Komparator analogowy

Oporność pomiędzy zaciskami A–B jest stała i wynosi R. Oporność pomiędzy A–X lub B–X jest regulowana położeniem suwaka i zmienia się w zakresie od 0...R. Oto kilka typów potencjometrów:

Obrotowy	Suwakowy	Montażowy (tzw. podkówka)

Musisz jeszcze wiedzieć, że potencjometry dzielą się na trzy grupy:

Do naszych celów najlepsze będą potencjometry liniowe A. Zwróć na to uwagę przy zakupie.

Potencjometry mogą służyć jako regulowane dzielniki napięcia. Rozważmy następujący obwód elektryczny:

Napięcie wyjściowe U_X zależy od napięcia wejściowego U, wartości oporów R, R_X oraz od położenia suwaka X.

Jeśli suwak X jest w punkcie A, to wyjście jest zwarte do masy i napięcie U_X = 0V.

Jeśli suwak X jest w punkcie B, to napięcie wyjściowe jest równe:

Jeśli suwak X znajdzie się pomiędzy punktami A i B, to napięcie wyjściowe będzie miało wartość pośrednią, która zależy od położenia suwaka na materiale oporowym potencjometru:

Im bliżej końca B, tym napięcie wyjściowe będzie bliższe napięciu podziałowemu, im bliżej końca A, tym napięcie wyjściowe będzie bliższe 0V. Wynika z tego, że zmieniając położenie suwaka potencjometru, zmieniamy wartość napięcia wyjściowego. Rozważania te są zbliżone do rzeczywistości, jeśli założymy, że potencjometr nie jest obciążany na wyjściu, czyli że w sterowanym obwodzie prąd praktycznie nie płynie. W przeciwnym razie należy dodatkowo uwzględniać opór obciążenia i zadanie się komplikuje. W naszym przypadku możemy założyć, że wejścia mikrokontrolera praktycznie nie będą obciążać dzielnika, ponieważ pobierany prąd wejściowy będzie pomijalnie mały i nie zależy nam na jakiejś super dokładności.

Na płytce APP006 tak dobierzemy oporniki i potencjometry, aby regulacja napięcia przebiegała w granicach od 0 do 1,5V. Najpierw określamy opór potencjometru od 10...22kΩ. Takie potencjometry bez problemu dostaniesz w każdym sklepie elektronicznym. Gdy znamy R_X, policzymy R:

Dla U = 5V, U_X = 1,5V i R_X = 10k otrzymujemy:

Prąd w układzie (przy założeniu pomijalnego obciążenia dzielnika):

Moc wydzielana na oporniku R:

Możemy zastosować dowolny opornik, np. 0,125W lub 0,25W. Bez trudu taki dostaniesz w sklepie elektronicznym.

Gdy mamy policzony dzielnik, możemy przystąpić do projektowania płytki APP006. Schemat płytki jest następujący:

Spis elementów Element Ilość Opis Opornik 270Ω/0,125W 3 –(                )– Opornik 22kΩ/0,125W 2 –(                )– Potencjometr 10kΩ liniowy 2   Przełącznik 2-obwodowy 2   Dioda LED czerwona 2   Dioda LED niebieska/zielona 1   Złącze kątowe męskie 2 x 4 Goldpin 1

Uwaga, projekt Eagle korzysta z biblioteki mynewlib.lbr. Bibliotekę pobierz do katalogu eagle/lbr. Wykorzystane elementy:

Dioda LED D2 jest zawsze podłączona do linii PB4.

