第6章ATmega单片机的模拟接口及使用方法

第6章ATmega单片机的模拟接口及使用方法

模拟比较器A/D转换器PWM发生器数字滤波方法6.1模拟比较器

模拟比较器对正极AIN0的值与负极AIN1的值进行比较。当AIN0上的电压比负极AIN1上的电压要高时，模拟比较器的输出ACO即置位。比较器的输出可用来触发定时器/计数器1的输入捕捉功能。此外，比较器还可触发自己专有的、独立的中断。用户可以选择比较器是以上升沿、下降沿还是交替变化的边沿来触发中断。 中断向量：ANA_COMP_vect图6.1为比较器及其外围逻辑电路的框图。1、特殊功能IO寄存器－SFIORBit3–ACME:模拟比较器多路复用器使能当此位为逻辑“1”，且ADC处于关闭状态(ADCSRA寄存器的ADEN为“0”)时，ADC多路复用器为模拟比较器选择负极输入。当此位为“0”时，AIN1连接到比较器的负极输入端。2、模拟比较器控制和状态寄存器（ACSR）Bit7–ACD:模拟比较器禁用Bit6–ACBG:选择模拟比较器的能隙基准源Bit5–ACO:模拟比较器输出Bit4–ACI:模拟比较器中断标志Bit3–ACIE:模拟比较器中断使能Bit2–ACIC:模拟比较器输入捕捉使能Bits1,0–ACIS1,ACIS0:模拟比较器中断模式选择

需要改变ACIS1/ACIS0时，必须清零ACSR寄存器的中断使能位来禁止模拟比较器中断。否则有可能在改变这两位时产生中断。模拟比较器的应用举例如图所示：外部信号由模拟比较器的AIN0输入，AIN1接至VCC的分压，取R1＝R2，则AIN1的电压为0.5VCC。当AIN0的电压大于0.5VCC时，ACSR中的ACO置‘1’；低于时则清‘0’。当AIN0的电压大于0.5VCC时，LED灯亮，反之熄灭。＃include“avr/io.h”intmain(){unsignedcharmid;//定义变量DDRD=0xff;//设置PC口为输出PORTD=0xff;//设置PC口为输出为高电平（LED熄灭）ACSR=0x00;//启动模拟比较器while(1){mid=ACSR&0x20;//读出模拟比较器的输出值if(mid==0)//输出1熄灭LEDPORTD=1;elsePORTD=0;//输出0点亮LED}}6.2模数转换器6.2.1主要特点

ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC。 ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。器件还支持16路差分电压输入组合。两路差分输入(ADC1、ADC0与ADC3、ADC2)有可编程增益级，在A/D转换前给差分输入电压提供0dB(1x)、20dB(10x)或46dB(200x)的放大级。

七路差分模拟输入通道共享一个通用负端(ADC1),而其他任何ADC输入可做为正输入端。如果使用1x或10x增益，可得到8位分辨率。如果使用200x增益，可得到7位分辨率。ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。ADC由AVCC引脚单独提供电源。AVCC与VCC之间的偏差不能超过±0.3V。 标称值为2.56V的基准电压，以及AVCC，都位于器件之内。基准电压可以通过在AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。图6.2模数转换器方框图6.2.2ADC的工作原理

ADC通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个10位的数字量。 最小值代表GND，最大值代表AREF引脚上的电压再减去1LSB。 通过写ADMUX寄存器的REFSn位可以把AVCC或内部2.56V的参考电压连接到AREF引脚。 在AREF上外加电容可以对片内参考电压进行解耦以提高噪声抑制性能。6.2.3启动ADC转换

向ADC启动转换位ADSC位写“1”可以启动单次转换。 在转换过程中此位保持为高，直到转换结束，然后被硬件清零。如果在转换过程中选择了另一个通道，那么ADC会在改变通道前完成这一次转换。图6.3

