Interrupt Flag, ADIF) jako źródła wyzwalania powoduje, iż przetwornik A/C rozpoczyna nowe przetwarzanie jak tylko zakończy obecne. W takim przypadku przetwornik A/C pracuje w trybie ciągłym (ang. Free Running mode), ciągle próbkując napięcie wejściowe i uaktualniając rejestr danych. Pierwsze przetwarzanie musi zostać rozpoczęte przez zapis logicznej jedynki do bitu ADSC w ADCSRA. W tym trybie przetwornik A/C będzie wykonywał kolejne przetwarzania niezależnie od wyzerowania znacznika przerwań z przetwornika ADIF.

Jeśli zostanie wybrane wyzwalanie automatyczne (ang. Auto Triggering), to pojedyncze przetwarzanie może rozpocząć się po zapisaniu jedynki do bitu ADSC w ADCSRA.  Bit ADSC można również używać do określania, czy przetwarzanie jest w toku. Podczas przetwarzania bit ADSC będzie dawał odczyt jeden bez względu na sposób rozpoczęcia tego przetwarzania.

Standardowo układ kolejnych przybliżeń wymaga częstotliwości wejściowej pomiędzy 50 kHz a 200 kHz, aby osiągnąć maksymalną rozdzielczość. Jeśli jest potrzebna rozdzielczość niższa niż 10 bitów, to częstotliwość wejściowa dla przetwornika A/C może być wyższa od 200 kHz w celu osiągnięcia wyższej częstotliwości próbkowania. Nie zaleca się stosowania zegara wejściowego o częstotliwości wyższej niż 1 MHz.

Preskaler przetwornika A/C

Moduł przetwornika A/C zawiera preskaler, który generuje właściwą dla przetwornika A/C częstotliwość zegarową z dowolnej częstotliwości mikroprocesora powyżej 100kHz. Stopień podziału ustawiany jest przez bity ADPS w ADCSRA. Preskaler rozpoczyna zliczanie od momentu włączenia przetwornika A/C przez ustawienie bitu ADEN w ADCSRA. Preskaler pracuje tak długo, jak bit ADEN pozostaje ustawiony, a jest ciągle resetowany, gdy ADEN jest wyzerowany.

Gdy rozpoczyna się pojedyncze przetwarzanie przez ustawienie bitu ADSC w ADCSRA, to przetwarzanie to startuje od następnego narastającego zbocza cyklu zegarowego przetwornika A/C.

Normalne przetwarzanie zajmuje 13 cykli zegarowych przetwornika A/C. Pierwsze przetwarzanie po włączeniu przetwornika A/C (ustawienie ADEN w ADCSRA) zabiera 25 cykli zegarowych w celu inicjalizacji obwodów analogowych, jak pokazuje poniższy rysunek.

Wykres czasowy przetwornika A/C, pierwsze przetwarzanie (tryb pojedynczego przetwarzania)

Gdy jako napięcie odniesienia zostanie wybrane jako wejście dla przetwornika A/C, upłynie pewien czas, zanim napięcie to ustabilizuje się. Jeśli nie będzie ustabilizowane, to pierwsza wartość odczytana po pierwszym przetwarzaniu może być zła.

Właściwe próbkowanie z podtrzymaniem próbki ma miejsce 1,5 cyklu zegara przetwornika A/C po rozpoczęciu normalnego przetwarzania i 14,5 cykli zegara po rozpoczęciu pierwszego przetwarzania. Gdy przetwarzanie jest ukończone, wynik zostaje zapisany do rejestrów danych przetwornika A/C, a znacznik ADIF jest ustawiany. W trybie pojedynczego przetwarzania bit ADSC jest jednocześnie zerowany. Program może wtedy ponownie ustawić ADSC, a nowe przetwarzanie zostanie zainicjowane  przy pierwszym narastającym zboczu zegara przetwornika A/C.

