25. Аналогово-цифровой преобразователь ADC
25.1. Отличительные особенности
- 12-битная разрешающая способность
- Частота выборок и преобразования до 2 МГц
- Измерение несимметричных или дифференциальных сигналов
- Знаковый и беззнаковый режимы
- 4 регистра результата с индивидуальным управлением входами
- 8…16 несимметричных входов
- 8x4 дифференциальных входов без усиления
- 8x4 дифференциальных входов с усилением
- 4 внутренних входа
- датчик температуры
- выход ЦАП
- напряжение VCC, поделенное на 10
- источник опорного напряжения (ИОН)
- Программный выбор коэффициента усиления 1x, 2x, 4x, 8x, 16x, 32x или 64x
- Выборку 4 входов можно выполнить за 1.5 мкс
- Выборочная 8- или 12-битная разрешающая способность
- Минимальная задержка распространения одного результата 2.5 мкс (8-битная разрешающая способность)
- Минимальная задержка распространения одного результата 3.5 мкс (12-битная разрешающая способность)
- Встроенный ИОН
- Опциональный внешний ИОН
- Опциональный запуск преобразования внешним событием для точной привязки ко времени
- Опциональная DMA-передача результатов преобразований
- Опциональное прерывание/событие по результату сравнения
25.2. Обзор
Модуль АЦП предназначен для преобразования аналоговых напряжений в цифровой код. АЦП обладает 12-битной разрешающей способностью и может выполнять преобразования на частоте до 2 МГц. На входе АЦП предусмотрен мультиплексор, который дает возможность оцифровывать несколько внутренних и внешних сигналов. Возможно измерение как несимметричных, так и дифференциальных сигналов. В дифференциальном режиме измерений доступен опциональный усилительный каскад, позволяющий расширить динамический диапазон. Результат преобразования АЦП может быть представлен в знаковом или беззнаковом формате.
АЦП выполнен по конвейерной архитектуре. Конвейерный АЦП состоит из нескольких следующих друг за другом ступеней. Каждая из ступеней отвечает за преобразование определенной части результата. Конвейерная архитектура позволяет добиться высокой частоты преобразования при относительно низкой частоте синхронизации и снимает ограничения на частоту преобразования, вызванные влиянием задержки распространения. Это также означает, что выборка нового аналогового напряжения и запуск нового преобразования АЦП могут быть выполнены еще во время выполнения текущих преобразований.
Запуск преобразования АЦП может быть инициирован либо программно, либо входящим событием любого другого УВВ. Предусмотрено четыре отдельных регистра результата с индивидуальным выбором входа (настройка мультиплексора), что упрощает работу с АЦП в применениях с отслеживанием данных. Каждая пара результата и настройки мультиплексора называется каналом АЦП. По завершении преобразования, может быть выполнена передача результата преобразования в память или УВВ посредством DMA.
Диапазон преобразования задается внутренним или внешним ИОН. В МК интегрирован достаточно высокоточный ИОН на напряжение 1.00 В. При его использовании диапазон преобразования лежит в пределах 0…1.0 В в беззнаковом режиме и -1.0…1.0В в знаковом дифференциальном режиме.
В МК также интегрирован датчик температуры, выходное напряжение которого может быть оцифровано АЦП. Кроме того, АЦП может оцифровать еще несколько внутренних сигналов: выход ЦАП, напряжение VCC/10 и напряжение бэндгап-элемента.
Рисунок 25.1. Функциональная схема модуля ADC
25.3. Входные источники
АЦП выполняет оцифровку аналоговых напряжений на своих входах. Поддерживается четыре выборочных типа измерений:
- дифференциальный вход
- дифференциальный вход с усилением
- несимметричный вход
- внутренний вход
Выводы аналоговых входов используются в качестве несимметричных и дифференциальных входов, а внутренние входы напрямую подключены к внутренним источникам сигналов. У МК с двумя АЦП, выводы порта PORTA могут служить входами модуля АЦП A, а выводы порта В - АЦП В. У МК XMEGA с одним АЦП, но с аналоговыми входами на портах А и В, все выводы этих портов могут использоваться в качестве входа АЦП.
Выбор подлежащего преобразованию входа и типа измерения выбирается за один подход посредством регистров управления мультиплексором. Четыре типа измерений и соответствующие им мультиплексоры показаны на рисунках 25.2…25.6.
