АЦП на ардуино

Использование встроенного аналого-цифрового преобразователя Arduino

Для обработки аналогового сигнала можно использовать, например, аналоговый вывод A0:

int analogPin = 0;

Ввод значения напряжения на этом выводе реализуется так:

val = analogRead(analogPin);

Перевод считанного значения в уровень напряжения реализуется так:

volts = val * vref / 1024.0;

В качестве делителя в некоторых источниках рекомендуется и 1023.
Но в даташите на ATMega328P указано именно число 1024:

В вышеуказанном выражении vref — опорное напряжение (voltage reference).
В режиме по умолчанию (DEFAULT) опорное напряжение равно напряжению питания (5 В для моей платы Arduino).
В режиме INTERNAL используется внутренний источник опорного напряжения (1,1 В для моей платы Arduino).
В режиме EXTERNAL на вывод AREF подается внешнее опорное напряжение (от 0 до 5 В), причем входное сопротивление составляет 32 кОм. В этом случае удобно использовать внешний источник опорного напряжения — например, LM4040, LM385Z, REF-4096.

Источник REF-4096 основан на чипе MCP1541 и имеет три вывода:

Он преобразует напряжение около 5 В (4,3 … 5,5 В) в стабильное напряжение 4,096 В (4,055 … 4,137 В) (макс. выходной ток 2 мА):

Схема включения диода LM4040 следующая:

Диоды LM4040 обеспечивает различные значения напряжения:
LM4040-N-2.0 — 2,0 В;
LM4040-N-2.5 — 2,5 В;
LM4040-N-3.0 — 3,0 В;
LM4040-N-4.1 — 4,1 В;
LM4040-N-5.0 — 5,0 В.
Диод LM4040 обеспечивает стабильное опорное напряжение при токах 60 мкА … 15 мА.

Также можно использовать опорный диод из серии LMx85, например, LM385Z-1.2 на напряжение 1,235 В с погрешностью 2 %, работающий при токах 10 мкА … 20 мА.
Схема включения такого диода аналогична схеме включения LM4040, при этом рекомендуемое значение сопротивления резистора R для входного напряжения 9 В — 510 кОм, 1,5 В — 3 кОм.
Символ «Z» в обозначении диода означает тип корпуса TO-92:

Внутренняя схема такого опорного источника весьма сложна:

Для переключения режима опорного напряжения используется команда:

analogReference(режим);

Следует отметить, что в используемой схеме напряжение на катушке при включенном MOSFET будет отрицательным, что отобразится нулевым значением в результатах измерений АЦП Arduino.

Для успешного детектирования сигнала необходимо ускорить аналого-цифровое преобразование, изменив множитель (prescaler) путем управления битами ADPSx в регистре ADCSRA:

ADPS2 ADPS1 ADPS0 Множитель
0 0 0 2
0 0 1 2
0 1 0 4
0 1 1 8
1 0 0 16
1 0 1 32
1 1 0 64
1 1 1 128

Этот множитель показывает, во сколько раз тактовая частота АЦП меньше системной тактовой частоты (16 МГц).

Установка множителя, равного 64 (частота дискретизации около 19 кГц) —

cbi(ADCSRA, ADPS2); sbi(ADCSRA, ADPS1); sbi(ADCSRA, ADPS0);

Установка множителя, равного 32 (частота дискретизации около 38 кГц) —

sbi(ADCSRA, ADPS2); cbi(ADCSRA, ADPS1); sbi(ADCSRA, ADPS0);

Установка множителя, равного 16 (частота дискретизации около 76 кГц) —

sbi(ADCSRA,ADPS2) ; cbi(ADCSRA,ADPS1) ; cbi(ADCSRA,ADPS0) ;

В этом случае тактовая частота АЦП равна 1 МГц. С учетом того, что преобразование занимает 13 тактов, оно будет длиться 13 мкс (частота 1000/13 = 76,92 мкс). Но это в идеальном случае! Тесты показали, что без изменения множителя (128 по умолчанию) одно аналого-цифровое преобразование (analogRead) в цикле занимает ~ 112 мкс, а с измененным множителем (16) — ~ 17 мкс.