Wykres czasowy przetwornika A/C, jedno przetwarzanie

Gdy jest używane automatyczne wyzwalanie, preskaler zostaje zresetowany w momencie wystąpienia zdarzenia wyzwalającego, co pokazuje poniższy rysunek. Zapewnia to stałe opóźnienie od zdarzenia wyzwalającego do rozpoczęcia przetwarzania. W tym trybie próbkowanie z podtrzymaniem ma miejsce dwa cykle zegara przetwornika A/C po narastającym zboczu w sygnale źródła wyzwalającego. Trzy dodatkowe cykle zegara przetwornika A/C są wykorzystywane do synchronizacji sieci logicznej. Gdy używany jest tryb różnicowy razem z autowyzwalaniem  od źródła innego niż zakończenie konwersji, to każda konwersja będzie wymagał 25 cykli przetwornika A/C. Dzieje się tak dlatego, iż przetwornik A/C musi być wyłączany i ponownie włączany po każdej konwersji.

Wykres czasowy przetwornika A/C, przetwarzanie z automatycznym wyzwalaniem

W trybie ciągłym (ang. Free Running mode) nowe przetwarzanie rozpoczyna się natychmiast po ukończeniu poprzedniego przetwarzania, natomiast bit  ADSC pozostaje w stanie wysokim.

Wykres czasowy przetwornika A/C, przetwarzanie w trybie ciągłym

Poniższa tabela podsumowuje czasy przetwarzania:

Kanały o wzmocnieniu różnicowym

Gdy używa się kanałów o wzmocnieniu różnicowym, należy wziąć pod uwagę pewne aspekty dotyczące konwersji.

Konwersje różnicowe są synchronizowane z wewnętrznym zegarem CK_ADC2 równym połowie zegara przetwornika A/C. Ta synchronizacja wykonywana jest automatycznie przez interfejs przetwornika w ten sposób, że próbkowanie i podtrzymanie wyniku odbywa się przy określonej fazie CK_ADC2. Konwersja zainicjowana przez użytkownika (tj. wszystkie konwersje pojedyncze i pierwsze konwersje ciągłe) gdy CK_AD2 ma stan niski, zabierze tyle samo czasu co konwersja nieróżnicowa (13  taktów zegara przetwornika A/C od następnego preskalowanego cyklu zegara). Konwersja zainicjowana przez użytkownika gdy CK_ADC2 ma stan wysoki zabierze 14 taktów zegara przetwornika A/C z uwagi na mechanizm synchronizacji. W trybie przetwarzania ciągłego nowa konwersja jest inicjowana natychmiast po zakończeniu poprzedniej, a ponieważ CK_ADC2 jest w stanie wysokim w tym czasie, to rozpoczęte automatycznie (tj. wszystkie z wyjątkiem pierwszej) konwersje ciągłe zajmą 14 taktów zegara przetwornika A/C.

Stopień wzmocnienia jest zoptymalizowany na pasmo 4 kHz na wszystkich ustawieniach wzmocnienia. Wyższe częstotliwości mogą być przyczyną nieliniowego wzmocnienia. Jeśli sygnał wejściowy zawiera składowe o wyższych częstotliwościach niż pasmo stopnia wzmocnienia, należy zastosować zewnętrzny filtr dolnoprzepustowy. Zauważ, iż częstotliwość zegarowa przetwornika A/C jest niezależna od ograniczeń pasma stopnia wzmocnienie. Na przykład okres zegarowy przetwornika może wynosić 6 μs, pozwalając na próbkowanie kanału z szybkością 12 tysięcy pomiarów na sekundę, bez względu na szerokość pasma tego kanału.

Jeśli są używane kanały o różnicowym wzmocnieniu i konwersje są rozpoczynane przez samowyzwalanie, to przetwornik A/C musi być wyłączany pomiędzy konwersjami. Gdy jest używane autowyzwalanie, preskaler przetwornika A/C jest resetowany przed rozpoczęciem konwersji. Ponieważ stopień wzmocnienia jest zależny od stabilnego zegara przetwornika A/C przed konwersją, to ta konwersja nie da ważnych wyników. Przez wyłączenie i ponowne włączenie przetwornika A/C pomiędzy konwersjami (zapisując bit ADEN w rejestrze ADCSRA zerem, a później jedynką) będą wykonywane tylko rozszerzone konwersje. Wynik z rozszerzonej konwersji będzie ważny. Szczegóły na temat czasów konwersji znajdziesz w podrozdziale "Preskalowanie i czasy konwersji".