ADC自动触发逻辑使用ADC中断标志作为触发源，可以在正在进行的转换结束后即开始下一次ADC转换。之后ADC便工作在连续转换模式，持续地进行采样并对ADC数据寄存器进行更新。第一次转换通过向ADCSRA寄存器的ADSC写1来启动。如果使能了自动触发，置位ADCSRA寄存器的ADSC将启动单次转换。ADSC标志还可用来检测转换是否在进行之中。不论转换是如何启动的，在转换进行过程中ADSC一直为1。6.2.4预分频及ADC转换时序图6.4ADC预分频器图6.5

ADC时序图，第一次转换(单次转换模式)图6.6

ADC时序图，单次转换图6.7

ADC时序图，自动触发的转换图6.8

ADC时序图，连续转换表6.3ADC转换时间13.56.2.7ADC输入通道选择模拟通道时请注意以下几个方面：单次转换模式，总是在启动转换之前选定通道。在ADSC置位后的一个ADC时钟周期就可以选择新的模拟输入通道了。但是最简单的办法是等待转换结束后再改变通道。在连续转换模式下，切换通道的方法同单次模式，若转换结束后再改变通道，此时新一次转换已经自动开始了，下一次的转换结果反映的是以前选定的模拟输入通道。以后的转换才是针对新通道的。若切换到差分增益通道，由于自动偏移抵消电路需要沉积时间，第一次转换结果准确率很低，最好舍弃。6.2.8ADC基准电压源

ADC参考电压源(VREF)反映了ADC的转换范围。若单端通道电平超过了VREF，其结果将接近0x3FF。VREF可以是AVCC、内部2.56V基准或外接于AREF引脚的电压。AVCC通过一个无源开关与ADC相连。 片内2.56V参考电压由能隙基准源(VBG)通过内部放大器产生。 AREF直接与ADC相连，通过在AREF与地之间外加电容可以提高参考电压的抗噪性。6.2.9ADC噪声抑制器

ADC的噪声抑制器使其可以在睡眠模式下进行转换，从而降低由于CPU及外围I/O设备噪声引入的影响。噪声抑制器可在ADC降噪模式及空闲模式下使用。为了使用这一特性，应采用如下步骤：1.确定ADC已经使能，且没有处于转换状态。工作模式应该为单次转换，并且ADC转换结束中断使能。2.进入ADC降噪模式(或空闲模式)。一旦CPU被挂起，ADC便开始转换。3.如果在ADC转换结束之前没有其他中断产生，那么ADC中断将唤醒CPU并执行ADC转换结束中断服务程序。如果在ADC转换结束之前有其他的中断源唤醒了CPU，对应的中断服务程序得到执行。ADC转换结束后产生ADC转换结束中断请求。6.2.10模拟输入电路

单端通道的模拟输入电路见图6.9。不论是否用作ADC的输入通道，输入到ADCn的模拟信号都受到引脚电容及输入泄露的影响。用作ADC的输入通道时，模拟信号源必须通过一个串联电阻(输入通道的组合电阻)驱动采样/保持(S/H)电容。图6.9

模拟输入电路6.2.11ADC转换结果转换结束后(ADIF为高)，转换结果被存入ADC结果寄存器(ADCL,ADCH)。单次转换的结果如下：式中，VIN为被选中引脚的输入电压，VREF为参考电压，0x000代表模拟地电平，0x3FF代表所选参考电压的数值减去1LSB。如果使用差分通道，结果是：式中，VPOS为输入引脚正电压，VNEG为输入引脚负电压，GAIN为选定的增益因子，且VREF为参考电压。结果用2的补码形式表示，从0x200(-512d)到0x1FF(+511d)。如果用户希望对结果执行快速极性检测，判断MSB(ADCH中ADC9)，如该位为1，结果为负；该位为0，结果为正。1、ADC多工选择寄存器（ADMUX）•Bit7:6–REFS1:0:参考电压选择ADC参考电压选择

