AVR M16 ADC应用设计要点

在通常情况下，ADC的逐次比较转换电路要达到最大精度时，需要50kHz~200kHz之间的采样时钟。在要求转换精度低于10位的情况下，ADC的采样时钟可以高于200kHz，以获得更高的采样率。

ADC模块中包含一个预分频器的ADC时钟源，它可以对大于100KHz的系统时钟进行分频，以获得合适的ADC时钟提供ADC使用。预分频器的分频系数由ADCSRA寄存器中的ADPS位设置的。一旦寄存器ADCSRA中的ADEN位置“1”（ADC开始工作），预分频器就启动开始计数。ADEN位为“1”时，预分频器将一直工作；ADEN位为“0”时，预分频器一直处在复位状态。

AVR的ADC完成一次转换的时间见表6.2.5。从表中可以看出，完成一次ADC转换通常需要13-14个ADC时钟。而启动ADC开始第一次转换到完成的时间需要25个ADC时钟，这是因为要对ADC单元的模拟电路部分进行初始化。

当ADCSRA寄存器中的ADSC位置位，启动ADC转换时，A/D转换将在随后ADC时钟的上升沿开始。一次正常的A/D转换开始时，需要1.5个ADC时钟周期的采样保持时间（ADC首次启动后需要13.5个ADC时钟周期的采样保持时间）。当一次A/D转换完成后，转换结果写入ADC数据寄存器，ADIF（ADC中断标志位）将被置位。在单次转换模式下，ADSC也同时被清零。用户程序可以再次置位ADSC位，新的一次转换将在下一个ADC时钟的上升沿开始。

当ADC设置为自动触发方式时，触发信号的上升沿将启动一次ADC转换。转换完成的结果将一直保持到下一次触发信号的上升沿出现，然后开始新的一次ADC转换。这就保证了使ADC每隔一定的时间间隔进行一次转换。在这种方式下，ADC需要2个ADC时钟周期的采样保持时间。

在自由连续转换模式下，一次转换完毕后马上开始一次新的转换，此时，ADSC位一直保持为“1”。

2、ADC输入通道和参考电源的选择

寄存器ADMUX中的MUXn和REFS1、REFS0位实际上是一个缓冲器，该缓冲器与一个MCU可以随机读取的临时寄存器相连通。采用这种结构，保证了ADC输入通道和参考电源只能在ADC转换过程中的安全点被改变。在ADC转换开始前，通道和参考电源可以不断被更新，一旦转换开始，通道和参考电源将被锁定，并保持足够时间，以确保ADC转换的正常进行。在转换完成前的最后一个ADC时钟周期（ADCSRA的ADIF位置“1”时），通道和参考电源又开始重新更新。

注意：由于A/D转换开始于置位ADSC后的第一个ADC时钟的上升沿，因此，在置位ADSC后的一个ADC时钟周期内不要将一个新的通道或参考电源写入到ADMUX寄存器中。

改变差分输入通道时需特别当心。一旦确定了差分输入通道，增益放大器需要125µs的稳定时间。所以在选择了新的差分输入通道后的125µs内不要启动A/D转换，或将这段时间内转换结果丢弃。通过改变ADMUX中的REFS1、REFS0来更改参考电源后，第一次差分转换同样要遵循以上的时间处理过程。

1）当要改变ADC输入通道时，应该遵守以下方式，以保证能够选择到正确的通道：

    在单次转换模式下，总是在开始转换前改变通道设置。尽管输入通道改变发生在ADSC位被写入“1”后的1个ADC时钟周期内，然而，最简单的方法是等到转换完成后，再改变通道选择。

在连续转换模式下，总是在启动ADC开始第一次转换前改变通道设置。尽管输入通道改变发生在ADSC位被写入“1”后的1个ADC时钟周期内，然而，最简单的方法是等到第一次转换完成后再改变通道的设置。然而由于此时新一次的转换已经自动开始，所以，当前这次的转换结果仍反映前一通道的转换值，而下一次的转换结果将为新设置通道的值。

2）ADC电压参考源

ADC的参考电压（VREF）决定了A/D转换的范围。如果单端通道的输入电压超过VREF，将导致转换结果接近于0x3FF(1023)。ADC的参考电压VREF可以选择为AVCC或芯片内部的2.56V参考源，或者为外接在AREF引脚上的参考电压源。

    AVCC通过一个无源开关连接到ADC。内部2.56V参考源是由内部能隙参考源（VBC）通过内部的放大器产生的。注意，无论选用什么内部参考电源，外部AREF引脚都是直接与ADC相连的，因此，可以通过外部在AREF引脚和地之间并接一个电容，使内部参考电源更加稳定和抗噪。可以通过使用高阻电压表测量AREF引脚，来获得参考电源VREF的电压值。由于VREF是一个高阻源，因此，只有容性负载可以连接到该引脚。

如果将一个外部固定的电压源连接到AREF引脚，那就不能使用任何的内部参考电源，否则就会使外部电压源短路。外部参考电源的范围应在2.0V到AVCC-0.2V之间。参考电源改变后的第一次ADC转换结果可能不太准确，建议抛弃该次转换结果。

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3、ADC转换结果

A/D转换结束后（ADIF=1），在ADC数据寄存器（ADCL和ADCH）中可以取得转换的结果。对于单端输入的A/D转换，其转换结果为：

ADC=（VIN×1024）/VREF

其中VIN表示选定的输入引脚上的电压，VREF表示选定的参考电源的电压。0x000表示输入引脚的电压为模拟地，0x3FF表示输入引脚的电压为参考电压值减去一个LSB。

