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6.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC實(shí)驗(yàn)
6.2.1、實(shí)例功能
AVR的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC具有下列特點(diǎn)：

1. 10位精度；
2. 0.5LSB積分非線形誤差
3. ±2LSB的絕對(duì)精度；
4. 13μs~260μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間；
5. 在最大精度下可達(dá)到每秒15kSPS的采樣速率；
6. 8路可選的單端輸入通道；
7. 7路差分輸入通道；
8. 2路差分輸入通道帶有可選的10×和200×增益；
9. ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取可設(shè)置為左端對(duì)齊（LEFT ADJUSTMENT）；
10. ADC的電壓輸入范圍0～Vcc；
11. 可選擇的內(nèi)部2.56V的ADC參考電壓源；
12. 自由連續(xù)轉(zhuǎn)換模式和單次轉(zhuǎn)換模式；
13. ADC自動(dòng)轉(zhuǎn)換觸發(fā)模式選擇；
14. ADC轉(zhuǎn)換完成中斷；
15. 休眠模式下的噪聲抑制器（NOISE CANCELER）。

在本實(shí)例中，我們將編寫程序?qū)崿F(xiàn)將模數(shù)轉(zhuǎn)換后獲得的電壓值通過單片機(jī)的串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)，然后通過計(jì)算機(jī)上的串口助手顯示測(cè)量的電壓值。
本實(shí)例共有3個(gè)功能模塊，分別描述如下：
● 單片機(jī)系統(tǒng)：使用單片機(jī)的串口實(shí)現(xiàn)將模數(shù)轉(zhuǎn)換后獲得的電壓值通過串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)。
● 外圍電路：RS232電平轉(zhuǎn)換電路，DB9串行接口插座，模擬電壓輸入采集電路。
● 軟件程序：進(jìn)一步熟悉單片機(jī)的串行通信，并掌握單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法。
6.2.2、器件和原理
關(guān)于串行接口的原理已接單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串口的連接在上一實(shí)例中進(jìn)行了描述，在本實(shí)例中不再重復(fù)。
本實(shí)例只介紹ATmega16單片機(jī)如何通過內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集外界輸入的模擬電壓。
1、ATmega16單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC介紹
由于單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，所以外部的模擬信號(hào)量需要轉(zhuǎn)變成數(shù)字量才能進(jìn)一步的由單片機(jī)進(jìn)行處理。ATmega16內(nèi)部集成有一個(gè)10位逐次比較（successive approximation）ADC電路。因此使用AVR可以非常方便的處理輸入的模擬信號(hào)量。
ATmega16的ADC與一個(gè)8通道的模擬多路選擇器連接，能夠?qū)σ訮ORTA作為ADC輸入引腳的8路單端模擬輸入電壓進(jìn)行采樣，單端電壓輸入以0V（GND）為參考。另外還支持16種差分電壓輸入組合，其中2種差分輸入方式（ADC1，ADC0和ACD3，ADC2）帶有可編程增益放大器，能在A/D轉(zhuǎn)換前對(duì)差分輸入電壓進(jìn)行0dB（1×），20dB（10×）或46dB（200×）的放大。還有七種差分輸入方式的模擬輸入通道共用一個(gè)負(fù)極（ADC1），此時(shí)其它任意一個(gè)ADC引腳都可作為相應(yīng)的正極。若增益為1×或10×，則可獲得8位的精度。如果增益為200×，那么轉(zhuǎn)換精度為7位。