Bity MUXn i REFS[1:0] w rejestrze ADMUX są buforowane poprzez rejestr tymczasowy, do którego mikroprocesor posiada swobodny dostęp. Zapewnia to, iż wybór kanałów i napięcia odniesienia odbywa się w bezpiecznym punkcie podczas procesu przetwarzania. Wybór ten jest ciągle uaktualniany aż do rozpoczęcia przetwarzania. Gdy przetwarzanie rozpocznie się, wybór kanałów i napięcia odniesienia zostaje zablokowany, aby zapewnić wystarczający czas próbkowania dla przetwornika A/C. Ciągłe uaktualnianie jest wznawiane w ostatnim cyklu zegarowym przetwornika A/C przed ukończeniem przetwarzania (zostaje ustawiony bit ADIF w rejestrze ADCSRA). Zwróć uwagę, iż przetwarzanie rozpoczyna się przy następnym narastającym zboczu zegara przetwornika A/C po zapisaniu bitu ADSC. Dlatego zaleca się użytkownikowi nie wpisywać nowych wartości wyboru kanału lub napięć odniesienia do ADMUX w ciągu jednego cyklu zegarowego przetwornika A/C po zapisie bitu ADSC.

Jeśli stosowane jest samowyzwalanie, to dokładny czas zdarzenia wyzwalania może być nieokreślony. Należy podjąć specjalne środki ostrożności przy uaktualnianiu rejestru ADMUX, aby kontrolować, na którą konwersję wpłynie nowe ustawienie.

Jeśli oba bity ADATE i ADEN zostaną wpisane jako jedynki, to zdarzenie przerwania może wystąpić w dowolnym momencie. Jeśli w tym okresie jest modyfikowany rejestr ADMUX, to użytkownik nie będzie w stanie określić, czy następne przetwarzanie zostanie oparte na starych ustawieniach, czy na nowych. ADMUX można bezpiecznie modyfikować w jeden z następujących sposobów:

1. Gdy bit ADATE lub ADEN jest wyzerowany.
2. Podczas przetwarzania co najmniej jeden cykl zegarowy przetwornika A/C po zdarzeniu wyzwalającym.
3. Po przetwarzaniu, przed wyzerowaniem znacznika przerwania jako źródła wyzwalania.

Gdy rejestr ADMUX jest modyfikowany w jednym z powyższych warunków, to nowe ustawienia wpłyną na następne przetwarzanie w przetworniku A/C.

Należy zachować specjalną ostrożność przy zmienianiu kanałów różnicowych. Po wybraniu kanału różnicowego, stopień wzmacniający może potrzebować do 125 μs, aby ustabilizować się do nowej wartości. Z tego powodu nie powinno się rozpoczynać konwersji w ciągu pierwszych 125 μs po wybraniu nowego kanału różnicowego. Alternatywnie wyniki konwersji otrzymane w tym okresie należy odrzucić.

Ten sam czas ustalania należy przestrzegać dla pierwszej konwersji różnicowej po zmianie napięcia odniesienia dla przetwornika A/C (poprzez zmianę bitów REFS[1:0] w rejestrze ADMUX).

Kanały wejściowe przetwornika A/C

Przy zmianie wyboru kanałów użytkownik powinien stosować się do poniższych wskazówek, aby zapewnić wybór poprawnego kanału:

W trybie pojedynczego przetwarzania (ang. Single Conversion mode) zawsze wybieraj kanał przed rozpoczęciem przetwarzania. Wybór kanału może być zmieniony po upływie jednego cyklu zegarowego przetwornika A/C od zapisu jedynki do bitu ADSC. Jednakże najprostszym sposobem jest odczekanie, aż przetwarzanie zakończy się, zanim wykona się zmianę wyboru kanału.

W trybie pracy ciagłej (ang.Free Running mode) zawsze wybieraj kanał przed uruchomieniem pierwszego przetwarzania. Wybór kanału może być zmieniony po upływie jednego cyklu zegarowego przetwornika A/C od zapisu jedynki do bitu ADSC. Jednakże najprostszym sposobem jest odczekanie na zakończenie pierwszego przetwarzania, a wtedy można zmienić wybór kanału. Ponieważ następne przetwarzanie zostało już rozpoczęte, to jego wynik będzie odzwierciedlał poprzednie ustawienie kanału. Kolejne przetwarzania będą odzwierciedlać nowy wybór kanału.

