Меню

Ацп для измерения переменного напряжения



PIC Урок 25. Модуль ADC (АЦП). Измеряем напряжение. Часть 1

Переходим к изучению следующего модуля контроллера PIC – ADC, я считаю, одного из самых важных модулей.

ADC (Analog-to-Digital Converter, в переводе на русский АЦП или аналого-цифровой преобразователь) – это периферия, которая преобразует электрический сигнал на её входе в цифровой код. Затем данный код мы уже используем для обработки или для отображения тем или иным образом данной электрической величины. Это очень распространённая периферия или технология. АЦП активно используется в звукозаписи, измерительной технике, видеозаписи и во многих других случаях. Поэтому нам обойти данную вещь стороной никак не получится, тем более АЦП поддерживается аппаратно в контроллерах PIC16.

Как вообще работает цифровое преобразование?

Берётся опорное напряжение и сравнивается с измеряемым. Соответственно, опорное напряжение всегда должно быть больше измеряемого. Если это не так, то нужно будет применять делители напряжения.

Изобразим схематично процесс измерения

Отрезок — это диапазон измерений. Он находится между нулём и опорным напряжением. А стрелка — это измеряемое напряжение.

Данный отрезок делится пополам, и АЦП оценивает, в какой половине находится приложенное напряжение

Если оно находится в стороне нуля, то в самый старший бит результата записывается 0, а если в стороне максимального напряжения, то единица. У нас будет единица. Затем та половина отрезка, на которой находится измеряемое напряжение делится ещё пополам, и АЦП опять измеряет, в какой половинке уже данного отрезка у нас находится измеряемое напряжение

Оценка идёт по тому же принципу — в какой стороне отрезок. В нашем случае будет 0. И этот ноль записывается в следующий более младший бит.

Затем та четвертинка опять делится пополам и АЦП опять оценивает, где находится отрезок

И АЦП так и продолжает такой процесс до тех пор, пока не кончатся ячейки для битов. То есть если мы используем 10-битный режим, то. соответственно, и будет 10 подобных измерений и заполнятся 10 бит величины. Чем больше бит, тем точнее результат, но уже потребуется на это больше времени и более серьёзный и точный АЦП. Имея данный результат, нам несложно будет посчитать величину измеренного напряжения. Мы знаем. что если у нас АЦП 10-битный, то данный результат у нас лежит в промежутке от до 1023 (0xFFFF), получается всего у нас 1023 отрезка. И мы затем наш результат делим на 1024 (количество отрезков плюс 1) и умножаем на величину опорного напряжения.

Теперь посмотрим, как устроен модуль ADC в контроллере PIC16 (нажмите на картинку для увеличения изображения)

Измеряемый сигнал поступает на коммутатор входов, управляемый с помощью битов CHS2:CHS0, в A/D конвертер, в котором преобразовывается в цифровой код. Также в конвертер подаётся опорное напряжение, которое также может поступать из различных источников, что управляется тоже определёнными битами регистров настроек, с которым и сравнивается поступивший сигнал.

A/D-конвертер работает следующим образом. Сигнал, который поступил в него через коммутатор, заряжает внутренний конденсатор CHOLD. Затем модуль преобразует напряжение, удерживаемое на конденсаторе в соответствующий 10-разрядный цифровой код методом, описанным выше (данный метод называется методом последовательного приближения).

Время, необходимое для преобразования напряжения в цифровой код, поэтому складывается из времени заряда конденсатора и времени собственно преобразования. Расчёт этого времени – задача не совсем тривиальная. Подробно об этом рассказано в технической документации. Нам данное время рассчитывать незачем, так как момент окончания преобразования мы будем обнаруживать по состоянию определённого бита, с которым мы познакомимся немного ниже. Тем не менее иногда возникает необходимость досрочного прекращения преобразования, например для того, чтобы обеспечить большую скорость преобразования за счёт уменьшения точности АЦП. Тогда до следующего запуска преобразования необходимо выдержать определённую паузу.

Теперь давайте познакомимся с регистрами модуля ADC, которые, я надеюсь, внесут ещё большую ясность в понимание процесса работы АЦП.

