Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik ATTiny24V: Bandgap zu gebrauchen?


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von Drobel (Gast)


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Internal Voltage Reference: ATtiny24/44/84 features an internal bandgap 
reference. This reference is used for Brown-out Detection, and it can be 
used as an input to the Analog Comparator or the ADC.

The bandgap voltage varies with supply voltage and temperature.

Wie genau ist die Bandgap über Temperatur & Zeit? Atmel macht dazu keine 
weiteren Angaben im Datenblatt. Besser gleich eine externe Referenz 
nehmen?

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Das dürfte alles stark von deinen Anforderungen abhängen.

Insgesamt ist eine Bandgap-Referenz schon mal eine relativ stabile
Spannungsquelle, wenn man sie mit Z-Dioden-basierten Lösungen
vergleicht.  Das größere Problem für die meisten praktischen
Anwendungsfälle dürfte weniger die Temperaturdrift sein sondern
mehr die Tatsache, dass Atmel nur die Eckwerte minimal 1,0 V und
maximal 1,2 V spezifiziert, sodass man für Absolutwertmessungen
irgendwie im EEPROM einen Kalibrierwert hinterlegen müsste.

Auch wenn die benutzte Bandgap-Referenz nicht identisch ist, im
Datenblatt des ATmega128RFA1 gibt's typische Werte für die Referenz
sowohl bezüglich des Temperaturgangs als auch der Spannungs-
abhängigkeit.

von Drobel (Gast)


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Danke für deinen Post. Denke ,dass mit nicht anderes übrig bleibt, als 
ein paar Messungen zu machen, um die Qualität der Bandgap des ATTiny24 
"abzuschätzen".

Die 1,6 V Referenz des ATmega128RFA1 sieht "ermutigend" aus.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Wenn du mir verrätst, was du gemessen haben willst, ich habe auch
noch ATtiny44 oder 84 da liegen.  Deren Bandgap-Referenz sollte ja
identisch zum 24 sein.  Dann hätte man zumindest noch ein paar
Parameterstreuungen über verschiedene Scheiben-Lose als Vergleich.

Messungen bei 0 °C sind ja derzeit kein großes Problem. ;-)

von Drobel (Gast)


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Die "Qualität" der Bandgap bestimmen. Messen werde ich die Abweichung 
bei:

Spannung   1,8   - 3,4 V
Temperatur 10    - 35 °C

Jörg Wunsch schrieb:
> Messungen bei 0 °C sind ja derzeit kein großes Problem. ;-)

Hier ist Liegestuhlwetter (+5 °C) :)

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Drobel schrieb:

>> Messungen bei 0 °C sind ja derzeit kein großes Problem. ;-)
>
> Hier ist Liegestuhlwetter (+5 °C) :)

Naja, nachts wird es sicher wieder kälter werden.  Wenn man ein
Flachbandkabel zum Rausführen des Messergebnisses benutzt, kann
man ja auch im Tiefkühlfach messen. ;-)

Letztlich genügt es vermutlich, neben +20 °C noch bei Kälte und
erhöhter Temperatur (Umluft-Backofen auf 50 °C gestellt) zu messen,
da sich die Zwischenwerte brauchbar interpolieren lassen.  Die
Spannungsabhängigkeit würde ich wohl der Einfachheit halber nur
bei +20 °C messen.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Ach so, damit wir auch das gleiche messen:
#include <avr/io.h>

int
main(void)
{
  ADMUX = 0xc0;
  ADCSRA = (1 << ADEN);
  for (;;) {}
}

Danach sollte sich an PA0 die interne Referenzspannung messen lassen.
(Der Pin muss natürlich unbelastet sein.)  Hab's aber noch nicht
testen können jetzt.

von Drobel (Gast)


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Sollte laut Datenblatt [1] funktionieren, obwohl 0xC0 beim ATTiny24 als 
"Reserved" gekennzeichnet ist.