Po przełączeniu na kanał o wzmocnieniu różnicowym, wynik pierwszej konwersji może posiadać małą dokładność z powodu wymaganego czasu ustalania dla obwodu automatycznego usuwania niezrównoważenia. Użytkownik powinien najlepiej odrzucić wynik pierwszej konwersji.

Napięcie odniesienia dla przetwornika A/C

Napięcie odniesienia dla przetwornika A/C (V_REF) wskazuje zakres przetwarzania napięć w przetworniku. Jeśli w kanale analogowym podłączonym do wejścia przetwornika A/C napięcie przekracza V_REF, to wynik przetwarzania da wartość bliską 0x3FF. Jako V_REF  można wybrać jako AV_CC, wewnętrzne napięcie odniesienia 2,56 V lub zewnętrzne napięcie odniesienia z końcówki AREF.

AV_CC jest podłączane do przetwornika A/C przez pasywny przełącznik. Wewnętrzne odniesienie 2,56V jest generowane z wewnętrznego napięcia odniesieni V_BG poprzez wewnętrzny wzmacniacz. W każdym przypadku zewnętrzna końcówka AREF jest podłączona bezpośrednio do przetwornika A/C, a napięcie odniesienia można uodpornić na zakłócenia przez włączenie kondensatora pomiędzy końcówkę AREF i masę. V_REF można również zmierzyć na końcówce AREF przy pomocy woltomierza o wysokiej impedancji. Zauważ, iż V_REF jest źródłem o wysokiej impedancji i w systemie powinno być obciążone tylko pojemnościowo.

Jeśli użytkownik posiada stałe źródło napięciowe podłączone do końcówki AREF, to nie powinien on w swojej aplikacji używać innych opcji napięcia odniesienia, ponieważ zostaną one zwarte z napięciem zewnętrznym. Jeśli do końcówki AREF nie jest podłączone żadne napięcie zewnętrzne, to użytkownik może przełączać pomiędzy AV_cc i 2,56V jako wybór odniesienia. Pierwsze przetwarzanie w przetworniku A/C po przełączeniu źródła napięcia odniesienia może nie być dokładne i zaleca się użytkownikowi odrzucenie jego wyniku.

Jeśli używane są kanały różnicowe, to wybrane napięcie odniesienia nie powinno przekraczać AVCC - 0,2V.

Przetwornik A/C posiada możliwość zmniejszania szumów, która umożliwia przetwarzanie podczas trybu uśpienia w celu zmniejszenia szumu pochodzącego od pracy mikroprocesora oraz innych układów peryferyjnych w mikrokontrolerze. Reduktor szumu może być używany z przetwornikiem A/C i trybem zmniejszania zakłóceń i z trybem bezczynnym. Aby skorzystać z tej cechy, należy użyć następującej procedury:

• Upewnij się, iż przetwornik A/C został włączony i nie jest w trakcie przetwarzania. Należy wybrać tryb pojedynczego przetwarzania (ang. Single Conversion mode) oraz włączyć przerwania przy zakończeniu przetwarzania w przetworniku A/C.
• Przejdź do trybu zmniejszania zakłóceń dla przetwornika A/C (ang. ADC Noise Reduction mode) lub trybu bezczynności (ang. Idle mode). Przetwornik rozpocznie przetwarzanie tuż po zatrzymaniu mikroprocesora.
• Jeśli nie wystąpią inne przerwania przed zakończeniem przetwarzania w przetworniku A/C, to przerwanie z przetwornika wybudzi mikroprocesor i wykona procedurę obsługi zakończenia przetwarzania w przetworniku A/C. Jeśli inne przerwanie wybudzi mikroprocesor przed zakończeniem przetwarzania w przetworniku A/C, to procedura obsługi tego przerwania zostanie wykonana, a przerwanie od przetwornika zostanie wygenerowane, gdy zakończy on przetwarzanie. Mikroprocesor pozostanie w trybie aktywnym aż do momentu wykonania nowego rozkazu uśpienia.

