Аналого-цифровое преобразование (АЦП).

Принцип работы АЦП  заключается в зарядке внутреннего конденсатора  С_HOLD и преобразование в соответствующий 10 разрядный цифровой код методом последовательного приближения. Результат преобразования сохраняется в регистрах ADRESH, ADRESL (старший и младший  регистр ). Хотя каналов и несколько, но преобразование производится через коммутатор (некий переключатель каналов) , соответственно  в момент времени может преобразоваться только один канал и по завершению обработки результата можно приступать к следующему.

Для настройки модуля аналого-цифрового преобразования в МК PIC18xx2 предусмотрено два регистра специального назначения:

• ADCON0
• ADCON1

В других микроконтроллерах семейства PIC18XXXX регистров управление может быть больше, это зависит от количества каналов АЦП. К примеру,  в МК PIC18F25k20  12 каналов и соответственно для их управления добавлен регистр ADCON2. По аналогии легко понять его назначение.

 

1.  Настроить модуль АЦП:

•  Настроить  выводы  как  аналоговые  входы,  входы VREF  или  цифровые  каналы  ввода/вывода
(ADCON1)
•  Выбрать входной канал АЦП (ADCON0)
•  Выбрать источник тактовых импульсов для АЦП (ADCON0)
•  Включить модуль АЦП (ADCON0)
2.  Настроить прерывание от модуля АЦП (если необходимо):
•  Сбросить бит ADIF в '0'
•  Установить бит ADIE в '1'
•  Установить бит PEIE в '1;
•  Установить бит GIE в '1'
3.  Выдержать паузу, необходимую для зарядки конденсатора CHOLD
4.  Начать аналого-цифровое преобразование:
•  Установить бит GO/-DONE в '1' (ADCON0)
5.  Ожидать окончания преобразования:
•  Ожидать пока бит GO/-DONE  не будет сброшен в '0' ИЛИ
•  Ожидать прерывание по окончанию преобразования
6.  Считать результат преобразования из регистров ADRESH:ADRESL, сбросить бит ADIF в '0', если
это необходимо.
7.  Для следующего преобразования необходимо выполнить шаги начиная с пункта 1 или 2. Время
преобразования  одного  бита  определяется  как  время TAD.  Минимальное  время  ожидания  перед
следующим преобразованием должно составлять не менее 2TAD.

 

• Для  начала процесса  аналого-цифрового преобразования (далее АЦП) выбираем  в регистре  ADCON1 линию порта (или несколько линий), на которую будем подавать  измеряемый сигнал и выбираем опорное напряжение, оно может быть как внутренним  (напряжение питания микроконтроллера, выводы Vcc, Vdd), так и внешним , подключенным к выводам порта «А» (AN3/Vref+, AN2/Vref-).  Выбор производится битами 3-0  PCFG3:PCFG0:  При этом, если выводы настраиваются как аналоговые входы, то необходимо установить соответствующие биты регистров TRIS..,т.е. настроить на вход.

В МК  PIC18F252  (который в качестве примера мы рассматриваем) линий AN5-AN7 нет (в таблице выделено серым цветом).

PCFG -3:0-	AN7	AN6	AN5	AN4	AN3	AN2	AN1	AN0	VREF+	VREF-	Кан./ VREF(2)
0000	A	A	A	A	A	A	A	A	VDD	VSS	8/0
0001	A	A	A	A	VREF+	A	A	A	AN3	VSS	7/0
0010	D	D	D	A	A	A	A	A	VDD	VSS	5/0
0011	D	D	D	A	VREF+	A	A	A	AN3	VSS	4/1
0100	D	D	D	D	A	D	A	A	VDD	VSS	3/0
0101	D	D	D	D	VREF+	D	A	A	AN3	VSS	2/1
011X	D	D	D	D	D	D	D	D	-	-	0/0
1000	A	A	A	A	VREF+	VREF-	A	A	AN3	AN2	6/2
1001	D	D	A	A	A	A	A	A	VDD	VSS	6/0
1010	D	D	A	A	VREF+	A	A	A	AN3	VSS	5/1
1011	D	D	A	A	VREF+	VREF-	A	A	AN3	AN2	4/2
1100	D	D	D	A	VREF+	VREF-	A	A	AN3	AN2	3/2
1101	D	D	D	D	VREF+	VREF-	A	A	AN3	AN2	2/2
1110	D	D	D	D	D	D	D	A	VDD	VSS	1/0
1111	D	D	D	D	VREF+	VREF-	D	A	AN3	AN2	1/2

А - аналоговая линия порта.

D - цифровая линия порта.

