Глава 2. Ацп микроконтроллера aTmega8l
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. АЦП входит во многие современные модели микроконтроллеров AVR.
2.1. Основные характеристики
Данный микроконтроллер имеет 6 канальный 10 разрядный АЦП последовательного приближения с несимметричными входами.
Многоканальность означает, что на входе единственного модуля АЦП установлен аналоговый мультиплексор, который может подключать этот вход к различным выводам МК для осуществления измерений нескольких независимых аналоговых величин с разнесением по времени. Несимметричность входов мультиплексора означает то, что они могут работать по отдельности (режим для измерения напряжения относительно "земли").
Из разрядности АЦП высчитывают, так называемое, количество уровней квантования, для данного МК это количество равно 210 = 1024. С этим понятием тесно связана такая величина, как разрешение АЦП — это минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП. Для ATmega8L при опорном напряжении +5В разрешение АЦП составляет: 5В/1024 ≈ 4,8 мВ.
Среди динамических характеристик у АЦП МК ATmega8L выделяют [2, 6]:
время преобразования: от 13 до 260 мкс;
быстродействие до 15000 SPS (samples per second – измерений в секунду);
абсолютная погрешность: ± 2 LSB (less significant bit – младший значащий бит);
интегральная нелинейность: 0,5 LSB.
2.2. Принцип работы
Тип электронного АЦП обуславливает метод приведения мгновенного значения аналогового сигнала в цифровую форму (некоторое число). Существует три основных типа АЦП: параллельные, последовательного приближения и с двойным интегрированием. Параллельные АЦП имеют наибольшую скорость преобразования; у АЦП с двойным интегрированием максимальная точность преобразования, но они менее быстрые.
В качестве компромисса между скоростью и точностью выступают АЦП последовательного приближения. АЦП данного типа содержит устройство выборки-хранения (УВХ), компаратор, вспомогательный ЦАП и регистр последовательного приближения (Рис. 1).
Рисунок 1. АЦП последовательного приближения
АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой за N шагов, где N — разрядность АЦП. На каждом шаге определяется по одному биту искомого цифрового значения, начиная от MSB (most significant bit – старший значащий бит) и заканчивая LSB (less significant bit – младший значащий бит). Последовательность действий по определению очередного бита заключается в следующем. На вспомогательном ЦАП выставляется аналоговое значение, образованное из битов, уже определённых на предыдущих шагах; бит, который должен быть определён на этом шаге, выставляется в 1, более младшие биты установлены в 0. Полученное на вспомогательном ЦАП значение сравнивается с входным аналоговым значением. Если значение входного сигнала больше значения на вспомогательном ЦАП, то определяемый бит получает значение 1, в противном случае 0 [1].
В качестве источника опорного напряжения (ИОН) для АЦП может использоваться внутренний (+2,56В) или внешний источник, напряжение питания микроконтроллера (+5В), или вывод AREF может быть программным образом подключён к выводу GND внутри ИМС (интегральной микросхемы).
Модуль АЦП может работать в двух режимах [6]:
режим одиночного преобразования, когда запуск каждого преобразования инициируется пользователем;
режим непрерывного преобразования, когда запуск преобразований выполняется непрерывно через определённые интервалы времени.