Изучаем Arduino: инструметы и методы технического волшебства - страница 18

Графики на рис. 3.1 показывают, чем отличаются друг от друга аналоговые и цифровые сигналы. Слева прямоугольные импульсы, амплитуда которых принимает только два значения: 0 и 5 вольт. Точно так же, как с кнопкой из предыдущей главы: только HIGH или LOW. Справа изображен фрагмент косинусоидального сигнала.

Несмотря на то, что его амплитуда находится в тех же границах (0 и 5 вольт), аналоговый сигнал принимает бесконечное число значений между этими двумя.

- 65 -

Аналоговые сигналы нельзя представить конечным числом состояний, теоретически они могут иметь бесконечное число значений в пределах некоторого диапазона.

Допустим, солнечный свет - это аналоговый сигнал, который нужно измерить.

Естественно, есть разумный диапазон, в пределах которого меняется освещенность (измеряется в люксах - световом потоке на единицу площади). Можно обосновано ожидать значение показаний между 0 люкс (для совершенно черного) и 130 000 люкс на прямом солнечном свете. Если бы измерительный прибор был абсолютно точен, то можно получить бесконечное число значений в данном диапазоне.

Рис. 3.1. Аналоговые и цифровые сигналы

Компьютерная система никогда не может оперировать с бесконечным числом десятичных разрядов для аналогового значения, потому что объем памяти и производительность компьютера ограничены. Как же тогда соединить интерфейс цифрового контроллера Arduino с аналоговым реальным миром? Это делает аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует аналоговые значения в цифровые с заданной точностью.

Предположим, что вы хотите измерить освещенность в своей комнате. Хороший светочувствительный датчик выдает выходное напряжение, которое зависит от освещенности комнаты. Когда в помещении абсолютно темно, устройство выдало бы 0 В, а при максимальной освещенности - 5 В. Промежуточные значения соответствуют средним освещенностям. Но как эти значения считает плата Arduino, чтобы узнать, насколько светло в комнате? Преобразовать аналоговые значения напряжения в числа, которые может обрабатывать контроллер, позволяет аналого-цифровой преобразователь Arduino.

- 66 -

Точность АЦП зависит от его разрядности. На плате Arduino Uno установлен 10-разрядный АЦП. Это означает, что АЦП может разделить аналоговый сигнал на 2^>10 различных значений. Следовательно, Arduino может присвоить 2^>10 = 1024 аналоговых значений, от 0 до 1023.

Опорное напряжение определяет максимальное напряжение на входе АЦП, его значение соответствует коду 1023. При нулевом входном напряжении АЦП выдает на выходе 0, при входном напряжении 2,5 В на выходе будет значение 512 (половина от 1023), при входном напряжении 5 В выходной код равен 1023. Чтобы лучше понять это, посмотрите на графики для трех.разрядного АЦП, изображенные на рис. 3.2. В принципе, опорное напряжение АЦП можно изменить, но в наших устройствах опорным будет напряжение 5 В.

Рис. 3.2. Трехразрядное аналого-цифровое преобразование

У трех.разрядного АЦП 3 бита разрешения, поскольку 2^>3 = 8, следовательно, у него есть 8 уровней, от 0 до 7. Любому аналоговому значению, которое поступает на вход такого АЦП, на выходе соответствует код от 0 до 7. На рис. 3.2 показано, что уровни входного напряжения преобразуются в выходные дискретные цифровые коды, с которыми может оперировать микроконтроллер. Чем выше разрядность, тем больше уровней, которые доступны для представления каждого значения. Как упоминалось, у Arduino Uno АЦП имеет 1024 уровней, а не 8, как на рис. 3.2.

ПРИМЕЧАНИЕ

Если вы хотите узнать больше об использовании нестандартного (или внешнего) опорного напряжения, посетите страницу на официальном сайте Arduino

http://www.arduino.cc/en/Reference/AnalogReference.

- 67 -

Теперь, когда вы понимаете, как преобразовать аналоговые сигналы в цифровые коды, можно начать писать программы и разрабатывать схемы. У различных плат Arduino разное число аналоговых контактов. Для чтения аналоговых значений предусмотрена функция analogRead().