Analog-Digital-Converter

Der ADC wandelt ein analoges Signal in ein digitales Signal um. Folge dessen ist ein ADC immer ein Input. Die folgende Grafik veranschaulicht dies:

Theorie

Der ATmega328p verfügt über einen 10-bit ADC. Diese Funktionalität gibt ist allerdings nur auf Port C. Je nachdem, wie viel Spannung (Volt) an den korrespondierenden PIN (zum Beispiel PC5) anliegen, wandelt der ADC den analogen Wert in einen digitalen um, welcher zwischen 0 und 1023 (beides inkludiert) liegt. Dieser Wert kann über das Macro ADCW (besteht aus ADCL und ADCH) ausgelesen werden.

Referenzauswahl Bits

Es gibt verschiedene Arten der Stromversorgung für den ADC. Beim ATmega328p müssen Sie meistens REFS0 auf 1 und REFS1 auf 0 setzen, damit Sie die korrekte Auswahl treffen. Mehr Informationen befinden sich in der Tabelle 23-3 im Datenblatt.

Links- oder Rechtsbündig?

Der digitale Input, welcher auf Code-Ebene für unzählige Zwecke verwendet werden kann, wird in zwei Bytes gespeichert, weil sich 10-bit nicht in einem Byte ausgehen. Auf diese beiden Bytes kann man mit den Registern ADCL (lower Bit) und ADCH (higher Bit) zugreifen. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit mittels ADCW-Register auf die gesamten 16 Bit zuzugreifen. Ob die digitalen Daten nun auf der linken oder rechten Seite dieser 16 Bits gespeichert werden sollen, kann man mittels ADLAR-Register auswählen. Welche Vor- und Nachteile diese Auswahl hat, wird im Kapitel “effizienter ADC” erklärt.

PIN-Auswahl

Um zu bestimmen an welchen PIN (ausschließlich Port C möglich) der analoge Input anliegt, werden die MUXx-Bits verwendet. Diese vier Bits im ADMUX-Register werden vom MUX-Decoder in das korrespondierende PIN umgewandelt.

Folgende Tabelle und die Tabelle 23-4 im Datenblatt zeigen das Herausfinden der richtigen Konfiguration:

PIN	MUX0	MUX1	MUX2	MUX3
ADC0	0	0	0	0
ADC1	1	0	0	0
ADC2	0	1	0	0
ADC3	1	1	0	0
ADC4	0	0	1	0
ADC5	1	0	1	0

In diesem Beispiel wird der ADC für PC5 konfiguriert:

ADMUX |= (1<<MUX0) | (1<<MUX2);

Interrupt aktivieren

Der Ablauf einer ADC-Messung sieht meistens so aus:

1. Messung starten
2. ISR (Interrupt) wird aufgerufen
3. Messung abgeschlossen

Um diesen Ablauf zu erreichen, muss man den ADC aktivieren und anschließend so konfigurieren, dass der ADC das entsprechende Interrupt verwendet. Diese Konfiguration sieht auf Code-Ebene folgendermaßen aus:

// ADC Enable
ADCSRA |= (1<<ADEN);
// ADC Interrupt Enable
ADCSRA |= (1<<ADIE);

// Set Enable Interrupt
sei();

Und schon kann man die Messung starten:

ADCSRA |= (1<<ADSC);

Modes of Operation

Normal Mode

Beim normalen Modus muss die Konvertierung von analogen auf digitales Signal jedes mal manuell gestartet werden. Sobald die Messung abgeschlossen ist, wird die entsprechende ISR aufgerufen. Meistens startet man die nächste Messung direkt nach der Absolvierung des Durchlaufs des Interrupts.

int main(void)
{
    // Standardmäßig sowieso 0, deswegen optional
    ADCSRA &= ~(1<<ADATE);
    // ...

    sei();

    // erste Messung starten
    ADCSRA |= (1<<ADSC);
}

ISR(ADC_vect) {
    // Code - Digitaler Input als `ADCW` verfügbar

    // nächste Messung starten
    ADCSRA |= (1<<ADSC);
}

Free Running Mode

Es gibt die Möglichkeit den ADC so einzustellen, dass er so schnell wie er nur kann hintereinander unendlich oft automatisch getriggert wird. Dabei entsteht die Gefahr, dass bei einer länger andauernden Ausführung des ADC Interrupts die nächste Ausführung gestartet wird, bevor die aktuell Ausführung überhaupt fertig ist.

ADCSRA |= (1<<ADATE);

Prescaler

Der ADC beim ATmega328p benötigt nicht so einen schnellen Takt wie der Systemtakt. Aus diesem Grund, braucht man einen Prescaler, auch Division Factor genannt, welcher - wie der Name schon sagt, den Systemtakt durch eine konfigurierte Zahl dividiert.

Beim ATmega328p benötigen wir einen Division Factor von 128, damit der Systemtakt () zwischen und liegt.

Die Konfiguration auf Code-Ebene sieht dann folgendermaßen aus:

ADCSRA |= (1<<ADPS0) | (1<<ADPS1) | (1<<ADPS2);

Falls Sie nicht den ATmega328p verwenden, empfehlen wir einen Blick in die Tabelle 23-5.

effizienter ADC (8-bit Genauigkeit)

Wie vorhin bereits erwähnt hat das Data Register vom ADC beim ATmega328p 10-bit. Weil dies mehr als 8-bit sind, benötigt man zwei Bytes um die Informationen zu speichern. Diese beiden Register heißen ADCL und ADCH, was einerseits für das Low- und andererseits für das High-Byte steht. Kombiniert können die beiden Register mittels ADCW-Register ausgelesen werden. Dabei wird zuerst das Low Byte, anschließend das High Byte ausgelesen und schlussendlich beide geleert.

Außerdem kann man im ADC Multiplexer Selection Register (ADMUX-Register) das ADLAR auf 1 setzen, was dafür sorgt, dass der ADC das Ergebnis linksbündig in die beiden Register ADCL und ADCH hineinschreibt und nicht rechtsbündig, wie es standardmäßig geschieht. Für ein besseres Verständnis sehen Sie sich entweder die Bilder unten an oder lesen Sie die Register im Datenblatt nach.

Die Kombination dieser beiden Funktionalitäten erlauben das schnellere und effizientere Auslesen des Wertes vom ADC. Setzt man nämlich den ADLAR-Wert auf 1, sodass die Most Significant Bits im ADCH stehen, kann man den ADCH-Wert direkt auslesen und erspart sich die Leseoperation vom ADCL-Wert. Allerdings muss man eine geringere Genauigkeit in Kauf nehmen, weil die beiden Least Significant Bits nicht ausgelesen werden (ADC0 und ADC1). Dies bedeutet, dass drei von vier ADCW-Werten abgerundet sind und der maximale Wert deswegen 1020 ist.

Aufbau

Code

#define F_CPU 16000000

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

int main(void)
{
    ADMUX |= (1<<REFS0);
    ADMUX |= (1<<MUX0) | (1<<MUX2);

    ADCSRA |= (1<<ADEN) | (1<<ADIE);
    ADCSRA |= (1<<ADPS0) | (1<<ADPS1) | (1<<ADPS2);

    // optional:
    ADCSRA |= (1<<ADATE);

    sei();

    ADCSRA |= (1<<ADSC);

    while (1);
}

ISR(ADC_vect) {
    // Code - Digitaler Input als `ADCW` verfügbar


    ADCSRA |= (1<<ADSC);
}