AVR M16 ADC應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在通常情況下，ADC的逐次比較轉(zhuǎn)換電路要達(dá)到最大精度時(shí)，需要50kHz~200kHz之間的采樣時(shí)鐘。在要求轉(zhuǎn)換精度低于10位的情況下，ADC的采樣時(shí)鐘可以高于200kHz，以獲得更高的采樣率。

ADC模塊中包含一個(gè)預(yù)分頻器的ADC時(shí)鐘源，它可以對(duì)大于100KHz的系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，以獲得合適的ADC時(shí)鐘提供ADC使用。預(yù)分頻器的分頻系數(shù)由ADCSRA寄存器中的ADPS位設(shè)置的。一旦寄存器ADCSRA中的ADEN位置“1”（ADC開(kāi)始工作），預(yù)分頻器就啟動(dòng)開(kāi)始計(jì)數(shù)。ADEN位為“1”時(shí)，預(yù)分頻器將一直工作；ADEN位為“0”時(shí)，預(yù)分頻器一直處在復(fù)位狀態(tài)。

AVR的ADC完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間見(jiàn)表6.2.5。從表中可以看出，完成一次ADC轉(zhuǎn)換通常需要13-14個(gè)ADC時(shí)鐘。而啟動(dòng)ADC開(kāi)始第一次轉(zhuǎn)換到完成的時(shí)間需要25個(gè)ADC時(shí)鐘，這是因?yàn)橐獙?duì)ADC單元的模擬電路部分進(jìn)行初始化。

當(dāng)ADCSRA寄存器中的ADSC位置位，啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換將在隨后ADC時(shí)鐘的上升沿開(kāi)始。一次正常的A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，需要1.5個(gè)ADC時(shí)鐘周期的采樣保持時(shí)間（ADC首次啟動(dòng)后需要13.5個(gè)ADC時(shí)鐘周期的采樣保持時(shí)間）。當(dāng)一次A/D轉(zhuǎn)換完成后，轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入ADC數(shù)據(jù)寄存器，ADIF（ADC中斷標(biāo)志位）將被置位。在單次轉(zhuǎn)換模式下，ADSC也同時(shí)被清零。用戶程序可以再次置位ADSC位，新的一次轉(zhuǎn)換將在下一個(gè)ADC時(shí)鐘的上升沿開(kāi)始。

當(dāng)ADC設(shè)置為自動(dòng)觸發(fā)方式時(shí)，觸發(fā)信號(hào)的上升沿將啟動(dòng)一次ADC轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成的結(jié)果將一直保持到下一次觸發(fā)信號(hào)的上升沿出現(xiàn)，然后開(kāi)始新的一次ADC轉(zhuǎn)換。這就保證了使ADC每隔一定的時(shí)間間隔進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換。在這種方式下，ADC需要2個(gè)ADC時(shí)鐘周期的采樣保持時(shí)間。

在自由連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，一次轉(zhuǎn)換完畢后馬上開(kāi)始一次新的轉(zhuǎn)換，此時(shí)，ADSC位一直保持為“1”。

2、ADC輸入通道和參考電源的選擇

寄存器ADMUX中的MUXn和REFS1、REFS0位實(shí)際上是一個(gè)緩沖器，該緩沖器與一個(gè)MCU可以隨機(jī)讀取的臨時(shí)寄存器相連通。采用這種結(jié)構(gòu)，保證了ADC輸入通道和參考電源只能在ADC轉(zhuǎn)換過(guò)程中的安全點(diǎn)被改變。在ADC轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，通道和參考電源可以不斷被更新，一旦轉(zhuǎn)換開(kāi)始，通道和參考電源將被鎖定，并保持足夠時(shí)間，以確保ADC轉(zhuǎn)換的正常進(jìn)行。在轉(zhuǎn)換完成前的最后一個(gè)ADC時(shí)鐘周期（ADCSRA的ADIF位置“1”時(shí)），通道和參考電源又開(kāi)始重新更新。

注意：由于A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始于置位ADSC后的第一個(gè)ADC時(shí)鐘的上升沿，因此，在置位ADSC后的一個(gè)ADC時(shí)鐘周期內(nèi)不要將一個(gè)新的通道或參考電源寫入到ADMUX寄存器中。

改變差分輸入通道時(shí)需特別當(dāng)心。一旦確定了差分輸入通道，增益放大器需要125µs的穩(wěn)定時(shí)間。所以在選擇了新的差分輸入通道后的125µs內(nèi)不要啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，或?qū)⑦@段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換結(jié)果丟棄。通過(guò)改變ADMUX中的REFS1、REFS0來(lái)更改參考電源后，第一次差分轉(zhuǎn)換同樣要遵循以上的時(shí)間處理過(guò)程。

1）當(dāng)要改變ADC輸入通道時(shí)，應(yīng)該遵守以下方式，以保證能夠選擇到正確的通道：

在單次轉(zhuǎn)換模式下，總是在開(kāi)始轉(zhuǎn)換前改變通道設(shè)置。盡管輸入通道改變發(fā)生在ADSC位被寫入“1”后的1個(gè)ADC時(shí)鐘周期內(nèi)，然而，最簡(jiǎn)單的方法是等到轉(zhuǎn)換完成后，再改變通道選擇。

在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，總是在啟動(dòng)ADC開(kāi)始第一次轉(zhuǎn)換前改變通道設(shè)置。盡管輸入通道改變發(fā)生在ADSC位被寫入“1”后的1個(gè)ADC時(shí)鐘周期內(nèi)，然而，最簡(jiǎn)單的方法是等到第一次轉(zhuǎn)換完成后再改變通道的設(shè)置。然而由于此時(shí)新一次的轉(zhuǎn)換已經(jīng)自動(dòng)開(kāi)始，所以，當(dāng)前這次的轉(zhuǎn)換結(jié)果仍反映前一通道的轉(zhuǎn)換值，而下一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果將為新設(shè)置通道的值。

2）ADC電壓參考源

ADC的參考電壓（VREF）決定了A/D轉(zhuǎn)換的范圍。如果單端通道的輸入電壓超過(guò)VREF，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果接近于0x3FF(1023)。ADC的參考電壓VREF可以選擇為AVCC或芯片內(nèi)部的2.56V參考源，或者為外接在AREF引腳上的參考電壓源。

AVCC通過(guò)一個(gè)無(wú)源開(kāi)關(guān)連接到ADC。內(nèi)部2.56V參考源是由內(nèi)部能隙參考源（VBC）通過(guò)內(nèi)部的放大器產(chǎn)生的。注意，無(wú)論選用什么內(nèi)部參考電源，外部AREF引腳都是直接與ADC相連的，因此，可以通過(guò)外部在AREF引腳和地之間并接一個(gè)電容，使內(nèi)部參考電源更加穩(wěn)定和抗噪。可以通過(guò)使用高阻電壓表測(cè)量AREF引腳，來(lái)獲得參考電源VREF的電壓值。由于VREF是一個(gè)高阻源，因此，只有容性負(fù)載可以連接到該引腳。

如果將一個(gè)外部固定的電壓源連接到AREF引腳，那就不能使用任何的內(nèi)部參考電源，否則就會(huì)使外部電壓源短路。外部參考電源的范圍應(yīng)在2.0V到AVCC-0.2V之間。參考電源改變后的第一次ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果可能不太準(zhǔn)確，建議拋棄該次轉(zhuǎn)換結(jié)果。