Komparator analogowy

Autor: drzasiek
Redakcja: dondu

Drzaśkowy pamiętnik: Spis treści

Mikrokontroler jest z gruntu układem cyfrowym, ale budując urządzenie często zachodzi potrzeba pomiaru wielkości zewnętrznych, czyli analogowych.

Opisałem już obsługę i uruchomienie przetwornika ADC, który jest bez wątpienia jednym z najbardziej atrakcyjnych urządzeń peryferyjnych wbudowanych w mikrokontroler Atmega8.

Nie zawsze jednak zachodzi potrzeba dokładnego zmierzenia napięcia. Czasami wystarczy jedynie porównanie dwóch napięć. Do tego celu służy komparator analogowy, który również jest na wbudowany w mikrokontroler Atmega8.

Już ze schematy blokowego w dokumentacji mikrokontrolera można z grubsza poznać, jakie możliwości daje układ komparatora analogowego w danym mikroprocesorze.

Jak widać komparator posiada 2 wejścia analogowe:

• AIN0 (wejście dodatnie) 
• AIN1(wejście ujemne).

Zgodnie ze schematem wejście dodatnie (AIN0) komparatora może być wejściem napięcia analogowego z pinu AIN0 mikrokontrolera lub może być wewnętrznie podłączone do wbudowanego napięcia referencyjnego.

Napięcie to zależy od napięcia zasilania i od temperatury:

W temperaturze pokojowej, przy zasilaniu mikrokontrolera napięciem 5V jak widać napięcie to wynosi około 1,2V.

Wejście ujemne (AIN1) komparatora może być również wejściem napięcia analogowego z pinu AIN1 lub może być podłączone do tego samego multipleksera, który używany jest przy ADC, pod warunkiem, że zostanie ustawiony („1”) Bit 3 – ACME: Analog Comparator Multiplexer Enable w rejestrze SFIOR oraz jeśli ADC jest wyłączony, czyli jest skasowany („0”) Bit 7 – ADEN: ADC Enable rejestru ADCSRA.

Jak widać na schemacie wynik porównania dwóch napięć jest równy:

• 1 - gdy napięcie na wejściu dodatnim jest większe od napięcia na wejściu ujemnym,
• 0 - gdy jest przeciwnie lub napięcia są równe.

Wynik odczytać można z bitu ACO w rejestrze ACSR – Analog Comparator Control and Status Register lub może zostać wygenerowane przerwanie przy jakiejkolwiek zmianie stanu na wyjściu komparatora lub przy jednej, określonej zmianie.

Tylko teraz gdzie co podłączyć i jak skonfigurować?

Najpierw zlokalizowałem możliwe wejścia na schemacie obudowy DIP mikrokontrolera Atmega8.

Rys. Atmega8, obudowa DIP.

Ponieważ komparator to urządzenie analogowe, bardzo istotne jest dbanie o eliminowanie wszelkich możliwych zakłóceń. Sugeruję więc byś zapoznał się z działem: Zasilanie i zakłócenia



Eksperyment 1 - podstawowe działanie

Na początku postanowiłem spróbować prostego eksperymentu. Podłączam dwa napięcia analogowe do wejść AIN0 oraz AIN1, i  w zależności od tego, czy napięcie na wejściu AIN0 jest większe od napięcia na wejściu AIN1, to zapala się dioda LED, a jeśli jest mniejsze to dioda gaśnie.

We wszystkich eksperymentach Atmega pracuje na wewnętrznym oscylatorze RC 1MHz.

Schemat układu:

Pobierz schemat: eagle1.rar

I napisałem prosty program:

#include <avr/io.h>

void main(void)
{
   DDRD=0x01;                //wyjście LED

   for(;;)                   //pętla główna
   {
      if( ACSR & (1<<ACO) )  //jeśli AIN0>AIN1
       PORTD |= 0x01;        //zapal diodę LED
      else                   //w przeciwnym wypadku
       PORTD &= ~0x01;       //zgaś diodę LED
   }
}

Pobierz program: ac1.rar

Jako, że komparator jest domyślnie włączony, nie musiałem go konfigurować dla takiej aplikacji.