对于差分转换，其结果为：

ADC=(VPOS-VNEG)×GAIN×512/VREF

例：若差分输入通道选择为ADC3-ADC2，10倍增益，参考电压2.56V，左端对齐（ADMUX=0xED），ADC3引脚上电压300mV，ADC2引脚上电压500mV。

则ADCR=（300-500）×10×512/2560=-400=0x270,ADCL=0x00，ADCH=0x9C。

若结果为右端对齐时（ADLAR=“0”），则ADCL=0x70，ADCH=0x02。

附录2、ADC应用设计的深入讨论

尽管AVR内部集成了10位的ADC，但是在实际应用中，要想真正实现10位精度，比较稳定的ADC的话，并不象上一节中的例子那么简单。需要进一步从硬件、软件等方面进行综合的、细致的考虑。下面介绍一些在ADC设计应用中应该考虑的几个要点。

1、AVcc的稳定性。

AVcc是提供给ADC工作的电源，如果AVcc不稳定，就会影响ADC的转换精度。在图10-5中，系统电源通过一个LC滤波后接入AVcc，这样就能很好的抑制掉系统电源中的高频躁声，提高了AVcc的稳定性。另外在要求比较高的场合使用ADC时，PA口上的那些没被用做ADC输入的端口尽量不要作为数字I/O口使用。因为PA口的工作电源是由AVcc提供的，如果PA口上有比较大的电流波动，也会影响AVcc的稳定。

2、参考电压VREF的选择确定

在实际应用中，要根据输入测量电压的范围选择正确的参考电压VREF，以求得到比较好的转换精度。ADC的参考电压VREF还决定了A/D转换的范围。如果单端通道的输入电压超过VREF，将导致转换结果全部接近于0x3FF，因此ADC的参考电压应稍大于模拟输入电压的最高值。

ADC的参考电压VREF可以选择为AVCC，或芯片内部的2.56V参考源，或者为外接在AREF引脚上的参考电压源。外接参考电压应该稳定，并大于2.0V（芯片的工作电压为1.8V时，外接参考电压应大于1.0V）。要求比较高的场合，建议在AREF引脚外接标准参考电压源来作为ADC的参考电源。

3、ADC通道带宽和输入阻抗

不管使用单端输入转换还是差分输入转换方式，所有模拟输入口的输入电压应在AVcc-GND之间。

在单端ADC转换方式时，ADC通道的输入频率带宽取决于ADC转换时钟频率。一次常规的ADC转换需要13个ADC时钟，当ADC转换时钟为1MHz时，一秒种内ADC采样转换的次数约77K。根据采样定理，此时ADC通道的带宽为38.5KHz。

差分方式ADC转换的带宽是由芯片内部的差分放大器的带宽决定，为4KHz。

    AVR的ADC输入阻抗典型值为100MΩ，为保证测量的准确，被测信号源的输出阻抗要尽可能的低，应在10K以下。

4、ADC采样时钟的选择

通常条件下，AVR的ADC逐次比较电路要达到转换的最大精度，需要一个50K～200KHz的采样时钟。一次正常的ADC转换过程需要13个采样时钟，假定ADC采样时钟为200KHz，那么最高的采样速率为200K/13=15.384K。因此根据采样定理，理论上被测模拟信号的最高频率为7.7K！

尽管可以设置ADC的采样时钟为1M，但并不能提高ADC转换精度，反而会降低转换精度（受逐次比较硬件电路的限制），因此AVR的ADC不能完成高速ADC的任务。如果所需的转换精度低于10位，那么采样时钟可以高于200KHz，以达到更高的采样频率。

ADC采样时钟的选择方式为：给出或估计被测模拟信号的最高频率fs，取采样频率为fs的4-10倍，再乘上13为ADC采样时钟频率，该频率应在50K～200KHz之间。如果该频率大于200KHz，则ADC的10位精度不能保证。如果该频率小于50Khz，则可选择50K～200KHz之间的数值。

5、模拟噪声的抑制

器件外部和内部的数字电路会产生电磁干扰，并会影响模拟测量的精度。如果ADC转换精度要求很高，可以采用以下的技术来降低噪声的影响：

（1）使模拟信号的通路尽可能的短。模拟信号连线应从模拟地的布线盘上通过，并使它们尽可能远离高速开关数字信号线。

（2）AVR的AVcc引脚应该通过LC网络与数字端电源Vcc相连。

（3）采用ADC噪声抑制器功能来降低来自MCU内部的噪声。

（4）如果某些ADC引脚是作为通用数字输出口使用，那么在ADC转换过程中，不要改变这些引脚的状态。

6、ADC的校正

由于AVR内部ADC部分的放大器非线性等客观原因，ADC的转换结果会有误差的。如果要获得高精度的ADC转换，还需要对ADC结果进行校正。具体的方法请参考AVR应用笔记AVR120（avr_app_120.pdf），在这篇应用设计参考中详细介绍了误差的种类，以及校正方案。

7、ADC精度的提高

在有了上述几点的保证后，通过软件的手段也能适当的提高ADC的精度。如采用多次测量取平均，软件滤波算法等。在AVR应用笔记AVR121（avr_app_121.pdf）中介绍了一种使用过采样算法的软件实现，可以将ADC的精度提高到11位或更高，当然这是在花费更多的时间基础上实现的。