Аналоговые входы Arduino
В прошлом уроке мы разобрали измерение и вывод цифрового сигнала с микроконтроллера, а в этом разберём аналоговый сигнал. Как мы уже не раз говорили ранее, у микроконтроллера есть аналоговые входы, т.е. входы, подключенные к АЦП – аналогово-цифровому преобразователю (ADC). На платах Ардуино это пины, маркированные буквой А. Я не просто так написал название в кавычках, потому что не все пины являются только аналоговыми: например на плате Nano пины A0-A5 являются также обычными цифровыми, и у них есть возможность измерять аналоговый сигнал как доп. функция. Пины A6 и A7 являются чисто аналоговыми.
Зачем нужно читать аналоговый сигнал? Микроконтроллер может выступать в роли вольтметра, измерять собственное напряжение питания, например от аккумулятора, может измерять ток через шунт (если вы знаете закон Ома), можно измерять сопротивление, а также работать с потенциометрами (крутильными, линейными, джойстиками), которые являются очень удобными органами управления.
Чтение сигнала
“Аналоговые” пины могут принимать напряжение от 0 (GND) до опорного напряжения и преобразовывать его в цифровое значение, просто в какие-то условные единицы. АЦП у нас имеет разрядность в 10 бит, т.е. мы получаем измеренное напряжение в виде числа от 0 до 1023. Функция, которая оцифровывает напряжение, называется analogRead(pin) , данная функция принимает в качестве аргумента номер аналогового пина и возвращает полученное значение. Сам пин должен быть сконфигурирован как INPUT (вход), напомню, что по умолчанию все пины так и настроены. Пин кстати указывается “аналоговый”:
- Просто номером А-пина (например, 0)
- Номером с буквой А (например, А0)
- Порядковым номером GPIO: А0 – 14 пин, A1 – 15 пин… А7 – 21
Вот пример, опрашивающий пин А0.
Хранить полученное значение разумно в переменной типа int, потому что значение варьируется от 0 до 1023.
Потенциометры
Аналоговые пины и АЦП в целом очень часто используются при работе с потенциометрами (он же переменный резистор или реостат). 10 бит АЦП позволяют дать возможность задавать в программу значения от 0 до 1023 (или кратные им), то есть влиять на ход работы программы, менять какие-то настройки и тому подобное. У потенциометра всегда три ноги: две крайние и одна центральная. Всё вместе это представляет собой делитель напряжения, который и позволяет менять напряжение в диапазоне 0-VCC:
К Arduino потенциометр подключается вот так, средний вывод на любые A-пины, крайние – на GND и питание. От порядка подключения GND и питания зависит направление изменения значения. Что касается сопротивления, то читай заметку по делителям напряжения ниже в этом уроке. Чаще всего для микроконтроллеров ставят потенциометры с сопротивлением 10 кОм, но диапазон в принципе очень широк: от 1 кОм до 100 кОм. Чем больше, тем более шумным будет приходить сигнал, а если брать меньше – пойдут потери тока в нагрев потенциометра, а это никому не нужно.
Опорное напряжение
Опорное напряжение играет главную роль в измерении аналогового сигнала, потому что именно от него зависит максимальное измеряемое напряжение и вообще возможность и точность перевода полученного значения 0-1023 в Вольты. Изучим следующую функцию – analogReference(mode) , где mode:
- DEFAULT : опорное напряжение равно напряжению питания МК. Активно по умолчанию
- INTERNAL : встроенный источник опорного на 1.1V для ATmega168 или ATmega328P и 2.56V на ATmega8
- INTERNAL1V1 : встроенный источник опорного на 1.1V ( только для Arduino Mega )
- INTERNAL2V56 : встроенный источник опорного на 2.56V ( только для Arduino Mega )
- EXTERNAL : опорным будет считаться напряжение, поданное на пин AREF
После изменения источника опорного напряжения (вызова analogReference() ) первые несколько измерений могут быть нестабильными (сильно шумными).
Значение 1023 функции analogRead() будет соответствовать выбранному опорному напряжению или напряжению выше его, но не выше 5.5V, что спалит плату. То есть при режиме DEFAULT мы можем оцифровать напряжение от 0 до напряжения питания. Если напряжение питания 4.5 Вольта, и мы подаём 4.5 Вольт – получим оцифрованное значение 1023. Если подаём 5 Вольт – опять же получим 1023, т.к. выше опорного. Это правило работает и дальше, главное не превышать 5.5 Вольт. Как измерять более высокое напряжение (12 Вольт например) я расскажу в отдельном уроке.