Управляющий регистр ADCON0

Рассмотрим отдельные биты данного регистра:

ADCS1:ADCS0 (A/D Conversion Clock Select bits): Выбор источника тактового сигнала. Также есть третий бит выбора источника тактового сигнала ADCS2, который находится в регистре ADCON1. Вот как зависит выбор источника тактового сигнала, а также его частота от состояний этих трёх битов

ADCS2:ADCS0 Частота преобразователя
000 FOSC/2
001 FOSC/8
010 FOSC/32
011 FRC (Внутренний RC генератор модуля АЦП)
100 FOSC/4
101 FOSC/16
110 FOSC/64
111 FRC (Внутренний RC генератор модуля АЦП)

CHS2:CHS0 (Analog Channel Select bits): Выбор аналогового канала

000 = Канал 0 (AN0)

001 = Канал 1 (AN1)

010 = Канал 2 (AN2)

011 = Канал 3 (AN3)

100 = Канал 4 (AN4)

101 = Канал 5 (AN5)

110 = Канал 6 (AN6)

111 = Канал 7 (AN7)

GO/DONE (A/D Conversion Status bit): Статус модуля АЦП

1 – модуль АЦП выполняет преобразование (установка бита вызывает начало преобразования)

– состояние ожидания (сбрасывается аппаратно по окончанию преобразования).

ADON (A/D On bit): Бит включения модуля АЦП

1 – модуль АЦП включен

– модуль АЦП выключен. Ток модулем не потребляется.

Управляющий регистр – ADCON2

Рассмотрим биты данного регистра:

ADFM (A/D Result Format Select bit): Формат сохранения 10-битного результата

1 – правое выравнивание (два старших бита находятся в двух младших битах регистра ADRESH, остальные нули, а 8 младших битов – в регистре ADRESL)

– левое выравнивание (два младших бита находятся в двух старших битах регистра ADRESL, остальные нули, а 8 старших битов – в регистре ADRESH).

ADCS2 (A/D Conversion Clock Select bit): Старший бит выбора источника тактового сигнала

Был рассмотрен выше.

PCFG3:PCFG0 (A/D Port Configuration Control bits): Управляющие биты настройки каналов АЦП. Данные биты настраивают тип входов (цифровой или аналоговый), а также влияют на выбор источника опорного напряжения. Для этого в технической документации существует вот такая таблица

Из данной таблицы мы видим, что можно одновременно работать с несколькими каналами измеряемого сигнала. В этом случае преобразование сигнала каналов происходит не одновременно, а по очереди. Мы перед началом преобразования выбираем определённый канал, а перед началом следующего – другой канал.

Теперь поговорим о последовательности действий при работе с модулем ADC.

  1. Сначала мы настраиваем модуль, в том числе и биты PCFG3:PCFG0, выбираем направление ножек портов (ножки, участвующие в измерении сигналов, должны быть включены на вход). Затем выбираем канал, на котором будет производиться замер напряжения сигнала, выбираем источник тактирования АЦП и включаем модуль.
  2. Затем настраиваем прерывание от ADC, если необходимо. Прерывания настраиваются следующим образом: бит ADIF сбрасывается в , ADIE устанавливается в 1, также включаем глобальные прерывания с помощью битов PEIE и GIE.
  3. Выдерживаем паузу, необходимую для зарядки конденсатора.
  4. Начинаем аналого-цифровое преобразование с помощью установки бита GO/DONE.
  5. Ждём окончания преобразования путём отслеживания состояния бита GO/DONE или обрабатывая соответствующее прерывание.
  6. Считываем результат из регистров ADRESH:ADRESL, сбрасываем бит ADIF при необходимости.
  7. Чтобы начать следующее преобразование, процесс повторяется с шага 1 или 2. Минимальное время ожидания перед запуском следующего преобразования должно быть не менее двух периодов преобразования одного бита.

Думаю, для начала работы с модулем АЦП нам пока информации достаточно. Хотя в документации существует ещё немало различных нотаций, диаграмм и таблиц, которые нам пока не сильно требуются, а если вдруг и потребуются, мы обратимся к ним в процессе написания исходного кода проекта.

В данном занятии мы попытаемся отследить изменение напряжения на ножке AN0, а результат мы мониторить будем с помощью жидкокристаллического дисплея подключенного через переходник к шине I2C.

В качестве подопытного контроллера мы возьмём PIC16F877A, расположенный на плате от WaveShare, а в качестве источника испытуемого сигнала соберём примитивный делитель с помощью переменного резистора на 10 килоом, подключенного с одной стороны к плюсу питания контроллера, а с другой – к общему проводу. Центральный провод соединим с ножкой AN0.

Подключим резистор к плате

Подключим программатор, подключив его затем и к ПК, а также подключим внешний блок питания к плате.

В следующей части занятия мы настроим проект, АЦП, напишем код для измерения напряжения и проверим код на практике.