Сам по себе АЦП всегда остается дифференциальным, а при выполнении несимметричных измерений его инвертирующий вход подключается к фиксированному уровню напряжения.
25.3.1. Дифференциальный вход
При выборе дифференциального входа, любой из выводов аналоговых входов может быть выбран в качестве неинвертирующего входа, а в качестве инвертирующего входа могут быть выбраны выводы аналоговых входов 0…3. При использовании дифференциального входа, АЦП необходимо перевести в знаковый режим.
Рисунок 25.2. Дифференциальное измерение без усиления
25.3.2. Дифференциальный вход с усилением
При выборе дифференциального входа с усилением в качестве неинвертирующего входа может быть выбран любой из выводов аналоговых входов, а в качестве инвертирующего входа - выводы аналоговых входов 4…7. При использовании усилительного каскада, дифференциальный аналоговый вход вначале подвергается выборке и усилению, а затем подается в АЦП. При работе с дифференциальным входом с усилением, АЦП необходимо перевести в знаковый режим.
Доступны следующие коэффициенты усиления: 1, 2, 4, 8, 16, 32 и 64.
Рисунок 25.3. Измерение дифференциального сигнала с усилением
25.3.3. Несимметричный вход
При выполнении несимметричных измерений в качестве входа могут использоваться любые выводы аналоговых входов. Несимметричные измерения можно выполнять как в знаковом, так и в беззнаковом режимах.
В знаковом режиме инвертирующий вход АЦП подключается к внутренней общей цепи.
Рисунок 25.4. Несимметричное измерение в знаковом режиме
В беззнаковом режиме инвертирующий вход АЦП соединен с напряжением, которое равно половине опорного напряжения (VREF) за вычетом фиксированного смещения. Номинальное значение смещения равно: D V = VREF x 0.05.
Поскольку АЦП является дифференциальным, его беззнаковый режим реализуется путем внутреннего деления опорного напряжения на два. В результате, входной диапазон на неинвертирующем несимметричном входе будет простираться от VREF до нуля. Вычет смещения необходим для обнаружения модулем АЦП пересечения нуля в беззнаковом режиме, а также для калибровки любого положительного смещения, когда уровень внутренней общей цепи МК больше уровня внешней общей цепи. Подробности см. на рисунке 25.11.
Рисунок 25.5. Несимметричное измерение в беззнаковом режиме
25.3.4. Внутренние входы
К входу АЦП можно подключить один из четырех внутренних аналоговых сигналов.
- Выход датчика температуры
- Напряжение бэндгап-элемента
- Поделенное напряжение VCC
- Выход ЦАП
Оцифровка напряжения встроенного датчика температуры дает возможность учитывать в программе информацию о текущей температуре внутри микроконтроллера.
На этапе производственных испытаний МК выполняется оцифровка напряжения внутреннего датчика температуры при фиксированной температуре. Результат оцифровки записывается в сигнатурный код производителя и может использоваться в дальнейшем для калибровки датчика температуры.
Напряжение бэндгап-элемента - точное опорное напряжение, которое доступно внутри микроконтроллера и используется для формирования других внутренних опорных напряжений.
Предусмотрена возможность оценки напряжения VCC по поделенной в 10 раз его версии. Таким образом, когда VCC = 1.8 В на вход АЦП подается 0.18 В, а когда VCC = 3.6 В, то к АЦП поступает 0.36 В.
К входу АЦП также можно подключить выходное напряжение ЦАП. Это напряжение подается прямо с выхода ЦАП, а не с выходов схемы выборки-хранения, которые имеются у АЦП.
Некоторые внутренние сигналы перед их оцифровкой требуют включения в работу. Подробности о том, как выполнить такое включение, см. в описании соответствующих модулей.
При измерении внутренних сигналов в знаковом режиме, неинвертирующий вход подключается к внутренней общей цепи.
Рисунок 25.6. Измерение внутренних сигналов в знаковом режиме
В беззнаковом режиме неинвертирующий вход подключается к фиксированному уровню напряжения, который равен половине опорного напряжения (VREF) минус фиксированное смещение, т.е. аналогично беззнаковому несимметричному измерению. Подробности см. на рисунке 25.11.
Рисунок 25.7. Измерение внутренних сигналов в беззнаковом режиме
| 
