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

Завершаем тему про «датчики и АЦП — для чайников практиков». Начало тут, продолжение тут. Тут мы рассмотрим тему аналоговых датчиков.
Также есть полная PDF-версия статьи.

Оглавление:
  1. Пару слов про систему управления
  2. Немного о терминах — в том числе о документации
  3. Специфика цифровой обработки информации с датчиков
  4. Какие датчики и зачем
  5. Датчики событий и их характеристики
  6. Счетчики событий
  7. Аналоговые датчики
    • Собственно датчик и его обобщенная характеристика
    • Параметр датчика в напряжение

    • Напряжение в код
    • Код в величину и погрешность результата
      • Аппроксимация
      • Дискретность преобразования

    • Величину в… интерпретацию?
    • Итоги преобразования
  8. Вкратце об АЦП

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.

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:
Считывание показания датчиком микроконтроллером

  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.

Процесс АЦПированияИзмерение 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 < x < 1/2U.

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

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

Суть понятна?

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


Диапазон измерений,     Напряжение на АЦП,      Результирующий код

        В                       мВ
        5                     4 999             1111-1111-1111-0010
        5                      735              0010-0101-1010-0001
        3.3                    735              0011-1001-0000-0100
        1                      735              1011-1100-0010-1000
        2.5                   0.01              0000-0000-0000-0000
        2.5                   8 900                 дымок над АЦП



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:



Шаг    Диапазон        Точность

 1    2^-1U = 2.5В       50%
 2    2^-2U = 1.3В       25%
 3    2^-3U = 625мВ      13%
 4    2^-4U = 312.5мВ    6%
 5    2^-5U = 156.3мВ    3%
 6    2^-6U = 78.1мВ     2%
 7    2^-17U = 39.1мВ    781*10^-3%
 8    2^-8U = 19.5мВ     391*10^-3%
 9    2^-9U = 9.8мВ      195*10^-3%
10    2^-10U = 4.9мВ     98*10^-3%
11    2^-11U = 2.4мВ     49*10^-3%
12    2^-12U = 1.2мВ     24*10^-3%
13    2^-13U = 610.3мкВ  12*10^-3%
14    2^-14U = 305.2мкВ  6*10^-3%
15    2^-15U = 152.6мкВ  3*10^-3%
16    2^-16U = 76.3мкВ   2*10^-3%
17    2^-7U = 38.1мкВ    762*10^-6%
18    2^-18U = 19мкВ     381*10^-6%
19    2^-19U = 9.5мкВ    190*10^-6%
20    2^-20U = 4.8мкВ    95*10^-6%
21    2^-21U = 2.4мкВ    48*10^-6%
22    2^-22U = 1.2мкВ    24*10^-6%
23    2^-23U = 0.6мкВ    12*10^-6%
24    2^-24U = 0.3мкВ    6*10^-6%



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???
Преобразование кода в величинуЗначит, 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.

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.

Биения при дискретизации сигналаЕсли 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!

Литература

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

P. S.Хочу поучаствовать в конкурсе, поэтому добавляю: Спонсоры
  • +19
  • 27 сентября 2012, 18:26
  • PICC

Комментарии (51)

RSS свернуть / развернуть
Монументально =)
0
Большая просьба прикладывать к таким монографиям pdf файл с копией содержимого.
0
  • avatar
  • uni
  • 27 сентября 2012, 20:23
список литературы доставляет.
и да. присоединяюсь к просьбе пдф.
0
Да, статьи получились монументальные. За проделанную работу вам однозначно респект.

Но, честно говоря, прочитав все 3 статьи, у меня сложилось впечатление, что вы куда-то очень сильно спешили. И чем дальше, тем больше :) Сначала, Вы очень подробно описывали что такое «частота», как она зависит от периода, как работает счетчик. А потом вы галопом пронеслись по АЦП, аппроксимации и т. д. В результате, у меня перед глазами смешалось все – датчики и машины, которые нужно считать, гистерезис и типы корпусов микросхем, теорема Коельникова и особенности разводки плат для АЦП.

ИМХО, лучше бы вы разбили всю информацию на большее кол-во статей, но проработали бы каждую статью белее тщательно.

У вас есть очень много неточностей. Во многих местах, вы говорите о частных случаях как о общем («В составе микроконтроллеров используются 10-битные АЦП», «Массовые АЦП в микроконтроллерах дают нам возможность измерять в диапазоне от единиц Вольта до 5 Вольт» ).

Я извиняюсь за критику, и не утверждаю, что у меня бы получилось лучше :) Просто, ИМХО, Вы попытались за раз изложить слишком много материала.

Спасибо за статьи.
0
  • avatar
  • e_mc2
  • 27 сентября 2012, 20:44
прочитав все 3 статьи, у меня сложилось впечатление, что вы куда-то очень сильно спешили. И чем дальше, тем больше :)
Ну-у, так и было… Писалось все за один раз приблизительно, к концу уже реально устал… Надо будет по свободе пробежаться, может, чего добавить…
За критику — спасибо! Буду корректировать
0
Вот только нету у Analog devices АЦП на 10 SPS, а все начинается с 1k («k» — это тут KSPS, то есть тысячи SPS)…

Вот такие времена наступили! Меньше 1k измерений в секунду уже никого не интересует.

