Необходимость последнего параметра можно проиллюстрировать на примере наручных часов — практически все они содержат секундную стрелку (или демонстрируют секунды на дисплее), хотя секундомер в жизни требуется не часто, да и уход таких часов от истинного времени (т. е. их абсолютная точность) может составлять минуты, что нас совсем не «напрягает». Просто без секундной стрелки нам как-то неуютно. Точно так же при измерении температуры следует демонстрировать десятые градуса, хотя термометр, повешенный, например, на высоте четвертого этажа, может показать на пару-другую градусов больше, чем термометр на уровне земли. Впрочем, излишняя разрешающая способность тоже ни к чему — если мы бы захотели демонстрировать ту же температуру с сотыми градуса, то они бы попросту мелькали на дисплее, не неся никакой информации.
После такого экскурса в теорию измерений мы можем сделать вывод, что погрешности встроенного АЦП нам в большинстве случаев хватит и без особых ухищрений, важно только, чтобы показания не «дребезжали». Цифровые помехи со стороны ядра МК, как показывает опыт, имеют значительно меньшее влияние на результат, чем внешние, потому режим Noise Reduction нам не потребуется. Уменьшение дребезга почти до нуля достигается тем, что, во-первых, на входе канала ставится фильтр низкой частоты для устранения неизбежных в совмещенных аналого-цифровых схемах наводок на внешние цепи. Обычно достаточно керамического конденсатора порядка 0,1–1 мкФ, хотя в критичных случаях фирменное руководство рекомендует еще последовательно с ним включать индуктивность (порядка 10 мкГн), которую, добавим, для простоты можно заменить на резистор (несколько единиц или десятков килоом). Во-вторых, мы будем измерять несколько раз, и значения отдельных измерений усреднять — это самый эффективный способ повышения стабильности показаний, который я рекомендую для всех случаев, даже и тогда, когда соблюдены все фирменные рекомендации по повышению точности измерений (и в этом случае — особенно!). Это хоть и загромождает программу, но полученный эффект оправдывает такое усложнение.
Наконец, остановимся на источнике опорного напряжения, который, как мы знаем из главы 10, влияет на точность АЦП напрямую. Встроенные АЦП в МК AVR могут использовать три источника опорного напряжения на выбор: внешний, встроенный и напряжение питания аналоговой части (оно всегда в таких случаях отдельное от питания цифровой, хотя в простейших случаях это может быть один и тот же источник).
Встроенным источником опорного напряжения 2,56 В я пользоваться не рекомендую, прежде всего потому, что его величина может «гулять» в значительных пределах (до ±0,3 В), и зависит к тому же от напряжения питания, что в достаточной степени обессмысливает его использование. Единственным аргументом «за» является сама величина 2,56 В, что позволяет без сложных арифметических преобразований получать на выходе число измеряемых милливольт. Выходное значение АЦП (для несимметричного входа) выражается формулой:
N = 1024∙(Uвх/Uon).
Поэтому при Uon = 256 мВ, выходная величина N будет представлять учетверенное значение входного напряжения в милливольтах. Его легко привести к целому числу милливольт, просто сдвинув результат на два разряда вправо.
Однако такое измерение будет достаточно неточным и с искусственно пониженным разрешением (мы «легким движением руки» зачем-то превращаем 10-разрядный АЦП в 8-разрядный). Поэтому во всех случаях, когда требуется обеспечить абсолютную точность (например, при работе АЦП в составе мультиметра, где нас интересуют именно абсолютные значения в вольтах), следует использовать внешний точный источник опорного напряжения, тем более что они вполне доступны, хотя и не всегда дешевы (так, один из самых дорогих — прецизионный МАХ873 с напряжением 2,5 В имеет разброс напряжения 1,5–3 мВ при температурной стабильности 2,5–7 мВ во всем диапазоне температур, и стоит порядка 10 долл.). Важным преимуществом такого способа служит возможность выбора опорного напряжения из более удобных величин (например, 2,048 В), что позволит не терять разрешение встроенного АЦП.
Если же нам требуется не измерять напряжение в абсолютных вольтах, а получать какие-то иные физические величины, то при работе от встроенного источника мы к тому же не можем воспользоваться способом повышения точности путем относительных измерений (запитав внешнюю измерительную схему от того же источника, чтобы скомпенсировать его изменения, например, с температурой). При этом нам в любом случае понадобится довольно сложная арифметика для пересчета показаний в физические величины, и тогда проще всего выбрать в качестве опорного источник аналогового питания, т. к. это только повысит достоверность измерений и сделает схему проще и дешевле.
