Aktuelle Version vom 13. November 2010, 17:49 Uhr

Für allgemeine Informationen zum Analog-Digital-Wandler siehe Artikel ADC.

Mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC, für Analog Digital Converter) ist es mit den AVRs möglich, auf einfache Art und Weise analoge Größen in digitale Werte umzuwandeln. Dies bietet sich z.B. an, wenn die Batteriespannung eines Roboters bestimmt werden soll.

Kanäle

Ein AVR hat normalerweise nur einen ADC integriert. Des öfteren müssen aber mehrere analoge Größen von verschiedenen Quellen umgewandelt werden. Deswegen besitzen die AVRs Kanäle (ein ATmega32 z.B. besitzt acht Kanäle auf Port A). Diese Kanäle werden dann mit Hilfe eines Multiplexer auf den ADC geschaltet, der dann die anliegende analoge Spannung in einen digitalten Wert wandelt.

Betriebsmodi

Der ADC bietet verschiedene Betriebsmodi. Diese wären:

• Single Conversion: Der ADC wandelt eine analoge Größe um und gibt diese zurück.
• Free Running: Der ADC wandelt wie in einer Endlosschleife ständig die anliegende analoge Größe in digitale Werte um und gibt diese zurück.
• Autotrigger: Bei neueren AVRs (z.B. Mega48,Mega88,Mega32,..) kann der ADC auch direkt vom Timer oder über den analogen Komperator gestartet werden.

Teilungsfaktor

Zum Wandeln benötigt der ADC einen eigenen Takt, der auf der Taktfrequenz des Mikrocontrollers basiert. Eine Wandlung braucht normalerweise 13 Zyklen des ADC-Taktes. Allerdings ist die Taktfrequenz des Mikrocontrollers zu schnell und deswegen wird diese durch den Vorteiler verkleinert. Der resultierende Takt sollte beim AVR zwischen 50kHz und 200kHz liegen. Mit reduzierter Genauigkeit ist bis 1000 kHz möglich. Folgende Teilungsfaktoren sind verfügbar:

Um zu bestimmen, welcher Teilungsfaktor geeignet ist, kann folgende Formel verwenden werden.
[math]Taktfrequenz = 8 MHz[/math]

[math]Teilungsfaktor_{min} = {Taktfrequenz \over {200 kHz}} = {{8000000 Hz} \over {200000 Hz}} = 40[/math]

[math]Teilungsfaktor_{max} = {Taktfrequenz \over {50 kHz}} = {{8000000 Hz} \over {50000 Hz}} = 160[/math]

Deswegen kann nun zwischen einem der folgenden Teilungsfaktor gewählt werden: 64 und 128. Im Interesse der Geschwindigkeit sollte 64 gewählt werden.

Siehe bitte die Registerübersicht weiter unten. Dort wird gezeigt, welches Register entsprechend eingestellt werden muss, damit einer der oben aufgelisteten Teilungsfaktoren gewählt werden kann.

Referenzspannung

Das Ergebnis der Wandlung des ADC bezieht sich auf eine bestimmte Referenzspannung. Diese Referenzspannung ist gleich der maximal zu messenden Spannung. Wenn die Spannung höher ist (kleiner als Vcc+0.3V, um den Port nicht zu beschädigen) gibt der AD Wandler das maximale Ergebnis. Um einzustellen, welche Referenzspannung verwendet werden soll, gibt es das Register ADMUX. Je nach verwendetem AVR sind verschiedene Möglichkeiten als Referenzspannung vorhanden:

Verwendet man Bascom als Programmiersprache, gibt es, je nach verwendetem AVR, folgende Möglichkeiten zur Angabe als Referenz :

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = 
 OFF             ' AREF 
 AVCC            ' AVCC oder VCC (intern geschaltet) 
 INTERNAL        ' Wenn nur eine interne Spannung möglich ist 
 INTERNAL_1.1    ' Wenn mehr interne Spannungen auswählbar sind 
 INTERNAL_2.56   ' Wenn mehr interne Spannungen auswählbar sind 
 INTERNALEXTCAP  ' Wenn, zB. beim Tiny15L, ein Kondensator an AREF angeschlossen ist 

Siehe bitte die Registerübersicht. Dort steht genauer wie man das Register einzustellen hat.

Die Referenzspannung wird auch (oder besser deren analoge Größe) benötigt, um den Wert, den der ADC zurückgibt, in V umzurechnen. Um den zurückgegebenen Wert des ADC umzuwandel, wird wie folgt vorgegangen:

1. Bestimmen der Auflösung des ADC. Bei den ATMegas normalerweise 10 Bit. 10 Bit entsprechen einer Stufung von 1024.
2. Ermitteln des digitalen Wertes der analogen Größe. In der Beispielrechnung verwende ich den Wert 592.
3. Größe der Referenzspannung. In der Beispielrechnung wird 5V verwendet.

