● 外围电路：RS232 电平转换电路，DB9 串行接口插座，模拟电压输入采集电路。
● 软件程序：进一步熟悉单片机的串行通信，并掌握单片机的模数转换的方法。
6.2.2、器件和原理
关于串行接口的原理已接单片机与计算机的串口的连接在上一实例中进行了描述，在本实例
中不再重复。
本实例只介绍 ATmega16 单片机如何通过内置的模数转换模块采集外界输入的模拟电压。
1、ATmega16 单片机的模数转换器 ADC 介绍
由于单片机只能处理数字信号，所以外部的模拟信号量需要转变成数字量才能进一步的由
单片机进行处理。ATmega16 内部集成有一个 10 位逐次比较（successive approximation）ADC
电路。因此使用 AVR 可以非常方便的处理输入的模拟信号量。
ATmega16 的 ADC 与一个 8 通道的模拟多路选择器连接，能够对以 PORTA 作为 ADC 输入引脚
的 8 路单端模拟输入电压进行采样，单端电压输入以 0V（GND）为参考。另外还支持 16 种差分
电压输入组合，其中 2 种差分输入方式（ADC1，ADC0 和 ACD3，ADC2）带有可编程增益放大器，
能在 A/D 转换前对差分输入电压进行 0dB（1×），20dB（10×）或 46dB（200×）的放大。还有
七种差分输入方式的模拟输入通道共用一个负极（ADC1），此时其它任意一个 ADC 引脚都可作为
相应的正极。若增益为 1×或 10×，则可获得 8 位的精度。如果增益为 200×，那么转换精度为
7 位。
AVR 的 ADC 功能单元由独立的专用模拟电源引脚 AVcc 供电。AVcc 和 Vcc 的电压差别不能大
于±0.3V。ADC 转换的参考电源可采用芯片内部的 2.56V 参考电源，或采用 AVcc，也可使用外部
参考电源。使用外部参考电源时，外部参考电源由引脚 ARFE 接入。使用内部电压参考源时，可
以通过在 AREF 引脚外部并接一个电容来提高 ADC 的抗噪性能。
ADC 功能单元包括采样保持电路，以确保输入电压在 ADC 转换过程中保持恒定。ADC 通过逐
次比较（successive approximation）方式，将输入端的模拟电压转换成 10 位的数字量。最小
值代表地，最大值为 AREF 引脚上的电压值减 1 个 LSB。可以通过 ADMUX 寄存器中 REFSn 位的设
置，选择将芯片内部参考电源（2.56V）或 AVcc 连接到 AREF，作为 A/D 转换的参考电压。这时，
内部电压参考源可以通过外接于 AREF 引脚的电容来稳定，以改进抗噪特性。
模拟输入通道和差分增益的选择是通过 ADMUX 寄存器中的 MUX 位设定的。任何一个 ADC 的
输入引脚，包括地（GND）以及内部的恒定能隙（fixed bandgap）电压参考源，都可以被选择用
来作为 ADC 的单端输入信号。而 ADC 的某些输入引脚则可选择作为差分增益放大器的正、负极输
入端。当选定了差分输入通道后，差分增益放大器将两输入通道上的电压差按选定增益系数放大，
然后输入到 ADC 中。若选定使用单端输入通道，则增益放大器无效。
通过设置 ADCSRA 寄存器中的 ADC 使能位 ADEN 来使能 ADC。在 ADEN 没有置“1”前，参考电
压源和输入通道的选定将不起作用。当 ADEN 位清“0”后，ADC 将不消耗能量，因此建议在进入
节电休眠模式前将 ADC 关掉。
ADC 将 10 位的转换结果放在 ADC 数据寄存器中（ADCH 和 ADCL）。默认情况下，转换结果为
右端对齐（RIGHT ADJUSTED）的。但可以通过设置 ADMUX 寄存器中 ADLAR 位，调整为左端对齐
（LEFT ADJUSTED）。如果转换结果是左端对齐，并且只需要 8 位的精度，那么只需读取 ADCH 寄
存器的数据作为转换结果就达到要求了。否则，必须先读取 ADCL 寄存器，然后再读取 ADCH 寄存
器，以保证数据寄存器中的内容是同一次转换的结果。因为一旦 ADCL 寄存器被读取，就阻断了 ADC
对 ADC 数据寄存器的操作。这就意味着，一旦指令读取了 ADCL，那么必须紧接着读取一次 ADCH；
如果在读取 ADCL 和读取 ADCH 的过程中正好有一次 ADC 转换完成，ADC 的 2 个数据寄存器的内容
是不会被更新的，该次转换的结果将丢失。只有当 ADCH 寄存器被读取后，ADC 才可以继续对 ADCL
和 ADCH 寄存器操作更新。
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