АЦП микроконтроллеров AVR на пальцах

Хоть я и не позиционирую свой сайт как «учебник», но частенько приходится отвечать на вопросы начинающих эмбеддеров. Народ пишет и в личку, и в комменты, некоторые даже звонят. Когда однотипных вопросов накапливается достаточно много, то, мне кажется,  полезнее написать статью по теме, чем отвечать каждому товарищу по-отдельности, тем более, когда они так сильно прОсют 🙂
Тема использования АЦП описана чуть ли не на каждом микроконтроллерном сайте, но, как видим, вопросы у многих остаются. Не знаю, может народ не понимает английского для прочтения и изучения даташитов, но книга А.В. Евстифеева «Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL», по-моему, должна быть у каждого человека, занимающегося такими  (и не только такими) микроконтроллерами. Эта книга по своей сути — перевод и обобщение даташитов наиболее популярных контроллеров. �? не беда, что номенклатура последних уже существенно обогатилась — основные принципы те же.
�?так, аналого-цифровой преобразователь, как следует из его названия, преобразовывает аналоговую величину (в нашем случае напряжение) в цифровой код. Управляется он в ATmega8 всего двумя регистрами. На рисунке ниже я попытался максимально просто изобразить принцип действия АЦП и его основные характеристики.

Входной аналоговый сигнал через вход мультиплексора MUX, который мы выбрали разрядами MUX3-MUX0 регистра ADMUX, поступает непосредственно на вход АЦП микроконтроллера и сравнивается с установленным REFS1,REFS0 (ADMUX) опорным напряжением (входной сигнал не может быть выше опорного — для измерения величин выше опорного следует применять делители напряжения). Весь диапазон опорного напряжения разбит на 2 в степени разрешение, т.е для нашего случая 2^10=1024 градации. При запуске АЦП установкой ADSC (ADSCRA) входной аналоговый сигнал сравнивается с опорным в течении времени t преобразования, и, по истечении этого времени в пару регистров ADCH(выделен жёлтым)—ADCL(выделен голубым) записывается цифровой выходной 10-ти разрядный код, показывающий относительную величину входного, по отношению к опорному. Например, если опорное напряжение равно 5 В, а на вход АЦП пришёл сигнал 2,5 В, то в регистры ADCH-ADCL запишется значение 512 — половина от 1024. Причём результат в пару ADCH-ADCL будет записан со сдвигом вправо или влево в зависимости от значения разряда ADLAR регистра ADCSRA. Абсолютную величину напряжения легко вычислить , зная опорное.
Все разряды регистра ADMUX на рисунке наглядно представлены. �?з ADSCRA не рассмотрены: 7-й разряд — ADEN — разрешение работы АЦП; 5-й — ADFR — включение режима непрерывного преобразования; 4-й — ADIF — флаг прерывания от АЦП; 3-й — ADIE —  разрешение прерывания от АЦП.
Теперь код для простейшего примера, демонстрирующего работу АЦП. Вся логика работы здесь, как и во всех моих примерах, расписана в комментариях. Код написан на классическом Си для WinAVR, но по идее должен работать и под CodeVision (только подключаемые файлы там по другому называются). МК ATmega8 работает от внутреннего генератора на частоте 1 МГц.

/*Учебный пример написаный товарищем s_black www.embed.com.ua для товарища ВМ, который ленится читать даташиты*/
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
 
#define PORT_LED PORTD /*назначение порта светодиодов*/
#define DDR_LED  DDRD  /*назначение регистра направления порта светодиодов*/
#define LED_1    PD0   /*первый светодиод - индикатор 1/4 максимального напряжения*/
#define LED_2    PD1   /*второй светодиод - индикатор 2/4 максимального напряжения*/
#define LED_3    PD2   /*третий светодиод - индикатор 3/4 максимального напряжения*/
 
#define ON_LED(LED) (PORT_LED &= ~(1< <LED))  /*макрос включения светодиода*/
#define OFF_LED(LED) (PORT_LED |= (1<<LED))  /*макрос выключения светодиода*/
 
