ADC - Wstęp i uruchomienie

Autor: drzasiek
Redakcja: dondu


Drzaśkowy pamiętnik: Spis treści

Mając już za sobą zabawę z diodami, zmianę częstotliwości i źródła zegara przyszła pora zatrudnić uC do czegoś poważniejszego. Bo przecież mruganie diodami, to żadna atrakcja. Czas coś zmierzyć!!!

Większość wielkości w przyrodzie zmienia się w sposób ciągły-analogowy. Światło, temperatura, ciśnienie, wilgotność, prąd, napięcie, rezystancja, pojemność, indukcyjność itd. Wszystkie te wielkości przyjmują pewną wartość w danej chwili czasu. Zmieniają się, albo narastają, albo maleją, albo też utrzymują się na pewnym poziomie przez jakiś czas.


Jak więc wielkość analogową przetworzyć do postaci cyfrowej?
Tutaj z pomocą przychodzi Przetwornik Analogowo-Cyfrowy (ADC - ang. Analog to Digital Converter)
Przetwornik ogólnie mierzy napięcie i przedstawia je w postaci cyfrowej. Każdą wielkość w przyrodzie można przedstawić w postaci napięciowej, a zatem zmierzyć przetwornikiem A/C.

Większość mikrokontrolerów AVR ma na swoim pokładzie ADC. Co prawda nie są to jakieś super szybkie i dokładne przetworniki, ale do większości amatorskich zastosowań w zupełności wystarczają.


Jak skorzystać z wbudowanego przetwornika?
Jak zwykle w przypadku uruchamiania nowych peryferii najlepszym i najpewniejszym źródłem wiedzy jest datasheet. ATmega8, z której korzystałem do tej pory, posiada przetwornik ADC więc pora na lekturę noty katalogowej mojego mikrokontrolera: ATmega8 datasheet

Dobrym źródłem bardziej ogólniejszej wiedzy jest także dokument firmy Atmel o symbolu AVR120:
AVR120: Characterization and Calibration of the ADC on an AVR


Na samym początku rozdziału dotyczącego ADC (w datasheet Atmegi) jest ogólny opis parametrów przetwornika:

Rys. 1 - Parametry przetwornika ADC ATmega8

Wychwyciłem najważniejsze informacje:

• max 10 bitowa rozdzielczość
• czas konwersji 13-260us 
• max częstotliwość próbkowaniu przy 10 bitach rozdzielczości to 15 kHz
• 6 lub 8 multipleksowanych wejść, w zależności od typu obudowy 

Które to wejścia i ile ich jest?
Najlepiej widać to na samym początku datasheet-a, gdzie przedstawiony jest zarys poszczególnych typów obudów wraz z opisem pinów (nóżek):

Rys. 2 - "Pinologia" ATmega8

ATmega8 w obudowie DIP, którą zastosowałem, jak widać posiada 6 multipleksowanych wejść na pinach 0-5 portu C:

Rys. 3 - Wyprowadzenia ATmega8 dla obudowy typu DIP.

Kolejna ważna informacja to zakres napięć wejściowych wynoszący 0-VCC.
Jednym słowem NIE WOLNO mierzyć za pomocą ADC sygnałów przekraczających napięcie zasilania mikrokontrolera.


Możliwe jest uruchomienie przetwornika w jednym z dwóch trybów pracy:

• Single Conversion – jak sama nazwa wskazuje jest to pojedyncza konwersja (pomiar).
• Free Running- ciągła konwersja (pomiary jeden po drugim)

Skoro znam już możliwości ADC w Atmega8 to pora spróbować go uruchomić.
Skorzystałem z tego samego układu który stosowałem do tej pory, czyli ATmega8, 16MHz kwarc, 2 diody i klawisz jako interfejs.

Pozostała kwestia zasilania części analogowej mikrokontrolera oraz podłączenia źródła napięcia mierzonego. Warto więc zajrzeć co datasheet, mówi o podłączeniu zasilania do ADC:

Rys. 4 - Zasilanie części analogowej ATmega8.

Tu wprawdzie pokazany jest przypadek obudowy TQFP, ale zasady są takie same niezależnie od jej rodzaju.


