KT-M128 Peripheral Device

ADC

2010. 8. 10 조 승훈

Reference: AVR ATmega128 정복 , ohm 사Atmega128 Datasheet, Atmel 사

INDEX• Overview

• 관련 레지스터

• Clock 의 선택

• Timing

• A/D 변환 결과 및 오차

• 잡음 제거 방법

• Source Code

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Overview• 실생활에서 연속적으로 측정되는 신호를 (Analog)

프로세서가 읽을 수 있도록 디지털 신호로 변환해주는 장치

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변환

VV

t

0

Analog signal

연속적인 전압신호t

0

Digital signal

이산적인 전압신호

Overview• ADC 의 종류

– 적분 방식 : 저속으로 변환• 전압 시간 변환형• 이중 적분형• 전압 주파수 변환형

– 비교 방식 : 적분 방식에 비해 고속으로 변환• 축차 비교형 ( 연속 근사형 )• 추종 비교형• 병렬 비교형

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Overview• 적분 방식 ADC

– 전압 시간 변환형• 기준 신호를 적분한 것과 샘플링 된 입력 전압을 비교• 입력전압의 크기에 비례하는 계수 시간을 결정• 그 시간 동안 기준 펄스의 수를 계수하여 변환• 비교적 간단• 빠른 속도와 높은 정확도를 기대하기 힘듦

– 이중 적분형• 샘플링 된 + 의 입력 전압을 미리 설정 된 일정한 시간동안 적분• 적분 된 값을 초기값으로 –의 기준 신호를 적분한 값이 0 에 도달 할 때까지

기준 펄스의 수를 계수하여 변환• 전압 시간 변환형보다는 안정되어 있음• 디지털 전압계 등에 많이 활용 됨

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Overview• 비교 방식 ADC

– 축차 비교형 ( 연속 근사형 ) : Successive Approximation ADC• 샘플링 회로 , D/C 변환기 , 연속근사 레지스터 , 비교기로 구성• MSB 를 1 로 설정• 입력 신호와 비교하여 MSB 를 경정하기 시작• 계속해서 다음 상위 bit 를 결정• nbit 의 경우 n 번의 비교로 변환 완료• 변환 시간이 100us 이하 • 일반적인 응용에 널리 사용 • 내셔날 세미 컨덕터사의 ADC08 시리즈가 8bit 축자형 ADC 의 대표적 임

6축차 비교형 ADC Block Diagram SAR Logic Flow

Overview• A/D 변환 과정

① 전처리 : 아날로그 신호에 포함 된 잡음 제거 , 신호의 대역폭을 제한하여 Aliasing 을 감소 시킴

② 표본화 : 신호에 포함 된 최고 주파수 성분 주기의 ½ 보다 작은 주기로 신호 값을 취하여 저장

③ 양자화 : 표본화 된 값을 소구간으로 분할하여 유한한 단계의 유한한 자리수를 갖는 불연속적인 대표값에 할당• 표본화 된 아날로그 신호는 연속적인 양이기 때문에 이진화하면 무한한

자리수를 요구 할 수 있음• 양자화 단계의 개수가 많으면 실제 값과 대표 값의 차인 양자화 오차

감소하지만 디지털 출력의 비트 수 중가 , 이를 처리하기 위한 시간 및 장치를 요구

④ 부호화 : 양자화 된 값에 2 진 디지털 코드를 부여

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Overview• Sampling [ 표본화 ]

– 아날로그 신호를 일정주기로 추출하는 과정 연속 시간 -> 이산 시간

8

V

t0

Sampling 을 많이할수록 더욱 정확한 디지탈변환값을 얻을 수 있다 .

t0

28

V

15

26

37

40

38

34 2

01 2 3 4 5 6 7 8

t

V

0

15

18

24

30

34

37

38

40

38

37

35

34

30

29

24

22

18

15

140.

5 1 1.5 2 2.

5 3 3.5 4 4.

5 5 5.5 6 6.

5 7 7.5 8 8.

5 9

Overview• Quantizing [ 양자화 ]

– 표본화된 각각의 신호를 대표 값으로 변환하는 과정 연속적인 신호의 크기 -> 이산적인 신호의 크기

9

분해능 8bit 10bit

표현개수

256 개 [0~255]

1024 개 [0~1023]

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0V

0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0.00488V

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5V

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2.5V

0 0 0 0 0 0 0 0 0V

0 0 0 0 0 0 0 1 0.01953V

1 0 0 0 0 0 0 0 2.5V

1 1 1 1 1 1 1 1 5V

분해능이 클수록 표현할 수 있는 크기가 세밀해진다 .