[1]
AREF: External Analog Reference for ADC. Pullup and output driver are 
disabled on PA0 when the pin is used as an external reference or 
Internal Voltage Reference with external capacitor at the AREF pin by 
setting (one) the bit REFS0 in the ADC Multiplexer Selection Register 
(ADMUX).

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Ja, so habe ich das auch rausgelesen.  Probieren wir's mal damit.

von Drobel (Gast)


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Ab 2,5 V wird's putzig.

BODLEVEL  111
CKSEL    0010
SUT        10
CKDIV      JA

VCC [V]       AREF [mV]

1,8           1103
1,9           1103
2,0           1103
2,1           1103
2,2           1102
2,3           1102
2,4           1101
2,5           1095
2,6           1089
2,7           1076
2,8            938
2,9            504
3,0            265
3,1            138
3,2             71
3,3             38
3,4             20
3,5             11
3,6              7

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Hier anders schräg:
U =  1.81 V  I =    0.002 A
+1.09603E+0

U =  1.91 V  I =    0.002 A
+1.09602E+0

U =  2.00 V  I =    0.003 A
+1.09550E+0

U =  2.10 V  I =    0.003 A
+1.09511E+0

U =  2.20 V  I =    0.003 A
+1.09471E+0

U =  2.30 V  I =    0.004 A
+1.09416E+0

U =  2.41 V  I =    0.004 A
+1.09276E+0

U =  2.51 V  I =    0.004 A
+1.08347E+0

U =  2.61 V  I =    0.004 A
+1.01387E+0

U =  2.71 V  I =    0.004 A
+0.89148E+0

U =  2.80 V  I =    0.004 A
+0.78616E+0

U =  2.90 V  I =    0.004 A
+0.71030E+0

U =  3.00 V  I =    0.004 A
+0.66875E+0

U =  3.10 V  I =    0.004 A
+0.65021E+0

U =  3.20 V  I =    0.004 A
+0.64299E+0

U =  3.31 V  I =    0.004 A
+0.64081E+0

U =  3.41 V  I =    0.005 A
+0.64045E+0

U =  3.51 V  I =    0.005 A
+0.64096E+0

U =  3.60 V  I =    0.005 A
+0.64212E+0

U =  3.70 V  I =    0.005 A
+0.64534E+0

U =  3.80 V  I =    0.005 A
+0.65331E+0

U =  3.90 V  I =    0.005 A
+0.65494E+0

U =  4.00 V  I =    0.005 A
+0.66891E+0

U =  4.11 V  I =    0.006 A
+0.67953E+0

U =  4.21 V  I =    0.006 A
+0.69940E+0

U =  4.31 V  I =    0.006 A
+0.70838E+0

U =  4.41 V  I =    0.006 A
+0.72988E+0

U =  4.50 V  I =    0.006 A
+0.74887E+0

U =  4.60 V  I =    0.007 A
+0.76403E+0

U =  4.70 V  I =    0.007 A
+0.78987E+0

U =  4.80 V  I =    0.007 A
+0.80483E+0

U =  4.91 V  I =    0.007 A
+0.82793E+0

U =  5.01 V  I =    0.008 A
+0.84366E+0

Dabei ist die obere Zeile jeweils der am Netzteil gemessene Wert von
Spannung und Strom (wobei da noch ein AT86RF212 mit drauf ist, hüstel,
der mit 5 V ein wenig überfahren wird), darunter dann der gemessene
Spannungswert an PA0.  Pause zwischen den Messungen war 0,1 s.

Deckt sich zumindest dahingehend mit deinen Werten, dass bis ca.
Vcc = 2,5 V offenbar tatsächlich Vbg ausgegeben wird, danach dann
"irgendwas".

Nun, da müssen wir wohl doch den ADC selbst bemühen und Vbg gegen Vcc
messen lassen.  Heute nicht mehr …

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Jörg Wunsch schrieb:
> Nun, da müssen wir wohl doch den ADC selbst bemühen und Vbg gegen Vcc
> messen lassen.