Pora więc zaprojektować schemat:

Rys. 5 - Schemat mojego projektu.

Pobierz schemat w wersji Eagle: schemat.rar


Na początek uruchomiłem przetwornik ADC z wewnętrznym napięciem referencyjnym (dla Atmega8 jest to 2.56V) dlatego pin AREF pozostał podłączony przez kondensator do masy.

W celu eliminacji zakłóceń zasilanie przetwornika (AVCC) zgodnie z DS zostało podłączone (zgodnie z rys. 4) przez filtr LC(10µH/100nF). Więcej szczegółów w tej sprawie znalazłem tutaj: ADC - Dokładność vs podłączanie

Jako źródło napięcia mierzonego użyłem potencjometr 10k w szeregu z rezystorem 10k.
Potencjometr z rezystorem będący dzielnikiem napięcia w takiej konfiguracji będzie regulował napięcie wejściowe dla ADC na Pinie 5 Pirtu C w zakresie 0-2.5V.

Dlaczego tak?
Ponieważ napięcie może być mierzone z zakresu 0-VREF i bezwzględnie nie może przekraczać VCC Stąd dodałem rezystor 10K w szeregu z potencjometrem, by nie tracić na rozdzielczości potencjometru.

Każda wartość napięcia w zakresie VREF-VCC podana na wejście ADC będzie odczytywana jako wartość max dla danej rozdzielczości przetwornika, czyli dla 10 bitów będzie to 1023, a więc 0x3FF.

Przy doborze takiego dzielnika napięcia na wejściu należy stosować nie duże wartości rezystancji, aby wynik konwersji był jak najlepszy. Cytat z noty Atmel-a: Atmel AVR120:

Dlatego przy dzielnikach napięcia lub źródłach napięcia o dużej impedancji wyjściowej dobrym przyzwyczajeniem jest stosowanie buforów wejściowych o niskiej impedancji wyjściowej, np wtórnik napięcia na WO. Jednak dla tak prostego doświadczenie jakie tutaj chciałem wykonać, dzielnik na takich rezystorach wystarczy.

Następnie musiałem podjąć decyzję z jaką częstotliwością ma ADC dokonywać pomiaru. Z dokumentacji dowiedziałem się, że zegar "napędzający" przetwornik ADC ma pewne ograniczenia:

Ponieważ mój mikrokontroler jest taktowany przez zewnętrzny kwarc 16MHz, stąd musiałem użyć prescalera ADC (patrz. rys. 6). Musiałem więc się dowiedzieć coś na ten temat i znalazłem to:
Prescaler, postscaler - Co to takiego?

Postanowiłem użyć największego prescalera ADC czyli 128. Po policzeniu:

okazało się, że mieszczę się w prawidłowym zakresie 50-200kHz dla 10 bitowej dokładności pomiaru.


Start konwersji (pomiaru)
Do projektu dodałem klawisz na pinie 0 portu C (PC0), który posłużył mi do wyzwalania pojedynczej konwersji (pomiaru). Diody wyświetlać będą zdeklarowane w programie poziomy napięcia.


Teraz przyszła pora na wydawać, by się mogło najtrudniejszą część zabawy z przetwornikiem - napisanie programu. :-)

Strasznie to tylko wyglądało na początku. Nie trzeba jednak korzystać nawet z żadnych gotowców, wszystko jest bardzo jasno i czytelnie wyjaśnione w datasheet.

Rzut okiem na schemat blokowy:

Rys. 6 - ADC w ATmega8

Jak widać ADC posiada 3 rejestry:

• 8 bitowy rejestr ADMUX jak widać ze schematu oraz nazwy służy do ustawiania multiplekserów,
• 8 bitowy rejestr ADCSRA – ADC Control and Status Register A,
• 16 bitowy rejestr ADC (ADCH/ADCL) - The ADC Data Register, w którym przechowywana jest zmierzona wartość napięcia. 

Rejestry te są bardzo dobrze opisane w datasheet. Przyszła więc pora przystąpić do pisania procedury konfiguracji ADC.

Zacząłem od rejestru ADCSRA:

W opisie pod tabelką znalazłem informację, że:

• dla preskalera 128 powinienem ustawić jedynkę na bitach ADPS2, ADPS1 i ADPS0.
• ustawić jedynkę na bicie ADEN, by włączyć przetwornik ADC.