Bit5–ADLAR:ADC转换结果左对齐Bits4:0–MUX4:0:模拟通道与增益选择位

2、ADC控制和状态寄存器A（ADCSRA）•Bit7–ADEN:ADC使能•Bit6–ADSC:ADC开始转换•Bit5–ADATE:ADC自动触发使能•Bit4–ADIF:ADC中断标志•Bit3–ADIE:ADC中断使能•Bits2:0–ADPS2:0:ADC预分频器选择位3、ADC数据寄存器（ADCL及ADCH）ADLAR=0ADLAR=1ADC转换结束后，转换结果存于这两个寄存器之中。如果采用差分通道，结果由2的补码形式表示。读取ADCL之后，ADC数据寄存器一直要等到ADCH也被读出才可以进行数据更新。因此，如果转换结果为左对齐，且要求的精度不高于8比特，那么仅需读取ADCH就足够了。否则必须先读出ADCL再读ADCH。4、特殊功能IO寄存器（SFIOR）•

Bit7:5–ADTS2:0:ADC自动触发源若ADCSRA寄存器的ADATE置位，ADTS的值将确定触发ADC转换的触发源；否则，ADTS的设置没有意义。被选中的中断标志在其上升沿触发ADC转换。•Bit4–Res:保留位。这一位保留。为了与以后的器件相兼容，在写SFIOR时这一位应写0。实例：测量和显示PA0引脚的电压。输入电压采用电位器5V的分压，电压变化范围为0－5V之间，大小可以调节。#include"avr/io.h"#include"util/delay.h"#include"math.h"#include"max7219.c"floatlvboxishu,bilixishu;longintdianya;longintzhuanhuan(chartongdao)//AD转换函数{ADCSRA=0x86;//设置AD转换ADMUX=0x40+tongdao;//设置转换通道ADCSRA=ADCSRA|(1<<ADSC);//启动转换while(!(ADCSRA&(1<<ADIF)));//判断转换是否结束returnADCW;//取AD转换的值}intmain(){longintx;chark,i;spi_7219c();//初始化显示dianya=0;//电压初值i=8;//采集次数while(1){x=0;for(k=0;k<i;k++)x=x+zhuanhuan(0);//采集8次和求和x/=i;//求平均值 dianya=x*5000/1024;xunce_7219(0,dianya,4);//显示电压值_delay_ms(1000);//延时1S}}6.4数字滤波方法

单片机系统面对的现场往往比较恶劣，因此所采集信号中总会混杂有各类干扰。除了采用硬件进行滤波（如阻容滤波）外，对输入计算机的信号进行数字滤波也是十分必要的。所谓数字滤波，就是通过一定的计算程序，对采集的数据进行处理，以提高有用信号在采集值中的比例，减少各种干扰和噪声。

与阻容滤波相比，数字滤波具有如下一些优点：1、可以根据干扰的类型，设计出相应类型的数字滤波器。2、滤波范围宽，特别是对于低频信号（如0.001Hz及以下）更为有效，而模拟滤波器由于电容容量的限制，频率不能太低。3、可靠性高。4、数字滤波程序可以多路共享。下面介绍几种常用的数字滤波方法。1．算术平均值滤波

设测量值为，则每采集了N个数据后，进行一次算术平均。

从上面可以看出，每计算一次控制器输出值，就必须采样N次。因此，N的取值不能太大。算术平均值法主要对压力，流量等含有周期性脉动的信号有效。而对突发性的脉冲干扰，这种滤波方法的效果则不理想。2．中值滤波

所谓中值滤波法是连续采样n次，首先要做的工作是先采集n个参数并按大小排序，即有<<…<<，或者从大到小排序。如果当N为偶数时，如果当N为奇数时，中值滤波既可以去掉由于偶然因数引起的干扰，同时对与脉动干扰也比较有效。但是这种方法由于计算量比较大，对于一些需要快速采样的参数就不十分合适。中值滤波的关键所在是形成按大小顺序排列的一组数。假设采样N次，如果使用高级语言，首先将N个采样值按从大到小（或从小到大）排列，然后将其放在一个数组X（N）里，此时X