AVR400: Недорогой аналого-цифровой преобразователь

Здесь находятся подпрограммы описанные в документе, а также программа примера, на ассемблере. (можно просматривать блокнотом)

AVR400: Недорогой аналого-цифровой преобразователь Оригинал: Application Note AVR400 фирмы ATMEL перевел: Sinbad г.Самара. 20.10.2000 г

Особенности

Выполняется по прерыванию
Размер кода: 23 слова
Маленькое число внешних компонентов
Разрешение: 6 бит
Диапазон измерения: 0 – 2 В
Работает на всех AVR устройствах с 8-битным таймером/счетчиком и аналоговым компаратором

Введение
Целью этого приложения являются устройства, нуждающиеся в недорогом и малогабаритном АЦП. Ниже описывается изготовление простого АЦП всего лишь с двумя внешними компонентами, резистором и конденсатором.

Теория преобразования
Особенность почти всех AVR микроконтроллеров это аналоговый компаратор, который позволяет просто реализовать АЦП. Измеряемый сигнал подается на инвертирующий вход, а образцовый сигнал на не инвертирующий. Образцовый сигнал формируется при зарядке конденсатора через резистор. При зарядке конденсатора, напряжение на нем изменяется по экспоненциальному закону. Если измеряемый диапазон напряжений ограничить 2/5 Vcc, экспонента хорошо аппроксимируется прямой. Напряжение измеряемого сигнала UIN находим, измеряя время необходимое для того, чтобы напряжение на конденсатор превысило измеряемое. Используя один вывод порта В для контроля зарядки и разрядки конденсатора, всего используется только три вывода. Принципиальная схема представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема Постоянная времени R/C цепи должна быть выбрана так, чтобы удовлетворять следующему равенству:

512/f = - R C ln(1 - 2/5) , то есть R C = 1002/f

Номиналы элементов для некоторых типичных частот генератора приведены в таблице 1. Если постоянная времени отличается от этого, это приведет к ошибке в результате.

Поэтому в RC цепи необходимо использовать компоненты с высокой точностью. График напряжения на конденсаторе вместе с прямой линией приведен на рисунке 2. Так как напряжение питания используется как опорное, то оно должно быть стабильным в течение преобразования.

Рисунок 2. Линейность АЦП

Таблица 1. Значения элементов R/C цепочки

XTAL ( мГц)	1	2	4	6	8	10	12	14	16
R (кОм)	100	33	30	30	27	100	56	47	160
C (нФ)	10	15	8.2	5.6	4.7	1	1.5	1.5	0.39

Чтобы гарантировать правильную работу, конденсатор должен быть разряжен как минимум 200 мкс между преобразованиями. Если конденсатор не разрядить правильно, то нельзя будет измерять маленькие напряжения. Если входное напряжение больше чем 2/5 Vcc, преобразователь будет выдавать максимальное значение. Это происходит благодаря загрузке смещения в регистр таймера/счетчика 0 перед началом преобразования. Таймер будет формировать прерывание по переполнению после 512 циклов (64*8). Это время требуется, чтобы напряжение на конденсаторе достигло 2/5 Vcc. Если напряжение находится в пределах рабочего диапазона, будет формироваться прерывание Аналогового компаратора. Смещение же вычитается и измеренного значения.

Реализация
АЦП использует прерывания таймера/счетчика 0 и аналогового компаратора. Это освобождает ресурсы MCU в течение преобразования. Подпрограмма “convert_init” – инициализация АЦП
Эта подпрограмма вызывается для инициализации АЦП. Она должна быть выполнена перед использованием АЦП. Вызов этой подпрограммы разрешает прерывания компаратора и таймера и устанавливает управляющий вывод как выход. Затем должна быть выполнена инструкция 'SEI', которая разрешает глобальные прерывания, для включения АЦП. Выполнением инструкции 'CLI' , АЦП выключается. Таблица 2. Параметры подпрограммы “convert_init”

ПАРАМЕТР	ЗНАЧЕНИЕ
Размер кода	6 слов
Выполняемые циклы	10 циклов, в том числе инструкция RET
Используемые регистры	Младшие регистры :нет Старшие регистры :1 Указатели : нет

<

b> Таблица 3. Регистры используемые “convert_init”

РЕГИСТР	НА ВХОДЕ	ВНУТРИ	НА ВЫХОДЕ
R16		"result" – рабочий регистр

Рисунок 3. Блок схема “convert_init”

“AD_convert” – старт А/Ц преобразования
Эта подпрограмма используется для запуска А/Ц преобразования. Она загружает в счетчик значение 256 – 64 и запускает счет с частотой XTAL/8. Флаг завершения преобразования ( Т – флаг в регистре статуса) очищается и начинается зарядка конденсатора. Таблица 4. Параметры подпрограммы “AD_convert”

ПАРАМЕТР	ЗНАЧЕНИЕ
Размер кода	7 слов
Выполняемые циклы	10 циклов, в том числе инструкция RET
Используемые регистры	Младшие регистры :нет Старшие регистры :1 Указатели : нет Флаги статуса :1

Таблица 5. Регистры используемые “AD_convert”

РЕГИСТР	НА ВХОДЕ	ВНУТРИ	НА ВЫХОДЕ
R16		"result" – рабочий регистр
SREG			T – флаг. Этот флаг показывает, что идет преобразование

Рисунок 4. Блок схема А/Ц преобразования

“ANA_COMP” подпрограмма обработки прерывания
Эта подпрограмма выполняется когда преобразование закончено. Она загружает значение Таймера/счетчика 0, останавливает таймер и устанавливает флаг завершения преобразования (Т – флаг в SREG). Затем смещение вычитается из значения таймера. Необходимо вычесть на единицу больше чем смещение, так как обработка прерывания требует минимум 7 циклов. Таблица 6. Параметры подпрограммы “ANA_COMP”

ПАРАМЕТР	ЗНАЧЕНИЕ
Размер кода	7 слов
Выполняемые циклы	11 циклов, в том числе инструкция RET
Используемые регистры	Младшие регистры :нет Старшие регистры :2 Указатели : нет Флаги статуса :1
Используемые прерывания	Прерывания таймера/счетчика 0 и аналогового компаратора

Таблица 7. Регистры используемые “ANA_COMP”

РЕГИСТР	НА ВХОДЕ	ВНУТРИ	НА ВЫХОДЕ
R16		"result" – хранит значение таймера	"result" – содержит результат преобразования
R17		"temp"– рабочий регистр
SREG			T – флаг. Этот флаг показывает, что идет преобразование

Рисунок 5. Блок схема "ANA_COMP"

Пример программы
Пример программы включенный в данное приложение, выполняет последовательное преобразование и выдает данные в виде двоичного значения на порт В.

Таблица 8. Общая характеристика программы примера Содержание раздела

ПАРАМЕТР	ЗНАЧЕНИЕ
Размер кода	23 слова – только процедура А/Ц преобразования 37 слов – полностью вся программа
Используемые регистры	Младшие регистры : нет Старшие регистры :2 Указатели :нет Флаги статуса :1
Используемые прерывания	Прерывание переполнения таймера/счетчика 0 Прерывание аналогового компаратора
Используемая периферия	Таймер/Счетчик 0 Аналоговый компаратор (порт B выводы 0 и 1) Порт В вывод 2 Порт В (только в примере программы)