Судя по всему, Автор слегка не в теме по типам АЦП, прецензионные АЦП как раз имеют низкую скорость преобразования…
Раз уж приводишь сайт аналоговых девиц, неплохо бы его пооблазить :)
www.analog.com/ps/psthandler.aspx?pstid=10397&la=en
0
Да, согласен — я забыл про высокоточные измерения. Исправился. Спасибо!
0
Я извиняюсь за критику
Оправданная критика делу только помогает! Так что большое спасибо!
0
Спасибо, я очень рад, что вы адекватно реагируете на критику. Просто, ИМХО, у Вас в публикациях достаточно много спорных моментов. Например, вы выделяете отдельный класс «Датчики реального времени». Но, на самом деле, RTC не являются датчиком. Они не могут самостоятельно определить текущее время. Это просто генератор импульсов + счетчик, данное устройство позволяет измерить временной интервал, но датчиком оно не является (также, как и таймер МК).
0
вы выделяете отдельный класс «Датчики реального времени». Но, на самом деле, RTC не являются датчиком
Чисто теоретически вопрос весьма спорный и неоднозначный.
А чисто практически — какая разница??? На практике — это таки датчик!
Впрочем, если общественность так не считает — исправлю, не беда
0
Лучше таки называть это просто часами реального времени ничего не меняя, тогда оно просто и понятно :)
0
  • avatar
  • N1X
  • 28 сентября 2012, 21:37
И да, присоединяюсь, спасибо за труд!
0
  • avatar
  • N1X
  • 28 сентября 2012, 21:38
Слишком много менять в разных статьях тексты… Поэтому я вставил текстом коррекцию. Спасибо!
0
Работа проделана немалая… прочитал с удовольствием.
0
  • avatar
  • BOBBY
  • 27 сентября 2012, 20:57
Побольше бы таких статей, а то в последнее время одни вопросы =))
0
Вы доноетесь со своими вопросами до того, что еще и я ворох оных вывалю здесь, а не на форуме, как в прошлый раз.
0
  • avatar
  • Vga
  • 27 сентября 2012, 21:29
эм?
0
За PDF — как-то не думал… Давайте так — отловим неточности, баги — и тогда сделаю аккуратную PDF-к. ОК?
0
  • avatar
  • PICC
  • 27 сентября 2012, 22:10
… и в издательство её! :)
Хорошие статьи, спасибо за труд.
0
В издательстве не примут из-за плохого перечня литературы…
0
Отличные статьи!
Прямо институтский курс перед глазами пронесся :)
0
Ну-у, в отличие от институтского курса, тут упор на практику. Теория тут так… постольку-поскольку.
0
в целом — неплохо, но как-то сумбурно и только для начинающих, многие важные тонкие вопросы не освещены. Кроме того, при беглом осмотре обнаружил неточности:
… в ближайшие годы мы уже дойдем и до 1G — один миллиард измерений в секунду ...
ЕМНИП, первый гигасэмпловый АЦП на 6 бит появился еще лет 10-15 назад, ну а сейчас уже есть, например вот такое — 56Gsps 8bit — www.fujitsu.com/downloads/MICRO/fme/documentation/c45.pdf — собственно без таких АЦП невозможны современные оптические сети.

