Analog-zu-Digital Konverter

Analog-zu-Digital Konverter (ADC) transformieren einen analogen Spannungswert in einen digitalen Wert. Die erlaubte Spannungsreichweite am ADC-Input eines AVR Microcontrollers liegt bei 0-5.5V. Der digitale Wert ist 10 Bit groß und bis auf ± 2 Einheiten genau. Der Fehler kann jedoch auch noch größer sein, wenn die Betriebsspannung nicht vor Störungen geschützt ist. Der AVR hat separate Betriebs- und Vergleichsspannungs-Pins für den ADC. Die separate Betriebsspannung trägt dazu bei, Störungen möglichst klein zu halten wobei sie sich nicht mehr als 0.3V von der Hauptbetriebsspannung unterscheiden darf. Die Vergleichsspannung definiert den maximalen digitalen Wert. Beträgt sie zum Beispiel 3V beträgt, dann wird ein Input mit der gleichen Spannung mit 210 - 1 (1023) ausgelesen.

Der AVR ADC arbeitet nach dem Prinzip der schrittweisen Annäherung. Kurz gesagt, die gemessene Spannung wird mit bestimmten Spannungslevels verglichen und die Ergebnisse werden als Bit-Array ausgegeben. Diese Methode ist relativ langsam, da jedes Bit im Endergebnis einzeln berechnet wird. Der AVR benötigt 13 Taktzyklen für jede Messung, für die Erste jedoch (beim Start-up ) werden, 25 Taktzyklen benötigt. Diese Taktzyklen entsprechen jedoch nicht den Arbeitstakten des Controllers, sondern sind spezielle Taktzyklen die der ADC-Einheit durch den Frequenzteiler zugewiesen wurden. Um die maximale Präzision zu erreichen, sollte die ADC-Frequenz sollte 50-200 kHz betragen, bei höheren Frequenzen sinkt die Genauigkeit. Eine höhere Frequenz ist dann sinnvoll, wenn viele Daten ausgelesen werden sollen wobei die Genauigkeit dieser vernachlässigt wird. Gemäß dem AVR-Handbuch dauert eine Messung 13-260 µs.

Der gemessene Wert kann als 8- oder 10-Bit Wert gelesen werden. Da der AVR ein 8-Bit Mikrocontroller ist, verfügt er über zwei 8-Bit Register um ADC-Werte zu speichern. In den Einstellungen kann festgelegt werden, ob die ersten oder letzten zwei Bits in ein seperates Register sollen. Falls die zwei zuletzt ausgelesenen Bits, welche das Ergebnis weniger widergeben, separiert werden, kann das Ergebnis als 8-Bit Wert ausgelesen werden. Eine solche Kombination nennt man „left aligned result“. Darüber hinaus kennzeichnet „right aligned result“ jene Kombination, bei der beide Register gelesen werden, und der Wert ein 10-Bit Format hat.

Ein normaler AVR verfügt über 8 analoge Spannungs-Input-Kanäle. Die Mikrocontroller der ATtiny Serie besitzen weniger, einige ATmega haben 16, allerdings existiert immer nur ein ADC. Um verschiedene Inputs nutzen zu können hat das Gerät einen eingebauten Multiplexer. Der Input des Multiplexer kann durch Nutzung eines speziellen Registers definiert werden. Die ADC Einheit weist darüber hinaus noch weitere Eigenschaften auf: Der Sleepmodus des Prozessors wird für die Umwandlung genutzt, um Störungen zu verringern. Außerdem gibt es die Option zur Nutzung einer internen festen Vergleichsspannung (gewöhnlich 2.65 V, bei manchen Modellen aber 1 V)

#include <avr/io.h>
 
int main()
{
	unsigned char result;
 
	// Wähle den AREF Pin zum Vergleich der Spannung
	// (es wird angenommen, dass AREF mit der +5V Stromversorgung verbunden ist))
	// Wähle Kanal 3 im Multiplexer r
	// ordne das Ergebnis links an
	ADMUX = (1 << REFS0) | (1 << ADLAR) | (3);
 
	// Starte den ADC,
	// setze den Umwandlungszyklus 16 mal langsamer als das Tastverhältnis
	ADCSRA = (1 << ADEN) | (1 << ADPS2) | (1 << ADSC);
 
	// Warte auf Beendigung des Messvorganges
	while (ADCSRA & (1 << ADSC)) continue;
 
	// Lies den 8-Bit Wert aus
	result = ADCH;
}