/*
 * main.c
 *
 *  Created on: 03 kwi 2016
 *      Author: Jerzy
 *  Opis:
 *  Program odczytuje stan bitu ACO w rejestrze ACSR
 *  Ustaw oba przyciski w położeniu wyciśniętym
 */

#include <avr/io.h>

int main()
{
    DDRB  = 0b11100; // DB0 i DB1 jako wejścia
    PORTB = 0b00000;

    while(1)
    {
        // Odczytujemy cyklicznie ACO i przesyłamy jego stan
        // na linię DB4, do której jest podłączona dioda D2
        // niebieska
        PORTB = (ACSR & (1<<ACO)) >> 1;
    }
}

Oba przełączniki SW0 i SW1 należy ustawić w stan wyciśnięty. Wtedy do PB0 będzie podłączony potencjometr P0, a do PB1 potencjometr P1. Potencjometrem P0 ustawiasz napięcie odniesienia, które trafia do wejścia AIN0 (PB0). Potencjometrem P1 ustawiasz napięcie porównywane, które trafia do AIN1 (PB1). Jeśli napięcie na potencjometrze P1 jest niższe od napięcia ustawionego na P0, to bit AC0 przyjmuje stan 1 i zapala się dioda niebieska D2. Aby to sprawdzić, ustaw P1 w skrajne prawe położenie (maksymalne napięcie), a P0 ustaw w połowie zakresu. Dioda D2 powinna być zgaszona. Teraz powoli przekręcaj pokrętło potencjometru P1 w lewo. Gdy przyjmie mniej więcej takie samo położenie jak w P0, dioda D2 powinna się zaświecić.

Teraz przekręć pokrętło P1 całkowicie w lewo. Dioda D2 powinna być zaświecona. Przekręcaj pokrętłem P1 w prawo. Gdy przyjmie mniej więcej takie samo położenie jak P0, dioda powinna zgasnąć.

Zapamiętaj:

Drobna modyfikacja programu daje nieco inny wynik. Teraz zapalana jest dioda D0 przy napięciu dodatnim większym od ujemnego, lub D1 przy napięciu ujemnym większym od dodatniego:

/*
 * main.c
 *
 *  Created on: 03 kwi 2016
 *      Author: Jerzy
 *  Opis:
 *  Program odczytuje stan bitu ACO w rejestrze ACSR
 *  Ustaw oba przyciski w położeniu wyciśniętym
 */

#include <avr/io.h>

int main()
{
    DDRB  = 0b11100; // DB0 i DB1 jako wejścia
    PORTB = 0b00000;

    while(1)
    {
        if(ACSR & (1<<ACO)) PORTB = 0b00100; // Zapala D0, gasi D1
        else                PORTB = 0b01000; // Gasi D0, zapala D1
    }
}

Więcej wydobędziemy z komparatora, gdy poznamy dokładnie jego budowę. Przyjrzyjmy się wyprowadzeniom mikrokontrolera, z których może korzystać komparator:

Oprócz opisanych wcześniej dwóch wejść AIN0 i AIN1 widzimy tutaj dodatkowe cztery wejścia ADC0...ADC3. Są to wejścia dla przetwornika analogowo cyfrowego (ang. ADC: Analog to Digital Converter), którym zajmiemy się w następnym rozdziale. Jedno z tych wejść może zastąpić wejście AIN1, dzięki czemu mamy możliwość porównywania większej liczby sygnałów. Wejście ADC0 jest podpięte do pinu RESET, i z tego powodu raczej nie powinno być używane (ponieważ przy spadku napięcia do 0V, mikrokontroler ulegnie resetowi). Zwróć uwagę, że numeracja tych wejść nie odpowiada numeracji linii portu B.

Przeanalizujmy teraz podany powyżej schemat logiczny komparatora analogowego (zrób to dokładnie, ponieważ w innych mikrokontrolerach AVR komparator pracuje podobnie). Po lewej stronie masz sygnały, które mogą być doprowadzone do wejść komparatora (żółty trójkąt w środku schematu). Do wejścia dodatniego (+) można doprowadzić wewnętrzne napięcie odniesienia (ang. Bandgap Reference) lub napięcie z końcówki AIN0 (PB0). Źródła te są wybierane bitem ACBG (ang. Analog Comparator Bandgap Select), który znajdziesz w opisanym na początku rozdziału rejestrze ACSR:

Bit ACBG jest standardowo ustawiany na 0, czyli do wejścia dodatniego komparatora dochodzi napięcie z końcówki AIN0 mikrokontrolera. Napięcie odniesienia jest wykorzystywane do różnych celów wewnątrz mikrokontrolera. Wynosi ono około 1,1V. Po przyłączeniu napięcia odniesienia, należy odczekać krótką chwilę, aby się ustaliło.