Zwróć uwagę, że przetwornik A/C nie zostanie automatycznie wyłączony, gdy mikroprocesor wejdzie w inne tryby uśpienia niż tryb bezczynności oraz tryb zmniejszania zakłóceń dla przetwornika A/C. Użytkownik powinien wpisać zero do bitu ADEN przed wejściem do takich trybów uśpienia, aby zapobiec nadmiernemu poborowi energii.

Obwody analogowe wejścia

Układ analogowego wejścia dla kanałów przetwornika A/C jest pokazany na poniższym rysunku. Źródło analogowe przyłożone do końcówki ADCn jest obciążone pojemnością końcówki oraz upływami wejściowymi bez względu na to, czy ten kanał został wybrany jako wejście dla przetwornika A/C. Gdy kanał jest wybrany, źródło musi zasilić kondensator C_S/H (ang. Sample and Hold capacitor – kondensator próbkowania i podtrzymania) poprzez szeregowy opornik (całkowita oporność na ścieżce wejścia).

Kondensator pokazany na rysunku przedstawia całkowitą pojemność, łącznie z kondensatorem C_S/H oraz z wszelkimi obcymi i pasożytniczymi pojemnościami wewnątrz mikrokontrolera. Podana wartość jest najgorszym przypadkiem.

Przetwornik A/C jest zoptymalizowany dla sygnałów analogowych o impedancji wyjściowej w przybliżeniu 10 kΩ lub mniejszej. Dla takich źródeł czas próbkowania będzie pomijalny. Jeśli zostanie użyte źródło o większej impedancji, czas próbkowania będzie zależał od tego, jak długo źródło potrzebuje ładować kondensator C_S/H. Tutaj może być duży rozrzut. Zaleca się użytkownikom używania źródeł o niskiej impedancji oraz wolnozmiennych sygnałów, ponieważ to minimalizuje czas ładowania kondensatora C_S/H do pożądanej wartości napięcia wejściowego.

Jeśli używane są kanały o wzmocnieniu różnicowym, to obwód wejściowy wygląda nieco inaczej, chociaż zaleca się impedancje źródłowe o wartości kilkuset kΩ lub mniej.

Składowe sygnału wyższe od częstotliwości Nyquista (f_ADC / 2) nie powinny być obecne, aby uniknąć nieprzewidywalnych zniekształceń. Należy usunąć składowe o wysokich częstotliwościach za pomocą filtru dolnoprzepustowego przed przekazaniem sygnałów jako wejścia dla przetwornika A/C.

Sposoby zmniejszania szumów

Układy cyfrowe wewnątrz i na zewnątrz mikrokontrolera generują interferencje elektromagnetyczne, które mogą wpłynąć na dokładność pomiarów analogowych. Gdy dokładność przetwarzania jest istotna, to poziom szumów można obniżyć przez zastosowanie poniższych sposobów:

1. Staraj się, aby ścieżki, po których biegną sygnały analogowe, były jak najkrótsze. Upewnij się, iż ścieżki analogowe biegną nad obszarami masy analogowej i umieszczaj je w miarę możności z dala od ścieżek cyfrowych z szybkozmiennymi sygnałami.
2. Końcówka AV_CC pin w mikrokontrolerze powinna być połączona z cyfrowym napięciem zasilania V_CC poprzez sieć LC jak na poniższym rysunku.
3. Używaj funkcji zmniejszania zakłóceń dla przetwornika A/C, aby zmniejszyć poziom zakłóceń indukowanych przez mikroprocesor.
4. Jeśli jakaś końcówka portu jest używana jako wyjście cyfrowe, to nie powinna zmieniać stanu podczas wykonywania przetwarzania.

Połączenia zasilania dla przetwornika A/C

Schematy kompensacji niezrównoważenia

Stopień wzmocnienia posiada wbudowany układ usuwania niezrównoważenia, który stara się wyzerować niezrównoważenie pomiarów różnicowych jak tylko jest to możliwe. Pozostałe niezrównoważenie w ścieżce analogowej można zmierzyć bezpośrednio poprzez wybranie tego samego kanału dla obu wejść różnicowych. Następnie to szczątkowe niezrównoważenie można programowo odejmować od wyników pomiarów. Wykorzystując ten rodzaj korekcji niezrównoważenia opartej na programie niezrównoważenie w dowolnym kanale można zredukować poniżej wartości najmłodszego bitu (LSB).

