• AVR
• микроконтр
• Система
• Архитектура
• ATmega128
• 7/16-битный

AVR400

Простой аналогово-цифровой преобразователь

Отличительные особенности:

• Использование прерываний
• Размер кода: 23 слова
• Малое число внешних компонентов
• Разрешающая способность: 6 разрядов
• Измеряемый диапазон: 0 - 2В
• Работает совместно с любым AVR-микроконтроллером с использованием 8-разрядного таймера-счетчика и аналогового компаратора

Введение

Данные рекомендации распространяются на приложения, критичные к стоимости и габаритам, в которых есть необходимость в простом аналогово-цифровом преобразовании. Ниже описано, как выполнить простой АЦП с использованием двух внешних компонентов: резистора и конденсатора. Данная разработка позволит получить компактное и недорогое устройство.

Принцип действия:

Практически все AVR-микроконтроллеры содержат аналоговый компаратор, который позволяет реализовать простой интегрирующий АЦП. Измеряемый сигнал подключается к инвертирующему входу, а опорный – к неинвертирующему. Опорный сигнал формируется на конденсаторе, который заряжается через резистор. Во время заряда конденсатора напряжение на нем будет изменяться по экспоненциальной зависимости. Если предположить, что диапазон изменения измеряемого сигнала ограничен пределом 0…2/5*VCC, то экспонента в указанных пределах прекрасно аппроксимируется прямой линией. Напряжение входного сигнала UIN определяется как время, которое требуется на зарядку конденсатора до напряжения, равного приложенному напряжению. За счет использования одного вывода порта В для управления зарядкой/разрядкой конденсатора требуется задействовать всего три вывода микроконтроллера (см. рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема включения микроконтроллера для получения АЦП

Постоянная времени RC-цепи должно быть выбрана исходя из соотношения:

Параметры элементы для распространенных тактовых частот приведены в таблице 1. Если результирующая постоянная времени будет отличаться от расчетной, то это отобразиться на результате преобразования. Поэтому, требуется применение прецизионных элементов RC-цепи. Кривая изменения напряжения на конденсаторе вместе с аппроксимирующей прямой показаны на рисунке 2. Поскольку, напряжение питания в данном случае выступает как источник опорного напряжения, то оно не должно быть стабильным во время преобразования.

Рисунок 2 – Линейность аналогово-цифрового преобразователя

Таблица 1 – Значений компонентов RC-цепи

Для надежной работы АЦП необходимо, что конденсатор разряжался не более чем за 200 мкс между преобразованиями. Если конденсатор не разрядить полностью, то не будет возможности измерить малые величины напряжения. Если входное напряжение выше 2/5 VCC, то должен выдать максимальное значение кода. Это достигается за счет записи кода смещения в регистр таймера-счетчика 0 перед началом преобразования. После 512 циклов (64*8) таймер переполнится и сформируется запрос на соответствующее прерывание. Длительность данного процесса есть время заряда конденсатора до напряжения 2/5 VCC. Если напряжение находиться в пределах рабочего диапазона, то прерывание будет инициировать аналоговый компаратор. При этом, код смещения необходимо вычесть от вычисленного значения. Реализация

АЦП использует прерывания таймера-счетчика 0 и аналогового компаратора. Это позволяет разгрузить микроконтроллер в процессе преобразования.

Подпрограмма инициализации АЦП “convert_init”

Данная процедура вызывается для инициализации АЦП перед его использованием. В результате вызова процедуры разрешаются прерывания по таймеру и компаратору, а управляющий вывод настраивается на выход. После выполнения инструкции. Команда “SEI”, которая разрешает работы всей системы прерываний, может использоваться для разрешения работы АЦП. Аналогично команда “CLI” выключает АЦП.

convert_init:
       ldi result,$0B   	;Разрешение работы компаратора
       out ACSR,result 	;и разрешение его прерывания
       ldi result,$02      ;Разрешение прерывания таймера
       out TIMSK,result
       sbi PORTD,PD2       ;Настройка линии заряда/разряда как выход
       ret                 ;Вых из процедуры
	

Таблица 2 – Характеристики процедуры “convert_init”

Таблица 3 – Использование регистров

Рисунок 3 – Блок-схема процедуры “convert_init”

Подпрограмма запуска преобразования “AD_convert”

Данная процедура используется для запуска преобразования. Она перезагружает счетчик значением 256 – 64 и разрешает счет с частотой XTAL/8. Далее очищается флаг завершения преобразования (T-флаг регистра статуса) и включается заряд конденсатора.

