Referenzspannungsquelle

Allgemeines zur Referenzspannungsquelle
imögliche Spannungen
Programmierung der Referenzspannungsquelle
Beispiel

Allgemeines zur Referenzspannungsquelle

Alle PICs die mit analogen Komparatoren ausgestattet sind, besitzen auch eine interne Referenzspannungsquelle. Das sind insbesondere die Typen

• PIC12F6xx
• PIC16F62x
• PIC16F87xA

Die Referenzsspannungsquelle ist ein per Software gesteuerter Spannungsteiler, der am Pin RA2 oder für die Komperatoren einen bestimmten Bruchteil der Betriebsspannung Vdd bereitstellt. Die Referenzspannung ist also nur so stabil, wie die Betriebsspannung. Sie eignet sich also nicht als Referenz für 10-Bit-ADCs. Trotzdem lassen sich insbesondere im Zusammenspiel von Referenzsspannungsquelle und Komparatoren viele hübsche Sachen anstellen, wie z.B. Spannungsmessungen oder Spannungsvergleiche.

mögliche Spannungen

Die Referenzsspannungsquelle kann in zwei Modes Arbeiten: Low Range  oder High Range. Zwischen den beiden Modes wird mit dem Bit VRR im Register VRCON umgeschaltet. In jedem Mode kann der Spannungsteiler der Referenzspannungsquelle eine vom 16 möglichen Spannungen ausgeben. Welche der 16 Spannungen ausgegeben wird stellt man mit den Bits VR3 ..VR0 im Register VRCON ein. Diese 4 Bits stellen die Zahl VR dar, die auf Werte von 0 bis 15 programmiert werden kann. 
 

Nebenstehende Abbildung stellt den Aufbau dar. Kern ist ein 16-stufiger Spannungsteiler aus 16 gleichen Widerständen. Ein ebenfalls 16-stufiger Umschalter wählt eine der Spannungen zwischen den Widerständen als Referenzspannung aus. VREN schaltet die Baugruppe ein VRR wählt einen von 2 Spannungsbereichen VR wählt eine von 16 Spannungen aus VROE schaltet die Spannung zum Pin RA2 Da die Widerstände einen recht hohen Widerstand haben (R = 2kOhm) darf der Ausgang nicht  belastet werden (nur im µA-Bereich). Wer die Spannung für etwas Anderes benutzen möchte als als Referenzspannung für einen hochohmigen OPV-Eingang, der muss sie erst noch verstärken.

Wie man aus der obrigen Tabelle entnehmen kann, ist die Referenzspannungsquelle keine Referenzspannungsquelle im messtechnischen Sinne. Vielmehr weist sie exemplarabhängig recht große Fehler in der Ausgangsspannung auf (>50 mV).

Programmierung der Referenzspannungsquelle

Die Programmierung der Referenzspannungsquelle erfolgt im Register VRCON, das z.B. beim 16F62x auf Adresse 9Fh liegt.

VREN (Vref enable)
Mit diesem Bit wird die Referenzspannungsquelle eingeschaltet

• 0 - die Referenzspannungsquelle ist ausgeschaltet (spart Strom)
• 1 - die Referenzspannungsquelle ist aktiv

• 0 - Vref ist von RA2 getrennt
• 1 - Vref wird an RA2 ausgegeben

• 0 - High Range Mode
• 1 -  Low Range Mode

Beim 12F6xx liegt VRCON auf der Adresse 99h. Der 12F6xx kann die erzeugte Spannung nicht an einem Pin ausgeben, sondern sie nur für den Komperator nutzen. Folglich ist dort das Bit VROE nicht definiert.

Wenn man die erzeugte Spannung an RA2 ausgeben will, so muss dafür gesorgt werden, das RA2 als Input eingestellt ist, ansonsten hat die relativ stromschwache Referenzspannungsquelle keine Chance gegen die relativ starken digitalen Ausgangstreiber des Pins. Man kann zwar nichts beschädigen, aber am RA2 würde man nur den digitalen Pegel des Bits PORTA,2 messen können.

Wie die Referenzspannung bei Bedarf zu den Komparatoren kommt, darum kümmern sich die Komparatoren schon allein.

Nach jeder Änderung der Vref-Einstellung sollte man der Referenzspannungsquelle 10 µs Zeit lassen, um die gewünschte Spannung einzustellen.
 

