ADS1115: 16-битный АЦП по I2C

Блок питания у верстака я давно хотел видеть в амперах, а не «на глаз по свисту». Шунт в минусовом проводе отдаёт до 75 мВ, и весь токоряд укладывался в пятнадцать ступенек штатного АЦП Uno: 5 В на 1024 отсчёта — шаг 4,9 мВ. О графике потребления речи не было: одна ступенька — треть ампера. Тензодатчики выглядели ещё безнадёжнее: полный мост выжимает единицы милливольт. Так я пришёл к выводу, что 10 бит — потолок не для всего, и завёл на шину отдельный чип.

ADS1115 — внешний шестнадцатибитный АЦП от Texas Instruments с I2C-интерфейсом: четыре входа A0–A3, встроенный программируемый усилитель PGA и программный диапазон от 8 до 860 выборок в секунду. Адрес 0x48, пока ножка ADDR прижата к земле; перемычки уводят чип на 0x49–0x4B. Соседние сюжеты разобраны рядом: первый урок про внешний АЦП собрал подключение целиком, а урок про дифференциальный режим — токи через шунт; здесь арифметика выбора и честные тайминги.

План такой: цена деления 10 бит против 16 и пределы усиления PGA, скорость — где 860 выборок в секунду проигрывают штатным ста микросекундам analogRead, обмен по Wire руками, и грабля питания 3,3 В, из-за которой первые эксперименты читают на входе мусор.

Арифметика простая и честная. АЦП Uno: 10 бит на диапазон 0–5 В, 5 В / 1024 ≈ 4,9 мВ на ступень. ADS1115 при GAIN_ONE держит предел ±4,096 В и отдаёт 16 бит: 4,096 В / 32768 ≈ 0,125 мВ. Разница — тридцать девять раз по цене деления, и она видна даже на глаз: шунт 75 мВ у Uno рассыпается на пятнадцать ступенек, у ADS1115 — почти на шестьсот.

Усиление переключается шестью ступенями: пределы ±6,144, ±4,096, ±2,048, ±1,024, ±0,512 и ±0,256 В. Правило выбора — предел чуть выше максимума сигнала: термопарный усилитель на 25 мВ просит самый узкий ±0,256 В с шагом 7,8 мкВ, шунт 75 мВ уживается там же, а 5-вольтовые сигналы требуют либо GAIN_TWOTHIRDS, либо делителя — предела шире ±6,144 В у чипа нет. PGA не «увеличивает» вход сверх предела, а лишь решает, какую шкалу натянуть на измеритель: промахнулись вниз — старшие ступени пропали.

Те же биты, пересчитанные в ёмкость шкалы: 16 бит — это 65536 уровней против 1024 у Uno, лесенка в шестьдесят четыре раза плотнее. Но весь выигрыш держится на пределе: узкий PGA растягивает малый сигнал на все 65536 делений, широкий оставляет его на дне, и биты сами по себе ничего не решают. Отсюда порядок действий, который сэкономил мне одну переделку корпуса: оценить максимум сигнала в вольтах, взять ближайший сверху предел и только потом считать цену деления. Шкала при этом знаковая: ±32767, и в дифференциальном режиме минус — не поломка, а честная разница, когда A1 оказался выше A0.

Скорость — обратная сторона. analogRead на Uno тратит около 100 микросекунд: больше десяти тысяч отсчётов в секунду, если сигнал того требует. ADS1115 в максимуме даёт 860 выборок в секунду — один отсчёт каждые 1,16 мс, вдесятеро медленнее; внизу диапазона, на 8 выборках, чип копит каждый отсчёт по 125 мс, зато с максимальным подавлением шума. Для температуры, тока батареи и веса разница неважна: сигнал и так не бежит. Для формы сигнала — ток двигателя, звук — штатный АЦП честнее, и это не дефект ADS1115, а расплата за глубину разряда.

Дифференциальная пара — второй козырь. Чип меряет разницу между двумя входами, скажем A0 минус A1, и давит синфазную помеху: сигнал на шунте сидит поверх шума земли, одиночный вход смешивает их, а пара вычитает. Усиление применяется к разнице, поэтому малый сигнал занимает всю шкалу, а не дно. Каналов это стоит: четыре одиночных входа превращаются в две пары — A0–A1 и A2–A3.

Режим одиночного запуска выручает на батарейных приборах. В старший бит конфига записывается единица, чип делает одно преобразование и уходит в сон; скетч тем временем читает регистр 0x01, пока бит OS не вернётся в единицу, — это сигнал «готово». На минимуме 8 выборок в секунду преобразование тянется 125 мс, и поллить конфиг каждые 10 мс расточительно: я ставлю паузу в четверть периода, остальное довершает чтение результата. У готовых модулей есть ножка ALERT/RDY — её можно настроить стрелять по готовности или по порогу компаратора, и тогда шину до события вообще не дёргают. Для старта хватает поллинга: проводов меньше, отладка проще.

