Быстрый АЦП: делитель ADCSRA и скорость analogRead

Я хотел записать дрожание света на фоторезисторе: лазер мигал зеркальцем на вибрирующем корпусе насоса, и мне нужны были хотя бы двадцать тысяч замеров в секунду. Реальность: analogRead выдал свою паспортную норму — один замер около 110 микросекунд, потолок примерно девять тысяч шестьсот в секунду. На графике вместо живой дрожи стояла ровная ступенька: сигнал выше четырёх с половиной килогерц для этой скорости уже не существует, он складывается в мусор.

Первым делом я грешил на Serial: поднял скорость порта до 115200 — график стал плавнее, но потолок замеров не двинулся. Меру снял через micros(): тысяча замеров заняла 112 миллисекунд, по 112 мкс на штуку — и половина из них не печать, а само преобразование. Медлил аналого-цифровой преобразователь со своим тактом, а не монитор порта: внутри одного вызова сидят и переключение мультиплексора на нужный канал, и выборка, и сама конверсия.

Ручка управления этим тактом — регистр ADCSRA и три бита делителя ADPS2..0. В уроке: почему 16 мегагерц превращаются в 125 килогерц, сколько стоит скорость в битах точности, таблица цена-качество и практический осциллограф из Serial Plotter. Если analogRead для вас пока чёрный ящик — начните с урока про потенциометр, здесь он станет прозрачным.

АЦП ATmega328P по устройству медленный: для полных десяти бит ему нужен такт от 50 до 200 кГц — это паспортный диапазон даташита. Плата из коробки делит 16 МГц на 128 (биты ADPS2..0 = 111) и получает 125 кГц — самая низкая частота из возможных, зато с максимальной точностью.

Одно преобразование стоит 13 тактов АЦП: при 125 кГц это 13 умножить на 8 мкс = 104 мкс чистой конверсии. Плюс переключение мультиплексора на входе и накладные расходы вызова — выходят те самые 110-112 мкс, что я померил micros(). В секунду набирается около 9 600 замеров, и всё это время loop() стоит и ждёт: analogRead блокирующий, никакого неблокирующего волшебства внутри нет.

Делитель меняет уравнение. Ставим 64 — такт 250 кГц, преобразование 52 мкс. Ставим 32 — 500 кГц, 26 мкс. Ставим 16 — 1 МГц, 13 мкс. Плата — точность: выше паспортных 200 кГц ядро преобразователя не успевает дожимать младшие биты, и они превращаются в шум. Тактовые регистры мы уже правили в уроке про частоту ШИМ — ADCSRA правится тем же почерком, только проще: там три бита, и они целиком про скорость АЦП.

Схема простая: замер и печать в loop без единого delay, плоттер из урока про Serial рисует волну в реальном времени. Но печать упирается раньше АЦП: при 115200 бод один байт уходит 86,8 мкс, строка вида v=1023 с переводом строки — семь байт, около 0,6 мс. Потолок печати — примерно 1 600 строк в секунду, и на быстром делителе именно Serial диктует темп, а не преобразователь.

Два честных способа поднять потолок. Первый: печатать каждый пятый замер — волну это не портит, если замеры идут подряд без пауз. Второй: копить серию в массив и сливать пачкой после неё — так я записывал всплески по два килогерца. Выше двух килогерц наблюдения Serial уже не отдаёт — дальше внешний АЦП или логический анализатор, о чём я говорил в уроке про внешний ADS1115 для точности, а не для скорости.

Перевод сырых значений в вольты не меняется: младший бит при 5 В — 4,88 мВ, формула — та же map из урока про потенциометр и map. Сэмплы, которые надо раздавать равномерно по времени, я держу на millis-гейте: замер каждые N миллисекунд, печать — отдельной задачей неблокирующего цикла.

Что считать шумом, а что сигналом — вопрос с числами. На делителе 128 прыжок плюс-минус единица — норма жизни десятибитного преобразователя, её не лечат. На 64 нормой становятся две единицы, на 32 — четыре-пять. Если решение у вас принимается по порогу в одну-две единицы, сначала ставьте гистерезис, а не ускоряйте АЦП: скорость дрожь не уберёт, она её усилит.

Когда ускоряться не надо: DHT22 отвечает раз в две секунды, термистору хватает раза в секунду, батарейный метеодатчик из итогового проекта раздела вообще спит. Дефолтного делителя 128 там хватает на десять проектов из десяти — я ставлю его обратно перед заливкой обычного скетча, потому что с делителем 16 неточный вольтметр никому не нужен.

Когда надо: звук (для верхней границы в четыре килогерца по Найквисту нужно минимум восемь тысяч замеров — делитель 64), вибрация, ток через шунт, где ШИМ-помеха живёт на десятках килогерц. Усреднение возвращает часть точности: четыре замера на делителе 64 со средним — почти как один замер на 128, но по времени это 4 умножить на 52 = 208 мкс против 110. Решение не бесплатное, и платить им стоит только за измерение, а не за реакцию.

И про переключение каналов — тонкость, о которой молчат в туториалах. АЦП на Uno один, а входов шесть: перед замером мультиплексор переключается на выбранный пин, и первый замер после смены канала часто врёт — конденсатор выборки ещё держит заряд предыдущего входа. Привычка простая: сменили канал — прочтите дважды, первый результат выбросьте. На шаблонах с несколькими датчиками подряд это экономит часы поиска «случайного мусора», когда один сенсор приписывает чужие значения соседу.