AD_convert:
	ldi result,preset  ;Очистка счетчика результата
	out TCNT0,result   ;и загрузка кода смещения
	clt		        ;Сброс флага окончания преобразования (t)
	ldi result,$02	   ;Запуск таймера 0 с предделением на 8
	out TCCR0,result    
	sbi PORTB,PB2      ;Включение режима заряда конденсатора
	ret			   ;Выход из процедуры
	

Таблица 4 – Параметры процедуры “AD_convert”

Таблица 5 – Используемые регистры процедурой “AD_convert”

Рисунок 4 – Блок-схема преобразования АЦП

Процедура обработки прерывания аналогового компаратора “ANA_COMP”

Данная процедура вызывается по завершении преобразования. Она выполняет загрузку значения таймера-счетчика 0, останавливает таймер и устанавливает флаг завершения преобразования (T-флаг в регистре статуса SREG). После этого из значения таймера вычитается код смещения. Код смещения при вычитании необходимо увеличить на 1, т.к. обработка прерывания требует минимум 7 циклов.

ANA_COMP:  
     in  result,TCNT0        ;Загрузка значения таймера 0
     clr  temp    	        ;Останов таймера 0
     out TCCR0,temp         
     subi result,preset+1    ;Вычисление результата преобразования
     cbi PORTD,PD2           ;Запуск разрядки конденсатора
     set			        ;Установка флага завершения преобразования
	reti                    ;Выход из прерывания
	

Tаблица 6 – Характеристики процедуры “ANA_COMP”

Таблица 7 – Использование регистров в процедуре “ANA_COMP”

Рисунок 5 – Блок-схема процедуры "ANA_COMP"

Пример программы

Предлагаемый пример использует данный принцип построения АЦП, используя описанные выше процедуры. Результат преобразования представляется в двоичном виде на выводах порта B.

.include "1200def.inc"

;***** Константы

.equ	preset=192			;Предустановленный код смещения T/C0 (256-64)	

;***** Глобальные регистры АЦП

.def	result=r16			;Результат преобразования и промежуточные данные
.def	temp=r17			;Временный регистр

;**************************************************************************
;*  	Начало программы
;**************************************************************************
	.cseg


	.org $0000
	rjmp RESET      ;Обработка сброса
	.org OVF0addr
	rjmp ANA_COMP   ; Обработка прерывания таймера 0
	.org ACIaddr
	rjmp ANA_COMP   ;Обработка прерывания аналогового компаратора

RESET:
		rcall	 convert_init	; Инициализация АЦП
		sei			     ; Глобальное разрешение прерываний
		ldi	result,$ff	     ; Настройка порта В на выход
		out	DDRB,result	
Delay:	clr	result		; Очистка временного счетчика 1
		ldi	temp,$f0	     ; Очистка временного счетчика 2
loop1:	inc	result		; Увеличение на 1 временного счетчика 1
   		brne	loop1		     ; и ожидание его переполнения
		inc 	temp		     ; Увеличение на 1 временного счетчика 2
		brne 	loop1		     ; и ожидание его переполнения

		rcall	AD_convert	     ; Запуск преобразования
Wait:		brtc	Wait		     ; Ожидание завершения преобразования
		out	PORTB,result	; Вывод результата на порт В

		rjmp	Delay		     ; Повтор преобразования
	

Таблица 8 – Сводные характеристики программных средств для реализации АЦП

тонировка