Dwa kolejne sygnały ACME (ang. Analog Comparator Multiplexer Enable – włączenie multipleksera dla komparatora analogowego) w rejestrze ADCSRB (ang. ADC Control and Status Register B – rejestr sterowania i stanu przetwornika analogowo-cyfrowego) i ADEN (ang. ADC Enable – włączenie przetwornika analogowo-cyfrowego) w rejestrze ADCSRA (ang. ADC Control and Status Register A – rejestr sterowania i stanu przetwornika analogowo-cyfrowego) określają, czy do wejścia ujemnego komparatora zostanie dołączone napięcie z końcówki AIN1 (ACME=0, ADEN=X lub ACME=1, ADEN=1) lub z jednego z wejść ADC0...ADC3 (ACME=1,ADEN=0). W tym drugim przypadku wyjście ADC0...ADC1 jest wybierane przez bity MUX1 i MUX0 w rejestrze ADMUX (ang. ADC Multiplexer Selection Register – rejestr wyboru multipleksera przetwornika analogowo-cyfrowego). Standardowo jest wybierane wejście AIN1.

Obowiązuje tutaj poniższa tabelka funkcji:

Opisaliśmy wejścia komparatora analogowego. Teraz opiszemy sygnały sterujące oraz system przerwań. Aby nie przewijać ciągle strony w górę i w dół, poniżej umieściliśmy ponownie schemat logiczny komparatora:

Bit ACD (ang. Analog Comparator Disable – wyłączenie komparatora analogowego) z rejestru ACSR powoduje przy stanie 1 wyłączenie zasilania komparatora. Standardowo komparator jest włączony.

Po wyłączeniu zmniejsza się zużycie energii przez mikrokontroler, zatem jeśli nie potrzebujesz w swojej aplikacji porównywać napięcia i pracujesz na bateriach, wyłącz komparator. Mikrokontroler ATTINY13 posiada jeszcze kilka innych opcji, które umożliwiają oszczędzanie baterii, może nawet się zupełnie wyłączyć i przejść w stan czuwania przy minimalnym poborze prądu. O tym później.

Wyjście z komparatora możesz zawsze odczytać programowo z bitu ACO w rejestrze ACSR, co już przerabialiśmy. Dodatkiem jest możliwość generowania przerwań przez komparator. Aby było to możliwe, należy ustawić na 1 bit ACIE (ang. Analog Comparator Interrupt Enable – włączenie przerwań z komparatora analogowego) w rejestrze ACSR. Jeśli pojawi się przerwanie, to zostaje automatycznie ustawiony na 1 bit ACI (ang. Analog Comparator Interrupt – przerwanie z komparatora analogowego). Bit ten zerujemy wpisując do niego 1, nie 0! Gdy oba bity ACIE oraz ACI są ustawione na 1, zostaje wykonana procedura obsługi przerwania spod wektora 0x005 o nazwie ANA_COMP_vect. Oczywiście należy włączyć wcześniej reakcję na przerwania za pomocą funkcji sei(). Pisaliśmy o tym w rozdziale o przerwaniach. Bity ACIS1 i ACIS0 (ang. Analog Comparator Interrupt Mode Select – wybór trybu przerwania od komparatora analogowego) umożliwiają określenie, kiedy powstanie przerwanie. W każdym przypadku chodzi o zachowanie się sygnału ACO.

Należy jeszcze wspomnieć o rejestrze DIDR0 (ang. Digital Input Disable Register 0 – rejestr wyłączania wejść cyfrowych).