AVR的ADC功能單元由獨(dú)立的專用模擬電源引腳AVcc供電。AVcc和Vcc的電壓差別不能大于±0.3V。ADC轉(zhuǎn)換的參考電源可采用芯片內(nèi)部的2.56V參考電源，或采用AVcc，也可使用外部參考電源。使用外部參考電源時(shí)，外部參考電源由引腳ARFE接入。使用內(nèi)部電壓參考源時(shí)，可以通過在AREF引腳外部并接一個(gè)電容來提高ADC的抗噪性能。
ADC功能單元包括采樣保持電路，以確保輸入電壓在ADC轉(zhuǎn)換過程中保持恒定。ADC通過逐次比較（successive approximation）方式，將輸入端的模擬電壓轉(zhuǎn)換成10位的數(shù)字量。最小值代表地，最大值為AREF引腳上的電壓值減1個(gè)LSB。可以通過ADMUX寄存器中REFSn位的設(shè)置，選擇將芯片內(nèi)部參考電源（2.56V）或AVcc連接到AREF，作為A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓。這時(shí)，內(nèi)部電壓參考源可以通過外接于AREF引腳的電容來穩(wěn)定，以改進(jìn)抗噪特性。
模擬輸入通道和差分增益的選擇是通過ADMUX寄存器中的MUX位設(shè)定的。任何一個(gè)ADC的輸入引腳，包括地（GND）以及內(nèi)部的恒定能隙（fixed bandgap）電壓參考源，都可以被選擇用來作為ADC的單端輸入信號(hào)。而ADC的某些輸入引腳則可選擇作為差分增益放大器的正、負(fù)極輸入端。當(dāng)選定了差分輸入通道后，差分增益放大器將兩輸入通道上的電壓差按選定增益系數(shù)放大，然后輸入到ADC中。若選定使用單端輸入通道，則增益放大器無效。
通過設(shè)置ADCSRA寄存器中的ADC使能位ADEN來使能ADC。在ADEN沒有置“1”前，參考電壓源和輸入通道的選定將不起作用。當(dāng)ADEN位清“0”后，ADC將不消耗能量，因此建議在進(jìn)入節(jié)電休眠模式前將ADC關(guān)掉。
ADC將10位的轉(zhuǎn)換結(jié)果放在ADC數(shù)據(jù)寄存器中（ADCH和ADCL）。默認(rèn)情況下，轉(zhuǎn)換結(jié)果為右端對(duì)齊（RIGHT ADJUSTED）的。但可以通過設(shè)置ADMUX寄存器中ADLAR位，調(diào)整為左端對(duì)齊（LEFT ADJUSTED）。如果轉(zhuǎn)換結(jié)果是左端對(duì)齊，并且只需要8位的精度，那么只需讀取ADCH寄存器的數(shù)據(jù)作為轉(zhuǎn)換結(jié)果就達(dá)到要求了。否則，必須先讀取ADCL寄存器，然后再讀取ADCH寄存器，以保證數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容是同一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。因?yàn)橐坏〢DCL寄存器被讀取，就阻斷了ADC對(duì)ADC數(shù)據(jù)寄存器的操作。這就意味著，一旦指令讀取了ADCL，那么必須緊接著讀取一次ADCH；如果在讀取ADCL和讀取ADCH的過程中正好有一次ADC轉(zhuǎn)換完成，ADC的2個(gè)數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容是不會(huì)被更新的，該次轉(zhuǎn)換的結(jié)果將丟失。只有當(dāng)ADCH寄存器被讀取后，ADC才可以繼續(xù)對(duì)ADCL和ADCH寄存器操作更新。
ADC有自己的中斷，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)中斷將被觸發(fā)。盡管在順序讀取ADCL和ADCH寄存器過程中，ADC對(duì)ADC數(shù)據(jù)寄存器的更新被禁止，轉(zhuǎn)換的結(jié)果丟失，但仍會(huì)觸發(fā)ADC中斷。
2、ATmwga16單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC相關(guān)的I/O寄存器
1．ADC多路復(fù)用器選擇寄存器—ADMUX

1. 位7，6—REFS[1:0]：ADC參考電源選擇

REFS1、REFS2用于選擇ADC的參考電壓源，見表6.2.1。如果這些位在ADC轉(zhuǎn)換過程中被改變，新的選擇將在該次ADC轉(zhuǎn)換完成后（ADCSRA中的ADIF被置位）才生效。一旦選擇內(nèi)部參考源（AVcc、2.56V）為ADC的參考電壓后，AREF引腳上不得施加外部的參考電源，只能與GND之間并接抗干擾電容。

