第6章ATmega單片機的模擬接口及使用方法

模擬比較器A/D轉(zhuǎn)換器PWM發(fā)生器數(shù)字濾波方法6.1模擬比較器

模擬比較器對正極AIN0的值與負極AIN1的值進行比較。當AIN0上的電壓比負極AIN1上的電壓要高時，模擬比較器的輸出ACO即置位。比較器的輸出可用來觸發(fā)定時器/計數(shù)器1的輸入捕捉功能。此外，比較器還可觸發(fā)自己專有的、獨立的中斷。用戶可以選擇比較器是以上升沿、下降沿還是交替變化的邊沿來觸發(fā)中斷。 中斷向量：ANA_COMP_vect圖6.1為比較器及其外圍邏輯電路的框圖。1、特殊功能IO寄存器－SFIORBit3–ACME:模擬比較器多路復用器使能當此位為邏輯“1”，且ADC處于關閉狀態(tài)(ADCSRA寄存器的ADEN為“0”)時，ADC多路復用器為模擬比較器選擇負極輸入。當此位為“0”時，AIN1連接到比較器的負極輸入端。2、模擬比較器控制和狀態(tài)寄存器（ACSR）Bit7–ACD:模擬比較器禁用Bit6–ACBG:選擇模擬比較器的能隙基準源Bit5–ACO:模擬比較器輸出Bit4–ACI:模擬比較器中斷標志Bit3–ACIE:模擬比較器中斷使能Bit2–ACIC:模擬比較器輸入捕捉使能Bits1,0–ACIS1,ACIS0:模擬比較器中斷模式選擇

需要改變ACIS1/ACIS0時，必須清零ACSR寄存器的中斷使能位來禁止模擬比較器中斷。否則有可能在改變這兩位時產(chǎn)生中斷。模擬比較器的應用舉例如圖所示：外部信號由模擬比較器的AIN0輸入，AIN1接至VCC的分壓，取R1＝R2，則AIN1的電壓為0.5VCC。當AIN0的電壓大于0.5VCC時，ACSR中的ACO置‘1’；低于時則清‘0’。當AIN0的電壓大于0.5VCC時，LED燈亮，反之熄滅。＃include“avr/io.h”intmain(){unsignedcharmid;//定義變量DDRD=0xff;//設置PC口為輸出PORTD=0xff;//設置PC口為輸出為高電平（LED熄滅）ACSR=0x00;//啟動模擬比較器while(1){mid=ACSR&0x20;//讀出模擬比較器的輸出值if(mid==0)//輸出1熄滅LEDPORTD=1;elsePORTD=0;//輸出0點亮LED}}6.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器6.2.1主要特點

ATmega16有一個10位的逐次逼近型ADC。 ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進行采樣。器件還支持16路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入(ADC1、ADC0與ADC3、ADC2)有可編程增益級，在A/D轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供0dB(1x)、20dB(10x)或46dB(200x)的放大級。

七路差分模擬輸入通道共享一個通用負端(ADC1),而其他任何ADC輸入可做為正輸入端。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包括一個采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。ADC由AVCC引腳單獨提供電源。AVCC與VCC之間的偏差不能超過±0.3V。 標稱值為2.56V的基準電壓，以及AVCC，都位于器件之內(nèi)。基準電壓可以通過在AREF引腳上加一個電容進行解耦，以更好地抑制噪聲。圖6.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器方框圖6.2.2ADC的工作原理

ADC通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個10位的數(shù)字量。 最小值代表GND，最大值代表AREF引腳上的電壓再減去1LSB。 通過寫ADMUX寄存器的REFSn位可以把AVCC或內(nèi)部2.56V的參考電壓連接到AREF引腳。 在AREF上外加電容可以對片內(nèi)參考電壓進行解耦以提高噪聲抑制性能。6.2.3啟動ADC轉(zhuǎn)換

向ADC啟動轉(zhuǎn)換位ADSC位寫“1”可以啟動單次轉(zhuǎn)換。 在轉(zhuǎn)換過程中此位保持為高，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束，然后被硬件清零。如果在轉(zhuǎn)換過程中選擇了另一個通道，那么ADC會在改變通道前完成這一次轉(zhuǎn)換。圖6.3

