Embedded Systems

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1 Embedded Systems I Themen am (ES1_16_V4): Wie funktionieren A/D- und D/A-Wandler?; Übung 3: Analog Digital-Wandler... Wandlungs-Prinzipien Register-Auswahl und Initialisierung für Praktikum 4, Beachten Sie bitte die zusätzlichen Infos auf Proki und Tafel! Ulrich Schaarschmidt FH Düsseldorf, WS 2016/17 Literaturhinweise (unbewertete Reihenfolge!) ATmega8535, Datenblätter und Application Notes der Fa. Atmel, AVR-GCC-Tutorial Interrupt Include-Files (C) Bitmanipulation (in AVR-Assembler und Standard C) Schmitt, Günter.: Mikrocomputertechnik mit Controllern der Atmel AVR-RISC- Familie 3. Aufl., 2007,Oldenbourg Wissenschaftsverlag GmbH, München Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 2 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 1

2 Literaturhinweise (unbewertete Reihenfolge!) Rieger, Martin : Digital/Analog-Umsetzer und Analog/Digital-Umsetzer In Siemers, Chr.; Sikora, A.: Taschenbuch der Digitaltechnik Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2007 Schwabl-Schmidt: AVR-Programmierung (Buch 1: Grundlagen und der Aufbau von Programmstrukturen) Elektor Academy, Elektor Verlag Aachen, 1. Aufl Schwabl-Schmidt: Systemprogrammierung für AVR-Mikrocontroller (Interrupts, Multitasking, Fließkommaarithmetik und Zufallszahlen) Elektor Academy, Elektor Verlag Aachen, 2. Aufl Schwabl-Schmidt: Systemprogrammierung II für AVR-Mikrocontroller (Callbacks Fließkommafunktionen und BCD-Arithmetik) Elektor Academy, Elektor Verlag Aachen, Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 3 Dokumentation Minimum Name des Programmes, Funktion (-sbeschreibung) des Programmes, Name der / des Autoren/Autors, Datum der Erstellung / letzten Änderung (oder richtige Historie der Änderungen mit Datum), Datenbeschreibung; Beschreibung der aufgerufenen Funktionen (aus anderen Modulen / Programmen / Bibliotheken), Versionsnummer (Versionenchronik), Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 4 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 2

3 AVR MCUs mit 10 Bit A/D- Wandler (und n Kanälen) ATtiny13, ATtiny15L (4 CH) ATtiny26L, ATtiny26 (11 CH) AT90S8535, AT90LS8535 (8 CH) AT90S4433, AT90LS4433 (6 CH) ATmega8, ATmega8L (8 CH), ATmega48, ATmega88 (8 CH) ATmega8535, ATmega8535L (8 CH) ATmega16, ATmega16L (8 CH) ATmega163, ATmega163L (8 CH) ATmega169, ATmega169L (8 CH), ATmega256 (8 CH) ATmega323, ATmega323L (8 CH), ATmega329 (8 CH) ATmega32, ATmega32L (8 CH) ATmega64, ATmega64L (8 CH) ATmega103, ATmega103L (8 CH) ATmega128, ATmega128L (8 CH), AT43USB3xxM/E (12 CH) Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 5 Analog Digital Wandler A/D-C Kenngrössen (zu folg. Abb.) Auflösung, Wandlungszeit, Abtast-Halteschaltung (Sample and Hold), Apertur Verzögerung Zeitspanne zw. Anlegen des Haltemodus und tatsächlichem Übergang i d Haltemod.), Apertur Jitter (Variation der Aperturverzögerung), Offset und Verstärkungsfehler, Monotonie (- Fehler -> Missing Codes), Integrale Nichtlinearität (Fehler zwischen quantisiertem und idealem kontinuierlichen Wert), Differenzielle Nichtlinearität (max. Stufenbreitenfehler) Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 6 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 3

4 Digital / Analog-Wandler Prinzip (als Basis zum A/D-C) Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 7 Analog-Digital-Wandler Prinzip-Schaltbild [Schmitt, 2007] Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 8 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 4

5 Wieso ist da nur 1 Komparator? Es handelt sich bei den einfachen A/D- Wandlern in der Regel um SAR Wandler (successive approximation register) Wandler mit schrittweiser Annäherung des digitalisierten Ergebnisses an das analoge Eingangssignal. Es bleibt maximal ein Fehler von einem Halben digit (Bit) Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 9 SAR Prinzip (Wägeverfahren) [IT-Wissen] Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 10 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 5

6 Sample & Hold - Schaltung Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 11 Idealer Analog-Digital- Wandler Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 12 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 6

7 Idealer A/D-Wandler mit begrenzter Auflösung Auch dieser A/D-Wandler hat einen Fehler: Mindestens ½ LSB Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 13 Einfache A / D Wandler Fehler: Positiver / Negativer Offset Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 14 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 7

8 Fehler bezogen auf den Single Ended Modus Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 15 Etwas anderer Fehler: Verstärkungs-Fehler Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 16 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 8

9 Blöder Fehler: Monotoniefehler Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 17 Integrale Nichtlinearität (INL) Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 18 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 9

10 Differenzielle Nichtlinearität Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 19 Schaltungstechnik Besonderheiten bei der Zusammenschaltung von Analog-Digital- Wandlern und digitalen Schaltungen, wie z.b. Mikrocontrollern. Getrennte Stromversorgung! Kurze Leitungslängen! Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 20 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 10

11 Analog Digital Converter Blockdiagramm ATmega8535.pdf Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 21 Vorteiler für den A/D-C ATmega8535.pdf Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 22 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 11

12 Timing der AD-Wandlung im Single Conversion Modus mit erweiterter Umwandlung ATmega8535.pdf Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 23 Timing der AD-Wandlung für den Single Conversion Modus ATmega8535.pdf Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 24 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 12

13 Timing der AD-Wandlung für den Free Running Modus ATmega8535.pdf Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 25 Auswahl des Eingangskanals ATmega8535.pdf Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 26 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 13

14 A/D-C Vorteiler Auswahl ATmega8535.pdf Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 27 Übungsaufgabe 4 Schreiben Sie die Konfigurations-Bytes für Ihren AD-Wandler-Versuch auf das Übungsblatt und erläutern die von Ihnen ausgewählten Bits! Warum benutzen Sie welchen Modus? Wie ist Ihr vermuteter Ablauf? Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 28 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 14