ISR (ADC_vect)//прерывание по завершению преобразования АЦП
{
    unsigned int voltage_ADC ;//переменная результата напряжения
 
	voltage_ADC = ADCW;//считываем значение АЦ преобразования
	//блок операторов ниже реализует "светящийся столбик" в зависимости от измеренной величины напряжения
	     if (voltage_ADC >= 768) {ON_LED (LED_3);ON_LED (LED_2);ON_LED(LED_1);}//если U > или = 3/4 максимального - подсвечиваем светодиоды 3,2,1
	else if (voltage_ADC >= 512) {OFF_LED(LED_3);ON_LED (LED_2);ON_LED(LED_1);}//если U > или = 2/4 и < 3/4 максимального - подсвечиваем светодиоды 2,1
	else if (voltage_ADC >= 256) {OFF_LED(LED_3);OFF_LED(LED_2);ON_LED(LED_1);}//если U > или = 1/4 и < 2/4 максимального - подсвечиваем светодиод 1
	else {OFF_LED(LED_3);OFF_LED(LED_2);OFF_LED(LED_1);}//если U < 1/4 максимального - ничего не подсвечиваем
	ADCSR |= (1<<ADSC);//запускаем очередное преобразование 
}
 
int main (void)                           
{
    DDR_LED |= (1<<LED_3) | (1<<LED_2) | (1<<LED_1);//разряды порта светодиодов - выходы
	PORT_LED |= (1<<LED_3) | (1<<LED_2) | (1<<LED_1);//изначально погашены
 
	//          7     6     5     4     3     2     1     0
	//ADMUX = REFS1 REFS0 ADLAR   –    MUX3  MUX2  MUX1  MUX0
	ADMUX |= (1<<REFS0);//в качестве опорного - напряжение питания, результат выравнивается вправо, 0-й канал АЦП (PC0)
 
	//           7    6     5     4     3     2     1     0
	//ADCSRA = ADEN ADSC  ADFR  ADIF  ADIE  ADPS2 ADPS1 ADPS0
	ADCSRA |= (1<<ADEN) | (1<<ADSC) | (1<<ADIE) | (1<<ADPS1) | (1<<ADPS0);//разрешаем преобразование, запускаем его, разрешаем прерывание от АЦП
	                                                                         //тактовую частоту делим на 8 - получаем частоту преобразования 125 кГц 
	sei();//общее разрешение прерываний
	for(;;);//бесконечный цикл в ожидании прерывания по завершению преобразования АЦП
}
 
 
}

Для демонстрации работы этого кода я собрал макет по такой схеме:
Элементы с левой стороны микроконтроллера IC1 ATmega8 — это стандартная даташитовская обвязка для АЦП. В частности L1, C1 — это LC-фильтр для «аналогового» питания.  Резистор R1 подтягивает вывод сброса микроконтроллера к питанию. Конденсатором С2 вывод опорного напряжения AREF рекомендуют коротить на корпус, если не используется внешнее опорное.
Теперь рассмотрим элементы с правой стороны. �?сточник измеряемого изменяемого напряжения реализован на потенциометре R2. Резистор R3 добавлен, чтобы не «посадить» питание на корпус при самом нижнем положении ползунка. �?ндикация напряжения по градациям реализована на светодиодах LED1-3 с токоограничительными резисторами R4-6. Питание — Li-ION батарея 3,7 В от мобильного телефона. В качестве отдельных светодиодов используются сегменты «a» трёхразрядного семисегментного индикатора с общим анодом.
На видео ниже демонстрация работы макета. В исходном положении ползунок R2 в верхнем по схеме положении, т.е. подключён к питанию в результате чего светятся все три светодиода. Напряжение на ползунке индицируется мультиметром DT830B.

При «движении» ползунка R2 вниз к «корпусу» (резистор используется многооборотный) мы видим погасание сначала правого (при напряжении 2,82 В), затем среднего ( при напряжении 1,88 В), и, наконец, левого (при напряжении 0,94 В). Если посчитать в столбик, то эмпирическим путём мы подтвердим практические результаты: 1 = 3,77; 3/4 = 2,8275; 2/4 = 1,885; 1/4 = 0,9425.