Дослідження й конфігурування 10-розрядного АЦП та аналогового компаратора мікроконтролера ATmega128

Лабораторна робота № 4

Тема роботи: ДОСЛІДЖЕННЯ Й КОНФІГУРУВАННЯ 10-РОЗРЯДНОГО АЦП ТА АНАЛОГОВОГО КОМПАРАТОРА МІКРОКОНТРОЛЕРА ATMEGA128

Мета роботи: дослідити принцип побудови 10-розрядного АЦП й аналогового компаратора мікроконтролера ATmega128, освоїти методику його конфігурування і особливості застосування.

Завдання до лабораторної роботи

Варіант	Завдання
1	Подати дві напруги, що змінюються в діапазоні 2...4 В, з резистивних дільників (SLIDER) S1, S2 на входи AIN1, AIN0 компаратора. Під час збігу напруг на компараторі запустити АЦП у стартостопному режимі й перетворити напругу, що подається на лінію 2 з дільника (SLIDER) S3 у діапазоні 1…3 В

Теоретичні основи

Аналогово-цифровий перетворювач

АЦП мікроконтролера ATmega128 призначено  для перетворення вхідної аналогової напруги в 10-розрядний код методом послідовних наближень.

Основні відмінні риси:

 - 10-розрядна здатність;

 - інтегральна нелінійність  –  0,5 молодшого розряду;

 - абсолютна похибка – ±2 молодших розрядів;

 - час перетворення – 65…260 мкс;

 - частота перетворення – до 15 тис.  у секунду при максимальній здатності;

 - вісім мультиплексованих однополярних входів;

 - сім диференціальних вхідних каналів;

 - два   диференціальних    вхідних   канали   з       опціональним посиленням на 10 і 200;

 - подання результату з лівобічним або правобічним вирівнюван-ням у 16-розрядному слові;

 - діапазон вхідної напруги АЦП – 0...VCC;

 - вибіркове внутрішнє джерело опорної напруги (ДОН) на 2,56 В;

 - режими  одиночного   перетворення  і  автоматичного пере-запуску;

 - переривання після завершення перетворення АЦП;

 - механізм заглушування шумів у режимі сну.

ATmega128 містить 10-розрядний АЦП послідовного наближення. АЦП пов'язаний з 8-канальним аналоговим мультиплексором, вісім однополярних входів якого з’єднано з лініями порту F.

На рисунку 14 показана функціональна схема АЦП.

АЦП також підтримує введення 16 диференціальних напруг. Два диференціальних входи (ADC1, ADC0 й ADC3, ADC2) містять каскад зі ступінчастим програмувальним посиленням: 0 дБ (1x), 20 дБ (10x) або 46 дБ (200x). Для семи диференціальних аналогових каналів використовують загальний інвертуючий вхід (ADC1), а всі інші входи АЦП виконують функцію неінвертуючих входів. Якщо задано посилення 1x або 10x, то можна очікувати 8-розрядну здатність, а якщо 200x – 7-розрядну.

Рисунок 14 – Функціональна схема аналогово-цифрового перетворювача

Як внутрішня опорна напруга може бути напруга від внутрішнього ДОН на 2,56 В або напруга AVCC. Якщо потрібне використання зовнішнього ДОН, то його слід підключити до виводу AREF з приєднанням до цього виводу блокувального конденсатора для поліпшення шумових характеристик.

АЦП перетворює вхідну аналогову напругу в 10-розрядний код методом послідовних наближень. Мінімальне значення відповідає рівню GND, а максимальне – рівню AREF мінус одиницю молодшого розряду. Канал аналогового введення й каскад диференціального посилення вибираються шляхом записування бітів MUX до регістра ADMUX. Як однополярний аналоговий вхід АЦП може бути вибрано один з входів ADC0...ADC7, а також GND і вихід фіксованого джерела опорної напруги, що дорівнює 1,22 В. У режимі диференціального введення передбачено можливість вибору інвертуючих і неінвертуючих входів до диференціального підсилювача.

Робота АЦП дозволяється шляхом установлення біта ADEN в регістрі ADCSRA. Вибір опорного джерела й каналу перетворення не можна виконати до установлення ADEN. Якщо ADEN = 0, то АЦП не споживає струм, тому при переході до економічних режимів сну рекомендується спочатку відключити АЦП.

АЦП генерує 10-розрядний результат, що міститься в парі регістрів даних АЦП – ADCH й ADCL. За замовчуванням результат перетворення розміщується в молодших десяти розрядах 16-розрядного слова (вирівнювання праворуч), але може бути опціонально розташований у старших десяти розрядах (вирівнювання ліворуч) шляхом установлення біта ADLAR у регістрі ADMUX.

АЦП генерує власний запит на переривання при завершенні перетворення.

 Призначення бітів регістра керування мультиплексором ADMUX

Номер біта	Ім'я	Призначення
7	REFS1	Вибір джерела опорної напруги – біт 1
6	REFS0	Вибір джерела опорної напруги – біт 0
5	ADLAR	Біт керування видачею результату перетворення
4	MUX4	Вибір аналогового каналу й коефіцієнта підсилення – біт 4
3	MUX3	Вибір аналогового каналу й коефіцієнта підсилення – біт 3
2	MUX2	Вибір аналогового каналу й коефіцієнта підсилення – біт 2
1	MUX1	Вибір аналогового каналу й коефіцієнта підсилення – біт 1
0	MUX0	Вибір аналогового каналу й коефіцієнта підсилення – біт 0

Розряд 7:6 – REFS1:0. Біти вибору джерела опорної напруги. Ці біти визначають, яка напруга буде використовуватися як опорна для АЦП.

Розряд 5 – ADLAR. Біт керування показаннями результату перетворення. Біт ADLAR впливає на показання результату перетворення у двох регістрах результату перетворення АЦП. Якщо ADLAR = 1, то результат перетворення буде мати лівобічний формат, у противному випадку – правобічний.

Розряд 4:0 – MUX4:0. Біти вибору аналогового каналу й коефіцієнта підсилення. Ці біти визначають, які з наявних аналогових входів підключаються до АЦП. Крім того, з їхньою допомогою можна вибрати коефіцієнт підсилення для диференціальних каналів. Якщо значення бітів змінити в процесі перетворення, то механізм їхньої дії активізується тільки після завершення поточного перетворення (після установлення біта ADIF у регістрі ADCSRA).

Призначення бітів регістра керування  й статусу АЦП – ADCSRA

Номер біта	Ім'я	Призначення
7	ADEN	Дозвіл на роботу  АЦП
6	ADSC	Запуск перетворення АЦП
5	ADFR	Вибір режиму автоматичного перезапуску АЦП
4	ADIF	Прапорець переривання АЦП
3	ADIE	Дозвіл на переривання АЦП
2	ADPS2	Керування переддільником АЦП – біт 2
1	ADPS1	Керування переддільником АЦП – біт 1
0	ADPS0	Керування переддільником АЦП – біт 0