1. 位5—ADLAR：ADC結(jié)果左對(duì)齊選擇

ADLAR位決定轉(zhuǎn)換結(jié)果在ADC數(shù)據(jù)寄存器中的存放形式。寫“1”到ADLAR位，將使轉(zhuǎn)換結(jié)果左對(duì)齊（LEFT ADJUST）；否則，轉(zhuǎn)換結(jié)果為右對(duì)齊（RIGHT ADJUST）。無論ADC是否正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換，改變ADLAR位都將會(huì)立即影響ADC數(shù)據(jù)寄存器。

1. 位4..0—MUX4:0：模擬通道和增益選擇

這5個(gè)位用于對(duì)連接到ADC的輸入通道和差分通道的增益進(jìn)行選擇設(shè)置，詳見表6.2.2。注意，只有轉(zhuǎn)換結(jié)束后（ADCSRA的ADIF是“1”），改變這些位才會(huì)有效。

   本實(shí)例中我們需要設(shè)置ADC的參考電壓源為AVcc，即REFS0設(shè)置為1，ADC默認(rèn)轉(zhuǎn)換結(jié)果為右對(duì)齊，我們不需要改變，模擬通道選擇ADC0通道單端輸入，即MUX4:0。
2．ADC控制和狀態(tài)寄存器A—ADCSRA

1. 位7—ADEN：ADC使能

該位寫入“1”時(shí)使能ADC，寫入“0”關(guān)閉ADC。如在ADC轉(zhuǎn)換過程中將ADC關(guān)閉，該次轉(zhuǎn)換隨即停止。

1. 位6—ADSC：ADC轉(zhuǎn)換開始

在單次轉(zhuǎn)換模式下，置該位為“1”，將啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換。在自由連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，該位寫入“1”將啟動(dòng)第一次轉(zhuǎn)換。先置位ADEN位使能ADC，再置位ADSC；或置位ADSC的同時(shí)使能ADC，都會(huì)使能ADC開始進(jìn)行第一次轉(zhuǎn)換。第一次ADC轉(zhuǎn)換將需要25個(gè)ADC時(shí)鐘周期，而不是常規(guī)轉(zhuǎn)換的13個(gè)ADC時(shí)鐘周期，這是因?yàn)榈谝淮无D(zhuǎn)換需要完成對(duì)ADC的初始化。
在ADC轉(zhuǎn)換的過程中，ADSC將始終讀出為“1”。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，它將轉(zhuǎn)變?yōu)椤?”。強(qiáng)制寫入“0”是無效的。

1. 位5—ADATE：ADC自動(dòng)轉(zhuǎn)換觸發(fā)允許

當(dāng)該位被置為“1”時(shí)，允許ADC工作在自動(dòng)轉(zhuǎn)換觸發(fā)工作模式下。在該模式下，在觸發(fā)信號(hào)的上升沿時(shí)ADC將自動(dòng)開始一次ADC轉(zhuǎn)換過程。ADC的自動(dòng)轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號(hào)源由SFIOR寄存器中的ADTS位選擇確定。

1. 位4—ADIF：ADC中斷標(biāo)志位

當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換完成并且ADC數(shù)據(jù)寄存器被更新后該位被置位。如果ADIE位（ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷允許）和SREG寄存器中的I位被置“1”，ADC中斷服務(wù)程序?qū)⒈粓?zhí)行。ADIF在執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理向量時(shí)被硬件自動(dòng)清零。此外，ADIF位可以通過寫入邏輯“1”來清零。

