Микросхемы аналого-цифровые преобразователи данного типа были разработаны в 1960-1970 годах, а в 1980 стали производиться в виде интегральных микросхем. Зачастую их применяют в АЦП конвейерного типа.
В отличие от отдельных АЦП-контроллеров, встроенный в микроконтроллер (МК) АЦП — это не самостоятельное устройство, а периферийный модуль на кристалле. Его главная задача — преобразовывать аналоговые сигналы от датчиков в цифровой код для дальнейшей обработки ядром МК. Поскольку «микроконтроллер» — понятие очень широкое, характеристики встроенных АЦП сильно различаются в зависимости от семейства и модели. Однако можно выделить общий набор ключевых параметров.
АЦП МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
Задача АЦП – это преобразование напряжения в последовательность цифровых значений этого напряжения, которое измеряется через равные промежутки времени. Разрядность выходных данных является одним из основных параметров АЦП. Данный параметр обеспечивает отношение сигнал/шум преобразования и в конечном итоге динамический диапазон цифрового сигнала. Данное отношение (сигнал/шум) стараются увеличивать, для этого увеличивают разрядность АЦП. Отношение сигнал/шум аналого-цифрового преобразователя определяется исходя из формулы:
SN = N 6,02 + 1,76 (дБ)
где N – количество двоичных разрядов на выходе АЦП.
Еще одним важным параметром АЦП МИКРОКОНТРОЛЛЕРА является время получения сигнала на выходе. Одной из сложнейших задач при создании АЦП является возможность получения одновременно большой разрядности и высокой скорости преобразования.
Вот основные параметры, которые определяют возможности и сферу применения АЦП в микроконтроллере:
Разрядность (Resolution): Определяет точность измерения. Это количество бит, которым представляется результат. Например, 10-битный АЦП может выдать 1024 дискретных значения (от 0 до 1023), а 12-битный — уже 4096 значений (от 0 до 4095).
Скорость преобразования (Conversion Rate): Показывает, сколько раз в секунду АЦП может выполнить измерение. Измеряется в выборках в секунду (sps, kSPS, MSPS). Этот параметр критичен для оцифровки быстро меняющихся сигналов (звук, вибрация).
Количество каналов (Channels): Число аналоговых входов, которые АЦП может обслуживать. Часто один АЦП через внутренний мультиплексор может поочередно подключаться к нескольким внешним выводам (пинам).
Тип входов: Поддерживает ли АЦП только несимметричные (single-ended) входы (измерение относительно земли) или также дифференциальные (differential) входы (измерение разности потенциалов между двумя линиями), что помогает подавлять синфазные помехи.
Опорное напряжение (Vref): Напряжение, с которым сравнивается входной сигнал. Это «потолок» измерения. Может быть внутренним (от встроенного источника) или внешним (подаваться на специальный пин). От его стабильности напрямую зависит точность.
Режимы работы: Наличие полезных функций, таких как однократное преобразование (single conversion), непрерывное (continuous/free-running), а также режимы энергосбережения, когда АЦП работает во время сна ядра МК.
Чтобы увидеть, как эти параметры реализуются на практике, вот сравнение встроенных АЦП для нескольких распространенных архитектур.
| Семейство МК | Типичная разрядность | Макс. скорость (при макс. разрядности) | Количество каналов (пример) | Ключевые особенности |
|---|---|---|---|---|
| Microchip AVR (ATmega) | 10 бит | До 15 kSPS | До 8 (или 16) | Классика для Arduino. Простой, но не самый быстрый и точный АЦП. |
| Microchip PIC (совр. серии) | 12 бит | Зависит от модели | До 35 | Часто оснащаются модулем ADC2 с аппаратными вычислениями (усреднение, фильтрация). |
| STMicroelectronics STM32 (G0/L4) | 12 бит (с оверсэмплингом до 16 бит) | До 5.3 MSPS | До 19 | Высокая скорость и гибкость. Поддержка дифференциальных входов, независимая тактовая частота АЦП. |
| Espressif ESP32 | 12 бит | До 2 MSPS (теоретически) | 18 (на 2 АЦП) | Два АЦП. Основная особенность — встроенный аттенюатор для измерения напряжений до ~3.3 В. |
| Texas Instruments MSPM0 | 12 бит | До 4 MSPS (для MSPM0Gx) | До 17 | Современная альтернатива AVR. Высокая скорость, поддержка оверсэмплинга и одновременной выборки (в старших моделях). |
При выборе микроконтроллера, если для вас важны его аналоговые возможности, обратите внимание на следующие моменты:
Точность против скорости: Для измерений температуры или медленных процессов (например, датчик уровня жидкости) достаточно 10-битного АЦП на 15 kSPS. Для оцифровки звука или анализа вибрации потребуется как минимум 12 бит и скорость в сотни kSPS или единицы MSPS.
Условия эксплуатации: Если сигнал зашумлен, наличие дифференциальных входов может значительно улучшить качество измерения. Если нужно измерять напряжение выше питания МК (например, 5 В при питании 3.3 В), ищите модели со встроенным аттенюатором или делителем.
Специализированные функции: Некоторые современные МК (например, PIC с ADC2) берут на себя часть вычислений: усреднение, фильтрацию, сравнение с порогом. Это снижает нагрузку на процессор и упрощает программирование.
АЦП МИКРОКОНТРОЛЛЕРА в наличии на складе в Санкт-Петербурге, цена от 175 ₽ при оптовом заказе, возможна доставка по всей России. Гарантия качества от производителя и оперативная отгрузка.