Eksperyment 2 - multiplekser z ADC

Następnie spróbowałem wykorzystać inne wejście jako wejście ujemne komparatora, dzięki zastosowaniu multipleksera z ADC.

Pobierz schemat: eagle2.rar


I program:

#include <avr/io.h>

void main(void)
{
   DDRD=0x01;                //wyjście LED

   //Konfiguracja multipleksera
   SFIOR |= (1<<ACME);       //włącza multiplekser
   ADMUX |= (1<<MUX1);       //ADC2 jako wejście ujemne

   for(;;)                   //pętla główna
   {
      if( ACSR & (1<<ACO))   //jeśli AIN0>ADC2
       PORTD |= 0x01;        //zapal diodę LED
      else                   //w przeciwnym wypadku
       PORTD &= ~0x01;       //zgaś diodę LED
   }
}

Pobierz program: ac2.rar



Eksperyment 3 - Bandgap voltage

Kolejną rzeczą jaką wypróbowałem było wykorzystanie wbudowanego w mikrokontroler napięcia referencyjnego (bandgap voltage) jako wejście dodatnie mikrokontrolera.

Pobierz schemat: eagle3.rar

Program:

#include <avr/io.h>

void main(void)
{
   DDRD=0x01;                //wyjście LED

   //Konfiguracja multipleksera
   SFIOR |= (1<<ACME);       //włącza multiplekser
   ACSR |= (1<<ACBG);        //wybór bandgab voltage jako AIN0
   ADMUX |= (1<<MUX1);       //ADC2 jako wejście ujemne

   for(;;)
   {
      if( ACSR & (1<<ACO))   //jeśli Napięcie wewnętrzne (2.56V)>ADC2
       PORTD |= 0x01;        //zapal diodę LED
      else                   //w przeciwnym wypadku
       PORTD &= ~0x01;       //zgaś diodę LED
   }
}

Pobierz program: ac3.rar



Eksperyment 4 - przerwanie

Sprawdzanie w pętli wyjścia komparatora (bitu ACO w rejestrze ACSR) może stać się kłopotliwe, gdy program wykonuje skomplikowane i czasochłonne operacje a my chcemy wykonać natychmiastową reakcję gdy nastąpi zmiana wyjścia komparatora.

Z pomocą przychodzi tutaj możliwość generowania przerwań przez komparator w zależności od zmiany stanu na wyjściu komparatora. Odpowiadają za to bity ACIS1 oraz ACIS0 w rejestrze ACSR.

Do wyboru w tym mikrokontrolerze jest:

Tab. Atmega8

Czyli przerwanie przy jakiejkolwiek zmianie stanu na wyjściu komparatora, przerwanie przy zmianie 0-1 lub przerwanie przy zmianie 1-0.

Do tego celu użyłem układu ze schematu w eksperymencie pierwszym:

Pobierz schemat: eagle1.rar

Program:

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


void main(void)
{
   DDRD=0x01;                //wyjście LED

   //uruchomienie obsługi przerwań
   ACSR    |= (1<<ACIE);     //ACIS0 i ACIS1 = 0 więc przerwanie przy
                             //jakiejkolwiek zmianie ACO

   sei();                    //włączenie obsługi przerwań

   for(;;);
}

ISR(ANA_COMP_vect)           //obsługa przerwania
{
   if( ACSR & (1<<ACO))      //jeśli AIN0>AIN1
    PORTD |= 0x01;           //zapal diodę LED
   else                      //w przeciwnym wypadku
    PORTD &= ~0x01;          //zgaś diodę LED
}

Pobierz program: ac4.rar



Podsumowanie

Atmega8 posiada tylko jeden komparator analogowy, który nie jest zbyt rozbudowany. Nowsze mikrokontrolery posiadają większą ilość bardziej funkcjonalnych komparatorów.

Jednak nawet w tym małym i dość prostym mikrokontrolerze, łącząc odpowiednio część sprzętową z oprogramowaniem można przy pomocy komparatora mierzyć i poniekąd przetwarzać na postać cyfrową wiele wielkości analogowych.