ADC自動觸發(fā)邏輯使用ADC中斷標志作為觸發(fā)源，可以在正在進行的轉(zhuǎn)換結(jié)束后即開始下一次ADC轉(zhuǎn)換。之后ADC便工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，持續(xù)地進行采樣并對ADC數(shù)據(jù)寄存器進行更新。第一次轉(zhuǎn)換通過向ADCSRA寄存器的ADSC寫1來啟動。如果使能了自動觸發(fā)，置位ADCSRA寄存器的ADSC將啟動單次轉(zhuǎn)換。ADSC標志還可用來檢測轉(zhuǎn)換是否在進行之中。不論轉(zhuǎn)換是如何啟動的，在轉(zhuǎn)換進行過程中ADSC一直為1。6.2.4預分頻及ADC轉(zhuǎn)換時序圖6.4ADC預分頻器圖6.5

ADC時序圖，第一次轉(zhuǎn)換(單次轉(zhuǎn)換模式)圖6.6

ADC時序圖，單次轉(zhuǎn)換圖6.7

ADC時序圖，自動觸發(fā)的轉(zhuǎn)換圖6.8

ADC時序圖，連續(xù)轉(zhuǎn)換表6.3ADC轉(zhuǎn)換時間13.56.2.7ADC輸入通道選擇模擬通道時請注意以下幾個方面：單次轉(zhuǎn)換模式，總是在啟動轉(zhuǎn)換之前選定通道。在ADSC置位后的一個ADC時鐘周期就可以選擇新的模擬輸入通道了。但是最簡單的辦法是等待轉(zhuǎn)換結(jié)束后再改變通道。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，切換通道的方法同單次模式，若轉(zhuǎn)換結(jié)束后再改變通道，此時新一次轉(zhuǎn)換已經(jīng)自動開始了，下一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果反映的是以前選定的模擬輸入通道。以后的轉(zhuǎn)換才是針對新通道的。若切換到差分增益通道，由于自動偏移抵消電路需要沉積時間，第一次轉(zhuǎn)換結(jié)果準確率很低，最好舍棄。6.2.8ADC基準電壓源

ADC參考電壓源(VREF)反映了ADC的轉(zhuǎn)換范圍。若單端通道電平超過了VREF，其結(jié)果將接近0x3FF。VREF可以是AVCC、內(nèi)部2.56V基準或外接于AREF引腳的電壓。AVCC通過一個無源開關與ADC相連。 片內(nèi)2.56V參考電壓由能隙基準源(VBG)通過內(nèi)部放大器產(chǎn)生。 AREF直接與ADC相連，通過在AREF與地之間外加電容可以提高參考電壓的抗噪性。6.2.9ADC噪聲抑制器

ADC的噪聲抑制器使其可以在睡眠模式下進行轉(zhuǎn)換，從而降低由于CPU及外圍I/O設備噪聲引入的影響。噪聲抑制器可在ADC降噪模式及空閑模式下使用。為了使用這一特性，應采用如下步驟：1.確定ADC已經(jīng)使能，且沒有處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)。工作模式應該為單次轉(zhuǎn)換，并且ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷使能。2.進入ADC降噪模式(或空閑模式)。一旦CPU被掛起，ADC便開始轉(zhuǎn)換。3.如果在ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束之前沒有其他中斷產(chǎn)生，那么ADC中斷將喚醒CPU并執(zhí)行ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷服務程序。如果在ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束之前有其他的中斷源喚醒了CPU，對應的中斷服務程序得到執(zhí)行。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后產(chǎn)生ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷請求。6.2.10模擬輸入電路

單端通道的模擬輸入電路見圖6.9。不論是否用作ADC的輸入通道，輸入到ADCn的模擬信號都受到引腳電容及輸入泄露的影響。用作ADC的輸入通道時，模擬信號源必須通過一個串聯(lián)電阻(輸入通道的組合電阻)驅(qū)動采樣/保持(S/H)電容。圖6.9

模擬輸入電路6.2.11ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換結(jié)束后(ADIF為高)，轉(zhuǎn)換結(jié)果被存入ADC結(jié)果寄存器(ADCL,ADCH)。單次轉(zhuǎn)換的結(jié)果如下：式中，VIN為被選中引腳的輸入電壓，VREF為參考電壓，0x000代表模擬地電平，0x3FF代表所選參考電壓的數(shù)值減去1LSB。如果使用差分通道，結(jié)果是：式中，VPOS為輸入引腳正電壓，VNEG為輸入引腳負電壓，GAIN為選定的增益因子，且VREF為參考電壓。結(jié)果用2的補碼形式表示，從0x200(-512d)到0x1FF(+511d)。如果用戶希望對結(jié)果執(zhí)行快速極性檢測，判斷MSB(ADCH中ADC9)，如該位為1，結(jié)果為負；該位為0，結(jié)果為正。1、ADC多工選擇寄存器（ADMUX）?Bit7:6–REFS1:0:參考電壓選擇ADC參考電壓選擇

