Czy konwersja ADC na napięcie zależy od rzeczywistej wartości styku +5 V?

Pytania:

1. Czy przeliczenie liczby ADC na napięcie zależy od rzeczywistego napięcia styku +5 V?
2. Jeśli tak, jaka jest akceptowana metoda uzyskania tego napięcia z płyty?

Tło / szczegół:

Mam obwód, w którym mam Arduino Nano (klon) działający ze złącza USB (z koncentratora). Zadaniem Arduino jest pomiar napięcia na akumulatorze, który napędza drugi obwód włączany / wyłączany przez Nano. Dla porównania jest to tester baterii.

Istnieje ekran Nokia 5110, który wyświetla napięcie z bardzo prostego szkicu poniżej.

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  display.begin();
  // Init done

  // You can change the contrast around to adapt the display
  // for the best viewing!
  display.setContrast(50);

  // Text display tests
  display.setTextSize(1);
  display.setTextColor(BLACK);
}


void loop() {
  display.clearDisplay();   // Clears the screen and buffer
  display.setCursor(0,0);
  display.print("Vin=");
  int rawVIN = analogRead(VIN);
  float floatVin = (rawVIN*4.75)/1023.0;
  display.println(floatVin);
  Serial.println(rawVIN);
  display.display();
  delay(1000);
}

• Zmierzyłem napięcie akumulatora za pomocą DVM i wynosi ono 4,13 V, ale Nano podaje 4,35 V.
• Mam wspólną płaszczyznę między baterią a Arduino.
• Ponieważ połączenie do testowania napięcia może się unosić, mam rozwijany rezystor, aby zatrzymać dzikie wahania (> 10 kΩ)

Po pewnym dochodzeniu odkryłem, że +5 V faktycznie wysyła 4,75 V i zmieniłem szkic

float v = (rawVIN*5.0)/1024.0;

do

float v = (rawVIN*4.75)/1024.0;

a odczyt napięcia na Arduino był teraz poprawny. Zrobiłem to nie dlatego, że rozumiem, co zrobiłem, zrobiłem to, ponieważ miałem przeczucie, że może to zmienić wartość na poprawną.

ADC wewnątrz Arduino nie mierzy napięcia, a raczej stosunek napięcia . Mianowicie stosunek napięcia na wejściu analogowym do napięcia na pinie Vref.

W konfiguracji domyślnej pin Vref jest wewnętrznie powiązany z linią +5 V. Zamiast tego możesz wybrać wewnętrzne odniesienie jako Vref :

analogReference(INTERNAL);

To odniesienie wynosi około 1,1 V i jest dość odporne na wahania na +5 V. Problem polega na tym, że nie można zmierzyć napięć wyższych niż odniesienie.

W przypadku testera akumulatorów, jeśli potrzebujesz jakiegoś „absolutnego” pomiaru, możesz użyć wewnętrznego odniesienia i dzielnika napięcia, aby upewnić się, że zmierzone napięcie jest niższe niż 1,1 V.

Edycja : Inną opcją, która nie wymaga dzielnika napięcia, jest użycie Vcc jako odniesienia do pomiaru zarówno wejścia analogowego, jak i wewnętrznego odniesienia „pasma wzbronionego” 1,1 V. Pomiar 1,1 V względem Vcc jest pośrednim sposobem pomiaru Vcc. Nie jest to obsługiwane przez podstawową bibliotekę Arduino, ale można to zrobić, programując bezpośrednio rejestry kontrolne ADC:

// Return the supply voltage in volts.
float read_vcc()
{
    const float V_BAND_GAP = 1.1;     // typical
    ADMUX  = _BV(REFS0)    // ref = Vcc
           | 14;           // channel 14 is the bandgap reference
    ADCSRA |= _BV(ADSC);   // start conversion
    loop_until_bit_is_clear(ADCSRA, ADSC);  // wait until complete
    return V_BAND_GAP * 1024 / ADC;
}

Uwaga: pierwsze czytanie po uruchomieniu może być fałszywe.

