Embedded Systems I Themen am 25.10.16 (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 http://www.mikrocontroller.net/articles/avr-gcc-tutorial Interrupt http://www.mikrocontroller.net/articles/interrupt Include-Files (C) http://www.mikrocontroller.net/articles/include-files_(c) Bitmanipulation (in AVR-Assembler und Standard C) http://www.mikrocontroller.net/articles/bitmanipulation http://www.itwissen.info Schmitt, Günter.: Mikrocomputertechnik mit Controllern der Atmel AVR-RISC- Familie 3. Aufl., 2007,Oldenbourg Wissenschaftsverlag GmbH, München 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 2 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 1
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. 2010 Schwabl-Schmidt: Systemprogrammierung für AVR-Mikrocontroller (Interrupts, Multitasking, Fließkommaarithmetik und Zufallszahlen) Elektor Academy, Elektor Verlag Aachen, 2. Aufl. 2010 Schwabl-Schmidt: Systemprogrammierung II für AVR-Mikrocontroller (Callbacks Fließkommafunktionen und BCD-Arithmetik) Elektor Academy, Elektor Verlag Aachen, 2011 25.10.2016 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), 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 4 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 2
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) 25.10.2016 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) 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 6 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 3
Digital / Analog-Wandler Prinzip (als Basis zum A/D-C) 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 7 Analog-Digital-Wandler Prinzip-Schaltbild [Schmitt, 2007] 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 8 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 4
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). 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 9 SAR Prinzip (Wägeverfahren) [IT-Wissen] 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 10 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 5
Sample & Hold - Schaltung 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 11 Idealer Analog-Digital- Wandler 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 12 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 6
Idealer A/D-Wandler mit begrenzter Auflösung Auch dieser A/D-Wandler hat einen Fehler: Mindestens ½ LSB 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 13 Einfache A / D Wandler Fehler: Positiver / Negativer Offset 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 14 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 7
Fehler bezogen auf den Single Ended Modus 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 15 Etwas anderer Fehler: Verstärkungs-Fehler 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 16 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 8
Blöder Fehler: Monotoniefehler 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 17 Integrale Nichtlinearität (INL) 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 18 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 9
Differenzielle Nichtlinearität 25.10.2016 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! 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 20 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 10
Analog Digital Converter Blockdiagramm ATmega8535.pdf 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 21 Vorteiler für den A/D-C ATmega8535.pdf 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 22 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 11
Timing der AD-Wandlung im Single Conversion Modus mit erweiterter Umwandlung ATmega8535.pdf 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 23 Timing der AD-Wandlung für den Single Conversion Modus ATmega8535.pdf 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 24 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 12
Timing der AD-Wandlung für den Free Running Modus ATmega8535.pdf 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 25 Auswahl des Eingangskanals ATmega8535.pdf 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 26 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 13
A/D-C Vorteiler Auswahl ATmega8535.pdf 25.10.2016 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? 25.10.2016 Prof. Dr. U.G. Schaarschmidt 28 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 14