Скоростей, к слову, ровно восемь: 8, 16, 32, 64, 128, 250, 475 и 860 выборок в секунду, и это всё, что кодирует младший ниббл конфига, — промежуточных значений в даташите нет. Я живу на 128 выборках: отсчёт каждые 7,8 мс — с запасом для тока батареи, а шину дёргать можно вшестеро реже, чем на максимуме. Миф о «настройке любой частоты» разбивается об эту табличку быстро и без последствий.

Конфигурация уходит в регистр 0x01 двумя байтами, и слово стоит разобрать по битам. Старший байт 0xC2: бит запуска, канал AIN0 против GND (код 100), усиление GAIN_ONE (код 001), непрерывный режим. Младший 0xE3: скорость 860 выборок в секунду (код 111) и выключенный компаратор. Перед записью в указатель пишется 0x01, перед чтением результата — 0x00: тот же принцип указателя, что и у соседей по шине, — карта регистров объясняет его на общей механике.

Чтение привычное: requestFrom(0x48, 2), старший байт первым, raw = (hi << 8) | lo. Перевод: raw × 4.096 / 32768 — при GAIN_ONE один отсчёт равен 0,125 мВ. Значение знаковое: в дифференциальном режиме минус — законная часть шкалы, поэтому int, а не unsigned. Если endTransmission вернул не ноль, чип не признался в адресе — таблицу кодов держит урок про коды endTransmission, я сверяюсь с ним при каждой новой плате.

Грабля, на которой я просидел вечер: после настройки конфига я забыл переключить указатель на регистр результата и старательно читал конфигурационное слово. Число выглядело убедительно: 0xC2E3 — это 49891 отсчёта, арифметика уверенно давала 6,23 вольта на неподключённом входе, и я полчаса мерил несуществующий сигнал. Отличить можно за пять секунд: подайте на вход землю — насыщение уйдёт, а читаемый конфиг останется ровно тем, что вы сами записали в 0x01. После этого случая правило простое: настроил конфиг — первым же обменом переключи указатель на 0x00 и убедись, что число дышит.

В симуляторе ADS1115 заменён фоторезистором не случайно: движок поддерживает аналоговые входы и шину с парой готовых устройств, а идея урока — разница шкал — от этого не страдает. Одно и то же напряжение на 10-битной лестнице прыгает ступенями по 4,9 мВ, на 16-битной — шажками по 0,125 мВ: при медленно ползущем свете видно, где заканчивается грубость Uno. На живой плате к ADS1115 цепляют тот же фоторезистор через делитель — как собрать такой делитель, показал урок про фоторезисторный ночник, — и разница шкал остаётся ровно такой же.

Когда 10 бит мало, шаг измерителя толще самого сигнала. Термопара K-типа выдаёт около 41 мкВ на градус: штатные 4,9 мВ толще целых ста двадцати градусов — измерять нечем. Тензомост на весах даёт единицы милливольт на полном диапазоне: 10 бит рассыпают его на три-четыре ступени. Шунт 75 мВ мы уже считали: пятнадцать ступенек на весь ток. Никакое усреднение это не выправит — нечего усреднять.

Внешний АЦП исправляет именно цену деления, а не плавающее опорное напряжение: у ADS1115 опора встроенная и стабильная, что само по себе плюс против заводских 5 В Uno, гуляющих вместе с питанием. Для токов через шунт формула I = U/R и дифференциальная пара с узким пределом PGA разобраны в соседнем уроке, ссылка — в начале; мой блок питания решился шунтом на паре A0–A1 при GAIN_SIXTEEN и усреднением шестнадцати отсчётов.

Скоростной потолок при этом не обманешь: 860 выборок в секунду — и ни одного больше, что бы ни обещали маркетинговые страницы. Мне этого хватает с огромным запасом: термопара меняется секунды, ток блока питания — десятки. Как только встанет задача ловить форму сигнала, я вернусь на analogRead — или поставлю чип побыстрее, но это уже другая история и другой бюджет.

Мой водораздел простой, и вы вправе провести свой: если сигнал живёт в границах 0–5 В и прощает погрешность в две-три ступени, штатный analogRead проще, быстрее и бесплатен. Единицы и десятки милливольт — территория ADS1115, всё, что выше, — территория платы. Вторая сильная сторона, которую недооценивают, — длинные провода: термистор в теплице за пять метров кабеля ловил помеху от насоса на одиночном входе, дифференциальная пара A0–A1 с тем же делителем выпрямила картину без экрана и конденсаторов. Усреднение 8–16 отсчётов сверху — и 13–14 стабильных бит становятся нормой, о чём в даташите скромно не пишут.