Definicje dokładności przetwornika A/C

Przetwornik Analogowo/Cyfrowy n-bitowy (ang. n-bit single-ended ADC)   przetwarza w sposób liniowy napięcia pomiędzy GND a V_REF w liczbę binarną o 2ⁿ poziomach. Najniższy kod daje odczyt 0, a najwyższy daje odczyt 2ⁿ-1. Kilka parametrów opisuje odchylenie od idealnego zachowania:

• Błąd przesunięcia zera lub błąd niezrównoważenia (ang. offset error): Jest to odchylenie od pierwszego przejścia (0x000 do 0x001) w porównaniu z idealnym przejściem (przy 0.5 najmłodszego bitu, LSB). wartość idealna: 0 LSB.

• Błąd skalowania lub błąd wzmocnienia (ang. gain error): Po wyregulowaniu błędu niezrównoważenia błąd wzmocnienia jest odchyleniem ostatniego przejścia (0x3FE do 0x3FF) w porównaniu do idealnego przejścia (przy 1.5 najmłodszego bitu poniżej maksimum). Wartość idealna: 0 LSB.

• Nieliniowość całkowa (ang. integral non-linearity, INL): Po wyregulowaniu błędów niezrównoważenia i wzmocnienia, błąd nieliniowości całkowej jest maksymalnym odchyleniem rzeczywistego przejścia od idealnego przejścia dla dowolnego kodu. Wartość idealna: 0 LSB.

• Nieliniowość różniczkowa (ang. differential non-linearity, DNL): Maksymalne odchylenie rzeczywistej szerokości kodu (odstęp pomiędzy dwoma sąsiednimi przejściami) od idealnej szerokości kodu (1 LSB). Wartość idealna: 0 LSB.

• Błąd kwantyzacji lub szum kwantyzacji (ang. quantization error): Z powodu dyskretyzacji napięcia wejściowego na skończoną liczbę kodów, pewien zakres napięć wejściowych (o szerokości 1 LSB) będzie zawsze kodowany w taką samą wartość kodu. Zawsze ± 0.5 LSB.
• Dokładność bezwzględna (ang. absolute accuracy): Maksymalne odchylenie rzeczywistego (nieregulowanego) przejścia w porównaniu z przejściem idealnym dla każdego kodu wyjściowego. Jest to całościowy wynik wszystkich powyższych błędów przetwarzania przetwornika A/C. Wartość idealna: ± 0.5 LSB.

Po zakończeniu konwersji (ADIF ma stan wysoki) wynik można znaleźć w rejestrach wyniku przetwornika A/C (ADCL, ADCH).

Dla konwersji nieróżnicowej wynik ma postać:

gdzie V_IN jest napięciem na wybranej końcówce wejściowej, a V_REF jest wybranym napięciem odniesienia. 0x000 reprezentuje napięcie o poziomie masy analogowej, a 0x3FF reprezentuje wybrane napięcie odniesienia minus jeden LSB (najmłodszy bit).

Jeśli używane są kanały różnicowe, wynik ma postać:

gdzie V_POS oznacza napięcie na końcówce wejścia nieodwracającego, V_NEG jest napięciem na końcówce wejścia odwracającego, a V_REF to wybrane napięcie odniesienia. Wynik jest przedstawiany w postaci uzupełnienia do dwóch od 0x200 (-512) do 0x1FF (+511).  Zauważ, iż jeśli użytkownik chce wykonać szybkie sprawdzenie polaryzacji wyniku, to wystarczy odczytać najstarszy bajt MSB wyniku (ADC9 w ADCH). Jeśli bit ma wartość jeden, to wynik jest ujemny, a jeśli bit ma wartość zero, to wynik jest dodatni lub równy zero.

Zakres pomiarów różnicowych

Poniższa tabelka pokazuje wynikowe kody wyjściowe, jeśli została wybrana różnicowa para kanałów wejściowych (ADCn - ADCm) ze wzmocnieniem GAIN i z napięciem odniesienia V_REF.

