ADS1115: подключение к Arduino, 16-битный АЦП и усиление PGA

Зачем внешний АЦП, когда у Uno есть A0-A5

Штатный преобразователь ATmega328 десятибитный: analogRead() возвращает 0-1023, одно чтение занимает около 110 микросекунд, и для потенциометра, фоторезистора или джойстика этого хватает с запасом. Проблема начинается там, где вся полезная амплитуда сигнала меньше одной клетки сетки или занимает две-три: термопара выдаёт десятки микровольт на градус, токовый шунт — десятки милливольт на ампер, и на этом масштабе 4,88 мВ между соседними числами превращают измерение в лотерею. Второй сценарий — 3,3-вольтовые датчики на пятёрке: половина шкалы уходит вверх, туда, где сигнала нет.

Плата за разрядность — скорость и способ общения. Даже на пиковых 860 отсчётах в секунду I2C-обмен добавляет время на запись конфига и чтение результата, так что на плотном цикле Uno внешний чип не ускорит, а замедлит измерение. Скорость тут же меняет характер показаний: на 860 отсч/с дрожит младший разряд, на 8 отсч/с цифры застывают, потому что преобразователь дольше копит и точнее давит шум — для печки и шунта это подарок, для вибрации приговор. Если задача наоборот упирается в темп, а не в точность, у самой Uno есть резервы: чтение АЦП через регистры поднимает скорость на порядок без внешних чипов. И ещё одна тихая деталь, о которой не пишут в описаниях: в однополярном режиме, когда меряете вход против земли, старший знаковый разряд простаивает — фактически доступны 15 бит, все 16 достаются только дифференциальному включению.

Схема подключения: 4 провода I2C

На модуле четыре вывода: VDD на 5 В, GND на землю, SDA на A4 и SCL на A5 — стандартный расклад шины, механика которой разобрана в уроке про два провода I2C. Подтяжки на модуль обычно напаяны заводом, допаивать ничего не нужно. Чип питается от 2,0 до 5,5 В, так что и Uno, и 3,3-вольтовые платы работают напрямую. Ножка ADDR на большинстве модулей подтянута к земле заводом, поэтому заводской адрес почти всегда 0x48; перевесить её на питание, SDA или SCL — осознанное действие, а не случайность. Первое чтение заканчивайте проверкой: сканер шины должен показать 0x48, иначе дальше можно не гадать.

#include <Adafruit_ADS1X15.h>
 
// VDD->5V, GND->GND, SDA->A4, SCL->A5. ADDR никуда не подключён -> 0x48
Adafruit_ADS1115 ads;
 
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  if (!ads.begin()) {              // чип не ответил на 0x48
    Serial.println("ADS1115 ne nayden: provoda ili adres");
    while (true) {}
  }
  ads.setGain(GAIN_ONE);           // полный масштаб ±4,096 В
  ads.setDataRate(RATE_ADS1115_250SPS);
}
 
void loop() {
  int16_t raw = ads.readADC_SingleEnded(0);   // канал AIN0 против земли
  float volts = ads.computeVolts(raw);        // код -> вольты с учётом gain
 
  Serial.print("raw=");
  Serial.print(raw);
  Serial.print("  U=");
  Serial.print(volts, 4);
  Serial.println(" V");
  delay(200);
}

computeVolts() — недооценённая функция библиотеки: она сама учитывает выбранный gain, и вся арифметика со сдвигами и весом ступени остаётся внутри. Меняете GAIN_ONE на GAIN_SIXTEEN — пересчитывать вручную ничего не надо. setDataRate() задаёт темп из диапазона 8-860 отсч/с; если строку убрать, библиотека поставит скромные 128, и для большинства датчиков этого достаточно. Один преобразователь внутри чипа обслуживает все четыре входа через мультиплексор, поэтому одновременного чтения каналов не бывает — чип щёлкает ими поочерёдно за доли миллисекунды.

PGA и усиление: выбираем диапазон

Gain — это не «умножить число в N раз», а выбор полного масштаба, на который натягивается 16-битная сетка. Пределов шесть, и вес ступени считается одинаково: масштаб, делённый на 32768. Правило выбора банальное, но его постоянно игнорируют: масштаб берут чуть выше максимального напряжения сигнала, а не «побольше на всякий случай». Поставили предел с запасом в десять раз — и девяносто процентов сетки простаивают, точность падает до одной десятой возможной.

Дифференциальный режим: меряем разницу, а не землю

Пара AIN0-AIN1 (или AIN2-AIN3) сравнивает два входа между собой, минуя общую землю: AIN0 выше — плюс, ниже — минус, весь диапазон от −32768 до 32767. Главная выгода — общий шум вычитается сам: если на оба провода наводится одинаково, дифференциальная пара его молча убирает. Именно так меряют ток на шунте, посадив концы резистора на два входа чипа, — и именно там становятся доступными все 16 бит, которых однополярному режиму не достаётся.

#include <Adafruit_ADS1X15.h>
 
Adafruit_ADS1115 ads;
const float SHUNT_OM = 0.010;      // шунт 10 мОм в разрыве питания
 
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  ads.setGain(GAIN_SIXTEEN);       // весь масштаб ±0,256 В на малый сигнал
  if (!ads.begin()) {
    Serial.println("ADS1115 ne nayden");
    while (true) {}
  }
}
 
void loop() {
  int16_t diff = ads.readADC_Differential_0_1();  // AIN0 минус AIN1, со знаком
  float volts = ads.computeVolts(diff);
  float amper = volts / SHUNT_OM;                 // I = U/R
 
  Serial.print("U=");
  Serial.print(volts * 1000, 3);
  Serial.print(" mV  I=");
  Serial.print(amper, 3);
  Serial.println(" A");
  delay(250);
}

Адрес и несколько чипов на шине

Четыре адреса выбираются одной ножкой ADDR: на земле 0x48, на питании 0x49, на линии SDA 0x4A, на линии SCL 0x4B. Сажаете два чипа на разные позиции — и шина живёт без конфликтов, механику которых мы разбирали в уроке про коллизии адресов. Адрес передаётся в begin(): ads.begin(0x49) для чипа с ADDR на питании. Четыре чипа — это 16 однополярных каналов или 8 дифференциальных пар на двух проводах; когда и этого мало, дорогу уступают мультиплексору TCA9548A, который делает восемь отдельных шин. После каждой смены перемычек ADDR прогоняйте сканер I2C: оба чипа должны показаться на своих позициях, молчание любого — сигнал искать обрыв, а не лезть в код.

• ADDR на земле — жду 0x48 в сканере; перекинул перемычку — жду другой адрес
• setGain() выбран чуть выше максимума сигнала, а не «с запасом на десять раз»
• вход не выходит за пределы питания: ниже земли или выше VDD+0,3 В чип клинит
• скорость под задачу: 860 отсч/с для быстрого, 128 и ниже — ради тишины в последних разрядах

Частые вопросы