Folgendes Beispiel stellt eine Spannung von 3,125 V (bei Vdd = 5 V) am Pin RA2 ein. Dazu wird im Low-Range-Mode mit VR=15 gearbeitet

5V / 24 x 15 = 3,125 V

Beispiel für die Referenzspannungsquelle

Das folgende Beispiel (identisch mit diesem Lernbeispiel) gibt am Pin RA2 eines 16F628 eine Sägezahnspannung von 0 V bis  3,125V aus. Das dauert jeweils 4 Sekunden, und beginnt dann von vorn. Am PortB werden zur Kontrolle die aktuellen Werte von VR ausgegeben, und können auf Wunsch mit LEDs angezeigt werden.
Am Besten benutzt man ein Digital-Voltmeter mit Bargraph-Anzeige oder einen Oszi zur Darstellung des Ausgangswerts an RA2.
Einfache Digitalvoltmeter sind bei so schnellen Änderungen schwer ablesbar. Voltmeter mit Zeigerinstrument stellen die Änderung wunderbar dar, allerdings belasten sie die Referenzspannungsquelle zu hoch. Folglich zeigen sie eine zu geringe Spannung an.
 

list p=16f628 ;************************************************************** ;*      Pinbelegung ;*      ----------------------------------  ;*      PORTA:  0 - ;*              1 - ;*              2 > Spannungsausgang ;*              3 - ;*              4 - ;*              5 < MCLR ;*              6 > OSC2 ;*              7 < OSC1 ;* ;*      PORTB:  0 > LED ;*              1 > LED ;*              2 > LED ;*              3 > LED ;*              4 - ;*              5 - ;*              6 - ;*              7 - ;*  ;************************************************************** ; ;sprut (zero) Bredendiek 01/2003 ; ; Sägezahn mit der Referenzsspannungsquelle am Port RA2 ; Spannung steigt in 4 Sekunden von 0V auf 3,125 V ; ; Prozessor 16F628  ; ; Prozessor-Takt 10 MHz ; ; LED-Zeile am PortB ; ;************************************************************** ; Includedatei für den 16F628 einbinden         #include <P16f628.INC>         ERRORLEVEL      -302            ; SUPPRESS BANK SELECTION MESSAGES   ; Configuration festlegen: ; Power on Timer, kein Watchdog, HS-Oscillator, kein Brown out, kein LV-programming         __CONFIG       _MCLRE_ON & _PWRTE_ON & _WDT_OFF & _HS_OSC & _BODEN_OFF & _LVP_OFF ; Constanten festlegen #define LED     PORTB ; Variable festlegen counter         equ     0x20            ; Zählstand für Sägezahn loops           equ     0x21            ; ms-Zähler loops2          equ     0x22            ; Wait-Zähler   ;************************************************************** ; Programmanfang         org     0 ;************************************************************** ; Initialisierung ********************************************* init         BSF     STATUS,RP0              ; Bank 1         BSF     TRISA,2                 ; RA2 ist digital-input         MOVLW   B'11100000'             ; enable VREF, RA2-output, VR=0000         MOVWF   VRCON                   ; low range mode         clrf    OPTION_REG          clrf    TRISB                   ; PortB alle outputs          bcf     STATUS, RP0             ; Bank 0         clrf    PORTB                   ; LEDs aus         clrf    INTCON                  ; Interrupt disable         clrf    counter ;Hauptprogrammschleife mainloop         movfw   counter         movwf   LED                     ; VR anzeigen         movlw   B'11100000'         iorwf   counter, w         bsf     STATUS, RP0             ; Bank 1         movwf   VRCON          bcf     STATUS, RP0             ; Bank 0         movlw   D'255'                  ; 250 ms Pause         movwf   loops          call    WAIT          incf    counter, f         movlw   B'00001111'         andwf   counter, f              ; VR auf 15 begrenzen         goto    mainloop   ;***************************************************** ;Zeitverzögerung um loops * 1 ms ; 10 MHz externer Takt bedeutet 2,5 MHz interner Takt ; also dauert 1 ms genau 2500 Befehle ; 250 Schleifen a 10 Befehle sind 2500 Befehle = 1 ms WAIT top     movlw   .250           ; timing adjustment variable (1ms)         movwf   loops2 top2    nop                    ; sit and wait         nop         nop         nop         nop         nop         nop         decfsz  loops2, F      ; inner loops complete?         goto    top2           ; no, go again                                ;         decfsz  loops, F       ; outer loops complete?         goto    top            ; no, go again         retlw   0              ; yes, return from subWAIT           end