Przykład:

ADMUX = 0xED (ADC3 - ADC2, wzmocnienie 10x, odniesienie 2.56V, wynik wyrównany lewostronnie)
Napięcie na ADC3 wynosi 300 mV, napięcie na ADC2 wynosi 500 mV.
ADCR = 512 × 10 × (300 - 500) / 2560 = -400 = 0x270
Stąd ADCL da odczyt 0x00, a ADCH da odczyt 0x9C. Zapis zera do bitu ADLAR wyrówna wynik prawostronnie: ADCL = 0x70, ADCH = 0x02.

ADMUX – ADC Multiplexer Selection Register – Rejestr wyboru kanału dla przetwornika A/C

Bity 7:6 – REFS[1:0]: Reference Selection Bits – Bity wyboru napięcia odniesienia

Te bity wybierają napięcie odniesienia dla przetwornika A/C, co pokazuje poniższa tabelka. Jeśli zostaną one zmienione podczas konwersji, to zmiana nie wejdzie w życie aż do zakończenia konwersji (ustawiony bit ADIF w rejestrze ADCSRA). Opcje wewnętrznych napięć odniesienia nie powinny być używane, jeśli do końcówki AREF podłączone jest zewnętrzne napięcie odniesienia.

Bit 5 – ADLAR: ADC Left Adjust Result – Wyrównanie lewostronne wyniku przetwarzania w przetworniku A/C

Bit ADLAR wpływa na sposób prezentacji wyniku przetwarzania przetwornika A/C w rejestrze danych ADC. Aby wynik był prezentowany z dosunięciem lewostronnym, wpisz do bitu ADLAR jedynkę logiczną. W przeciwnym razie wynik będzie dosunięty do prawej strony. Zmiana bitu ADLAR wpływa natychmiast na rejestr danych ADC, bez względu na trwające przetwarzania. Więcej na temat tego bitu znajdziesz w opisie rejestru ADC.

Bity 4:0 – MUX[4:0]: Analog Channel and Gain Selection Bits – Bity wyboru kanału analogowego i wzmocnienia

Wartość tych bitów określa kombinację wejść analogowych podłączonych do przetwornika A/C. Szczegóły podaje poniższa tabelka. Jeśli bity te zostaną zmienione podczas konwersji, to zmiana nie wejdzie w życie aż do zakończenia tej konwersji (bit ADIF w rejestrze ADCSR ustawiony).

---

ADCSRA – ADC Control and Status Register A – Rejestr A sterowania i stanu przetwornika A/C

Bit 7 – ADEN: ADC Enable – Włączenie przetwornika A/C

Zapisanie jedynki do tego bitu włącza moduł przetwornika A/C. Zapis zera powoduje wyłączenie przetwornika A/C. Wyłączenie przetwornika podczas wykonywania przetwarzania spowoduje jego przerwanie i zakończenie.

Bit 6 – ADSC: ADC Start Conversion – Rozpoczęcie przetwarzania w przetworniku A/C

W trybie pojedynczego przetwarzania (ang. Single Conversion mode), zapisuj ten bit logiczną jedynką, aby rozpocząć każde przetwarzanie. W trybie ciągłym (ang. Free Running mode) zapisz do tego bitu jedynkę, aby rozpocząć pierwsze przetwarzanie. Pierwsze przetwarzanie po włączeniu przetwornika zajmuje 25 cykli zegarowych przetwornika A/C zamiast standardowo 13. W trakcie tego pierwszego przetwarzania wykonywana jest inicjalizacja przetwornika A/C.

W trakcie przetwarzania bit ADSC będzie dawał odczyt 1. Gdy przetwarzanie się zakończy, wróci do stanu zero. Zapis zera do tego bitu nie daje żadnego efektu.

Bit 5 – ADATE: ADC Auto Trigger Enable – Włączenie automatycznego wyzwalania przetwornika A/C

Gdy bit ten jest ustawiony, włącza się autowyzwalanie przetwornika A/C. Konwersja rozpocznie się przy dodatnim zboczu wybranego sygnału wyzwalającego. Źródło wyzwalania jest wybierane ustawieniem bitów ADTS (ang. ADC Trigger Select bits) w rejestrze SFIOR.