АЦП потребляет мизерный ток от измеряемого сигнала

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.
0
Исправил со ссылкой на Вас. Спасибо!
0
Ничего не сказано о подключении датчиков. Выбор кабеля: тип — коаксиал или витая пара, затухание в кабеле, сопротивление (активное и реактивное), согласование, заземление кабеля, экранирование, правильная прокладка в сложной помеховой обстановке, грозозащита, гальваническая развязка.
Статья получилась громоздкая, у чайников могут опуститься руки, даже не дочитав до конца
0
Уверен, что если рассмартивать здесь еще и кабели с их прокладкой, то статья получится еще более громоздкой. Считаю, что это отдельная серьезная тема. Грозозащита и защита от перенапряжений так вообще очень специфическая тема. Думаю, упоминание об этом в вашем комментарии и мой ответ на него достаточное предупреждене «чайникам» о серьезности этих тем.
0
Это уже и вправду перегруз будет!
Задача «чайника» не схему построить готовую, а сказать специалисту: «мне бы тут замутить штуку такую… Тут точность измерений 20бит, скорость обработки 10 КГц, диапазон измерений — от 0 до 2В.» И все, этого уже достаточно!
0
«Есть еще дифференциальный режим измерения — когда есть два входа — нижнее значение и измеряемое.» Вообще-то оба входа для измерения, измеряется разница между ними. Есть датчики с дифференциальным выходом, инструментальные дифференциальные усилители. Подлючение выполняют витой парой в экране; экран заземляется со стороны приемника. Амплитуда помехи уменьшается многократно(c мВ до мкВ), дальность подключения увеличивается в разы. Разница очень велика.
Перед оцифровкой следует подавить внеполосные помехи. Они могут «волшебным образом» продектироваться и переместиться в сигнальную полосу из-за нелинейности диодов, транзисторов во входных цепях микросхем и обязательно переместятся из-за «заворота» спектра(спектр выше половины частоты дискретизации разворачивается и оказывается ниже половины частоты дискретизации).
0
Спасибо, отметил в статье! Но это уже — подавление помех и т. д. — явно выходит за рамки статьи, поэтому я эту тему только обозначил…
0
Задача АЦП — выдать цифровой код
АЦП производит преобразование непрерывной величины напряжения в дискретный код.
1. Дискретизация
2. Квантование
3. Кодирование
Так уж повелось, что замена сигнала с непрерывным временем на дискретизированный сигнал называется дискретизацией, а замена непрерывной функции ее отдельными значениями — квантованием.
Квантование по уровню осуществляется для последующего кодирования, т.е. каждый уровень квантованной функции передается кодом.
0
Нужно еще добавить, что в момент кодирования сигнала изменение его на входе АЦП уже не влияет на результат этого единичного преобразования. Поэтому говорить о преобразовании непрерывной величины, по-моему, не совсем корректно. Или я путаю, что такое «непрерывная величина»?
0
На входе АЦП нас встречает устройство выборки-хранения. А проще говоря, конденсаторор, коммутируемый аналоговым ключом. И здесь же первый подводный камень — емкость этого конденсатора и время, необходимое для его перезарядки.
0
Так уж повелось, что замена сигнала с непрерывным временем на дискретизированный сигнал называется дискретизацией, а замена непрерывной функции ее отдельными значениями — квантованием.
Немного не понял — к чему этот тут? Теоретически это правильно — но важна ли эта терминология для понимания сути процесса человеку, далекому от электроники?..
0
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.
Какой-то странный код. И растет и в то же время одинаков
0
«силиконовый температурный датчик» — убило)
silicon — кремний
silicone — силикон
температурные датчики всё-таки из кремния делают, а не из материала для увеличения сисек.
0
Любопытно, что «материалом для увеличения сисек» называют класс соединений, применяющийся в технике куда шире чистого кремния.
0
  • avatar
  • Vga
  • 30 сентября 2012, 00:34
В любом посте должны быть сиськи!
-1
Извиняюсь… Исправил на нечто политкорректное — «внутренний материал резистора»
0
А может таблицы вставлять хотя бы картинками? Мозг ведь можно сломать, читая то, что есть сейчас. Можно же сильно не заморачиваться и наделать скриншотов с вашей статьи на хабре)
Например так:
0
Статья тоже была на хабре и снова в конкурс? ай-яй-яй…
+1
Нет, тут проблемы с редактором. Делал, все было красиво и автоматом вставил. А вот теперь посмотрел — бли-и-ин!!!
Перебил все в виде тегов «code»
0
Статья на хабре была в 2011, если не ошибаюсь :) Сейчас находится у автора в черновиках. Но в кэше поисковиков её найти очень легко.
0
По требованиям организаторов я решил ее удалить — дабы тут правила не нарушать. Вот только кнопочки «удалить» я не нашел, посему закинул в Черновики. Если подскажете как, собственно, удалить — так и сделаю.
Ну и тутошняя статья уже подвыросла и изменилась. О полной идентичности уже говорить не приходится…
0
Статья должна быть написана для конкурса, а не скопипащена откуда то.
В прочем решать хальту.
0
В прочем решать хальту
Это да.
Статья должна быть написана для конкурса, а не скопипащена откуда то
Она не с-copy-past-ена — ее писал тогда я, а теперь, вот, развиваю дальше.
0
Перебил в текстовом виде «code». Не фонтан, но все-таки читабельно!
0
UPD: впрочем, на момент написания статьи реальным пределом, при котором получается стабильно точный результат, был 22 бита. А оставшиеся 2 бита — просто для маркетинга.
ну раз какие-то цифирки указываете то и название АЦП могли бы привести, а то АЦП с интегральной нелинейностью лучше единиц ppm вроде не бывает, а это в лучшем случае 18 разрядов абсолютной точности.
а по шумам так и больше 24 разрядов можно получить, толку только от них.
либо надо пояснить, что именно подразумевается под «стабильно точный результат».
зы у тексаса есть и маркетинговые 32х разрядные АЦП.
0
  • avatar
  • _pv
  • 01 октября 2012, 15:53
Это мой знакомый хвастался, что заставил 24-хбитную сигма-дельту работать с такой точностью. Сам с ними не возился.
А про 32х битный интересно. Название подкинете? В статью тогда вставлю
0
31 битные. ИМХО это ерунда, реклама…
ADS1281
ADS1282
0
Вставил ссылочку. Спасибо!
0
По многочисленным просьба трудящихся (да и сам мог бы догадаться...) я сделал PDF-ку — читайте!
0
  • avatar
  • PICC
  • 26 октября 2012, 15:39
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.