Купить программатор (неоригинальный) можно здесь: PICKit3

Купить программатор (оригинальный) можно здесь: PICKit3 original

Отладочную плату PIC Open18F4520-16F877A можно приобрести здесь: PIC Open18F4520-16F877A

Дисплей LCD 20×4 можно приобрести тут: Дисплей LCD 20×4

Переходник I2C to LCD можно приобрести здесьI2C to LCD1602 2004

Смотреть ВИДЕОУРОК (нажмите на картинку)

Источник

Датчики и АЦП — для чайников-практиков (3/3) :: аналоговые датчики

Аналоговые датчики

Теперь рассмотрим датчики другого, значительно более обширного класса. Их настолько много, аналоговых (и цифровых) датчиков, что датчики событий и счетчики к собственно «датчикам» относят редко.

Читайте также:  Прибор для измерения кислотности земли

Итак, перед нами стоит задача — микроконтроллер должен знать температуру в комнате. Вариант «взять градусник и набрать по кнопочкам» по понятным причинам исключается.

Мы поступим так:

  1. Прежде всего, мы имеем некоторое воздействие и предмет, на которое оно производится (в нашем случае тепло воздействует на датчик… пусть это будет термометр сопротивления). Единица измерения на этом этапе — физическая величина (допустим, градусы Цельсия — хотя чем хуже Кельвины. ).
  2. Под этим воздействием предмет — датчик — меняет свои свойства (в нашем случае меняется его сопротивление). На этом этапе мы имеем зависимость свойства датчика от воздействия (сопротивление от температуры). Кстати, грамотнее в данном случае будет сказать «параметр«, а не «свойство».
  3. У разных датчиков, разумеется, разные параметры. Поэтому на следующем этапе их всех приводят к единому «интерфейсу» — к напряжению. Другими словами, теперь мы имеем зависимость напряжения от воздействия (тут бывают исключения — например, емкость может быть измерена микроконтроллером без преобразования в напряжение).
  4. Далее необходимо перевести напряжение в цифровой код, который получит микроконтроллер. Этим занимается аналогово-цифровое преобразование (или АЦП или analog to digital conversion — ADC). Доступно для начинающих они описаны тут). В подавляющем большинстве ваших устройств на вход им будет подаваться напряжение в диапазоне 0 — 2.5… 5В, на выходе будет появляться число в виде, доступном микроконтроллеру.
  5. Думаете, победа? Ан нет! Вот сказал вам микроконтроллер — «датчик температуры мне выдал 1734». Это сколько же в градусах Цельсия. Поэтому дальше идет процедура преобразования кода в то, что вам надо.

Вот такая последовательность действий. Иногда все это находится в одной микросхеме (например, измерение напряжения в пределах 0… 5В микроконтроллер может выполнить сам), иногда ряд этапов находится в одном устройстве (например, датчик температуры, выдающий напряжение или цифровой код), но в большинстве случаев все эти действия выполняют различные устройства.

Если все эти этапы осуществляются в одном устройстве, то оно будет называться цифровым датчиком. Они проще для работы, но дороже.

Теперь рассмотрим все эти этапы преобразования отдельно.

Собственно датчик и его параметр

На первом этапе мы имеем воздействие некоторой природы на наш датчик (в нашем случае это будет воздействие температуры на внутренний материал резистора KTY81/110 фирмы NXP). Что там внутри происходит, как и когда — это целиком зависит от конкретного датчика. Тут нет каких-либо общих характеристик. Но всегда есть некоторое изменение какого-либо электрического параметра (в нашем случае — сопротивление). Поэтому можно перечислить общие характеристики для любого датчика:

  • Физическая природа и электрический параметр. Это первый вопрос, который возникает при отборе датчиков. В большинстве случаев параметром будут изменение сопротивления, напряжения или емкости (для KTY81 это сопротивление).
  • Допустимый диапазон воздействия. Любой прибор всегда требует определенных условий для своей эксплуатации (для KTY81 это работа в диапазоне температур -55… +150оС).
  • Характеристика зависимости параметра от физического воздействия. Тут нет общего описания, для каждого типа датчика будет своя характеристика (для KTY81 дается температурный коэффициент, смещение сопротивления в зависимости от длительности использования). Также не забываем, что тело не мгновенно реагирует на физическое воздействие (у KTY81 дается температурная константа для измерения в воздухе, стоячей жидкости и текущей жидкости).
  • Собственно зависимость параметра от воздействия. Это таблица или график, который описывает изменение параметра при приложенном воздействии. Эта зависимость может быть линейной (что хорошо), а может и не быть (что хуже).
  • Описание корпуса. Датчик имеет корпус — микросхему. Это может быть трехножка, пятиножка, стоножка (да-да, и такое бывает!). Она может быть с торчащими выводами (DIP-корпусы), могут быть ножки в сторону (TQFP-корпусы), а могут быть вообще без торчащих ножек (всевозможные SMD-корпуса или — каково запаять такое пяльником. — BGA). Чтобы поразить свое воображение — посмотрите хотя бы здесь.
    Самая частая ошибка начинающих схемотехников — оставить вопрос выбора корпуса на потом. Это вроде бы мелочь, но потом, при монтаже и пайке готового изделия может вылиться в головняк. Каждая фирма придумывает свою маркировку и название для корпусов, расстояния между ножками и прочее. Бывает, что заказал один корпус и проглядел ничем не примечательную буковку в названии. А потом, в плату уже не впаивается из-за не тех размеров… (вот заказываете вы ATmega32U4 и видите, что есть ATmega32U4-AU и ATmega32U4-MU. Разница есть? Есть — у одной ноги торчат в сторону, у другой под пузо). Эту информацию надо учитывать (за KTY81 можно расслабиться — тут только один вариант корпуса).

Параметр датчика в напряжение

Следующим делом необходимо убедиться в том, что мы будем работать с напряжением, а не с чем-либо другим.

Тут все зависит от параметра. Если параметром является емкость, то разговор будет совсем особым. Если же датчик сразу дает напряжение, то этот шаг уже выполнен самим датчиком. А если (как у KTY81) параметром является сопротивление, то преобразование в напряжение необходимо выполнить.

Нужно учитывать, что любое преобразование вносит погрешность. Эти погрешности бывают самыми разными. На практике я сталкивался с изменением линейности, смещением, «обрезанием» нижней или верхней границы.

Ничего общего тут сказать нельзя. Каждый вид преобразования индивидуален. В нашем примере используется делитель напряжения. Надо учитывать, что резистор, стоящий вверху, также имеет температурный коэффициент (гораздо менее выраженный, чем у терморезистора, но все равно не нулевой). Значит, при нагреве или остывании платы кривая куда-то «поплывет». Все это нужно учитывать при проектировании устройства. Если нас интересует просто комнатная температура (точность — 1оС), то такие мелочи несущественны и могут быть проигнорированы. Но если вы проектируете термометр с погрешностью не более 0.1оС для широкого диапазона температур, то все эти вопросы становятся очень существенными.

Напряжение в код

Наконец-то мы подошли к самому сердцу работы цифрового датчика — аналогово-цифровому преобразованию. Сколько много их есть, АЦП (посмотрите, например, тут — у меня выпал список в 528 позиций)! Они отличаются массой характеристик, они задают основные свойства преобразования. Тут важна схема, разводка платы, окружающая электромагнитная обстановка. Тут все важно! Всего в своей статье я и описать не могу. Да и не надо оно вам поначалу. Вам надо задать основные характеристики — а дальше умный схемотехник за бутылку пива (или купленную ему новую машину — смотря что за задача) нарисует схему и укажет особенности разводки платы.

Тут бы самое то поговорить про особенности процесса АЦПирования, но вы тогда забудете про последний этап, который не менее важен. Поэтому подробно про АЦП будет сказано после, а сейчас — исключительно в двух словах.

Задача АЦП — выдать цифровой код для напряжения в заданном диапазоне, измерение проводится с заданной погрешностью. Ответ будет представлять собой целое число в четко заданном диапазоне. Для нашего случая это может быть измерение напряжения в диапазоне 0… 5 В.

Первый важный момент (его мне напомнили в комментариях): в процессе преобразования АЦП имеет дело с напряжением, которое накопилось на устройстве выборки-хранения — или конденсатор, коммутируемый аналоговым ключом. Это важно помнить, т. к. конденсатор заряжается не моментально из-за своей емкости.

Второй важный момент: АЦП производит преобразование непрерывной величины напряжения в дискретный код. Сейчас разъясню — покажу на примере.

Итак, мы имеем некоторое напряжение x. Мы уверены в том, что оно больше некоторого 0 и меньше некоторого +U. Уверены? Тогда смело подаем на вход АЦП, которое ограничено 0 и +U вольтами.

Есть много всяких разновидностей и вариантов процедуры измерения (вот, например, прекрасная статья про сигма-дельта АЦП), я же возьму самый простой и понятный.

Измерение проводится в несколько шагов. У нас первый шаг — диапазон 0… U. Делим его пополам и сравниваем: x > 1 /2U или же x 1 /2U? В нашем случае x 1 /2U. Прекрасно, тогда результат первого шага — знак «меньше», что отмечается первым двоичным числом «0», результат лежит в диапазоне 0… 1 /2U.