Что касается точности: при питании от 5V и режиме DEFAULT мы получим точность измерения напряжения (5 / 1024)
4.9 милливольт. Поставив INTERNAL мы можем измерять напряжение от 0V до 1.1V с точностью (1.1 / 1024)
0.98 милливольт. Весьма неплохо, особенно если баловаться с делителем напряжения.
Что касается внешнего источника опорного напряжения. Нельзя использовать напряжение меньше 0V или выше 5.5V в качестве внешнего опорного в пин AREF. Также при использовании режима EXTERNAL нужно вызвать analogReference(EXTERNAL) до вызова функции analogRead() , иначе можно повредить микроконтроллер. Можно подключить опорное в пин AREF через резистор на
5 кОм, но так как вход AREF имеет собственное сопротивление в 32 кОм, реальное опорное будет например 2.5 * 32 / (32 + 5) =
Измерение напряжения
0-5 Вольт
Простой пример, как измерить напряжение на аналоговом пине и перевести его в Вольты. Плата питается от 5V.
Таким образом переменная voltage получает значение в Вольтах, от 0 до 5. Чуть позже мы поговорим о более точных измерениях при помощи некоторых хаков.
Почему мы делим на 1024, а не на 1023 , ведь максимальное значение измерения с АЦП составляет 1023? Ответ можно найти в даташите:
АЦП при преобразовании отнимает один бит, т.е. 5.0 Вольт он в принципе может измерить только как 4.995, что и получится по формуле выше: 1023 * 5 / 1024 == 4.995.. . Таким образом делить нужно на 1024, если кто-то у вас спросит почему – отправьте его читать даташит.
Сильно больше 5 Вольт
Для измерения постоянного напряжения больше 5 Вольт нужно использовать делитель напряжения на резисторах (Википедия). Схема подключения, при которой плата питается от 12V в пин Vin и может измерять напряжение источника (например, аккумулятора):
Код для перевода значения с analogRead в вольты с учётом делителя напряжения:
Как выбрать/рассчитать делитель напряжения?
- Согласно даташиту на ATmega, сумма R1 + R2 не рекомендуется больше 10 кОм для достижения наибольшей точности измерения. В то же время через делитель на 10 кОм будет течь ощутимый ток, что критично для автономных устройств (читай ниже). Если девайс работает от сети или от аккумулятора, но МК не используется в режиме сна – ставим делитель 10 кОм и не задумываемся. Также рекомендуется поставить конденсатор между GND и аналоговым пином для уменьшения помех.
- Если девайс работает от аккумулятора и микроконтроллер “спит”: пусть аккумулятор 12V, тогда через 10 кОм делитель пойдёт ток 1.2 мА, согласно закону Ома. Сам микроконтроллер в режиме сна потребляет
1 мкА, что в тысячу раз меньше! На самом деле можно взять делитель с гораздо бОльшим суммарным сопротивлением (но не больше 20 МОм, внутреннего сопротивления самого АЦП), но обязательно поставить конденсатор на
0.1 мкФ между аналоговым пином и GND (вот здесь проводили эксперимент). Таким образом например при при R1+R2 = 10 МОм (не забыть про конденсатор) ток через делитель будет 1.2 мкА, что уже гораздо лучше!
Коэффициент делителя равен (R1 + R2) / R2 . Коэффициент должен быть таким, чтобы при делении на него измеряемого напряжения не получилось больше 5 Вольт. У меня в примере (10 + 4.7) / 4.7
3.13 . Я хочу измерять литиевый аккумулятор с максимальным напряжением 12.8 Вольт. 12.8 / 3.13
4 Вольта – отлично. Например для измерения 36 Вольт я бы взял делитель с плечами 100к и 10к.
Сильно меньше 5 Вольт
Для более точных измерений маленького напряжения можно подключить пин AREF к источнику низкого опорного напряжения (об этом было выше), чтобы “сузить” диапазон работы АЦП. Источник может быть как внешний, так и внутренний, например изменив опорное на внутреннее 1.1V ( analogReference(INTERNAL) ) можно измерять напряжение от 0 до 1.1 Вольта с точностью 1.1/1024
Видео
Источник
Опорное напряжение
2.2.1.4. Опорное напряжение VREF
Напряжение, с которым сравнивают напряжение считывания обратной связи в целях контроля за стабилизатором.