Bity w tym rejestrze sterują wejściami cyfrowymi PINB0...PINB5, jednakże zostały nazwane zgodnie z ich funkcjami w komparatorze analogowym i przetworniku analogowo-cyfrowym. Jeśli jeden z bitów zostanie ustawiony na 1, to odpowiadające mu wejście cyfrowe będzie wyłączone, co zmniejszy zużycie prądu przez mikrokontroler. Opcję tą wykorzystuje się wtedy, gdy dane wejście służy tylko do pomiaru napięć analogowych i nie jest używane jako wejście cyfrowe. Wejście wyłączone daje przy odczycie w PINB zawsze stan 0. W normalnym stanie wszystkie wejścia cyfrowe są włączone.

Teraz pobawimy się trochę płytką APP006 i komparatorem ATTINY13. Poniższy program działa identycznie jak ten, który podaliśmy wcześniej w tym rozdziale. Różnica polega na tym, iż wejście ujemne komparatora podłączamy do ADC3 (PB3). Przed uruchomieniem ustaw przełącznik SW1 w pozycji wciśniętej. Spowoduje to dołączenie potencjometru do ADC3, natomiast dioda D1 będzie podłączona do DB1.

/*
 * main.c
 *
 *  Created on: 06 kwi 2015
 *      Author: Jerzy
 *  Opis:
 *  Program odczytuje stan bitu ACO w rejestrze ACSR
 *  Przełącznik SW0 w stanie wyciśniętym
 *  Przełącznik SW1 w stanie wciśniętym
 */

#include <avr/io.h>

int main()
{
    DDRB  = 0b00010;    // DB1 jako wyjście
    PORTB = 0b00000;
    DIDR0 = 0b11111;    // Wyłączamy wejścia cyfrowe
    ADCSRB = (1<<ACME); // Włączamy multiplekser
    ADMUX = 0b11;       // Do (-) podłączamy ADC3 (PB3)
    while(1)
    {
        // Odczytujemy cyklicznie ACO i przesyłamy jego stan
        // na linię PB1, do której jest podłączona dioda d1
        // czerwona
        PORTB = (ACSR & (1<<ACO))>>4;
    }
}

Potencjometr P0 reguluje napięcie dodatnie na wejściu AIN0 (PB0). Potencjometr P1 reguluje napięcie ujemne na wejściu ADC3 (PB3). Jeśli napięcie dodatnie jest większe od ujemnego, to zapali się dioda D1. Inaczej dioda D1 jest zgaszona.

Drobna modyfikacja programu powoduje zapalenie diody D0, gdy napięcie dodatnie jest większe, lub D1, gdy napięcie ujemne jest większe.

/*
 * main.c
 *
 *  Created on: 06 kwi 2015
 *      Author: Jerzy
 *  Opis:
 *  Program odczytuje stan bitu ACO w rejestrze ACSR
 *  Przełącznik SW0 w stanie wyciśniętym
 *  Przełącznik SW1 w stanie wciśniętym
 */

#include <avr/io.h>

int main()
{
    DDRB  = 0b00110;    // DB1 i DB2 jako wyjścia
    PORTB = 0b00000;
    DIDR0 = 0b11111;    // Wyłączamy wejścia cyfrowe
    ADCSRB = (1<<ACME); // Włączamy multiplekser
    ADMUX = 0b11;       // Do (-) podłączamy ADC3 (PB3)
    while(1)
    {
        if(ACSR & (1<<ACO)) PORTB = 0b00100; // Zapala D0, gasi D1
        else                PORTB = 0b00010; // Gasi D0, zapala D1
    }
}

W następnym programie łączymy wejście dodatnie komparatora z wewnętrznym napięciem odniesienia. Potencjometry będą natomiast podłączone do wejść:

• P0 → ADC1 (PB2)
• P2 → ADC3 (PB3)

Dzięki temu możemy niezależnie sprawdzać komparatorem napięcia na potencjometrach. Oba przełączniki należy wcisnąć.