1. 位3—ADIE：ADC中斷允許

當(dāng)該位和SREG寄存器中的I位同時(shí)被置位時(shí)，允許ADC轉(zhuǎn)換完成中斷。

1. 位2，0—ADPS[2:0]：ADC預(yù)分頻選擇

這些位決定了XTAL時(shí)鐘與輸入到ADC的ADC時(shí)鐘之間分頻數(shù)，見表6.2.3。

本實(shí)例中我們需要使能ADC，即ADEN設(shè)置為1，我們不用自動(dòng)轉(zhuǎn)換，也不需要中斷，所以，ADTE、ADIE位不需要設(shè)置。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。本例中使用的時(shí)鐘是12M的，所以要將時(shí)鐘64分頻，分頻后ADC頻率為188KHz，即時(shí)鐘分頻選擇ADPS[2:0]=6。

3．ADC數(shù)據(jù)寄存器—ADCL和ADCH

1. ADLAR = 0，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果右對(duì)齊時(shí)，ADC結(jié)果的保存方式

1. ADLAR = 1，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果左對(duì)齊時(shí)，ADC結(jié)果的保存方式

當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換完成后，可以讀取ADC寄存器的ADC0-ADC9得到ADC的轉(zhuǎn)換的結(jié)果。如果是差分輸入，轉(zhuǎn)換值為二進(jìn)制的補(bǔ)碼形式。一旦開始讀取ADCL后，ADC數(shù)據(jù)寄存器就不能被ADC更新，直到ADCH寄存器被讀取為止。因此，如果結(jié)果是左對(duì)齊（ADLAR=1），且不需要大于8位的精度的話，僅僅讀取ADCH寄存器就足夠了。否則，必須先讀取ADCL寄存器，再讀取ADCH寄存器。ADMUX寄存器中的ADLAR位決定了從ADC數(shù)據(jù)寄存器中讀取結(jié)果的格式。如果ADLAR位為“1”，結(jié)果將是左對(duì)齊；如果ADLAR位為“0”（默認(rèn)情況），結(jié)果將是右對(duì)齊。
4．特殊功能I/O寄存器—SFIOR

1. 位7..5—ADTS[2:0]：ADC自動(dòng)轉(zhuǎn)換觸發(fā)源選擇

當(dāng)ADCSRA寄存器中的ADATE為“1”，允許ADC工作在自動(dòng)轉(zhuǎn)換觸發(fā)工作模式時(shí)，這3位的設(shè)置用于選擇ADC的自動(dòng)轉(zhuǎn)換觸發(fā)源。如果禁止了ADC的自動(dòng)轉(zhuǎn)換觸發(fā)(ADATE為“0”)，這3個(gè)位的設(shè)置值將不起任何作用。