Примечание. Это напряжение может быть обусловлено внутренней или внешней цепью.
Смотри также родственные термины:
3.1.22 опорное напряжение (при оценке провалов, прерываний напряжения и перенапряжений): Значение напряжения, применяемое в качестве основы при установлении остаточного напряжения, пороговых значений напряжения и других характеристик провалов, прерываний напряжения и перенапряжений, выраженное в вольтах или в процентах номинального напряжения.
Примечание — В соответствии с требованиями настоящего стандарта опорное напряжение (при оценке провалов, прерываний напряжения и перенапряжений) считают равным номинальному или согласованному напряжению электропитания.
58. Опорное напряжение вихретокового преобразователя
Reference voltage of eddy current probe
Синхронное с сигналом вихретокового преобразователя переменное напряжение, подаваемое на один из входов фазочувствительного устройства
76 опорное напряжение индикации (газоразрядного знакосинтезирующего индикатора) в номинальном режиме; Uинд:
Амплитуда импульсов напряжения на электродах индикации газоразрядного знакосинтезирующего индикатора, при которой обеспечивается управление элементами отображения в режиме записи и стирания
77 опорное напряжение индикации (знакосинтезирующего индикатора) в режиме включения; Uинд.вкл:
Амплитуда импульсов напряжения на электродах индикации знакосинтезирующего индикатора, при которой обеспечивается свечение элементами отображения в режиме записи и стирания.
3.1.45 опорное напряжение радиосигнала (U0): Значение напряжения радиосигнала, равное 1 мкВ.
Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации . academic.ru . 2015 .
Смотреть что такое «Опорное напряжение» в других словарях:
опорное напряжение — — [В.А.Семенов. Англо русский словарь по релейной защите] Тематики релейная защита EN reference voltage … Справочник технического переводчика
опорное напряжение — эталонное напряжение; опорное напряжение Стабильное напряжение, с которым сравнивается машинная переменная … Политехнический терминологический толковый словарь
опорное напряжение — atskaitos įtampa statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. reference voltage vok. Bezugsspannung, f; Referenzspannung, f rus. опорное напряжение, n pranc. tension de référence, f … Automatikos terminų žodynas
опорное напряжение — atskaitos įtampa statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektrinė įtampa, kurios atžvilgiu nagrinėjama ar matuojama kita įtampa. atitikmenys: angl. reference voltage vok. Bezugsspannung, f; Vergleichsspannung, f rus. опорное… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
опорное напряжение — bandymo įtampa statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Nuolatinė arba kintamoji tam tikros vertės įtampa, kurią apibrėžtą laiko tarpą ir esant apibrėžtoms sąlygoms (be pramušimo) turi išlaikyti įtaisas, blokas, mazgas,… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
опорное напряжение — atskaitos įtampa statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. reference voltage vok. Bezugsspannung, f rus. опорное напряжение, n pranc. tension de référence, f … Fizikos terminų žodynas
ОПОРНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ — электрич. напряжение, относительно к рого отсчитывается другое напряжение. Источник О. н. должен обеспечивать его высокую стабильность. О. н. необходимо для прямого сравнения (в этом случае оно должно быть известным), для измерений относит.… … Большой энциклопедический политехнический словарь
опорное напряжение интегральной микросхемы — опорное напряжение Напряжение, с которым сравнивается напряжение считывания обратной связи в целях контроля за интегральной микросхемой. Обозначение Uоп UREF [ГОСТ 19480 89] Тематики микросхемы Синонимы опорное напряжение EN reference voltage FR… … Справочник технического переводчика
опорное напряжение вихретокового преобразователя — Синхронное с сигналом вихретокового преобразователя переменное напряжение, подаваемое на один из входов фазочувствительного устройства. [ГОСТ 24289 80] Тематики контроль неразрушающий вихретоковый Обобщающие термины средства вихретокового… … Справочник технического переводчика