/*
 * main.c
 *
 *  Created on: 06 kwi 2015
 *      Author: Jerzy
 *  Opis:
 *  Program porównuje napięcia na potencjometrach P0 i P1
 *  z wewnętrznym napięciem odniesienia. Jeśli napięcie na
 *  danym potencjometrze będzie wyższe od napięcia odniesienia,
 *  to zostanie zapalona dioda związana z danym potencjometrem.
 *  Gdy napięcia na obu potencjometrach będą wyższe od napięcia
 *  odniesienia, zostanie dodatkowo zapalona dioda D2 niebieska.
 *
 *  Oba przełączniki SW0 i SW1 w stanie wciśniętym
 */

#include <avr/io.h>
#include <avr/delay.h>

int main()
{
    DDRB  = 0b10011;    // Jako wyjścia:
                        // PB4 - dioda niebieska
                        // PB1 - dioda D1
                        // PB0 - dioda D0
    PORTB  = 0b00000;
    DIDR0  = 0b11111;   // Wyłączamy wszystkie wejścia cyfrowe
    ADCSRB = (1<<ACME); // Włączamy multiplekser
    ACSR   = (1<<ACBG); // Do wejścia (+) napięcie odniesienia
    while(1)
    {
    	ADMUX = 0b01;   // Do (-) ADC1 (P0)
    	_delay_ms(1);   // Opóźnienie na ustabilizowanie się portów
    	if (ACSR & (1<<ACO)) PORTB &= 0b11110; // Gasimy D0
    	else                 PORTB |= 0b00001; // Zapalamy D0
    	ADMUX = 0b11;   // Do (-) ADC3 (P1)
    	_delay_ms(1);   // Opóźnienie na ustabilizowanie się portów
    	if (ACSR & (1<<ACO)) PORTB &= 0b00001; // Gasimy D1
    	else                 PORTB |= 0b00010; // Zapalamy D1
    	if((PORTB & 0b00011) == 0b00011) PORTB =  0b10011; // Zapalamy D2
    	else                             PORTB &= 0b00011; // Gasimy D2
    }
}

Program działa następująco:

W następnym programie wykorzystamy przerwania od komparatora analogowego. Oba przełączniki SW0 i SW1 ustaw w położeniu wyciśniętym.

/*
 * main.c
 *
 *  Created on: 07 kwi 2015
 *      Author: Jerzy
 *  Opis:
 *  Program cyklicznie mruga diodą niebieską. Komparator obsługuje
 *  przerwanie przy zmianie stanu wyjścia ACO. Gdy ACO = 1, zostaje
 *  zapalona dioda D0, dioda D1 jest gaszona. Gdy ACO = 0, zostaje
 *  zapalona dioda D1, a D0 jest gaszona.
 *  Oba przełączniki SW0 i SW1 w stanie wyciśniętym
 */

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <avr/delay.h>

// Procedura obsługi przerwania z komparatora analogowego
ISR(ANA_COMP_vect)
{
    if(ACSR & (1<<ACO)) PORTB = (PORTB & 0b10011) | 0b00100;
    else                PORTB = (PORTB & 0b10011) | 0b01000;
}

int main()
{
    cli();              // Wyłączamy przerwania
    DDRB  = 0b11100;    // Jako wyjścia:
                        // DB4 - dioda niebieska
                        // DB3 - dioda D1
                        // DB2 - dioda D0
    PORTB = 0b00000;
    DIDR0 = 0b11111;    // Wyłączamy wejścia cyfrowe
    ACSR = (1<<ACIE);   // Uaktywniamy przerwania od komparatora
    sei();              // Włączamy przerwania

    while(1)
    {
        _delay_ms(500);
        PINB = 0b10000; // Cyklicznie zapalamy i gasimy D2
    }
}