Kako združiti dva tako različna svetova kot sta analogna in digitalna elektronika? To je bil velik izziv tudi za načrtovalce prvih računalnikov, saj je bila natančnost in hitrost odziva analognih vezij nedosegljivo vabljivo jabolko, ki ga s počasnim izvajanjem posameznih operacij in programov v takratnih računalnikih digitalno ni bilo mogoče doseči. Kaj pa je bilo tako enkratnega v digitalni elektroniki? Možnost izvajanja logičnih in matematičnih operacij z glavno aritmetično-logično centralno procesno enoto znotraj mikroprocesorja in možnost trajnega shranjevanja vrednosti v prvotni ali že obdelani obliki. Čemu bi se vi odrekli, če bi bila odločitev v vaših rokah?
Analogno na digitalni način
Z današnjimi mikrokontrolerji je hitrost izvajanja posameznih ukazov tudi več tisočkrat hitrejša, zato sta si oba svetova veliko bližje, kot v »tistih davnih časih«. Analogno in digitalno sta združena v istem ohišju, izkoriščamo pa prednosti vsakega posameznega, da s premišljeno kombinacijo obojega v neki aplikaciji dosežemo najboljše končne rezultate. Kje vse bi lahko takšno kombinacijo potrebovali? Povsod! Tako kot nič na tem svetu ni le črno-belo, ampak vsaj kombinacija nekega števila sivih odtenkov, belega in črnega, če že ni barvno z nekim še večjim številom barvnih odtenkov, je tudi v elektroniki težko najti aplikacije, v katerih bi potrebovali samo analogno ali samo digitalno rešitev.
Med analogna vezja znotraj mikrokontrolerja lahko prištevamo vhodno vezje analogno-digitalnega pretvornika, ki priključeno napetost na vhodnem priključku zajame, shrani in ojači, da ostane ves čas pretvorbe v analogno-digitalnem delu enaka. Ko je pretvorba končana, dobimo neko digitalno vrednost (število), ki predstavlja število taktov, v katerem je linearno naraščajoča napetost dosegla enak napetostni nivo, kot ga ima napetost na vhodnem priključku.
Vhodni priključek analogno-digitalnega pretvornika »obremeni« vir neznane napetosti s svojo vhodno upornostjo, ki je okrog 10 kOhmov. Ker je ta napetost analogna, se lahko zvezno spreminja, narašča in upada. Tega pa si med merjenjem ne želimo, zato pred merjenjem vzamemo le »vzorec« vhodne napetosti ga zadržimo in ohranimo nespremenjenega do konca AD pretvorbe. V praksi bi z diskretnimi elementi to lahko izvedli tudi tako, kot kaže slika 1.
AD pretvorba v AVR mikrokontrolerju
Kljub temu, da imamo več vhodnih merilnih priključkov, vse meritve znotraj mikrokontrolerja opravlja en sam analogno-digitalni pretvornik in bi bilo preveč optimistično pričakovati, da bi meritve vseh vhodnih kanalov potekale sočasno, vzporedno. Na sliki 2 vidimo, da moramo pred meritvijo z vpisom ustreznega binarnega števila v določen register povezati enega izmed vhodnih priključkov. To je pravzaprav preklopnik (angl.: multiplexer, MUX), ki ga upravljamo programsko in ki znotraj mikrokontrolerja dejansko prek polprevodniških »stikal« poveže posamezna elektronska vezja med seboj v neko funkcionalno celoto. V našem primeru poveže izhodni priključek z vhodom Sample-and-hold vezja, s katerim zajamemo in zadržimo napetost, ki je bila v nekem trenutku na vhodnem priključku. Kako je to izvedeno v notranjosti mikrokontrolerja?
Vhodno napetost v nekem trenutku vzorčimo tako, da določen čas s to napetostjo polnimo kondenzator. Spomnimo se te karakteristike in poglejmo sliko 3! Kondenzator se napolni do 98 % priključene napetosti v času 5T. To zakonitost polnjenja kondenzatorja uporabimo tako, da kondenzator napolnimo (pomemben je čas polnjenja), potem pa izmerimo napetost, do katere se je napolnil. Idealno bi bilo, da bi začeli polnjenje z vklopom stikala, ker pa delamo s polprevodniki, bo stikalo v obliki tranzistorja. Prav tako bo tranzistor tudi stikalo praznjenja kondenzatorja, ki bo v kratek stik spojil oba priključka kondenzatorja. Ves proces pa v praksi ni tako preprost, kot ga lahko teoretično opišemo!
Elektronika za začetnike – Programiranje mikrokontrolerjev VII (31)
2012_SE197_43