опорное напряжение индикации (газоразрядного знакосинтезирующего индикатора) в номинальном режиме — Uинд Амплитуда импульсов напряжения на электродах индикации газоразрядного знакосинтезирующего индикатора, при которой обеспечивается управление элементами отображения в режиме записи и стирания. [ГОСТ 25066 91] Тематики индикаторы… … Справочник технического переводчика
Источник
Источники опорного напряжения от компании Analog Devices
Компания Analog Devices производит около 600 модификаций источников опорного напряжения (ИОН), и рассмотреть их все, конечно же, невозможно. Поэтому в первую очередь рассмотрим недорогие ИОН ADR 01, ADR02, ADR03, и ADR06 с номинальными выходными напряжениями 10,0 В, 5,0 В, 2,5 В и 3,0 В соответственно, а завершим наш краткий обзор сведениями об AD780. Как и все другие ИОН, источники ADR 01, ADR02, ADR03 и ADR06 формируют опорные напряжения с помощью запрещенной энергетической зоны внутренних базовых p-n-переходов (band gap) транзисторов с разной площадью эмиттеров. ИОН серии ADR изготавливаются в компактных 8-выводных корпусах SOIC, а также в 5-выводных корпусах SC70 и TSOT. Малые габариты ИОН и широкий диапазон рабочих температур (–40…+125 °С) позволят им найти применение во многих приложениях, в том числе там, где на первый план выходит компактность печатной платы.
Начальная погрешность и температурный коэффициент зависят от исполнения ИОН, которое бывает трех типов: A, B и С. В зависимости от типа и исполнения микросхемы начальная погрешность варьируется в пределах 0,05–0,2%, а типовое значение температурного коэффициента находится в диапазоне 1–10 ppm/°С. Однако кроме типового значения существуют и максимальные значения, величина которых зависит уже от типа корпуса микросхемы. Например, в исполнении А типовое значение температурного коэффициента составляет 3 ppm/°С, но максимально возможная величина может достигать 10 ppm/°С для ИОН в корпусе SOIC и 25 ppm/°С для ИОН в корпусах SC70 и TSOT.
Это обстоятельство надо обязательно учитывать особенно в тех случаях, когда ИОН используется во всем рабочем диапазоне температур –40…+125 °С. Иначе вас может ожидать весьма неприятный сюрприз, и вместо температурной погрешности 3 ppm/°С × 165 °С = 495 ppm вы получите погрешность 25 ppm/°С × 165 °С = 4125 ppm. Напомним формулу для вычисления температурного коэффициента TCV:
где V(T2), V(T1) и V(+25 °С) — выходное напряжение при температуре Т2, Т1 и +25 °С соответственно.
В таблице указаны некоторые типовые параметры рассматриваемых ИОН. Заметьте, что нестабильность выходного напряжения зависит от температуры. Графики зависимостей можно найти в документации производителя.
Наименование микросхемы Диапазон входных напряжений, В Нестабильность выходного напряжения, ppm/В Нестабильность выходного напряжения по нагрузке ppm/мА Спектральная плотность шума, нВ√Гц Размах шума (от пика до пика), мкВ Ослабление пульсаций на частоте 10 кГц, дБ ADR 01 12–36 7 40 510 20 –75 ADR02 7–36 7 40 230 10 –75 ADR03 4,5–36 7 25 230 6 –75 ADR06 5–36 7 40 510 10 –75
Особенно нужно отметить довольно высокий уровень ослабления пульсаций напряжения и широкий диапазон входных напряжений, причем максимальная величина напряжений может достигать 36 В. Последнее обстоятельство упрощает схему и снижает стоимость решений. Например, если требуется получить опорное напряжение 2,5 или 3,0 В, а на плате напряжение питания только 15 В, вам не придется создавать еще одну шину питания 5 В специально для ИОН, на его вход можно безбоязненно подавать напряжение 15 В.
В распределенной системе питания с нестабилизированной шиной 12 В, напряжение на которой может варьироваться в пределах 9–18 В, напряжение на входе ИОН не превысит максимально допустимую величину.
Конечно, при большом падении напряжения на ИОН возрастает мощность рассеяния, но для контроля температуры микросхемы предусмотрен специальный вывод TEMP, напряжение на котором пропорционально температуре микросхемы. Контроль напряжения на этом выводе позволит избежать перегрева сверх максимального значения +125 °С или другого заданного разработчиком предела.