Bit5–ADLAR:ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果左對齊Bits4:0–MUX4:0:模擬通道與增益選擇位

2、ADC控制和狀態(tài)寄存器A（ADCSRA）?Bit7–ADEN:ADC使能?Bit6–ADSC:ADC開始轉(zhuǎn)換?Bit5–ADATE:ADC自動觸發(fā)使能?Bit4–ADIF:ADC中斷標志?Bit3–ADIE:ADC中斷使能?Bits2:0–ADPS2:0:ADC預分頻器選擇位3、ADC數(shù)據(jù)寄存器（ADCL及ADCH）ADLAR=0ADLAR=1ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)換結(jié)果存于這兩個寄存器之中。如果采用差分通道，結(jié)果由2的補碼形式表示。讀取ADCL之后，ADC數(shù)據(jù)寄存器一直要等到ADCH也被讀出才可以進行數(shù)據(jù)更新。因此，如果轉(zhuǎn)換結(jié)果為左對齊，且要求的精度不高于8比特，那么僅需讀取ADCH就足夠了。否則必須先讀出ADCL再讀ADCH。4、特殊功能IO寄存器（SFIOR）?

Bit7:5–ADTS2:0:ADC自動觸發(fā)源若ADCSRA寄存器的ADATE置位，ADTS的值將確定觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源；否則，ADTS的設置沒有意義。被選中的中斷標志在其上升沿觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換。?Bit4–Res:保留位。這一位保留。為了與以后的器件相兼容，在寫SFIOR時這一位應寫0。實例：測量和顯示PA0引腳的電壓。輸入電壓采用電位器5V的分壓，電壓變化范圍為0－5V之間，大小可以調(diào)節(jié)。#include"avr/io.h"#include"util/delay.h"#include"math.h"#include"max7219.c"floatlvboxishu,bilixishu;longintdianya;longintzhuanhuan(chartongdao)//AD轉(zhuǎn)換函數(shù){ADCSRA=0x86;//設置AD轉(zhuǎn)換ADMUX=0x40+tongdao;//設置轉(zhuǎn)換通道ADCSRA=ADCSRA|(1<<ADSC);//啟動轉(zhuǎn)換while(!(ADCSRA&(1<<ADIF)));//判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束returnADCW;//取AD轉(zhuǎn)換的值}intmain(){longintx;chark,i;spi_7219c();//初始化顯示dianya=0;//電壓初值i=8;//采集次數(shù)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);//顯示電壓值_delay_ms(1000);//延時1S}}6.4數(shù)字濾波方法

單片機系統(tǒng)面對的現(xiàn)場往往比較惡劣，因此所采集信號中總會混雜有各類干擾。除了采用硬件進行濾波（如阻容濾波）外，對輸入計算機的信號進行數(shù)字濾波也是十分必要的。所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計算程序，對采集的數(shù)據(jù)進行處理，以提高有用信號在采集值中的比例，減少各種干擾和噪聲。

與阻容濾波相比，數(shù)字濾波具有如下一些優(yōu)點：1、可以根據(jù)干擾的類型，設計出相應類型的數(shù)字濾波器。2、濾波范圍寬，特別是對于低頻信號（如0.001Hz及以下）更為有效，而模擬濾波器由于電容容量的限制，頻率不能太低。3、可靠性高。4、數(shù)字濾波程序可以多路共享。下面介紹幾種常用的數(shù)字濾波方法。1．算術平均值濾波

設測量值為，則每采集了N個數(shù)據(jù)后，進行一次算術平均。

從上面可以看出，每計算一次控制器輸出值，就必須采樣N次。因此，N的取值不能太大。算術平均值法主要對壓力，流量等含有周期性脈動的信號有效。而對突發(fā)性的脈沖干擾，這種濾波方法的效果則不理想。2．中值濾波

所謂中值濾波法是連續(xù)采樣n次，首先要做的工作是先采集n個參數(shù)并按大小排序，即有<<…<<，或者從大到小排序。如果當N為偶數(shù)時，如果當N為奇數(shù)時，中值濾波既可以去掉由于偶然因數(shù)引起的干擾，同時對與脈動干擾也比較有效。但是這種方法由于計算量比較大，對于一些需要快速采樣的參數(shù)就不十分合適。中值濾波的關鍵所在是形成按大小順序排列的一組數(shù)。假設采樣N次，如果使用高級語言，首先將N個采樣值按從大到?。ɑ驈男〉酱螅┡帕校缓髮⑵浞旁谝粋€數(shù)組X（N）里，此時X