Zasilany przez USB Arduino Nano będzie miał napięcie odniesienia ADC, na którym nie można polegać, ze względu na tolerancję +/- 5% na przychodzące napięcie USB. Ponadto Nano ma diodę Schottky'ego (D1) MBR0520, która spadnie między 0,1 a 0,5 V w zależności od własnych tolerancji produkcyjnych, temperatury i aktualnego poboru prądu z płyty.

Co możesz z tym zrobić?

MCU na pokładzie Arduino Nano to ATmega328P. ADC Nano może skalować swoje analogowe odczyty napięcia zgodnie z kilkoma dostępnymi odniesieniami (i możesz wybrać ten, który najbardziej Ci odpowiada). Możesz to zrobić za pomocą analogReference (type)funkcji i wybrać spośród następujących odniesień type:

• DOMYŚLNE: domyślne odniesienie analogowe 5 woltów (na płytkach Arduino 5 V) lub 3,3 wolta (na płytkach Arduino 3,3 V)
• WEWNĘTRZNE: Wbudowane odniesienie, równe 1,1 V w ATmega168 lub ATmega328 i 2,56 V w ATmega8 (niedostępne w Arduino Mega) [...]
• ZEWNĘTRZNE: napięcie przyłożone do pinu AREF (tylko od 0 do 5 V) służy jako odniesienie.

Źródło: analogReference

Oto schemat ADC dla tego, co jest w ATmega328, abyś mógł zobaczyć, co się tam dzieje:

Źródło: arkusz danych ATmega328

Tak więc prostym rozwiązaniem jest zbudowanie dzielnika słabych napięć, aby uzyskać napięcie, które chcesz zmierzyć poniżej wartości referencyjnej WEWNĘTRZNEJ 1,1 V, a następnie analogReferenceodpowiednio je skonfigurować .

Dzielnik napięcia musi być słaby (wysokie wartości R), abyś nie wyciągał zbyt dużego prądu z akumulatora, ale nie był zbyt słaby, aby obciążał go impedancja wejściowa ADC.

Premia

Jeśli jednak potrzebujesz napięcia odniesienia wyższego niż wewnętrzne odniesienie pasma 1,1 V w ATmega328, nadal nie masz szczęścia. Opcją byłoby użycie wyjścia regulatora LDO 3,3 V z wbudowanego FT232RL, który jest dostępny na styku 14 nagłówka, ale nie sądzę, aby był również niezawodny. Karta danych FT232RL określa ją na 3,0 - 3,6 V (nominalnie 3,3 V)

Tak więc uniwersalnym rozwiązaniem byłoby zbudowanie zewnętrznego napięcia odniesienia w oparciu o tani TL431 . To może dać wiarygodne odniesienie do 4,0 - 4,25 V z dokładnością +/- 1%.

Zewnętrzny obwód napięcia odniesienia byłby czymś tak prostym (a TL431 jest dostępny w pakiecie TO-92 przyjaznym dla makiet!):

Mam stronę o konwerterze ADC na Atmega328P . Nieco dalej na stronie opisuję odniesienia napięcia. Możesz użyć układu TL431, aby zapewnić różne napięcia odniesienia, na przykład 4V:

Zmieniając rezystory można uzyskać inne napięcia (wygląda na to, że chcesz około 4,2 V).

Na napięcie wyjściowe nie ma wpływu napięcie wejściowe (w tym przypadku 5 V).

Połączona strona opisuje, w jaki sposób możesz wybrać wartości rezystorów.

Czy konwersja liczby adc na napięcie zależy od rzeczywistego napięcia styku + 5 V?

tak i nie: moduł adc dba o Vref, który może być dostarczany przez Vdd, wewnętrznie lub zewnętrznie.

Jeśli tak, jaka jest akceptowana metoda uzyskania tego napięcia z płyty?

konfigurując moduł adc. karta danych urządzenia powinna zawierać rejestry / bity, które należy w tym celu skonfigurować.