如何在設計中使用Arduino的模擬功能

2021-01-14 電子發燒友
如何在設計中使用Arduino的模擬功能

電子設計 發表於 2019-03-08 08:47:00

為模擬而生

Arduino 秉承讓數位技術輕鬆地運用到現實應用中這一理念，推出 Arduino 硬體平臺，以實現將大多數模擬功能植入 Atmel 多功能 ATmega 8 位 MCU 系列。 在 Arduino 平臺上使用的所有 ATmega 變體均有一個片載多通道模數轉換器 （ADC）。 該 ADC 具有 10 位解析度，能以 0 到 1023 的整數方式實現高達每秒 15，000 次的採樣速率。 大多數 AVR MCU 支持 6 個模擬輸入通道，而一些變體則可支持 8 和 16 個輸入。 儘管模擬引腳的主要功能是讀取模擬輸入，但也可配置成數字式通用輸入/輸出 （GPIO） 引腳。 可根據需要為模擬引腳配備可選擇上拉電阻器，且採用與 MCU 數字引腳相同的上拉配置方法。

雖然一些 AVR MCU 採用了數模轉換器 （DAC），但在現有的這一代 Arduino 板上的 MCU 系列均能通過快速轉換其數字 I/O 引腳來產生脈寬調製 （PWM） 信號，以提供模擬輸出。 每個 PWM 輸出的 490 Hz（大約）方波的佔空比經過編程後，能提供一個大小為 0 至 5 V、周期為 256 毫秒、增量為 2 毫秒的等效 RMS 電壓（圖 1）。 Arduino 的輸出功能儘管在某種程度上受到一定限制，但可執行如驅動 LED 或控制電機等許多任務。

圖 1：利用脈寬調製 （PWM） 技術， Arduino 的數字 GPIO 引腳可用作模擬輸出（感謝 Arduino.cc 提供數據）。

通過板邊緣的母頭引腳連接器，大多數 Arduino 板能輕鬆連接 MCU 的模擬（和數字）I/O 信號。 模擬通道數及其物理引腳分配會隨正在使用的特定 MCU 以及板的外形發生變化，但許多變體還是遵循常見的「官方」設計所採用的引腳布局慣例，如 Uno（圖 2）、Mega 和 Nano。

圖 2：Arduino Uno 板（第 3 版）的模擬輸入 （A0-A5） 和模擬 PWM 輸出（數字式：3、5、6、9、10 和 11）） 可通過板邊緣的標準針座引腳進行物理連接（感謝 Arduino.cc 提供數據）。

因為 Arduino IDE 支持的程式語言中含有一組原生模擬 I/O 命令，因此採用模擬 I/O 功能開發代碼也易於進行。 通過這些指令可讀取模擬輸入、生成模擬 （PWM） 輸出以及配置 A/D 轉換器的基準電壓。

讀取模擬輸入

我們能輕而易舉地將 Arduino 的模擬輸入與實際應用連接，但需要為 AVR 的 A/D 轉換器選擇合適的基準電壓源。 此時，可以用默認 （DEFAULT）、內部 （INTERNAL） 或者外部 （EXTERNAL） 基準電壓來確定輸入電壓上限。 默認模式下，MCU 採用板載電源穩壓器的輸出作為基準電壓。 根據所使用的特定 Arduino 板，基準電壓可以是 5 V 或者 3.3 V。

在內部模式下，採用 AVR 的片載精密基準電壓源。 器件不同，基準源電壓也不同，但通常為 1.1 V（適用於 ATmega168 或 ATmega328）或者 2.56 V（在 ATmega8 和 Mega 系列中）。 在外部模式下，您可用一個 5K 電阻器將一個外部基準電壓連接至 AREF 引腳。 AREF 引腳內置一個 32K 保護電阻器，與 5K 外部電阻器一起作為分壓器。 所以，如果通過該外部電阻器施加 2.5 V 電壓，就會在 AREF 引腳上產生一個約為 2.2 V 的電壓，具體計算為 2.5 * 32 / （32 + 5） = 2.2 V。

利用 Aegunio 程式語言讀取模擬電壓時，需用 analogReference（type） 命令選擇基準電壓源，然後引用一個 analogRead（pin） 讀數命令，其中，（pin） 表示您希望採樣的針座引腳編號。 基準電壓一旦選定，基準類型便不再改變，除非進行另外編程。 雖然 AVR MCU 能支持高達每秒 15k 次採樣的轉換率，但 Arduino 的軟硬體環境通常將其限制在每秒 10k 次採樣左右。

構建 PWM 模擬輸出

在某一個 Arduino PWM 引腳上生成模擬電壓的具體做法是，用 pinMode（pin， mode） 命令將該引腳配置成輸出引腳，然後引用一個 analogWrite（pin， value） 命令，其中，（pin） 表示您希望用於輸出的針座引腳，（value） 表示將要產生的基準電壓的一部分（增量為 1/255）。 配置完成後，該引腳將連續產生一個具有規定佔空比的 490 Hz 穩定方波，直至收到下一個 analogWrite（） 請求（或者針對該引腳發出的一個 digitalRead（） 或 digitalWrite（） 請求）。

這些 I/O 引腳支持高達 40 mA 驅動電流，因此可直接驅動中型 LED 陣列。 對於功率較高的照明或者直流電機，模擬輸出可用於驅動功率電晶體或橋式電路。 對於要求更苛刻的應用，這種輸出可通過簡單的 R/C 網絡濾波，且可用作放大器或者電流源的控制電壓。

更多的模擬技巧

一些 AVR MCU（包括 MEGA8 和 MEGA168）內置了比較器，能將一個輸入電壓與另一個外部輸入進行比較，如與某個 PWM 輸出產生的電壓或者基準器件的內部基準電壓比較。 比較器的電壓可以被輪詢或者用於觸發一個中斷。 儘管涉及了更多的軟體， 但中斷驅動式排列能讓處理器直接檢測欠壓和過壓條件，無需再對模擬通道進行重複採樣。 對於從可調閾值的運動探測器、衝擊傳感器到生物醫學監視的每一種應用，這都是一項非常方便的功能。

對於 MCU 無內置比較器的 Arduino 板，可相對容易地在一些 Arduino 板上的 「Kluge」 區域添加一個外部器件，如 LM741、LM339N 或 TLC3704。 如您的板子上沒有用戶電路安裝空間，則可通過一塊價格低廉的原型設計擴展卡添加用戶電路（圖 3）。

圖 3：利用原型設計擴展卡，您能方便地將自己的模擬或者數字 I/O 添加到幾乎任何一塊標準的 Arduino 板上。

總結

Arduino 器件憑藉自身的低成本、多功能優勢，在商業硬體開發人員中培養了一批忠實擁躉。 Arduino 硬體平臺旨在將大多數模擬能力植入 Atmel 的 ATmega 8 位 MCU 系列中。 這些 MCU 的所有變體均有一個片載多通道模數轉換器 （ADC）。 本文旨在介紹 Arduino 模擬功能的基本軟硬體資源組成，為能夠用這些功能完成未來設計的工程師們提供一個新起點。 為此，我們討論了如何讀取模擬輸入、構建 PWAM 模擬輸出和添加外部模擬 I/O。

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