Overview• Atmega128 의 ADC

– 8 채널– 10bit 분해능– 축자비교형– 내부 아날로그 멀티플렉서 탑재– 샘플 / 홀드 회로 탑재

• A/D 동작 중 전압 고정화

– 단극성 아날로그 입력 / 차동 입력 선택 가능– 차동입력에서 10 배 ~200 배의 증폭 A/D 가능– PortF 는 아날로그 비교기 기능으로 사용 가능– 0~VREF 범위의 전압 입력 (VREF 는 VCC 를 초과 할 수 없음 )

– 변환 시간 (13us ~ 260us – 50kHz ~ 200kHz)

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Overview

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외부 기준 전압

아날로그 전원 단자

내부 기준 전압

8 채널 10bit,아날로그입력 단자 ,Portf 의 특수기능

PRESCALER 의 출력 주파수의 반을 넘어서는 안됨( 나이퀴스트의 정리 )

Overview

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Overview• ADC 의 동작 순서

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A/D 컨버터 초기화 설정

A/D 컨버터 스타트(ADC 시작신호 :ADSC)

A/D 변환

A/D 변환 완료( 변환값을 ADCH/L 에 저장 )

A/D 변환 완료 인터럽트 요청

ADC 상태플래그 셋(AIDF = 1)

ADC 다음 동작 결정( 단일 /연속동작 )

• ADC 활성화 (ADEN=1)• ADC 클럭설정 (ADPS 2~0)• ADC 기준전압설정 (REF 1~0)• ADC 입력채널설정 (MUX 4~0)• ADC 동작모드설정 (ADFR)• ADC 변환 완료 인터럽트 활성화(ADIE)

Overview• 신호 입력 방법

– 단극성 아날로그 입력 (Single ended)• GND 와 입력 신호 간의 차이를 변환• VREF : 2.0V ~ AVCC

• 아날로그 입력 전압의 범위 : GND ~ VREF

– 차동 아날로그 입력 (Differential)• - 입력 신호부터 + 입력 신호 간의 차이를 변환• 이 때 , ADC 단자 중 두 개를 이용하여 한 쪽은 -, 한 쪽은 + 신호를 입력• VREF : 2.0V ~ AVCC – 0.5• 아날로그 입력 전압의 범위 : GND ~ VCC

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관련 레지스터– ADCSRA (ADC Control & Status Register A)

– Bit 7 (ADEN, ADC Enable) • 1 : ADC 의 모든 동작 Enable• 0 : ADC 의 모든 동작 Disable

– Bit 6 (ADSC, ADC Start Conversion)• 1 : ADC 변환 시작 , Free-Running Mode 에서는 자동으로 반복

– Bit 5 (ADFR, ADC Free-Running Select)• 1 : ADC 를 Free-Running Mode 로 설정 ( 임의의 시간에 Data Read 가능 )

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관련 레지스터– ADCSRA (ADC Control & Status Register A)

– Bit 4 (ADIF, ADC Interrupt Flag)• A/D 변환이 완료되어 ADCH/ADCL 레지스터 값이 갱신되면 1 로 Set• 이후 , 변환완료 인터럽트 요청• Bit 3(ADIE) 과 SREG 의 Bit 8 이 1 로 Set 되어 있어야 함

– Bit 3 (ADIE, ADC Interrupt Enable)• A/D 변환완료 인터럽트를 개별적으로 허용

– Bit 2-0 (ADPS2-0, ADC Prescaler Select Bit)• ADC 에 인가되는 Clock 의 분주비를 선택• 우측 표 참고

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관련 레지스터– ADMUX (ADC Multiplexer Selection Register)

– Bit 7-6 (REFS1-0, Reference Selection Bit)• ADC 에서 사용하는 기준전압 선택• 우측 표 참고

– Bit 5 (ADLAR, ADC Left Adjust Result)• 1 : ADCH / ADCL 레지스터의 데이터가 좌측 정렬• 0 : ADCH / ADCL 레지스터의 데이터가 우측 정렬

– Bit 4-0 (MUX4-0, Analog Channel & Gain Selection Bit)• ADC 의 아날로그 입력 채널 선택 (8 가지의 단극성 입력 , 22 가지의 차동입력 )• 차동입력은 다시 4 가지로 나뉨

– ADC1 – ADC0 단자 사이의 차동 입력 (Gain 10 or 200)– ADC3 – ADC2 단자 사이의 차동 입력 (Gain 10 or 200)– ADC1 단자를 기준으로 한 8 가지의 차동 입력– ADC2 단자를 기준으로 한 6 사지의 차동 입력

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관련 레지스터– ADCH / ADCL (ADC Data Register)