OK, hier dann also.

Erstmal die Firmware:
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

#define F_CPU 8000000ul
#include <util/delay.h>

volatile uint16_t adcval;

static void
send_data(uint16_t data)
{
  uint8_t i;
  uint16_t mask;

  for (i = 0, mask = 0x200;
       i < 10;
       i++, mask >>= 1)
    {
      PORTA |= _BV(0);
      if (data & mask)
        {
          _delay_us(10);
          PORTA &= ~_BV(0);
        }
      else
        {
          _delay_us(1);
          PORTA &= ~_BV(0);
          _delay_us(9);
        }
    }
}


ISR(ADC_vect)
{
  adcval = ADC;
}

EMPTY_INTERRUPT(TIM1_COMPB_vect);


int
main(void)
{
  DDRA = _BV(0);                /* PA0 as output */

  /* Vcc reference, Vbg source */
  ADMUX = 0b100001;
  /* divisor 64 => 125 kHz, auto-trigger by TC1 compare match B */
  ADCSRB = _BV(ADTS2) | _BV(ADTS0);
  ADCSRA = _BV(ADEN) | _BV(ADSC) | _BV(ADATE) | _BV(ADIE) |
  _BV(ADPS2) | _BV(ADPS1);

  /* prescaler 1024 => 7812.5 Hz, CTC/OCR1A, 2 Hz */
  TCCR1B = _BV(WGM12) | _BV(CS12) | _BV(CS10);
  OCR1A = (F_CPU / 1024 / 2) - 1;
  OCR1B = 0;
  TIMSK1 = _BV(OCIE1B);
  sei();

  for (;;)
    {
      if (adcval != 0)
        {
          send_data(adcval);
          adcval = 0;
        }
    }
}

Der ADC misst, getriggert durch Timer 1 ca. aller 500 ms, die interne
Bandgap gegen Vcc als Referenz.  Der Wert wird an PA0 herausgetaktet
(0-bit ca. 1 µs lang, 1-bit ca. 9 µs lang high), da ich die USI-Pins
in dieser Schaltung bereits anderweitig belegt hatte und ohnehin
keinen RS-232-Pegelwandler zur Hand habe, der von 1,8 bis 5 V
Betriebsspannung geht.

Die seriellen Daten habe ich mit dem LA aufgezeichnet und dann
ausgewertet.

Hier die Daten, links Vcc, rechts der ADC-Messwert:
1.81    626
1.91    593
2.00    566
2.10    539
2.20    514
2.30    491
2.40    470
2.51    450
2.61    433
2.71    416
2.80    403
2.90    388
3.00    375
3.10    363
3.20    351
3.31    340
3.41    330
3.51    320
3.60    312
3.70    303
3.80    295
3.90    287
4.00    279
4.10    272
4.21    265
4.31    259
4.41    253
4.50    248
4.60    242
4.70    236
4.80    231
4.90    226
5.01    221

Oben noch eine gnuplot-Darstellung des Ergebnisses.

Für den Temperaturgang könnte man ja wieder die Ausgabe von Vbg
an PA0 benutzen, solange man mit Vcc im Bereich von etwa 2 V bleibt.

von Drobel (Gast)


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Hier die von mir ermittelten Werte. Die Spalte Bandgap ist berechnet und 
kaufmännisch gerundet. Die max. Abweichung der Bandgap im Bereich von 
1,8 - 3,6 V liegt bei rund 1,25 Prozent.

VCC  ADC      Bandgap
[V]           [mV]

1,8  0274     1105
1,9  0253     1105
2,0  0235     1105
2,1  021A     1104
2,2  0201     1103
2,3  01EB     1104
2,4  01D5     1100
2,5  01C3     1102
2,6  01B1     1104
2,7  01A1     1105
2,8  0191     1098
2,9  0183     1097
3,0  0176     1097
3,1  016A     1097
3,2  015E     1095
3,3  0153     1094
3,4  0149     1093
3,5  0140     1095
3,6  0136     1091

von Drobel (Gast)


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Das Diagramm der Daten (Kurve geglättet).

