Analoge Eingangswerte werden in der Regel über den AVR Analog-Digital-Converter (AD-Wandler, ADC) eingelesen,

der in vielen Typen verfügbar ist (typisch 10bit Auflösung).

Durch diesen werden analoge Signale (Spannungen) in digitale Zahlenwerte gewandelt.

Bei AVRs, die über keinen internen AD-Wandler verfügen (z. B. ATmega162), kann durch externe Beschaltung (R/C-Netzwerk und Zeitmessung) die Funktion des AD-Wandlers simuliert werden.

Die Umsetzung zu einer analogen Spannung muss daher durch externe Komponenten vorgenommen werden. Das kann z. B. durch PWM und deren Filterung zu (fast) DC, oder einem sogenannten R2R-Netzwerk erfolgen.

Unabhängig davon besteht natürlich immer die Möglichkeit, spezielle Bausteine zur Analog-Digital- bzw. Digital-Analog-Wandlung zu nutzen und diese über eine digitale Schnittstelle (z.b. SPI oder I2C) mit einem AVR anzusteuern.

AC (Analog Comparator)

Der Comparator vergleicht 2 Spannungen an den Pins AIN0 und AIN1 und gibt einen Status aus welche der beiden Spannungen größer ist.

AIN0 dient dabei als Referenzspannung (Sollwert) und AIN1 als Vergleichsspannung (Istwert).

Als Referenzspannung kann auch alternativ eine interne Referenzspannung ausgewählt werden.

Liegt die Vergleichsspannung (IST) unter der der Referenzspannung (SOLL) gibt der Comparator eine logische 1 aus.

Ist die Vergleichsspannung hingegen größer als die Referenzspannung wird eine logische 0 ausgegeben.

Der Comparator arbeitet völlig autark bzw. parallel zum Prozessor.

Für mobile Anwendungen empfiehlt es sich ihn abzuschalten sofern er nicht benötigt wird, da er ansonsten Strom benötigt.

Der Comparator kann interruptgesteuert abgefragt werden oder im Pollingbetrieb.

Das Steuer- bzw. Statusregister ist wie folgt aufgebaut:

Bit 7 ACD

Analog Comparator Disable: 0 = Comparator ein, 1 = Comparator aus. Wird dieses Bit geändert kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden muss das Bit 3 ACIE ggf. abgeschaltet werden.

Bit 6 ACBG

Analog Comparator Bandgap Select: Ermöglicht das umschalten zwischen interner und externer Referenzspannung. 1 = interne (~1,3 Volt), 0 = externe Referenzspannung (an Pin AIN0)

Bit 5 ACO

Analog Comparator Output: Hier wird das Ergebnis des Vergleichs angezeigt. Es liegt typischerweise nach 1-2 Taktzyklen vor.

IST < SOLL → 1

IST > SOLL → 0

Bit 4 ACI

Analog Comparator Interrupt Flag: Dieses Bit wird von der Hardware gesetzt, wenn ein Interruptereignis, das in Bit 0 und 1 definiert ist, eintritt. Dieses Bit löst noch keinen Interrupt aus! Die Interruptroutine wird nur dann ausgeführt, wenn das Bit 3 ACIE gesetzt ist und global Interrupts erlaubt sind (I-Bit in SREG gesetzt). Das Bit 4 ACI wird wieder gelöscht, wenn die Interruptroutine ausgeführt wurde oder wenn es manuell auf 1! gesetzt wird. Das Bit kann für Abfragen genutzt werden, steuert oder konfiguriert aber nicht den Comparator.

Bit 3 ACIE

Analog Comparator Interrupt Enable: Ist das Bit auf 1 gesetzt, wird immer ein Interrupt ausgelöst, wenn das Ereignis das in Bit 1 und 0 definiert ist, eintritt.

Bit 2 ACIC

Analog Comparator Input Capture Enable: Wird das Bit gesetzt, wird der Comparatorausgang intern mit dem Counter 1 verbunden. Es könnten damit z.b. die Anzahl der Vergleiche im Counter1 gezählt werden. Um den Comparator an den Timer1 Input Capture Interrupt zu verbinden, muss im Timerregister das TICIE1 Bit auf 1 gesetzt werden. Der Trigger wird immer dann ausgelöst, wenn das in Bit 1 und 0 definierte Ereignis eintritt.

Bit 1,0 ACIS1,ACIS0

Analog Comparator Interrupt select: Hier wird definiert, welche Ereignisse einen Interrupt auslösen sollen:

• 00 = Interrupt auslösen bei jedem Flankenwechsel
• 10 = Interrupt auslösen bei fallender Flanke
• 11 = Interrupt auslösen bei steigender Flanke

Werden diese Bit geändert, kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden, muss das Bit 3 gelöscht werden.