Второй шаг — предыдущий результат «0», диапазон 0… 1 /2U. Снова делим диапазон пополам и делаем сравнение: x > 1 /4U или x 1 /4U? Оказалось выше, что отмечается двоичным числом «1», которое добавляется к имеющемуся. Результат: «01», 1 /4U 1 /2U.

Третий шаг: снова выше середины. Получаем «011», 3 /8U 1 /2U.

Четвертый шаг — у нас середина будет 7 /16U, новое сравнение. Потом дальше и дальше…

Читайте также:  Единица измерения сопротивления сжатию

UPD: меня попросили проверить правильность еще нескольких преобразований. Выложу тут результаты нескольких 16-битных преобразований для желающих поупражняться:

Как мы видим, у нас на каждом шагу есть зона неопределенности, в которой и лежит искомый результат. Каждым новым шагом мы зону неопределенности делим пополам. И так, за заданное количество шагов мы получим результат. Количество шагов называется разрядностью АЦП — первая исключетльно важная характеристика АЦП. Количество разрядов определяют количество битов, необходимых для представления результата. Поэтому, например, АЦП с разрядностью 10 назовут 10-битным АЦП. Как правило, в англоязычной документации так и пишут — «16-bit, sampling analog-to-digital (A/D) converter» (это я про ADS8320).

Каждый шаг занимает время — пусть и микроскопическое в масштабах Вселенной, но тем не менее вполне конечное (а часто недостаточно малое). Количество всех шагов и образует время преобразования — вторая фундаментальная величина (на самом деле оно — время преобразования — зависит еще и от массы других параметров, но они значительно меньше влияют на общее время, чем разрядность).

Вот по этим двум параметрам и еще допустимый диапазон измерений (что является ответом на вопрос «что такое 0 и что такое +U?») производится первичный выбор АЦП из всей кучи имеющихся.

Разрядность и диапазон измерения прямым образом влияют на результирующую погрешность преобразования. Какова погрешность у нашего примера?

Первый шаг дает результат в 1 /2U (если у нас U = 5В, то точность будет 2.5В). Значит, точность первого шага — 50% от исходного диапазона. Если мы на этом остановимся, то точность у нас будет… хм… скромненькая, прямо скажем, поэтому мы двигаемся дальше.

Второй шаг еще раз делит искомую область пополам. Точность становится 1 /4U = 25% = 1.25В.

Третий шаг… Давайте, впрочем, изобразим это в таблице:

Поражают воображения числа внизу таблицы? А именно такие АЦП и используются как правило. В составе микроконтроллеров ATmega, например, используются 10-битные. Предел на сегодняшний день (то, что я встречал) — 24-х битные. И цена их отнюдь не фантастическая, а вполне реальная. UPD: впрочем, на момент написания статьи реальным пределом, при котором получается стабильно точный результат, был 22 бита. А оставшиеся 2 бита — просто для маркетинга. UPD 2: Впрочем, и это не предел! В комментариях подсказывают: есть уже и 31-битные. Вот, загляните в гости к «Техасскому инструментальному заводу» и взгляните на ADS1281. Там, впрочем, хитро написано: в заголовке речь про 24-хбитный преобразователь, в характеристиках про 31 бит. И кто их — техасцев — поймет.

Но! Точность преобразования все равно конечна! И поэтому результат будет таким, каким был на картинке — ступеньками. Ступеньки могут быть сколь угодно малыми (почти сколь угодно. ), но все равно это будет ступенька. Это надо четко понимать. И подбирать параметры исходя из требуемой точности.

Диапазон самого последнего сравнения называют ценой младшего разряда. Этот параметр используется при преобразовании получившегося кода в величину.

Обычно точность измерений при подходе к последним шагам падает. И часто последние разряды будут «шуметь» — вы напряжение не меняете, а код скачет. Поэтому еще говорят об эффективных разрядах — это те разряды, которые свое значение не меняют при неизменном значении на входе. Обычно у 24-х битных АЦП шумят последние 2 — 3 разряда.

Код в величину

Итак, мы имеем наконец-то код, который как-то соответствует исходной величине. Что с ним делать дальше?

Аппроксимация

Вопрос первый — какому все-таки реальному значению соответствует код.
Значит, у нас есть некоторый x — код, и функциональная зависимость y = F(x).