– A/D 변환의 결과를 저장– 단극성 입력 : 10bit 양의 정수로 표시 (0 ~ 1023)– 차동 입력 : 10bit 2 의 보수로 표현 (-512 ~ +511)– 좌측 정렬은 하위 2bit 를 잘라내고 8bit 로 사용하고 싶을 때 유리

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Clock 의 선택– System Clock 을 Prescalar 로 분주하여 공급– ADCSRA 레지스터의 ADPS2-0Bit 를 이용하여 분주비 선택 가능– Prescalar 는 ADCSRA 레지스터의 ADEN bit 를 1 로 Set 해야만

동작

– 단극성 입력• 50kHz ~ 1000kHz 범위의 클록 사용

– 차동 입력• 50kHz ~ 200kHz 범위의 클록 사용

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Timing

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Timing

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Timing

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A/D 변환 결과• 단극성 입력 채널

– 10bit 양의 정수 표현법 사용– 0(0x0000) ~ 1023(0x03FF) 범위의 값을 가짐– 0x0000 = 아날로그 입력전압이 접지 (0V) 와 같음을 나타냄– 0x03FF = 아날로그 입력전압이 VREF 보다 1LSB 낮은 값임을

나타냄

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ADC 결과 레지스터(ADCH : ADCL)

멀티플렉서로 선택 된 단극성 아놀로그 입력 전압

선택 된 기준 전압

A/D 변환 결과• 차동 입력 채널

– 10bit 2 의 보수 표현법 사용– -512 (0x0200) ~ +511(0x01FF) 범위의 값을 가짐– GAIN 이 1 인 경우 , 0x0000 = 차동 입력 전압이 0V 임을 나타냄– 0x01FF = 차동 입력 전압이 VREF 보다 1LSB 낮음

– 0x0200 = 차동 입력 전압이 – VREF 와 같음

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선택 된 기준 전압

멀티플렉서로 선택된차동 아날로그 입력의 양극성 단자 전압

멀티플렉서로 선택된차동 아날로그 입력의 음극성 단자 전압

아날로그 전압의 이득1, 10, 200 중 하나

ADC 결과 레지스터(ADCH : ADCL)

A/D 변환 결과

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A/D 변환 결과

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A/D 변환 오차– 양자화 오차 (Quantization Error)

• 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하면서 생기는 변환의 한계• 대처 방안 : 분해능이 높은 ADC 사용으로 극복

– 오프셋 오차 (Offset Error)• 변환 결과가 이상적인 디지털 값에서 일정한 양만큼 벗어난 상태• 대처 방안 : 변환된 디지털 값에 일정한 값을 더하거나 빼서 교정

– 이득 오차 (Gain Error)• 변환 결과가 이상적인 디지털 값에서 일정한 양만큼 벗어난 상태• 대처 방안 : 변환된 디지털 값에 일정치 값을 곱하거나 나누어서 교정

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A/D 변환 오차– 비선형 오차 (Integral non-linearity Error)

• 변환 결과가 교정 될 수 없는 상태• 대처 방안 : 없음

– 차동 비선형 오차 (Differential non-linearity Error)• 변환 결과가 교정 될 수 없는 상태• 대처 방안 : 없음

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잡음 제거 방법– ADC 의 아날로그 입력은 최소한으로 짧게 함– 아날로그 전원 단자 AVCC 에는 디지털 전원 VCC 를 LC 필터로

안정화시켜 인가하는 것이 좋음– ADC 근처에서는 접지 단자 GND 와 디지털 전원 VCC 사이에도 충분한 바이패스 콘덴서를 달아 줌

– A/D 변환이 수행되는 동안에는 병렬 I/O Port 의 논리 상태를 스위칭하지 않는 것이 좋음

– 잡음에 대해 극도로 안정적인 A/D 변환이 필요한 경우에는 Idle Mode 또는 ADC Noise Reduction Mode 에서 A/D 변환을 수행하는 것도 권장 됨

– A/D 변환 결과가 잡음 등에 의하여 흔들리는 경우 , 디지털 필터를 사용하거나 여러 번 A/D 변환 결과를 읽어 들인 것을 평균처리 하는 것이 좋음

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잡음 제거 방법• VCC 를 LC 필터로 안정화시켜 , AVCC 에 인가하는 회로

• L = 10uH, C = 0.1uF 정도가 무난

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ADC Source CodeADC Source Code

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아날로그 전원 단자

=내부 전압

=기준 전압

=5V

Sampling

10bit Resolution = 최대 15Ksps 의 Sampling Rate15000 / 4 = 3750 sampling/sec

ADC Source Code#define F_CPU 16000000 //Clock Frequency : to use util/delay.h#define EX_SS_DATA (*(volatile unsigned char *)0x8002) //7seg

data#define EX_SS_SEL (*(volatile unsigned char *)0x8003) //7seg

digit#define EX_SS_SW (*(volatile unsigned char *)0x0036) //Switch#define led_out (*(volatile unsigned char *)0x8008) //LED