ADC (Analog Digital Converter)

Der Analog-Digital-Konverter (ADC) wandelt analoge Signale in digitale Werte um, welche vom Controller interpretiert werden können. Einige AVR-Typen haben bereits einen mehrkanaligen Analog-Digital-Konverter eingebaut. Die Feinheit, mit welcher ein analoges Signal aufgelöst werden kann, wird durch die Auflösung des ADC, d.h. durch die Anzahl der verwendeten Bits angegeben. So sind derzeit bspw. 8-Bit- oder 10-Bit-ADC im Einsatz. ADCs, die in AVRs enthalten sind, haben zur Zeit eine maximale Auflösung von 10-Bit.

Ein ADC mit 8 Bit Auflösung kann somit das analoge Signal in Abstufungen von 1/256 des Maximalwertes digitalisieren. Wenn wir nun mal annehmen, wir hätten eine Eingangspannung zwischen 0 und 5 Volt, eine Referenzspannung von 5 V und eine Auflösung von 3 Bit, dann könnten Intervalle mit den Grenzen 0 V, 0.625 V, 1.25 V, 1.875 V, 2.5 V, 3.125 V, 3.75 V, 4.375 V, 5 V entsprechend folgender Tabelle unterschieden werden:

Eingangsspannung am ADC / V	Entsprechender Messwert
0 – 0.625	0
0.625 – 1.25	1
1.25 – 1.875	2
1.875 – 2.5	3
2.5 – 3.125	4
3.125 – 3.75	5
3.75 – 4.375	6
4.375 – 5	7

Die Angaben sind natürlich nur ungefähr. Je höher nun die Auflösung des Analog-Digital-Konverters ist, also, je mehr Bits er hat, desto genauer kann der jeweilige Wert erfasst werden.

Der interne ADC im AVR

Oft sind auch mehrere Kanäle verfügbar. Kanäle heißt in diesem Zusammenhang, dass zwar bis zu zehn analoge Eingänge am AVR vorhanden sind, aber nur ein "echter" Analog-Digital-Wandler zur Verfügung steht. Vor der eigentlichen Messung ist also festzulegen, welcher Kanal ("Pin") mit dem Wandler verbunden und gemessen wird.

Die Umwandlung innerhalb des AVR basiert auf der schrittweisen Näherung. Beim AVR müssen die Pins AGND und AVCC beschaltet werden. Für genaue Messungen sollte AVCC über ein L-C Netzwerk mit VCC verbunden werden, um Spannungsspitzen und -einbrüche vom Analog-Digital-Wandler fernzuhalten. Im Datenblatt findet sich dazu eine Schaltung, die 10µH und 100nF vorsieht.

Das Ergebnis der Analog-Digital-Wandlung wird auf eine Referenzspannung bezogen. Aktuelle AVRs bieten drei Möglichkeiten zur Wahl dieser Spannung:

• Eine externe Referenzspannung von maximal Vcc am Anschlusspin AREF. Die minimale (externe) Referenzspannung darf jedoch nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers.

• Verfügt der AVR über eine interne Referenzspannung, kann diese genutzt werden. Alle aktuellen AVRs mit internem AD-Wandler sollten damit ausgestattet sein (vgl. Datenblatt: 2,56V oder 1,1V je nach Typ). Das Datenblatt gibt auch über die Genauigkeit dieser Spannung Auskunft.

• Es kann die Spannung AVcc als Referenzspannung herangezogen werden

Bei Nutzung von AVcc oder der internen Referenz wird empfohlen, einen Kondensator zwischen dem AREF-Pin und GND anzuordnen. Die Festlegung, welche Spannungsreferenz genutzt wird, erfolgt z. B. beim ATmega16 mit den Bits REFS1/REFS0 im ADMUX-Register. Die zu messende Spannung muss im Bereich zwischen AGND und AREF (egal ob intern oder extern) liegen.

Der ADC kann in zwei verschiedenen Betriebsarten verwendet werden:

Einfache Wandlung (Single Conversion) 

In dieser Betriebsart wird der Wandler bei Bedarf vom Programm angestoßen für jeweils eine Messung.

Frei laufend (Free Running) 

In dieser Betriebsart erfasst der Wandler permanent die anliegende Spannung und schreibt diese in das ADC Data Register.

Die Register des ADC

Der ADC verfügt über eigene Register. Im Folgenden die Registerbeschreibung eines ATMega16, welcher über 8 ADC-Kanäle verfügt. Die Register unterscheiden sich jedoch nicht erheblich von denen anderer AVRs (vgl. Datenblatt).

x = ADCL;       // mit uint16_t x
x += (ADCH<<8); // in zwei Zeilen (LSB/MSB-Reihenfolge und
                // C-Operatorpriorität sichergestellt)

x = ADCW; // je nach AVR auch x = ADC (siehe avr/ioxxx.h)