Bit 4 – ADIF: ADC Interrupt Flag – Znacznik przerwania z przetwornika A/C

Ten bit jest ustawiany, gdy ukończone zostanie przetwarzanie w przetworniku A/C i rejestry danych zostaną uaktualnione. Przerwanie przy zakończeniu przetwarzania w przetworniku A/C jest wykonywane, jeśli są ustawione oba bity ADIE i I w rejestrze SREG. Bit ADIF jest zerowany przy wykonaniu odpowiedniego wektora obsługi przerwania. Alternatywnie można wyzerować ADIF przez zapis do tego bitu logicznej jedynki. Miej świadomość, iż odczyt-modyfikacja-zapis rejestru ADCSRA może spowodować zablokowanie oczekującego przerwania. Odnosi się to również do instrukcji SBI i CBI.

Bit 3 – ADIE: ADC Interrupt Enable – Włączenie przerwań od przetwornika A/C

Gdy bit ten zostanie zapisany stanem 1 oraz jest ustawiony bit I w rejestrze SREG, to uaktywnia się przerwanie przy zakończeniu przetwarzania w przetworniku A/C.

Bity 2:0 – ADPS2:0: ADC Prescaler Select Bits – Bity wyboru preskalera

Bity te określają współczynnik podziału pomiędzy częstotliwością XTAL a częstotliwością wejściową do przetwornika A/C.

---

ADCL i ADCH – ADC Data Register – Rejestr danych (dolny i górny bajt) przetwornika A/C

ADLAR = 0 – wynik wyrównany prawostronnie

ADLAR = 1 – wynik wyrównany lewostronnie

Gdy przetwarzanie w przetworniku A/C dobiegnie końca, wynik znajdzie się w tych dwóch rejestrach. Jeśli są używane kanały różnicowe, to wynik jest przedstawiany w postaci liczby U2.

Gdy zostanie odczytany rejestr ADCL (z dolnym bajtem wyniku), rejestr danych przetwornika A/C nie będzie uaktualniany aż do momentu odczytu ADCH (z górnym bajtem wyniku). W konsekwencji, jeśli wynik jest wyrównany lewostronnie i nie jest wymagana precyzja większa od 8 bitów, to wystarczy odczytać rejestr ADCH (otrzymasz 8 najstarszych bitów wyniku przetwarzania). W przeciwnym razie najpierw należy odczytać ADCL, a następnie ADCH.

Bit ADLAR w rejestrze ADMUX, wpływa na sposób odczytu wyniku przetwarzania z tych rejestrów. Jeśli bit ADLAR jest ustawiony, to wynik zostaje wyrównany lewostronnie. Jeśli bit ADLAR jest wyzerowany (wartość standardowa), to wynik jest wyrównany prawostronnie.

ADC9:0: ADC Conversion Result – Wynik przetwarzania w przetworniku A/C

Te bity reprezentują 10-bitowy wynik przetwarzania.

---

SFIOR – Special Function IO Register – Rejestr funkcji specjalnych

Bity 7:5 – ADTS2:0: ADC Auto Trigger Source – Źródło autowyzwalania przetwornika A/C

Jeśli bit ADATE w rejestrze ADCSRA zostanie zapisany stanem jeden, to wartość tych bitów określa źródło wyzwalania konwersji w przetworniku A/C. Jeśli bit ADATE zostanie wyzerowany, to ustawienia bitów ADTS[2:0] nie mają znaczenia. Konwersja będzie wyzwolona przez narastające zbocze sygnału wybranego znacznika przerwania. Zauważ, iż przełączenie ze źródła wyzwalania o stanie niskim na źródło wyzwalania o stanie wysokim wygeneruje dodatnie zbocze w sygnale wyzwalania. Jeśli bit ADEN w rejestrze ADCSRA jest ustawiony, to takie zdarzenie rozpocznie konwersję. Przełączenie do trybu pracy ciągłej (ADTS[2:0]=0) nie spowoduje zdarzenia wyzwalającego, nawet jeśli zostanie ustawiony znacznik przerwania z przetwornika A/C.

Wybory źródeł autowyzwalania przetwornika A/C

Bit 4 – Zarezerwowany

Ten bit jest zarezerwowany do wykorzystania w przyszłości. Aby zapewnić kompatybilność z przyszłymi wersjami mikrokontrolera, bit ten musi być zapisywany stanem 0 przy zapisie do rejestru SFIOR.