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Drobel schrieb:
> Das Diagramm der Daten (Kurve geglättet).

Bis auf einige 10 mV statischer Differenz sieht das ziemlich so aus
wie bei mir auch (nur dass ich bis 5 V weitergemessen habe).

von Drobel (Gast)


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Jörg Wunsch schrieb:

> Bis auf einige 10 mV statischer Differenz sieht das ziemlich so aus
> wie bei mir auch (nur dass ich bis 5 V weitergemessen habe).

Sieht schon recht gut aus. Die Genauigkeit lässt sich zudem per Programm 
noch verbessern.

Hier ein paar Werte in Abhängigkeit von der Temperatur:

VCC 2.0 V

Bandgap [mV] Temperatur [°C]

1103         23,3   (DS18B20)
1102         20,3   (DS18B20)
1102         11,0   (SHT15)

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Drobel schrieb:
> 1103         23,3   (DS18B20)
> 1102         20,3   (DS18B20)
> 1102         11,0   (SHT15)

Naja, da muss man wohl den Temperaturbereich vergrößern. ;-)  Das ist
ja so noch gar keine Aussage.

von Drobel (Gast)


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Jörg Wunsch schrieb:

> Naja, da muss man wohl den Temperaturbereich vergrößern. ;-)  Das ist
> ja so noch gar keine Aussage.

Ich habe hier und da etwas über Bandgaps quergelesen. Es sieht so aus, 
dass die Abhängigkeit von der Temperatur nicht so groß ist. Die 
Messreihe werde ich noch auf 0 bis 60 °C erweitern.

von Drobel (Gast)


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Hier der Rest meiner Messungen. 60 °C wurden nicht erreicht, da meine 
Kiste plus Glühlampe nicht mehr erlaubte. Für 0 °C war es draußen 
einfach nicht kalt genug. Die Daten sind aber auch so aussagekräftig.

Vorsichtiges Fazit aus den Messungen: die Bandgap ist brauchbar.

VCC 2.0 V

Bandgap [mV] Temperatur [°C]

1101     48.0 (DS18B20)
1101     47.8 (DS18B20)
1101     47.3 (DS18B20)
1101     47.0 (DS18B20)
1101     46.7 (DS18B20)
1101     46.4 (DS18B20)
1101     45.8 (DS18B20)
1101     45.4 (DS18B20)
1101     45.0 (DS18B20)
1101     44.6 (DS18B20)
1101     44.3 (DS18B20)
1101     43.9 (DS18B20)
1102     43.5 (DS18B20)
1102     43.1 (DS18B20)
1102     42.8 (DS18B20)
1102     42.4 (DS18B20)
1102     42.0 (DS18B20)
1102     41.5 (DS18B20)
1102     41.0 (DS18B20)
1102     38.9 (DS18B20)
1102     38.9 (DS18B20)
1102     38.2 (DS18B20)
1102     37.5 (DS18B20)
1102     36.8 (DS18B20)
1102     36.1 (DS18B20)
1102     35.4 (DS18B20)
1102     34.7 (DS18B20)
1102     34.0 (DS18B20)
1102     33.2 (DS18B20)
1102     32.5 (DS18B20)
1102     31.8 (DS18B20)
1102     29.8 (DS18B20)
1102     28.5 (DS18B20)
1103     27.0 (DS18B20)
1103     25.5 (DS18B20)
1103     24.7 (DS18B20)
1103     23,3 (DS18B20)
1102     20,3 (DS18B20)
1102     11,0 (SHT)
1102     6,7  (SHT)
1102     2,1  (SHT)

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