АЦП (аналого-цифровой преобразователь, ADC)
При работе со встраиваемыми системами часто нужно взаимодействовать с физическим миром через датчики. Датчики и связанные с ними схемы могут преобразовывать физические величины, такие как температура, давление, свет, звук и ускорение, в электрические сигналы, чаще всего в напряжение. Эти сигналы могут непрерывно меняться, тогда как микроконтроллер обрабатывает цифровые данные. Так как же соединить аналоговый мир с цифровым?
Tip
Аналоговый и цифровой сигналы: если вы не уверены, что означают слова «аналоговый» и «цифровой», у SparkFun есть хорошая статья, объясняющая разницу. Её можно прочитать здесь.
Один из подходов — использовать аналого-цифровой преобразователь (Analog-to-Digital Converter, ADC). АЦП преобразует аналоговое напряжение в цифровое число.
Например, предположим, что датчик выдаёт напряжение от 0 В до 3,3 В. АЦП может преобразовать это напряжение в число, которое сможет прочитать наша программа на Rust. Позже мы будем использовать АЦП с такими датчиками, как LDR, для измерения освещённости, и с термистором для измерения температуры.
Как АЦП измеряет напряжение?
Чтобы преобразовать аналоговое напряжение в цифровое число, АЦП нужно известное напряжение в качестве опорного. Оно называется опорным напряжением, или Vref.
АЦП сравнивает входное напряжение с опорным и определяет, в какой части опорного диапазона находится входное напряжение. Затем он выдаёт цифровое число, которое представляет входное напряжение.
Разные типы АЦП используют для этого разные методы. Подробности зависят от типа АЦП и выходят за рамки этой книги.
Tip
Если хотите узнать больше о том, как компараторы используют опорное напряжение (Vref), чтобы АЦП мог определить входное напряжение, посмотрите это видео: Comparators: The Building Blocks of Analog to Digital Converters (ADC)
Например, предположим, что опорное напряжение равно 3,3 В, а входное напряжение — 1,5 В. Входное напряжение составляет примерно 45% от опорного.
При работе с ESP32 есть ещё одна важная деталь. Мы рассмотрим её позже в этой главе. Пока этого достаточно, чтобы понять работу АЦП в упрощённом виде.
Как представляются значения?
АЦП не даёт нам процент от входного напряжения. Вместо этого он выдаёт цифровое число в фиксированном диапазоне. Размер этого диапазона зависит от разрешения АЦП (ADC resolution), которое выражается в битах.
Например, 8-битный АЦП имеет 256 (то есть 2^8) возможных цифровых значений. Они лежат в диапазоне от 0 до 255.
Аналогично:
- 10-битный АЦП выдаёт значения от 0 до 1023 (1024 возможных значения).
- 12-битный АЦП выдаёт значения от 0 до 4095 (4096 возможных значений).
Оригинальный ESP32 имеет 12-битные АЦП. Можно также настроить АЦП на использование меньшего количества битов.
Как АЦП представляет разные напряжения?
Входное напряжение может непрерывно меняться, но АЦП способен выдавать только фиксированное количество цифровых значений. Это значит, что близкие входные напряжения могут представляться одним и тем же цифровым значением.
Процесс сопоставления непрерывного напряжения с одним из доступных цифровых значений называется квантованием (quantization).
Например, предположим, что 12-битный АЦП имеет входной диапазон от 0 В до 3,3 В. Он может выдавать 4096 различных значений, от 0 до 4095.
Теперь представьте два входных напряжения, очень близких друг к другу, например 1,500 В и 1,501 В. АЦП может выдать одинаковое цифровое значение для обоих, потому что для представления всего диапазона напряжений доступно лишь конечное число значений.
Это означает, что цифровое значение — приближение реального входного напряжения. Разница между реальным напряжением и напряжением, которое представляет цифровое значение, называется погрешностью квантования (quantization error).
АЦП с более высоким разрешением имеет больше доступных значений, поэтому он точнее представляет входное напряжение и уменьшает погрешность квантования.