Arduino Mega 2560测量电压与ADC精度

Arduino Mega 2560 能够读取 0 ~ 5V 的电压，并转换为 10bit 即 0~1023 级的数字信号。这怎么理解呢？

如上图，若分辨率为 2bit （即 2² ） ，意味着将 5V 分为 0~3 级的数字信号，每级精度是 5V /4 = 1250mV 。如果分辨率为 10bit ，即 0~1023 ，每级是 5V / 1024 = 4.88mV ；如果是 12bit ，即 0~4096 ，每级是 5V / 4096 = 1.22mV 。分辨率越高，每级分得越小，精度就越高。

得到 0~1023 级测量结果后，在程序内简单转化一下（没有复杂函数，只用乘除法），就能直观读出电压。接线图如下：

问题来了，怎样显示电压呢？这里使用最简单的 IDE 串口监视器，连着开发板，直接在电脑屏幕上显示，但我们先要使用 Serial.begin() 启动串口通信，然后通过 Serial.print() 将电压在屏幕打印出来：

/*
 作者：Ardui.Co
 效果：串口显示模拟端口的电压值
 版本：1.0
 更新时间：2017年1月8日
*/
void setup()
{
  Serial.begin(9600); //指定串口通讯比特率为9600
}
void loop()
{
  int v = analogRead(A0);  //从A0口读取电压，模拟端口电压测量范围为0-5V，返回的值为0-1024
  float volt = v * (5.0 / 1024.0); //将返回值换算成电压
  Serial.print(volt);  //串口输出电压值
  Serial.println(" V");  //输出单位，并且换行
  delay(1000);  //输出后等待1s，降低刷新速度
}

通过 A0 读取电压范围不能超过 5V ，否则会损坏开发板，但要测量更高的电压怎么办？其实，我们可以通过分压电路来实现：

根据欧姆定律， Va0 = V *  R1/(R1+R2) = V * 10/20 = 1/2 V

即： V =  2 Va0

因此调整一下换算语句就能得出实际电压：

float volt = v * (5.0 / 1024.0) * 2

但经过分压电路的测量会降低分辨率 (R1+R2)/ R1 倍（上述电路为 2 倍），如果分压式电阻 R1 = 10K ， R2 = 20K ，可以测量 0 ~ 15V ，但分辨率降低 3 倍。换句话说，分压测量越高的电压，分辨率就越底。

我们会用温度传感器实验，来介绍 ADC 的分辨率，同时会学到怎样利用 Arduino 内部参考电压提高测量精度。

LM35 是美国国家半导体（现被 TI 收购）推出的精密温度传感，其信号输出为模拟量：电压值与温度（摄氏）呈正比。不仅体积非常小（常见 TO-92 封装），而且不需额外的校正，就能获得较高的精度。

电压与温度的关系： Vout = Temperature × 10mV/°C

想了解更多，可以参考官方 DataSheet 。接线方式如下：

电压转换方式：

Vin 为输入（被测量）电压； Vref 是参考电压，若不设置就是供电电压， Arduino Mega 2560 为 5V ； resolution 是模拟端口的 ADC bit ， Arduino Mega 2560 模拟端口为 10bit ， Result 为模拟端口的测量结果，数值为 0~1023 。程序如下：

/*
  作者：Ardui.Co
  效果：LM35 简单温度测量
  版本：1.0
  更新时间：2017年1月9日
*/
int LM35 = A0; //指定A0端口读取LM35
float Vin; //存储传感器电压
float temperature; //存储温度测量结果
 
void setup()
{
  Serial.begin(9600); //初始化串口连接
}
void loop()
{
  Vin = analogRead(LM35) * 5.0 / 1024; //计算出A0的电压，单位为V
  temperature = Vin * 1000.0 / 10.0; //将A0电压要转换成mV，根据LM35转换系数10mV/°C，除以10，得出温度
  Serial.print("Temperature: "); //在串口监视器输出结果
  Serial.print(temperature);
  Serial.println(" *C");
  delay(500); //延时0.5s
}