#include <avr/io.h>#include <avr/interrupt.h>#include <util/delay.h>

const char segment_data[10] = {63, 6,91,79,102,109,125,39,127,103}; // 0 to 9

unsigned char display_num[4]={0,0,0,0}; //7segment digitunsigned char digit_num=0;

void port_init(void){

PORTA = 0x00; DDRA = 0xFF; //1 출력 0 입력 to 7segment PORTB = 0x00; DDRB = 0x00; //Input from Switch PORTC = 0x00; DDRC = 0x0F; //Low 8bit output to 7segment PORTD = 0x00; DDRD = 0x0F; //Output to LED PORTE = 0x00; DDRE = 0x00; PORTF = 0x00; DDRF = 0x00; //Input from ADC PORTG = 0x00; DDRG = 0x00;}

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// TIMER0 initialize : prescale:64// WGM: Normal Mode// desired Clock : 1KHz// actual value : 1ms void timer0_init(void){

ASSR = 0x00; //set async mode TCNT0 = 0x06; //set count for 6 to 255

OCR0 = 0x00; //ignore TCCR0 = 0x04; //prescale 64}

//call this routine to initialize all peripheralsvoid init_devices(void){ //stop errant interrupts until set up

asm("cli"); //disable all interrupts port_init(); adc_init(); timer0_init();

MCUCR = 0x80; //enable interrupt TIMSK = 0x01; //timer interrupt sources (MASK) T/C0 Ovf

flag asm("sei"); //re-enable interrupts //all peripherals are now initialized}

ADC Source Code/

*********************************************************************

// ADCSRA// Bit 7 : ADEN - ADc ENable// Bit 6 : ADSC - ADc Start Conversion// Bit 5 : ADFR - ADc Free-Running selection// Bit 4 : ADIF - ADc Interrupt Flag// Bit 3 : ADIE - ADc Interrupt Enable// Bit 2 : ADPS - ADc Prescaler Select // Bit 0 : 2 to 0

// ADMUX// Bit 7 : REFS - Reference Selection (01 - Ext. AVCC) // Bit 6 : 7 to 6// Bit 5 : ADLAR - ADc Left Adjust Result// Bit 4 : MUX - Analog Channel and Gain Selection (default 00xxx)// Bit 0 : 4 to 0******************************************************************

****/void adc_init(void){

ADCSRA = 0x00; //disable adc ADMUX = 0x00; //select adc input 0 ACSR = 0x80; //set Analog Comparator disable ADCSRA = 0xC6; //set 1100_0110}

void startConvertion(unsigned char ch){ // 011_000xx

ADMUX = 0x60 | ch; //Channel Selection ( 0 to 3) ADCSRA = ADCSRA | 0xc0; //Enable ADC & Start ADC

}36

unsigned char readConvertData(void){

volatile unsigned char temp = 0;

while((ADCSRA & 0x10)==0); //wait ADC Complete INTtemp = ADCL; //ignore Lower 2-bittemp = ADCH; //get Upper 8-bitADCSRA = ADCSRA | 0x10; //INT clearreturn temp;

}

// Timer0 Overflow Interrupt Service Routine for 7Segment Digit Display

ISR(TIMER0_OVF_vect){ TCNT0 = 0x06; //reload counter value digit_num++; digit_num = digit_num % 4; //get Digit Selection Number

EX_SS_DATA = segment_data[display_num[digit_num]]; //get segment data

EX_SS_SEL = ~(0x01 << digit_num);//Digit Selection

}

16000000 / 64 = 250kHz

ADC Source Codeint main(){

volatile unsigned char adc_value; //ADC Result Valuevolatile unsigned char sw; //Switch Value

init_devices();EX_SS_SW = 0;

//sw 0 : Variable Register//sw 1 : IR Sensor//sw 2 : Temp Sensor//sw 3 : CDS Sensor while(1){

if(EX_SS_SW & 0xF) { //Check SW Button

switch(EX_SS_SW) //Convert SW to ADC

{ case 1: sw = 0; break; case 2: sw = 1; break; case 4: sw = 2; break; case 8: sw = 3; break; }

led_out = EX_SS_SW; //Display to LED }

//while(EX_SS_SW & 0xFF); //Post Channeling

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startConvertion(sw); //sw is ADC input Channel

adc_value = readConvertData();display_num[0] = (adc_value % 10000) / 1000;display_num[1] = (adc_value % 1000) / 100;display_num[2] = (adc_value % 100) / 10;display_num[3] = (adc_value % 10);_delay_ms(1000);

}return 0;

}

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Source Code

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