Пару слов о самой организации измерений. АЦП последовательного приближения должен управляться определенной тактовой частотой, для чего в его состав входит делитель тактовой частоты самого МК, подобный предварительному делителю у таймеров. Устанавливать максимально возможную частоту (которая равна половине от тактовой) не рекомендуется, а лучше подбирать коэффициент деления так, чтобы тактовая частота АЦП укладывалась в промежуток от 50 до 200 кГц. Например, для тактовой частоты МК 4 МГц подойдет коэффициент деления 32, тогда частота АЦП составит 125 кГц. Преобразование может идти в непрерывном режиме (после окончания преобразования сразу начинается следующее), запускаться автоматически по некоторым прерываниям (не для всех типов AVR), или каждый раз запускаться по команде. Мы будем применять только последний «ручной» режим, т. к. нам для осреднения результатов тогда удобно точно отсчитывать число преобразований. В таком режиме на одно преобразование уходит 14 тактов, поэтому для приведенного примера с частотой 125 кГц время преобразования составит приблизительно 9 мс.
В любом случае по окончании процесса преобразования вызывается прерывание АЦП, и результат измерения читается из соответствующих регистров. Так как число 10-разрядное, то оно займет два байта, у которых старшие 6 разрядов равны нулю. Это удобно, т. к. мы можем без опасений суммировать до 64 (26) результатов, не привлекая дополнительных переменных, и затем простым сдвигом, как мы обсуждали ранее, вычислять среднее.
Для иллюстрации практического использования встроенного АЦП мы сконструируем измеритель температуры и атмосферного давления. Для измерения температуры мы заимствуем аналоговую часть схемы термометра из главы 10, перенеся ее сюда практически без изменений, за исключением того, что здесь мы запитаем схему от двуполярного источника ±5 В, чтобы обеспечить более удобный нам диапазон входных напряжений АЦП, начинающийся от 0 В в положительную сторону. Это позволит нам включить АЦП в несимметричном режиме, а не в дифференциальном, что упрощает схему и обеспечивает максимальное разрешение.
С датчиком атмосферного давления все еще проще — ряд фирм выпускают готовые датчики давления. Мы выберем барометрический датчик МРХ4115 фирмы Motorola, питающийся от напряжения 5 В и имеющий удобный диапазон выхода примерно от 0,2 до 4,6 В. Крупный недостаток таких датчиков с нашей точки зрения — то, что погрешность привязана к абсолютной шкале (в данном случае от 15 до 115 кПа, что составляет примерно 11 и 860 мм рт. ст. соответственно) и составляет не менее 1,5 %. Это без учета заводского разброса (устраняется калибровкой) и зависимости выходного напряжения от напряжения питания (устраняется путем относительных измерений — питанием АЦП и датчика от одного источника). Но даже при этих условиях 1,5 % от всей шкалы в 850 мм рт. ст. составит более 12 мм рт. ст. Это, конечно, недопустимо высокая погрешность для измерения атмосферного давления, которое на практике меняется в десятикратно меньших пределах — для большей части России, кроме горных местностей, можно выбирать диапазон от 700 до 800 мм рт. ст., даже с запасом. На самом деле это не должно нас пугать — как показал опыт, такой диапазон нас устраивает с точки зрения разрешения (одному мм рт. ст. будет соответствовать около одного разряда АЦП), а стабильность датчика оказывается вполне на высоте и обеспечивает при надлежащей калибровке разброс в пределах ±1 мм рт. ст.
При этом учтем, что большая абсолютная точность нам не требуется, как и в случае температуры — для небольших высот над уровнем моря можно считать, что при изменении высоты на каждые 10 м давление меняется примерно на 1 мм рт. ст., так что в пределах такого города, как Москва, с естественными перепадами высот 50 и более метров, оно само по себе будет «гулять» в пределах 5 мм рт. ст., даже без учета этажности зданий. И нам все равно целесообразно будет подогнать результат «по месту» так, чтобы не иметь крупных расхождений с прогнозом погоды по телевизору, иначе от показаний прибора будет мало пользы.
Схема
Схема такого прибора будет выглядеть так, как показано на рис. 15.2.
Рис. 15.2.Схема измерителя температуры и давления на МК ATmega8535
Чтобы не загромождать схему, здесь не показан узел индикации, т. к. он аналогичен тому, что используется в часах из главы 14, за исключением того, что должен содержать не четыре, а шесть разрядов (показания в формате «33,3»° и «760» мм рт. ст.). К ним можно добавить постоянно горящие индикаторы, показывающие единицы измерения (см. рис. 15.3, где они изготовлены на основе шестнадцатисегментных индикаторов типа PSA-05).
Рис. 15.3.Расположение индикаторов измерителя температуры и давления
Так как здесь выводов портов хватает, то можно назначить для управления разряды подряд (например, разряды порта С от РC0 до РС6 для управления сегментами и порта В от РВ0 до РВ5 для управления разрядами) и использовать для вывода цифры прием с формированием маски в виде констант (см.