ADCSRA = (1<<ADEN) //ADEN=1 włączenie przetwornika ADC)
         |(1<<ADPS0) // ustawienie preskalera na 128
         |(1<<ADPS1)
         |(1<<ADPS2)

Następnie przyszła kolej na rejestr ADMUX.

ADMUX  =    (1<<REFS1) | (1<<REFS0) // REFS1:0: wybór napięcia odniesienia ADC
                           //na wewnętrzne źródło 2,56V
                           //z zewnętrznym kondensatorem na pinie AREF

          |(1<<MUX2) | (1<<MUX0);// wybór kanału ADC5 na pinie PC5

Teraz pozostało tylko scalić program i dopisać obsługę ma na celu przetestowanie trybu pojedynczej konwersji na żądanie (wciśniecie klawisza).
Cały kod programu:

#include <avr/io.h>

#define LED1 PB0    //definicja LED1 (do którego pinu podłączony LED1)
#define LED2 PB1    //definicja LED2 (do którego pinu podłączony LED2)
#define KLAWISZ PC0 //definicja KLAWISZ (do którego pinu podłączony klawisz)
#define ADCIN PC5   //definicja ADCIN (wejście ADC)

int main(void)
{
  //Uruchomienie ADC, wewnętrzne napiecie odniesienia, tryb pojedynczej konwersji, preskaler 128, wejście PIN5, wynik do prawej
  ADCSRA =   (1<<ADEN) //ADEN: ADC Enable (uruchomienie przetwornika)

   //ADPS2:0: ustawienie preskalera, preskaler= 128
   |(1<<ADPS0)
   |(1<<ADPS1)
   |(1<<ADPS2); 

  ADMUX  =  (1<<REFS1) | (1<<REFS0) //REFS1:0: Reference Selection Bits 
         //Internal 2.56V Voltage Reference with external capacitor at AREF pin
    |(1<<MUX2) | (1<<MUX0); //Input Channel Selections (ADC5 - Pin 5 )

  //ustawienie wejśc/wyjść
  DDRB  |= (1<<LED1) | (1<<LED2); //Ustawienie pinów sterujących diodami jako wyjścia
  DDRC=0xff;                      //Nieużywane Piny na porcie C jako wyjścia
  DDRC  &=~ (1<<KLAWISZ);         //Ustawienie pinu klawisza jako wejście
  DDRC &=~ (1<<ADCIN);            //Ustawienie Wejścia ADC

  PORTC |=  (1<<KLAWISZ);         //Pull_up klawisz

  for(;;)//pętla główna 
  {
    if(!(PINC & (1<<KLAWISZ)))//jeśli klawisz wciśniety
    {
    ADCSRA |= (1<<ADSC); //ADSC: uruchomienie pojedynczej konwersji
 
    while(ADCSRA & (1<<ADSC)); //czeka na zakończenie konwersji
 
  if(ADC<350)//jeśli wynik ADC mniejszy od 350 gasi obydwie diody
  {
    PORTB  &=~ (1<<LED1);
    PORTB  &=~ (1<<LED2);
  }
  else if(ADC<700)//jeśli 700>ADC>=350 LED1 świeci
  {
    PORTB  |= (1<<LED1);
    PORTB  &=~ (1<<LED2);
  }
  else //jeśli ADC>=700 świecą obydwie diody 
                {
    PORTB  |= (1<<LED1);
    PORTB  |= (1<<LED2);
  }
    }
  }
}

Pobierz program: adc.rar

Program działa w następujący sposób:
Po uruchomieniu programu obydwie diody nie świecą się, ponieważ nie było żadnego uruchomienia konwersji. Naciśnięcie klawisza powoduje porównanie 10 bitowego wyniku z rejestru ADC z zdeklarowanymi wartościami i odpowiednie zapalenie/zgaszenie diod. Konwersja jest pojedyncza za każdym razem, kiedy nastąpi naciśnięcie klawisza.


Przeczytaj także:

• ADC - Dokładność vs podłączanie
• Zakłócenia w pracy mikrokontrolerów
• Lekceważyć, czy nie?