ADC测量精度问题：

对于 5V 参考电压来说，每级为 5V / 1024 = 4.88mV ，转化为温度，每级分辨率就是 0.488 °C 。如果环境温度为 T ， Arduino Mega 2560 的测量结果是 0.488 Result ，但 Result 是 0 ~ 1023 的正整数，误差 τ 就是

τ = T mod 0.488 （ mod 为求余运算）

Arduino Mega 2560 内置了 1.1v 参考电压，使用这个参考电压，每级为 1.1V / 1024  = 1.07mV ，每级分辨率提高到 0.107°C 。

如果环境温度为 10°C ，取 5V 参考电压的分辨率为 0.24°C ，取 1.1V 参考电压则为 0.049°C ；如果环境温度为 25°C ，取 5V 参考电压的误差为 0.112°C ，取 1.1V 参考电压则为 0.069°C 。

接线不变，调整一下程序，引入 Arduino 的内部参考电压：

/*
  作者：Ardui.Co
  效果：LM35 使用1.1内部参考电压提高分辨率
  版本：1.0
  更新时间：2017年1月9日
*/
int LM35 = A0; //指定A0端口读取LM35
float Vin; //存储传感器电压
float temperature; //存储温度测量结果
 
void setup()
{
  analogReference(INTERNAL); //使用内部参考电压
  Serial.begin(9600); 
}
void loop()
{
  Vin = analogRead(LM35) * 1.1 / 1024; //计算出A0的电压，单位为V
  temperature = Vin * 1000.0 / 10.0; //将A0电压要转换成mV，根据LM35转换系数10mV/°C，除以10，得出温度
  Serial.print("Temperature: "); //在串口监视器输出结果
  Serial.print(temperature);
  Serial.println(" *C");
  delay(500);
}

参考电压稳定性：

由于参考电压跟 Vin 和温度成正比，实际中的电源电压往往十分不稳定，电池电压会随着电量变化（比如：单个锂离子放电电压约为 4.25V ~ 2.95V ），开关电源会有 50 ~ 200mV 纹波，常见的USB电源在不同负载上约有 ±4% 的变化。

但别以为用 Arduino Mega 2560 内部参考电压就万事大吉，其误差更高达 5% 。因此，使用内部基准源在提高分辨能力的同时，也引入了额外的测量误差，所以要用稳定性高的参考电压。

其实，也有一个折中的方案。 Arduino Mega 2560 内部提供了一块 LDO （低压差稳压 IC ），为 3.3V 端口供电。 LDO 一般为德州仪器的 LP2985-33DBVR ，其误差小于 1.5% ，用它来做外部参考电压，相对 5V 来说分辨率更高，相对 1.1V 内部参考电压来说，测量误差更小。

要使用外部参考电压，将 Aref 连接到 3.3V 端口：

我们将 3.3V 的端口跟 Aref 链接，并在内部程序中声明：

/*
  作者：Ardui.Co
  效果：LM35 使用3.3外部参考电压提高分辨率
  版本：1.0
  更新时间：2017年1月10日
*/
int LM35 = A0; //指定A0端口读取LM35
float Vin; //存储传感器电压
float temperature; //存储温度测量结果
 
void setup()
{
  analogReference(EXTERNAL); //使用内部参考电压
  Serial.begin(9600); 
}
void loop()
{
  Vin = analogRead(LM35) * 3.3 / 1024; //计算出A0的电压，单位为V
  temperature = Vin * 1000.0 / 10.0; //将A0电压要转换成mV，根据LM35转换系数10mV/°C，除以10，得出温度
  Serial.print("Temperature: "); //在串口监视器输出结果
  Serial.print(temperature);
  Serial.println(" *C");
  delay(500);
}

我们还可以 Aref 连接到 Arduino 开发板之外的参考源上，以获取更精确的测量结果。

另外，要提高的分辨率，除了改变参考电压，也可以采用高位数的 ADC 芯片，不少精密 ADC 可达 16bit 以上分辨率。

参考链接

• 第7课 测量电压与 ADC 精度
• 第8课 LM35温度计、参考电压与提高精度