ADS1115: дифференциальные входы и усилитель PGA

Мерить ток зарядного устройства я начал лобово: шунт в разрыв, шунт — на A0 Uno, analogRead, пересчёт. Получил бред: показания плясали на треть шкалы, а при пуске мотора уходили в минус. Причины две, и обе про врождённую слепоту однополярного входа. Первая: A0 меряет напряжение против земли платы, а на земле моего макетного питания висело полвольта шума от мотора — и всё это влезало в замер. Вторая: 10 бит — это 1024 ступени на пять вольт, и мои сто милливольт с шунта размазались в двадцать ступеней. Мультиметр при этом показывал честные полтора ампера, так что ток был — слеп был именно вход.

Лечение — ADS1115 в дифференциальном режиме. В базовом уроке про внешний АЦП мы читали канал против земли; здесь шаг дальше: пара AIN0-AIN1 меряет разность между собой, минуя общую землю, усилитель GAIN_SIXTEEN растягивает ±0,256 В на все 16 бит, и ток через шунт 10 мОм считается одной формулой. Разберём расчёт, синфазные ограничения и честную цену шестнадцати бит.

Внутри ADS1115 один АЦП и мультиплексор MUX, который решает, что именно сравнивается. Код MUX=100 из базового урока сравнивал AIN0 с землёй чипа; код 000 подключает пару AIN0 против AIN1, и результат приходит знаковым: AIN0 выше — плюс, ниже — минус, весь диапазон от −32768 до 32767. Земля платы в измерении больше не участвует: если на обоих входах шумит одинаково, дифференциальная пара молча вычитает его. Карта регистров и двухходовка «записал номер — прочитал байты» не меняются: карта регистров ADS из базового урока работает слово в слово, поле MUX живёт в тех же битах 14-12 конфигурации, а собирать его масками учат битовые операции. Заметьте: мультиплексор один на весь чип, одновременного чтения обеих пар не бывает — но чип щёлкает каналами до 860 раз в секунду, и поочерёдный опрос двух шунтов выглядит как параллельный.

Считаем от конца. Полный масштаб при GAIN_SIXTEEN — ±0,256 В, и на 32768 ступеней приходится по 7,8125 мкВ. Шунт 10 мОм переводит ток в напряжение по закону Ома: 10 А дают 100 мВ, 1 А — 10 мВ, а потолок шкалы упирается в 25,6 А. Обратная формула для скетча: ток в миллиамперах равен милливольтам, умноженным на сто, — деление на фиксированные 0,01 Ом превращается в умножение. Греться шунт будет по закону Джоуля-Ленца: при 10 А на нём рассеивается целый ватт, поэтому берите резистор на 3-5 Вт, а не сантиметровую соплю на 0,25 Вт. Отдельные миллиамперы на фоне шума вытягиваются усреднением — приёмы из урока про фильтры АЦП переносятся один в один. Полезна и обратная проверка: при выключенной нагрузке на паре должен лежать честный ноль — если нет, смещение живёт в проводах или в подогретом шунте, и его стоит вычесть программно.

Арифметика честная: 65536 ступеней против 1024 — в 64 раза больше, шаг 7,8125 мкВ против 4,88 мВ у Uno. Но ни один АЦП не добавляет точности сверх собственного шума: у ADS1115 последние два-три бита дрожат даже на стабильной батарейке, так что реально опираетесь на 13-14 бит. Это всё равно на порядок выше Uno, и разница видна не в пиковых значениях, а в мелочах: ток покоя зарядки, утечка в сотни микроампер, плавный разгон мотора — на Uno всё это сливается в ступени по пять милливольт. В динамике ток любопытнее всего смотреть графиком: Serial Plotter рисует пусковой выброс мотора, на котором понятно, зачем вообще нужен дифференциальный вход. И помните про насыщение: пусковой ток в десять номиналов честно уезжает за пределы масштаба, отсчёт упирается в −32768 или +32767 — это не поломка, а сигнал, что усилению тесно.

Проверить связку на практике проще, чем кажется. Мультиметр в режиме амперметра ставьте в ту же цепь последовательно — и сравнивайте в трёх точках: покой, половина нагрузки и максимум. При одном ампере шунт 10 мОм даёт десять милливольт: на GAIN_SIXTEEN это почти 1280 ступеней, на Uno — всего две, и разница между схемами видна невооружённым глазом по дрожи последних цифр. Сходится в пределах пары процентов — собираете дальше; расходится на десятки процентов — ищите плохой контакт в разрыве или замеряющий ток вольтметр, а не амперметр.