АЦП: читаем потенциометр

Схема

Потенциометр 10 кОм включим между 5 В и землёй, а средний вывод — на A0 (PC0, ADC0). Выходное сопротивление такого делителя не больше 10 кОм / 4 = 2,5 кОм (в среднем положении; расчёт наш), а АЦП оптимизирован для источников до 10 кОм (раздел 24.6.1) — условие выполнено.

Опорное напряжение и канал: ADMUX

АЦП сравнивает входное напряжение с опорным. Его выбирают биты REFS1:0 регистра ADMUX (табл. 24-3), а канал — биты MUX3…0 (табл. 24-4):

Для потенциометра от 5 В удобно опорное AVCC: ADMUX = _BV(REFS0), MUX3…0 = 0000 — канал ADC0. Бит ADLAR = 1 выравнивает результат влево, если хватает старших 8 бит; по умолчанию он 0.

Частота и запуск: ADCSRA

Для полного 10-битного разрешения частота АЦП должна быть от 50 до 200 кГц (раздел 24.4). Её получают из системной делителем, который выбирают биты ADPS2…0 (табл. 24-5): 2, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128. При 16 МГц подходит только 128 — получается 125 кГц.

Бит ADEN включает АЦП, запись единицы в ADSC запускает одиночное преобразование. ADSC остаётся единицей, пока преобразование идёт, и аппаратно сбрасывается по окончании (раздел 24.3). Обычное преобразование занимает 13 тактов АЦП, первое после включения — 25, потому что АЦП ещё инициализирует аналоговую часть. При 125 кГц это 104 и 200 мкс (расчёт наш).

Результат лежит в паре регистров ADCL и ADCH: сначала читают ADCL, потом ADCH (раздел 24.9.3). В avr-libc они объединены в 16-битный регистр ADC, и компилятор сам читает байты в правильном порядке. Результат связан с напряжением формулой из раздела 24.7:

Программа: яркость от потенциометра

Возьмём ШИМ из урока 6 и будем задавать яркость светодиода на выводе 6 потенциометром:

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

static void adc_init(void)
{
    ADMUX = _BV(REFS0);                         /* AVCC reference, channel ADC0 */
    ADCSRA = _BV(ADEN)                          /* ADC on */
           | _BV(ADPS2) | _BV(ADPS1) | _BV(ADPS0); /* clk/128: 125 kHz at 16 MHz */
    DIDR0 = _BV(ADC0D);                         /* digital input buffer off on PC0 */
}

static uint16_t adc_read(uint8_t channel)
{
    ADMUX = (ADMUX & 0xF0) | (channel & 0x0F);  /* keep REFS and ADLAR, set MUX */
    ADCSRA |= _BV(ADSC);                        /* start a single conversion */
    while (ADCSRA & _BV(ADSC)) {
        /* ADSC is cleared by hardware when the result is ready */
    }
    return ADC;                                 /* ADCL then ADCH, 0..1023 */
}

int main(void)
{
    DDRD |= _BV(DDD6);                          /* LED on OC0A (PD6, pin 6) */
    TCCR0A = _BV(COM0A1) | _BV(WGM01) | _BV(WGM00); /* fast PWM, non-inverting */
    TCCR0B = _BV(CS01) | _BV(CS00);             /* clk/64 */

    adc_init();

    for (;;) {
        uint16_t code = adc_read(0);
        OCR0A = (uint8_t)(code >> 2);           /* 10-bit code to 8-bit duty */
    }
}

Регистр DIDR0 отключает цифровой входной буфер вывода, когда он используется только как аналоговый вход (раздел 24.9.5): буфер на промежуточном напряжении лишь зря потребляет ток.

Чтобы получить милливольты, пересчитаем код по формуле с опорным 5000 мВ. Умножение в 32 битах, иначе 1023 · 5000 переполнит 16-битное число:

uint16_t mv = (uint16_t)(((uint32_t)code * 5000UL) / 1024UL);

Точность и опорное

Опорное AVCC — это питание платы, и все его колебания прямо переходят в результат: если USB даёт 4,8 В вместо 5 В, код будет примерно на 4 % больше (расчёт наш: 5 / 4,8 ≈ 1,042). Абсолютная погрешность самого АЦП по даташиту — типично 2 LSB при опорном 4 В и частоте 200 кГц (табл. 29-15). Если нужна стабильная шкала, используют внутреннее опорное 1,1 В и делитель на входе. После смены опорного первый результат может быть неточным, и его советуют отбросить (раздел 24.5.2). Подробнее о погрешностях — в ответе «Почему АЦП Arduino неточен» и в калькуляторе бюджета погрешности АЦП.

Безопасность

• Напряжение на любом выводе, кроме RESET, — от −0,5 В до VCC + 0,5 В (раздел 29.1). Источник больше 5 В подают только через резистивный делитель.
• Если на вывод AREF подано внешнее напряжение, нельзя выбирать опорное AVCC или 1,1 В: внутреннее опорное окажется замкнуто на внешний источник (раздел 24.5.2). На Uno при опорном AVCC на AREF ничего не подключают.

Задание

1. АЦП с опорным AVCC = 5 В выдал код 300. Какое напряжение на входе?
2. Потенциометр подключили к 3,3 В вместо 5 В, опорное оставили AVCC. Какой наибольший код получится, и сколько шагов шкалы потеряно?

Что дальше

В уроке 8 выведем результаты АЦП на компьютер через UART. Делитель ADPS, время преобразования и код по напряжению для любой частоты посчитает калькулятор АЦП AVR; все регистры АЦП с битами — на странице регистров АЦП ATmega328P. Как устроен АЦП последовательного приближения и чем он отличается от других, рассказывают статья «АЦП» и термины «АЦП последовательного приближения», «Опорное напряжение» и «Младший значащий разряд».