Хотя для использования ИОН серии ADR не требуются внешние компоненты, будет не лишним установить на вход и выход микросхемы ИОН керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ, как показано на рис. 1. Конденсатор на выходе увеличит стабильность и послужит фильтром выходных шумов, а на входе сократит время протекания переходных процессов и уменьшит пульсации питания. Если пульсации питания велики, то параллельно конденсатору 0,1 мкФ можно подключить электролитический или танталовый конденсатор 1–10 мкФ.
Вывод TRIM в микросхемах позволяет изменить их выходное напряжение. Простейший вариант подстройки выходного напряжения показан на рис. 2. Резистор R1 величиной 470 кОм позволит увеличить плавность настройки, потенциометр POT надо выбрать многооборотным, иначе не удастся произвести точную подстройку.
Напряжение на выводе TEMP изменяется пропорционально изменению температуры, однако надо учесть, что производитель не указывает точность измерения, поэтому следует использовать такое напряжение скорее как справочное значение, а не для точных измерений. При температуре +25 °С напряжение на этом выводе составляет примерно 552 мВ и при увеличении температуры на 20 °С повышается на 39,2 мВ. Таким образом, чувствительность достигает 1,96 мВ/°С. Следует иметь в виду, что вывод TEMP подключен к опорному напряжению band gap, а потому нагрузка на данном выводе должна быть минимальной. Лучше всего подсоединять этот вывод к схеме через буфер с большим входным сопротивлением.
В выходном каскаде ИОН серии ADR применяется схема Дарлингтона на биполярных n-p-n-транзисторах и ток собственного потребления практически не зависит от тока нагрузки. Соответственно, на основе ИОН можно создавать прецизионные источники тока. Довольно простая схема такого источника изображена на рис. 3. Потенциометр ABW величиной 100 кОм введен в схему для регулирования тока.
Нагрузкой источника является резистор RL. Величина тока нагрузки IL = VREF/RSET. При использовании ИОН в различных схемах, в том числе с операционными усилителями, следует помнить, что выход рассмотренных ИОН рассчитан на вытекающий ток и даже небольшой втекающий ток может привести к увеличению погрешности выходного напряжения. При выборе резисторов не забудьте обратить внимание на их ТКС, он должен быть минимальным.
Однако не всегда можно удовлетвориться параметрами рассмотренных выше ИОН. А потому компания Analog Devices предлагает ИОН с лучшими параметрами — в частности, AD780. Его выходное напряжение составляет 2,5 или 3,0 В и программируется коммутацией внешних выводов. В отличие от рассмотренных выше ИОН серии ADR ИОН AD780 содержит встроенный буфер, поэтому максимальные втекающие и вытекающие токи равны и составляют 10 мА, что упрощает схемотехнику узлов с использованием AD780.
Лазерная подгонка при производстве позволяет уменьшить начальную погрешность до 1 мВ или 0,04% полной шкалы в случае напряжения 2,5 В, а максимальный температурный дрейф, в зависимости от исполнения, составляет 3 или 7 ppm/°С, что также существенно лучше, чем у ИОН серии ADR. Это иллюстрируется рис. 4, на котором показана зависимость погрешности напряжения ИОН AD780 от температуры. Как видно из рисунка, почти во всем рабочем диапазоне температур погрешность не превышает 1 мВ.
Ну и конечно, нельзя не сказать о долговременной стабильности опорного напряжения. У ИОН серии ADR она составляет ±20 ppm/1000 ч, а серии ADR — 50 ppm/1000 ч.
Описанные ИОН могут найти применение в очень многих функциональных узлах аналоговых схем. Вот некоторые из них: опорное напряжение для АЦП, ЦАП и аналоговых компараторов, источники прецизионного тока для питания датчиков, мониторинг напряжения аккумуляторных батарей и другие.
Таким образом ИОН серии ADR01, ADR02, ADR03, ADR06 и AD780 компании Analog Devices схожи по характеристикам, но AD780 имеет программируемое выходное напряжение и встроенный буфер, что позволяет упростить конечную схему. В линейке компании Analog Devices огромное количество различных ИОН. В данной статье показано, что выбор ИОН может и должен осуществляться в зависимости от требований конкретного проекта, и на примере продукции Analog Devices продемонстрировано широкие возможности такого выбора.
Источник