本例中我們不使用自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，所以該寄存器可以不必設(shè)置。
6.2.3、電路
本實(shí)例的電路包括232電平轉(zhuǎn)換電路和電阻分壓電路，這兩種電路在前面的實(shí)例中均做過介紹，這里不再重復(fù)。
1、電路原理
在本實(shí)例中利用MAX3232芯片使單片機(jī)輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS232電平，從而使計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別。同時(shí)將計(jì)算機(jī)輸出的RS232電平轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別的TTL電平。
利用電位器產(chǎn)生電阻分壓電路，從而產(chǎn)生變化的模擬電壓加到單片機(jī)的模擬信號(hào)采集端口，供單片機(jī)采集。
2、電路連接
電路中MAX3232芯片的9、10引腳分別連接單片機(jī)的PD0、PD1端口，MAX3232的13、14引腳分別連接計(jì)算機(jī)串口線的3、2腳。
電位器RP2的動(dòng)片引腳連接單片機(jī)的模擬信號(hào)采集通道PA0（ADC0）。
3、特別說明
本學(xué)習(xí)板采用的是串口插座是公頭的，所以與計(jì)算機(jī)相連的串口連接線應(yīng)該是交叉串口線，而不是串口延長線。
6.2.4、程序設(shè)計(jì)
1、程序功能
程序的功能是通過單片機(jī)的串行接口，將單片機(jī)采集到的模擬電壓值發(fā)送到計(jì)算機(jī)中，通過計(jì)算機(jī)上的串口助手顯示采集的電壓值。   
● 單片機(jī)串行接收中斷的編程
在本例中，我們用到了單片機(jī)的串行接收中斷，需要編寫串行接收中斷服務(wù)程序，通過查詢WINAVR（GCC）的中斷庫函數(shù)手冊(cè)，可以查找到ATmega16單片機(jī)串行接收中斷的中斷向量為USART_RXC_vect。據(jù)此我們可以編寫串行接收中斷服務(wù)程序，如下：
//接收中斷函數(shù)
ISR(USART_RXC_vect )
{
unsigned char Rev;
Rev = UDR;              //從USART I/O數(shù)據(jù)寄存器－UDR中讀出數(shù)據(jù)
Usart_PutChar(Rev);    //將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送
}
在中斷服務(wù)程序中，我們首先把單片機(jī)串口接收到的數(shù)據(jù)放入變量Rev中，然后調(diào)用上一實(shí)例中編寫的串行接口字節(jié)發(fā)送函數(shù)將變量Rev中的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。
2、 單片機(jī)與計(jì)算機(jī)串行通信結(jié)果的觀察
在觀察本例運(yùn)行結(jié)果時(shí)，我們同樣要用到串口助手，本例中，單片機(jī)發(fā)送串口數(shù)據(jù)采用的波特率是9600bps，數(shù)據(jù)格式是8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)。在串口助手里面，我們也要將波特率和數(shù)據(jù)格式設(shè)置成一樣的。
3、函數(shù)說明
本實(shí)例用到了6個(gè)函數(shù)，分別是：
void Port_Init(void);   //端口初始化配置
void Usart_Init(void);  //USART寄存器設(shè)置
void AD_Init(void);    //AD初始化
void Usart_PutChar(unsigned char cTXData);  //字節(jié)發(fā)送函數(shù)
void Usart_PutString(unsigned char *pcString);  // 字符串發(fā)送數(shù)據(jù)
unsigned int AD_GetData(void);    //AD轉(zhuǎn)換函數(shù)  
4、使用WINAVR開發(fā)環(huán)境，在本例中我們使用的是外部12M的晶振，所以需要將MAKEFILE文件中的時(shí)鐘頻率修改為12M。另外在程序燒錄到單片機(jī)的時(shí)候，熔絲位也要選擇為外部12M晶振（注意是晶振，不是外部振蕩器，一定不要選擇錯(cuò)了，否則會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)不能再燒寫程序）。
5、程序代碼
[code="CSHARP"]

#include <avr/io.h>       
#include <util/delay.h>
#include <avr/interrupt.h>   //中斷函數(shù)頭文件

//常量聲明
#define BAUD 9600         //波特率設(shè)置值

//全局變量聲明
unsigned int ADData;          //AD轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)據(jù)

//函數(shù)聲明
void Port_Init(void);   //端口初始化配置
void Usart_Init(void);  //USART寄存器設(shè)置
void AD_Init(void);    //AD初始化
void Usart_PutChar(unsigned char cTXData);  //字節(jié)發(fā)送函數(shù)
void Usart_PutString(unsigned char *pcString);  // 字符串發(fā)送數(shù)據(jù)
unsigned int AD_GetData(void);    //AD轉(zhuǎn)換函數(shù)

int main(void)           
{
unsigned char Delay3s;

       Port_Init();
Usart_Init();
AD_Init();

Usart_PutString("AD轉(zhuǎn)換測(cè)試程序");
Usart_PutString("測(cè)得ADC0通道的電壓值為：");

sei();          //使能全局中斷 

while(1)
{
ADData = (int)((long)AD_GetData() * 5010 / 1024);         //將獲得的AD值轉(zhuǎn)換為電壓值
//單位為mv。

Usart_PutChar(ADData / 1000 + 0x30);      //得到電壓值的千位并發(fā)送
Usart_PutChar('.');                          //發(fā)送小數(shù)點(diǎn)
Usart_PutChar(ADData % 1000 / 100 + 0x30);   //得到電壓值的百位并發(fā)送
Usart_PutChar(ADData % 100 / 10 + 0x30);    //得到電壓值的十位并發(fā)送
Usart_PutChar(ADData % 10 + 0x30);     //得到電壓值的個(gè)位并發(fā)送
Usart_PutChar('V');                  //發(fā)送電壓符號(hào)“V”

