Entradas analógicas en Arduino


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En entradas anteriores hemos visto cómo emplear las entradas digitales de nuestro Arduino. También hemos usado estas entradas para leer el estado de un pulsador. En esta entrada vamos a ver las entradas analógicas, su funcionamiento y características.

Las entradas analógicas funcionan de una forma similar a las entradas digitales, por lo que en la práctica el montaje y código final son muy similares. Por tanto, es de aplicación la mayoría de lo que vimos en esta entrada. Sin embargo en ciertos aspectos son radicalmente distintos, por lo que para entender correctamente su uso y funcionalidad es necesario veamos un mínimo de teoría.

¿Qué es una entrada analógica?

Una señal analógica es una magnitud que puede tomar cualquier valor dentro de un intervalo –Vcc y + Vcc. Por ejemplo, una señal analógica de tensión entre 0V y 5V podría valer 2,72V, o cualquier otro valor con cualquier número de decimales. Por contra, recordemos que una señal digital de tensión teórica únicamente podía registrar dos valores (en el ejemplo, 0V o 5V).

Por norma general en los autómatas las entradas analógicas son más escasas, más lentas y más caras que las entradas digitales. En el caso de Arduino uno disponemos de un número variable de entradas analógicas, que en el caso de Arduino Uno y Mini Pro son 6, y en el Arduino Mega son 16. Este es un número más que respetable de entradas analógicas, que rivaliza o supera a autómatas tradicionales de coste muy superior.

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Como vimos al explicar las entradas digitales, una entrada digital supone un proceso de transformación de una señal en un valor digital, atribuyendo un valor HIGH a las medidas que superen un valor umbral, y LOW a lo que quedan por debajo. Por el contrario, una entrada analógica proporciona una medición codificada en forma de un valor digital con un número N de bits.

Es importante entender que en el mundo real cualquier señal de tensión es siempre analógica. Un valor digital es un concepto, una abstracción. Sin embargo conviene señalar que la medición que proporciona una entrada analógica también es un valor digital, por lo que igualmente es una abstracción. Esto nos lleva al concepto de precisión de la medición.

Precisión de la medición

Para entender la precisión de una entrada analógica es necesario entender cómo funciona un conversor analógico digital (ADC), que es su componente fundamental. Un ADC es un dispositivo que convierte una medición analógica en una medición digital codificada con un número N de bits.

Existen muchas formas de construir un ADC, pero lo importante es entender que en realidad no medimos el valor analógico con todos sus decimales, sino que lo “clasificamos” dentro de 2^N niveles, que definen 2^N-1 intervalos. El ancho de este intervalo medido en mV es la precisión de la señal. Cuanto mayor sea el número de bits, mayor será el número de intervalos, menor será el ancho del intervalo, y por tanto mejor la precisión de la medición.

En el caso de Arduino Uno, Mini Pro, y Mega, las entradas analógicas disponen de 10 bits de resolución, lo que proporciona 1024 niveles digitales, lo que a 5V supone una precisión de la medición de +-2,44mV. Arduino Due tiene una resolución de 12bits, 4096 niveles digitales, lo que supone una precisión de 0,61 mV.

Precisión relativa

Hasta ahora hemos supuesto un autómata alimentado entre 0V y 5V, que mide una señal analógica de tensión entre 0V a 5V. En este caso, con un ADC de 10 bit tenemos una precisión de 4,88mV, lo que supone una precisión relativa respecto a la señal de entrada de 0,1% (1/1024).

Sin embargo, supongamos que medimos una señal que varía entre 0V y 1V. En este caso, con el mismo ADC de 10 bit tendríamos la misma precisión absoluta de 4,88mV, pero una menor precisión relativa respecto a la señal, que caería hasta 0,5%.

Es decir, si realizamos una medición a una señal que varía en un límite inferior a Vcc estamos perdiendo precisión relativa. Esto es la consecuencia de no aprovechar todo el rango de la medición, por lo que en realidad el ADC se comporta como si tuviera un número inferior de bits.

Referencia de tensión analógica (aref)

Para resolver esta situación Arduino permite cambiar la tensión tomada como referencia por el conversor analógico digital. El valor de la referencia se cambia con la función AnalogRef, y los valores posibles son:

  • DEFAULT: Valor por defecto, correspondiente con Vcc (5V o 3.3V, según modelos)
  • INTERNAL: Corresponde a 1.1V (en Atmega 168 y 328)
  • EXTERNAL: Voltaje aplicado de forma externa en el pin Vref (siempre entre 0 y Vcc
  • INTERNAL1V1 y INTERNAL2V56, correspondientes a 1.1V y 2.56V (sólo en Mega)

En el caso de usar la referencia de tensión externa (EXTERNAL), si sabemos con total seguridad que una señal no va a superar de un cierto valor de tensión, por ejemplo 0.7V, podemos proporcionar este valor como referencia a través del Pin Aref . La medición se realizará tomando esta tensión como referencia en lugar de Vcc, por lo que recuperamos toda la precisión relativa.