Что собою представляет эта функция F(x)? Если мы ее считаем линейной (для простоты), то ответ будет достаточно простой:

y = F(x) = K*x + B.
Простая линейная функция… И в большинстве случаев ее хватает. Но — опять же — только для линейной зависимости кода (с учетом всех перипетий его получения) от исходной величины. Углубляясь в дебри — можно использовать, если надо, квадратичную и более функцию. Я где-то слышал, что делали тензометр — измеритель веса. Он должен был работать в диапазоне от 0 до 5 тонн. И там с помощью кубической функции аппроксимации добились точности в пару килограмм — и это круто!

Так вот, задача теперь заключается в получении этих самых K и B. Как их узнать? Из математики известно, для получения этих констант достаточно знать два значения код-величина. И тогда получаем решение. Где их взять — эти две пары?

Тут есть 2 взаимодополняющих подхода для получения ответа — теоретический и экспериментальный. На практике один дополняет другой.

Для начала мы заглянули в описание KTY81/110и увидели, что при 20оС значение сопротивления у резистора равно… приблизительно… 961 Ом.… Угу, а еще оно равно минимум 950 Ом и максимум 972… Впрочем, я отвлекся.

Итак, для 20оС сопротивление равно 961 Ом. Дальше у меня был делитель напряжения. Допустим, там это сопротивление превратилось в 3.124В. Какой у нас там шаг? — 1.22мВ на один код (т. е. 12-битное АЦП). Т. е. мы должны взять 3.124В и разделить на этот шаг — получим код 2560. Прекрасно! А 100оС соответствует 1696 Ома — после делителя 4.076В — после АЦП код 3340.

Просчитали — и получили значение.

Но вся беда в том, что это только лишь тео-ория… А на практике завод не может гарантировать такую высокую точность KTY81/110 (о чем в описании честно и сказано). И мы не должны забывать о том, что используем делитель напряжения, где сверху резистор, и он тоже не шибко точный. А источник напряжения-то в делителе — тоже не идеален… Словом, от датчика к датчику будут различия. Что хорошо — величину этого различия можно всегда просчитать и вывести погрешность. Если она устраивает — все ОК, продаем датчик. Если же нет, то необходимо откалибровать данный датчик.

Для этого пары код-значения получают экспериментально.

Я это для измерителя температуры делал так.

Первая точка — моя температура тела 36.6оС (хочется верить). Засовываю датчик под мышку и смотрю — ага, код такой-то. Запомнили!

Вторая точка — кипящий чайник. Вот он, электрочайник, кипит и бурлит на столе (за час отладки программы я доливал туда воду не раз и в комнате было туманно. ) Засовываю датчик туда — ага, получил вторую точку!

В итоге получилось неплохо — в пределах погрешности, к которой я стремился.

Но вначале я записал в программу то, что было в документации. Потом исправлял для каждого нового датчика.

А что надо сделать для нелинейной характеристики? То же самое, только формула усложняется, больше точек код-значение и существенно сложнее формула получения констант.

В нашем-то примере надо было все-таки делать нелинейную аппроксимацию! Но на некотором участке кривая получается почти линейной. А у нас есть условие — «мерять комнатную температуру». «Комнатная» — это от 10оС (ну мало ли, котел сломался зимой, окна нараспашку!) до 40оС (ну мало ли, кондиционер сломался по летней жарище, окна нараспашку). Как мы видим на нашем графике, на этом участке кривая почти прямая. Прекрасно! Мы надеемся, что у нас в доме меньше 10оС не будет (а если будет — нам уже будет не до датчиков!), и нелинейный участок нас интересовать не будет. Все! Значит, порядок!

В этом и заключается магия четкого отслеживания всех погрешностей и условий работы прибора: если в заданных условиях получившаяся у нас в результате всех преобразований погрешность допустима, то к большей точности стремиться не надо. У нас, скажем, допустима погрешность в 1оС. Попадаем в нее (в условиях комнатной температуры)? Да. Тогда считаем, что устройство работает правильно!

Дискретность преобразования

Значение получили — класс! Теперь давайте проанализируем что мы получили. Мы помним, что преобразование у нас — дискретное. И результат будет ступенчатый. Но что это за ступеньки будут?

Ширина ступеньки — это код. Высота ступеньки — это величина. Код у нас растет монотонно — все время увеличивается на 1-цу. Следовательно, у всех ступенек ширина будет одинаковая. А вот величина может быть и не очень равномерно-монотонной. Если у нас линейная аппроксимация, то высота будет везде одинаковая. Но вот если любая другая, то высота будет плавать в зависимости от диапазона.