• выбираем входной канал АЦП бит 5-3  CHS2:CHS0 регистра ADCON0.
• выбрать источник тактовых импульсов для АЦП бит 7-6ADCS1:ADCS0 (ADCON0) и бит 6  ADCS2 (ADCON1) согласно таблице:

ADCON1 -ADCS2-	ADCON0 -ADCS1:ADCS0-	Тактовый сигнал АЦП
0	00	FOSC/2
0	01	FOSC/8
0	10	FOSC/32
0	11	FRC (внутренний RC генератор модуля АЦП)
1	00	FOSC/4
1	01	FOSC/16
1	10	FOSC/64
1	11	FRC (внутренний RC генератор модуля АЦП)

Как видим из таблицы, тактирования модуля АЦП может производиться как от кварцевого резонатора (далее Fosc) , так и от встроенного  RC  генератора. Период преобразования  (Tad) для получения корректного результата,  должен  быть  не менее 1,6 мкс..  Допустимое значение  Tad достигается выбором  коэффициента деления Fosc на  2, 4,...64   (ADCS2:ADCS0).  В случаи если модуль АЦП  используется  в SLEEP  режиме , то выбирается внутренний RC-генератор  (Tad = 2-6 мкс). Внутренний RC генератор можно также  применять при тактовой частоте микроконтроллера до 1 МГц.

В качестве примера рассмотрим расчет T_AD для тактовой частоты микроконтроллера  4 и 10 МГЦ:

-  при Fosc 4МГц интервал  времени  периода  тактового  генератора  микроконтроллера  (далее Tosc)  0.25 мкс., для выполнения условия (T_AD не менее 1,6 мкс.) выбираем коэффициент 8 и получаем 2 мкс. (1:4000000*8).

-  при Fosc 10МГц интервал  времени  периода  тактового  генератора  микроконтроллера  (далее Tosc)   0.1 мкс., для выполнения условия (T_AD не менее 1,6 мкс.) выбираем коэффициент 16 и получаем 1,6  мкс. (1:10000000*16).

внутренний RC генератор модуля АЦП в обоих случаях использовать нельзя (Fosc больше 1МГц).

 

• включаем модуль АЦП  установкой бита ADON регистра ADCON0.
• при необходимости настраиваем прерывание  от модуля АЦП, для этого:

• сбросить  флаг прерывания от модуля АЦП сбросом  бита  ADIF  регистра PIR1;
• разрешить прерывания от модуля АЦП установкой  бита ADIE регистра PIE1;
• разрешить  периферийные прерывания,  установкой бита PEIE регистра INTCON;
• разрешить глобальные прерывания установкой бита  GIE  регистра INTCON.

 

• выдержать необходимую паузу для зарядки конденсатора CHOLD .

После включения модуля АЦП необходимо определенное время для зарядки конденсатора CHOLD, которое зависит в основном от входного сопротивления . Понятно, что чем больше входное сопротивление , тем дольше будет заряжаться конденсатор. Напряжение питания МК серии PIC18xxxx различны (5 , 3.3 , 1.8-5.5 ) и соответственно минимальное время задержки (Tacq), необходимое для зарядки конденсатора у них тоже различны. По этому  при расчете Tacq необходимо пользоваться формулой и необходимыми данными  приведенных в  даташитах на конкретный микроконтроллер.

Что касается PIC18F252, то  формула для расчета следующая :

Tacq = Tamp +Tc +Tcoff

Tamp  -  время  задержки  усилителя.

Tc       -  время  заряда  конденсатора  Hold. 

Tcoff  -  температурная  поправка.

Время задержки усилителя берется из расчета 2 мкс..

Температурная поправка учитывается при температуре свыше 25 гр.

Время зарядки конденсатора в основном зависит от входного сопротивления источника аналогового сигнала  и   не рекомендуется,  что бы сопротивление было больше 2.5 кОм. Из этого следует, что при максимальном входном сопротивлении 2.5 кОм (PIC18F252) и максимально возможной температуре 50гр. минимальное время задержки составляет 12,86 мкс..

• начать  преобразование  установкой  бита GO/-DONE регистра  ADCON0 .
• ожидать окончание преобразования. Ожидать сброса бита GO/-DONE регистра  ADCON0 (по окончанию преобразование бит сбросится) или если задействовано прерывания, то  ожидать прерывание от модуля АЦП, бит (флаг) ADIF  регистра PIR1.

На преобразования аналогового сигнала затрачивается 12 T_AD,  минимальное время  преобразования , при условии Tad 1,6 мкс.- 12х1,6 =19,2 мкс..  Соответственно весь цикл АЦП   легко подчитать, добавив к 12 T_AD время зарядки конденсатора.

Все, результат в регистрах ADRESH:ADRESL, старший и младший байты соответственно. В зависимости от бита ADFM регистра ADCON1 результат АЦП выравнивается.

              1 = правое выравнивание, 6 старших бит ADRESH читаются как ‘0’
              0 = левое выравнивание, 6 младших бит ADRESL читаются как ‘0’

Можно скачать пример АЦП. MPLAB,Протеус.

В видеоуроке показан этот же пример в Протеусе, с выравниваем результата и отображением на светодиодах, подключенным к портам "B" и  "C" .