Mit diesen Werten kann folgende Berechnung ausführen.

[math]V = 592 * 5V[/math]

[math]V = 2960 / 2 ^{Bit} = 2960 / 2 ^{10} = \underline {\underline { 2{,}9V }}[/math]

Beschaltung der Eingänge

Die AD-Eingänge sind im Mittel sehr hochohmig (Größenordnung 100 MOhm, wenn nur der eine Kanal ausgelesen wird). Trotzdem sollte der Widerstand der Signalquelle nicht mehr als ca. 20 kOhm betragen, denn innerhalb von nur 1,5 Zyklen des AD Taktes muss der Speicherkondensator von etwa 15 pF für die Signalabtastung (Sample & Hold) geladen werden.

Bei einer hochohmigeren Spannungsquelle kann ein kleiner Kondensator (mindestens 15 nF, typisch 100 nF) am AD- Eingang die Spannung für die kurze Zeit puffern. Der Kondensator wirkt mit dem Ausgangswiderstand des Teilers auch als RC Tiefpassfilter. Hohe Frequenzen oder schnelle Änderungen sind dann nicht mehr messbar, stören aber auch nicht mehr so stark.

Wenn die Signalquelle (z.B. eine Schaltung mit Operationsverstärker) mehr als Vcc liefern kann, oder eine unabhängige Spannungsversorgung hat, sollte als Schutz ein Widerstand vor dem AD Eingang sein. Am Eingang sind Schutzdioden nach GND und AVcc, die etwas Strom (angeblich bis ca. 1 mA) nach GND bzw. AVcc ableiten können, wenn die Spannung zu groß oder zu klein wird.

Ein Widerstand am AD-Eingang reduziert außerdem HF Störungen vom µC in Richtung Signalquelle. Wenn man den Widerstand als Teil eines Tiefpassfilters (z.B. Anti-Aliasing) nutzen will, muss man bei Kondensatoren unter etwa 10 nF am Eingang aufpassen. Das ist zu wenig, um den Speicher-Kondensator ohne merkliche Spannungsänderung zu laden. Der Kondensator kann dann aber nicht mehr schnell genug nachgeladen werden.

Programmbeispiele

C/C++

Dieses Beispiel ist für die Atmel Controller Mega16 und Mega32 gedacht, die mit einer Taktfrequenz von 8 MHz laufen. Je nach Einsatzart muss das Beispielprogramm entsprechend abgeändert werden (also diese Zeile mit ADMUX |= (1<<REFS1) | (1<<REFS0);).

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

uint16_t readADC(uint8_t channel) {
	uint8_t i;
	uint16_t result = 0;
	
	// Den ADC aktivieren und Teilungsfaktor auf 64 stellen
	ADCSRA = (1<<ADEN) | (1<<ADPS2) | (1<<ADPS1);

	// Kanal des Multiplexers waehlen
	// Interne Referenzspannung verwenden (also 2,56 V)
	ADMUX = channel | (1<<REFS1) | (1<<REFS0);
	
	// Den ADC initialisieren und einen sog. Dummyreadout machen
	ADCSRA |= (1<<ADSC);
	while(ADCSRA & (1<<ADSC));
	
	// Jetzt 3x die analoge Spannung and Kanal channel auslesen
	// und dann Durchschnittswert ausrechnen.
	for(i=0; i<3; i++) {
		// Eine Wandlung
		ADCSRA |= (1<<ADSC);
		// Auf Ergebnis warten...
		while(ADCSRA & (1<<ADSC));
		
		result += ADCW;
	}
	
	// ADC wieder deaktivieren
	ADCSRA &= ~(1<<ADEN);
	
	result /= 3;
	
	return result;
}

int main(void) {
	uint16_t result = readADC(0);	//Auslesen der analogen Spannungen an Pin 0,
					// also ADC0. In result steht das Ergebnis.
	return 0;
}

Bascom

Dieses Programmbeispiel ist für den Atmel Controller Mega32 gedacht. Es gibt nacheinander die Spannungen der einzelnen Kanäle (ADC0..7) aus. Dazwischen macht es immer 800 ms pause.

' Die gemessene Spannung wird in der Variablen W gespeichert.
' Channel ist der Pin, an dem die Spannung gemessen werden soll.

$baud = 9600
$crystal = 1000000
$regfile "m32def.dat"
Config Adc = Single , Prescaler = Auto
Start Adc
Dim W As Word , Channel As Byte
Channel = 0
Do
  W = Getadc(channel)
  Print "ADC-Pin " ; Channel ; ": Wert " ; W
  Incr Channel
  If Channel > 7 Then Channel = 0
  Waitms 800
Loop
End

Registerübersicht

ADCSRA

ADC Control and Status Register A

Dieser Register dient dazu den ADC zu kontrollieren.