Высота ступеньки — шаг изменения исходной величины — задает нам погрешность. В случае линейной аппроксимации погрешность для всего диапазона кодов (и, значит, исходной величины) одинаковая. Но в случае остальных вариантов погрешность будет зависеть от кода (и от величины). Это надо учитывать при последующей оценке погрешности измерений.

Читайте также:  Как измерить объем минзурки

Впрочем, на практике это не очень важно, поэтому углубляться не будем, а перейдем к кой-чему, что было нами забыто.

Величину в… интерпретацию?

Для чего нам нужен датчик? Если нас просто интересует, допустим, температура, то на этом можно и остановиться — вот она, температура в Цельсиях! Но если температура, в свою очередь, описывает какой-то другой процесс?

Например, по ходу заряда аккумуляторы постепенно начинают нагреваться. Вначале процесса заряда они нагреваются несущественно, но к концу нагрев растет экспоненциально. Если 1) измерять температуру на аккумуляторах с высокой точностью, 2) знать их емкость и прочие характеристики, а также 3) четко управлять током заряда, то по температуре можно предсказать оставшееся время заряда.

Тогда нам в цепочку преобразований надо вставить еще один этап — график «температура -> время заряда». У этого преобразования будут тоже свои погрешности и особенности. Впрочем, это совсем отдельная тема, и она специфична для каждого случая. Поэтому рассматривать ее тут подробно бессмысленно.

Итоги преобразования

Итак, мы рассмотрели всю последовательность преобразования некоторого физического воздействия в цифровое его значение. Вначале мы подставили физическому воздействию датчик — подставили наш терморезистор под лампу. Это воздействие изменило свойства датчика — и изменился его какой-то электрический параметр. Следующим шагом мы превращаем изменение параметра в изменение напряжения — действие, хоть и условное, но всем удобное. Дальше мы должны преобразовать напряжение в числовой код, понятный микроконтроллеру. Этим занимается класс устройств под названием АЦП. В результате мы получаем дискретный код, который показывает изменение напряжения в некотором заданном диапазоне. В конце мы должны превратить код в число, соответствующее физической величине. По ходу дела приходится решать задачи аппроксимации.

При всех этих действиях у нас погрешность скачет туда-сюда. Каждый узел устройства, каждый шаг преобразования тем или иным образом увеличивает погрешность. Об этом надо помнить и везде закладывать такую погрешность, чтобы сумма всех этих погрешностей в конце не превысила требования к прибору. Под «суммой» тут имеется в виду не арифметическое сложение, а… ну-у… сумма, в общем.

Вкратце об АЦП

У нас осталась еще одна нерассмотренная тема — это АЦП. Вкратце о них было сказано выше, да и вообще тема очень изъеденная в Интернете, но все-таки для полноты картины нужно о них рассказать и тут. Я ограничусь самыми краткими сведениями — теми особенностями, которые надо учитывать при проектировании устройства.

Вы уже познакомились с зависимостью точности преобразования от разрядности? Нет. Тогда знакомьтесь, иначе дальше ничего не поймете! Ну а коли познакомились (не правда ли, приятное знакомство!), двигаемся дальше.

Там было сказано, что АЦП характеризуется тремя важными параметрами:

  1. Разрядность — эту тему обсудили.
  2. Скорость преобразования — это тоже было показано. Вернее, мы остановились на том, что разрядность прямо влияет на скорость преобразования.
  3. Опорное напряжение — то самое, в пределах которого производится измерение.

Опорное напряжение — это базовый параметр. Какой диапазон мы можем измерить? Массовые АЦП в микроконтроллерах (беру, например, ATMega) дают нам возможность измерять в диапазоне от единиц до 5 Вольт. «Опорное напряжение» в этом случае — это верхняя граница диапазона. Нижнюю, как правило, приравнивают к нулю.

Впрочем, самое то сделать оговорку. Нижняя граница может быть и отрицательной. Есть еще дифференциальный режим измерения — когда есть два входа — нижнее значение и измеряемое. Тогда мы меряем напряжение между ними (а не разницу между данным напряжением и 0). Это используется в случае так называемого «дифференциальног опдключения». Объяснять специфику тут долго, да и выходит оно за рамки статьи. Вкратце: диф. подключение позволяет здорово минимизироват ьвлияние помех. Разницы почти нет. Поэтому для упрощения дальнейшего изложения будем говорить только об измерении текущего напряжения между 0 и опорным.

Увеличивая опорное напряжение, мы «растягиваем» как гармошку «лестницу» результата. Т. е. меняется цена разряда. Уменьшая — соответственно, наоборот. Как правило, опорное напряжение — это константа.