Usart_PutChar(0x0d);     //
Usart_PutChar(0x0a);     //  AD值發(fā)送結(jié)束，回車換行

for(Delay3s = 0;Delay3s < 30;Delay3s++)     //延時(shí)3S
{
_delay_ms(90);
}
}
}

//端口狀態(tài)初始化設(shè)置函數(shù)
void Port_Init()
{
PORTA = 0X00;         
DDRA = 0x00;   //ADC通道設(shè)置為輸入口，高阻態(tài)    

}

//USART寄存器配置函數(shù)
void Usart_Init()
{
UCSRA = 0X00;   
UCSRC |= (1<<URSEL) | (1 << UCSZ1) | (1 << UCSZ0);  //異步，數(shù)據(jù)格式8，N，1
//UCSRC寄存器與UBRRH寄存器共用相同的I/O地址,寫 UCSRC 時(shí)， URSEL 應(yīng)設(shè)置為 1。
UBRRL = (F_CPU / BAUD / 16 - 1) % 256;    //波特率設(shè)置
UBRRH = (F_CPU / BAUD / 16 - 1) / 256;       
UCSRB |= (1 << RXCIE) | (1 << RXEN) | (1 << TXEN);    //發(fā)送使能

}

//字節(jié)發(fā)送函數(shù)
void Usart_PutChar(unsigned char cTXData)
{
while( !(UCSRA & (1 << UDRE)) );  //只有數(shù)據(jù)寄存器為空時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)
UDR = cTXData;                   //發(fā)送數(shù)據(jù)送USART I/O數(shù)據(jù)寄存器－UDR
}

//接收中斷函數(shù)
ISR(USART_RXC_vect )
{
unsigned char Rev;
Rev = UDR;              //從USART I/O數(shù)據(jù)寄存器－UDR中讀出數(shù)據(jù)
Usart_PutChar(Rev);    //將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送
}

void Usart_PutString(unsigned char *pcString)
{
while (*pcString)
{
Usart_PutChar(*pcString++);  
}
Usart_PutChar(0x0D);
Usart_PutChar(0x0A);  //結(jié)尾發(fā)送回車換行
}

//AD轉(zhuǎn)換初始化函數(shù)
void AD_Init()
{
ADMUX |= (1 << REFS0);     //ADC參考電壓為AVcc，ADC結(jié)果右對(duì)齊，選擇通道ADC0
ADCSRA |= (1 << ADEN) | (1 << ADPS2) | (1 << ADPS1); //使能AD轉(zhuǎn)換，ADC時(shí)鐘64分頻
}

//AD轉(zhuǎn)換函數(shù)
unsigned int AD_GetData()
{
ADCSRA |= (1 << ADSC);     //開始AD轉(zhuǎn)換
while(!(ADCSRA & (1 << ADIF)));    //等待轉(zhuǎn)換完成
ADCSRA |= (1 << ADIF);              //清零ADC中斷標(biāo)志位

return ADC;        //返回ADC值
}

[/code]

附錄：ADC應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1．預(yù)分頻與轉(zhuǎn)換時(shí)間
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開始工作），預(yù)分頻器就啟動(dòng)開始計(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)鐘的上升沿開始。一次正常的A/D轉(zhuǎn)換開始時(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)換過程中的安全點(diǎn)被改變。在ADC轉(zhuǎn)換開始前，通道和參考電源可以不斷被更新，一旦轉(zhuǎn)換開始，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始重新更新。注意，由于A/D轉(zhuǎn)換開始于置位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。通過改變ADMUX中的REFS1、REFS0來更改參考電源后，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。