• ADEN (ADC Enable)
  Wird dieses Bit gesetzt (also 1), dann wird der ADC aktiviert. Wird eine 0 geschrieben, wird der ADC deaktiviert. Wird der ADC während einer Wandlung deaktiviert, wird die Wandlung abgebrochen.
• ADSC (ADC Start Conversion)
  Dieses Bit startet den Messvorgang, je nachdem in welchem Betriebsmodi der ADC läuft. Wird dieses Bit nach der Aktivierung des ADC über ADEN zum ersten Mal gesetzt, wird der ADC erst eine Initialisierungswandlung durchführen und danach erst die eigentliche Wandlung. Das Schreiben einer 0 auf das Bit hat keinen Effekt.
• ADATE (ADC Auto Trigger Enable)
  Wird dieses Bit gesetzt, wird das Auto Triggering des ADC aktiviert. Die genaue Triggerquelle wir im Register SFIOR eingestellt. Default ist das der Free-runnng mode.
• ADIF (ADC Interrupt Flag)
  Dieses Bit wird auf 1 gesetzt, wenn eine Wandlung erfolgte und das Ergebnis nun verfügbar ist. Der ADC Complete Interrupt wird ausgelöst, wenn das ADIE-Bit gesetzt ist und die Interrupts global aktiviert sind. Das Bit wird gelöscht, wenn die entsprechende ISR abgearbeitet wird. Alternativ kann es gelöscht werden, indem eine 1 auf das Bit geschrieben wird.
• ADIE (ADC Interrupt Enable)
  Wird dieses Bit gesetzt und die globalen Interrupts sind aktiviert, wird der ADC Complete Interrupt aktiviert, auf den dann in der entsprechenden ISR reagiert werden kann.
• ADPS2 (ADC Prescaler Select Bit 2)
  Diese Bits bestimmen den Teilungsfaktor zwischen der CPU-Frequenz und dem Eingangstakt des ADC. Zum Wandeln benötigt der ADC einen eigenen Takt, der auf der Taktfrequenz des Mikrocontrollers basiert. Allerdings ist die Taktfrequenz zu schnell und deswegen wird diese durch den Vorteiler verkleinert. Der resultierende Takt sollte zwischen 50kHz und 200kHz liegen. Siehe Teilungsfaktor. Folgende Teilungsfaktoren sind verfügbar:

• ADPS1 (ADC Prescaler Select Bit 1)
  Siehe ADPS2 für eine Beschreibung.
• ADPS0 (ADC Prescaler Select Bit 0)
  Siehe ADPS2 für eine Beschreibung.

ADMUX

ADC Multiplexer Selection Register

Mit diesem Register wird u.a. der Multiplexer gesteuert. Das Register ist intern gepuffert. Eine gerade laufende Wandlung wird ggf. noch mit den alten Einstellungen ausgeführt, bevor die neue Einstellung übernommen wird.

• REFS0, REFS1 (Reference Selection Bits 0,1)

Diese Bits bestimmen, welche Referenzspannung der ADC verwenden soll. Die möglichen Quellen sind unten aufgelistet.

• ADLAR (ADC Left Adjust Result)
  Dieses Bit beeinflusst, wie der ermittelte Messwert im ADC Data Register abgelegt wird. Bei ADLAR=1 liegen die oberen 8 Bits im Register ADCH.

• MUX3,MUX4 (Analog Channel and Gain Selection Bits 3,4)
  Mit diesen Bits können Gain und Differenz-Kanäle gewählt werden. Speziell steht 00 für keine Verstärkung und einfache Eingänge. Weitere Möglichkeiten stehen im Datenblatt.

• MUX0...MUX2 (Analog Channel and Gain Selection Bits 0..2)
  Auswahl des Eingangskanals. Siehe Tabelle. Für die einfachen Kanäle reicht es also einfach die Kanalnummer in die unteren Bits von ADMUX zu schreiben.

ADCL / ADCH

Desweiteren gibt es noch die Register ADCL/ADCH hier steht das Ergebnis einer Wandlung. Wie bei den meisten auf 2 Register verteilten Werten, bewirkt das lesen des Low-Bytes ein puffern des High-bytes. Der Wert wird folgendermaßen ausgelesen:

uint16_t x = ADCL;
x += (ADCH<<8);
// oder besser
x = ADCW;
// Der Compiler sorgt hier für die richtige Reihenfolge beim Zugriff

Siehe auch

• Atmel
• HEX Beispiel-Dateien für AVR

Weblinks

• Aktuelle AVR Vergleichstabelle
• Die Datenblätter zu Atmel Controllern