Для создания опорного напряжения используют отдельную микросхему. Она дает высокоточное напряжение (0.1% точности у REF5050), слабо зависящее от температуры. Ток у таких источников питания совсем небольшой (у того же элемента +-10мА), но этого вполне хватает для АЦП. И вообще, запомните: АЦП потребляет мизерный ток от измеряемого сигнала (он измеряется в микроамперах, а часто и в наноамперах). Но, как всегда, есть исключения: в комментариях enclis отметил, что «есть такой класс усилителей/буферов — драйверы АЦП. Из-за входных сопротивлений и емкостей тех же высокоскростных АЦП приходится очень быстро прокачивать несколько мА, а иногда и десятки мА.»

Скорость преобразования, или же, что корректней, частота дискретизации — это следующий ключевой момент, и его надо учитывать в случае периодических измерений. Допустим, у вас меняется ток в устройстве, и вы хотите быстро реагировать на эти изменения. Значит, вы должны уметь их быстро отслеживать. Насколько быстро? Это уже характеристика АЦП.

Загляните на выбор АЦП у Analog Devices. Вы увидите таблицу (или их уже две. ) «Resolution (Bits) x ADC Throughput Rate (SPS)». Это, соответственно, «разрешение (биты) х частота семплирования (SPS)». Разрядность (оно же разрешение) уже рассмотрели, измеряется в битах. Частота семплирования (SPS — samples per second) — это количество выборок (измерений) в секунду. Величина 10 SPS означает, что за секунду это АЦП может произвести 10 измерений. Да-да, SPS — это те же Герцы.

Правда, 10 SPS — это уже из разряда очень высокоточных измерений! В простых случаях все начинается с 1k («k» — это тут KSPS, то есть тысячи SPS)…

Вот такие времена наступили! Меньше 1k измерений в секунду уже никого (почти) не интересует. Дальше — больше: 100k (100 тысяч), 1M (1 миллион), 250+M (более 250 миллионов). Дык, мы уже доросли и до миллиарда измерений в секунду! Есть уже 58 GSPS — собственно, без таких АЦП невозможны современные оптические сети. Такие вот нынче цифры — меряет от доли микровольта до 5 Вольт меньше чем за микросекунду!

На практике необходимо прежде всего решить для себя — какая частота измерений вам нужна? Полоса частот видеосигнала, если я не ошибаюсь, составляет с десяток МГц — это будет один АЦП. Нужно измерять потребление тока в домашней электросети 50 Гц — там будет совсем другой АЦП.

Слишком быстрое АЦП тоже не нужно — микроконтроллер должен успевать обработать результат.

Лично я как максимальную величину устанавливаю ту скорость, что мне выдает мой контроллер (что мой алгоритм успеет обработать). Эта величина у меня никогда не была выше 1 MSPS. Минимальная величина — это предполагаемая частота, увеличенная (грубо) в 10 раз. Тут вы видите примеры различных частот дискретизации.

Если вы измеряете, например, обычные колебания (синусоиду), то необходимо учитывать ее частоту. Если вы выберете частоту АЦП, близкую к частоте колебаний, то вы можете получить красивую, но совсем неправильную информацию о колебаниях. На рисунке представлен как раз этот случай — исходные колебания (синя кривая) опрашиваются весьма, но недостаточно быстро (зеленые линии), в итоге получаем, по сути дела, эффект биения (красная кривая) — результат сложения двух колебаний близких частот.

А вообще — есть теорема Найквиста-Котельникова по поводу выбора частоты дискретизации. Исходя из этой теоремы надо оценить спектр сигнала, найти максимальную гармонику… Испугал? Если да, то запомните простое правило, которое я для себя вывел: нужно делать где-то в 10 раз бОльшую частоту дискретизации, чем частота изменения сигнала. UPD: это правило теоретически некорректное и не всегда правильное, но для быстрого подбора АЦП сойдет.

Тему АЦП можно мурыжить бесконечно — но тут я, наверное, и остановлюсь. Для начального понимания вопроса тут написано достаточно, а дальше нужно погружаться в описания микросхем и мучить вопросами специалистов.

Также пора завершать всю тему про датчики. Надеюсь, своей статьей я кому-то сэкономил время (и место на рабочем столе). Если уважаемые читатели увидят какие-нибудь неточности, очепятки и ошибки — пишите, благо сервис позволяет их исправлять!

[1] моя голова
[2] Интернет
[3] мои железяки, где используются датчики

P. S.Хочу поучаствовать в конкурсе, поэтому добавляю:

Источник