1. 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VREF，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果接近于0x3FF。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通過一個(gè)無源開關(guān)連接到ADC。內(nèi)部2.56V參考源是由內(nèi)部能隙參考源（VBC）通過內(nèi)部的放大器產(chǎn)生的。注意，無論選用什么內(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?？梢酝ㄟ^使用高阻電壓表測(cè)量AREF引腳，來獲得參考電源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。
3．ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果
A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后（ADIF = 1），在ADC數(shù)據(jù)寄存器（ADCL和ADCH）中可以取得轉(zhuǎn)換的結(jié)果。對(duì)于單端輸入的A/D轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換結(jié)果為：
ADC =（VIN×1024）/ VREF
其中VIN表示選定的輸入引腳上的電壓，VREF表示選定的參考電源的電壓。0x000表示輸入引腳的電壓為模擬地，0x3FF表示輸入引腳的電壓為參考電壓值減去一個(gè)LSB。
對(duì)于差分轉(zhuǎn)換，其結(jié)果為：
ADC=(VPOS-VNEG) ×GAIN×512/VREF
例：若差分輸入通道選擇為ADC3-ADC2，10倍增益，參考電壓2.56V，左端對(duì)齊（ADMUX=0xED），ADC3引腳上電壓300mV，ADC2引腳上電壓500mV。
則ADCR =（300-500）×10×512 / 2560 = -400 = 0x270
ADCL=0x00，ADCH=0x9C。
若結(jié)果為右端對(duì)齊時(shí)（ADLAR=“0”），則ADCL=0x70，ADCH=0x02。

附錄2、ADC應(yīng)用設(shè)計(jì)的深入討論
盡管AVR內(nèi)部集成了10位的ADC，但是在實(shí)際應(yīng)用中，要想真正實(shí)現(xiàn)10位精度，比較穩(wěn)定的ADC的話，并不象上一節(jié)中的例子那么簡單。需要進(jìn)一步從硬件、軟件等方面進(jìn)行綜合的、細(xì)致的考慮。下面介紹一些在ADC設(shè)計(jì)應(yīng)用中應(yīng)該考慮的幾個(gè)要點(diǎn)。
1．AVcc的穩(wěn)定性。
AVcc是提供給ADC工作的電源，如果AVcc不穩(wěn)定，就會(huì)影響ADC的轉(zhuǎn)換精度。在圖10-5中，系統(tǒng)電源通過一個(gè)LC濾波后接入AVcc，這樣就能很好的抑制掉系統(tǒng)電源中的高頻躁聲，提高了AVcc的穩(wěn)定性。另外在要求比較高的場(chǎng)合使用ADC時(shí)，PA口上的那些沒被用做ADC輸入的端口盡量不要作為數(shù)字I/O口使用。因?yàn)镻A口的工作電源是由AVcc提供的，如果PA口上有比較大的電流波動(dòng)，也會(huì)影響AVcc的穩(wěn)定。
2．參考電壓VREF的選擇確定
在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)輸入測(cè)量電壓的范圍選擇正確的參考電壓VREF，以求得到比較好的轉(zhuǎn)換精度。ADC的參考電壓VREF還決定了A/D轉(zhuǎn)換的范圍。如果單端通道的輸入電壓超過VREF，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果全部接近于0x3FF，因此ADC的參考電壓應(yīng)稍大于模擬輸入電壓的最高值。
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。外接參考電壓應(yīng)該穩(wěn)定，并大于2.0V（芯片的工作電壓為1.8V時(shí)，外接參考電壓應(yīng)大于1.0V）。要求比較高的場(chǎng)合，建議在AREF引腳外接標(biāo)準(zhǔn)參考電壓源來作為ADC的參考電源。
3. ADC通道帶寬和輸入阻抗
不管使用單端輸入轉(zhuǎn)換還是差分輸入轉(zhuǎn)換方式，所有模擬輸入口的輸入電壓應(yīng)在AVcc-GNG之間。
在單端ADC轉(zhuǎn)換方式時(shí)，ADC通道的輸入頻率帶寬取決于ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率。一次常規(guī)的ADC轉(zhuǎn)換需要13個(gè)ADC時(shí)鐘，當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘為1MHz時(shí)，一秒種內(nèi)ADC采樣轉(zhuǎn)換的次數(shù)約77K。根據(jù)采樣定理，此時(shí)ADC通道的帶寬為38.5KHz。
差分方式ADC轉(zhuǎn)換的帶寬是由芯片內(nèi)部的差分放大器的帶寬決定，為4KHz。
AVR的ADC輸入阻抗典型值為100MΩ，為保證測(cè)量的準(zhǔn)確，被測(cè)信號(hào)源的輸出阻抗要盡可能的低，應(yīng)在10K以下。
4. ADC采樣時(shí)鐘的選擇
通常條件下，AVR的ADC逐次比較電路要達(dá)到轉(zhuǎn)換的最大精度，需要一個(gè)50K～200KHz的采樣時(shí)鐘。一次正常的ADC轉(zhuǎn)換過程需要13個(gè)采樣時(shí)鐘，假定ADC采樣時(shí)鐘為200KHz，那么最高的采樣速率為200K/13=15.384K。因此根據(jù)采樣定理，理論上被測(cè)模擬信號(hào)的最高頻率為7.7K！
盡管可以設(shè)置ADC的采樣時(shí)鐘為1M，但并不能提高ADC轉(zhuǎn)換精度，反而會(huì)降低轉(zhuǎn)換精度（受逐次比較硬件電路的限制），因此AVR的ADC不能完成高速ADC的任務(wù)。如果所需的轉(zhuǎn)換精度低于10位，那么采樣時(shí)鐘可以高于200KHz，以達(dá)到更高的采樣頻率。
ADC采樣時(shí)鐘的選擇方式為：給出或估計(jì)被測(cè)模擬信號(hào)的最高頻率fs，取采樣頻率為fs的4-10倍，再乘上13為ADC采樣時(shí)鐘頻率，該頻率應(yīng)在50K～200KHz之間。 如果該頻率大于200KHz，則ADC的10位精度不能保證。如果該頻率小于50Khz，則可選擇50K～200KHz之間的數(shù)值。
5．模擬噪聲的抑制
器件外部和內(nèi)部的數(shù)字電路會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，并會(huì)影響模擬測(cè)量的精度。如果ADC轉(zhuǎn)換精度要求很高，可以采用以下的技術(shù)來降低噪聲的影響：
（1）使模擬信號(hào)的通路盡可能的短。模擬信號(hào)連線應(yīng)從模擬地的布線盤上通過，并使它們盡可能遠(yuǎn)離高速開關(guān)數(shù)字信號(hào)線。
（2）AVR的AVcc引腳應(yīng)該通過LC網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字端電源Vcc相連。
（3）采用ADC噪聲抑制器功能來降低來自MCU內(nèi)部的噪聲。
（4）如果某些ADC引腳是作為通用數(shù)字輸出口使用，那么在ADC轉(zhuǎn)換過程中，不要改變這些引腳的狀態(tài)。
6．ADC的校正
由于AVD內(nèi)部ADC部分的放大器非線性等客觀原因，ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果會(huì)有誤差的。如果要獲得高精度的ADC轉(zhuǎn)換，還需要對(duì)ADC結(jié)果進(jìn)行校正。具體的方法請(qǐng)參考AVR應(yīng)用筆記AVR120（avr_app_120.pdf），在這篇應(yīng)用設(shè)計(jì)參考中詳細(xì)介紹了誤差的種類，以及校正方案。
7．ADC精度的提高
在有了上述幾點(diǎn)的保證后，通過軟件的手段也能適當(dāng)?shù)奶岣逜DC的精度。如采用多次測(cè)量取平均，軟件濾波算法等。在AVR應(yīng)用筆記AVR121（avr_app_121.pdf）中介紹了一種使用過采樣算法的軟件實(shí)現(xiàn)，可以將ADC的精度提高到11位或更高，當(dāng)然這是在花費(fèi)更多的時(shí)間基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。