Si modificamos la tensión de referencia, debemos definir el modo mediante la función AnalogRef antes de realizar cualquier lectura analógica.
En caso de introducir un valor de tensión en el pin Aref no debemos superar este valor en las entradas analógico. Además, en ningún caso superaremos la tensión de alimentación de Arduino. De lo contrario podríamos dañar los pines analógicos.

Conexión de entradas analógicas en Arduino

Supongamos que dispongamos un sensor analógico que proporciona una señal analógica entre 0V a 5V. El esquema de conexión es similar al que empleamos para realizar la lectura digital.

Arduino-entradas-analogicas-1

Código en Arduino

El código para realizar la lectura es realmente sencillo, y similar al que vimos para las entradas digitales. Simplemente realizamos la lectura mediante AnalogRead() y almacenamos el valor devuelto.

El valor devuelto por la función AnalogRead() se codifica como un número entero 0 a 1023. En caso de querer convertir este valor en un valor de tensión podemos usar la siguiente variación:

Sin embargo tener en cuenta que las operaciones en coma flotante (con decimales) son mucho más lentas que con enteros por lo que intentar evitar tener que realizar esta conversión y trabajar siempre que sea posible con números enteros.

Frecuencia de muestreo

Con el código empleado la frecuencia de muestreo es aproximadamente 9600 Hz, es decir, unos 100 micro segundos para la medición. En comparación, la función digitalRead tiene una frecuencia de 15000Hz, unos 66 micro segundos por medición, levemente más rápido.

Sin embargo, mediante otros códigos la lectura analógica puede aumentarse hasta aproximádamente 1,5 Mhz, o 660 nano segundos por entrada. Por contra, las entradas digitales pueden acelerarse hasta casi 15 Mhz, 66 nano segundos, leyendo todas las entradas de forma simultánea. Por lo tanto, vemos que realmente las entradas digitales pueden ser mucho más rápidas que las analógicas.

Lectura de valores mayores de 5V

En caso de necesitar leer una entrada de nivel de tensión superior, por ejemplo de 12V, debemos realizar una adaptación de tensión. La forma mejor de realizar la adaptación es emplear un simple divisor de tensión.

Arduino-entradas-analogicas-2

Con esta configuración el pin digital de Arduino recibirá una tensión que varía entre 0 a 3,84V por lo que, como hemos explicado, estaríamos perdiendo precisión relativa. Una opción sería ajustar las resistencias para que los límites estén lo más cercanos posible a 0 y 5V, o usar otro divisor de tensión para alimentar el pin Aref.

Los valores de las resistencias a emplear dependen del voltaje que queremos leer, y de la impedancia del sensor. En general, deben cumplir las siguientes condiciones:

  • Deben convertir la señal en un rango inferior pero similar a la tensión de alimentación.
  • Deben ser muy superiores a la impedancia equivalente del dispositivo a medir.
  • Deben despreciables respecto a la impedancia de la entrada Arduino.
  • Deben limitar la corriente que circula por ellas para minimizar pérdidas.
  • Deben ser capaces de disipar la potencia que van a soportar.

Podéis ayudaros de la calculadora de divisores de tensión para calcular valores de resistencia que cumplan estos requisitos.

No empleéis este sistema para leer tensiones superiores a 35V, o para dispositivos de corriente alterna sin estar muy seguros de lo que estáis haciendo. Es muy posible que las resistencias no aguanten.

En la siguiente entrada veremos cómo emplear las entradas analógicas para leer el estado de un potenciómetro o el valor de una resistencia variable, algo habitual a la hora de leer sensores cuya lectura se realiza a través de la medición de su resistencia.

Si te ha gustado esta entrada y quieres leer más sobre Arduino puedes consultar la sección Tutoriales de Arduino

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Jhoan Espitia

Buenas noches que tipos de codigos puedo usar para mejorar la frecuencia de muestreo de mi arduino les agradeceria si me pueden ayudar con esto, en estemomento estoy intentando muestrear una señal de audio y otra pregunta que me recomiendan para no saturar la memoria del microcontrolador de antemano gracias

luisllamas

Muestrear audio está en el límite de la capacidad de Arduino. El audio alcanza normalmente se muestrea a frecuencias de 44kHz, En un Arduino de 16MHz, la función AnalogWrite funciona a frecuencias de unos 10kHZ. Si necesitas mejor calidad de muestreo puedes usar directamente las lectura desde puerto, sin usar la función AnalogWrite. Con esto deberías ser capaz de muestrear a 44kHZ, pero repito que está al límite de lo que puedes hacer (tendrás casi todo el procesador dedicado a eso) En un futuro quiero hacer algún tutorial de lectura digital o analógica directamente a través del puerto, pero es… Read more »

arlaor

Buenos días Luis, Tengo una situación con los pines analógicos y es que estos no me están dando valores coherentes entre uno y otro. He subido al arduino un simple código para leer cada puerto analógico (analogRead(Ax)), sin ninguna conexión a ellos para observar que lecturas me arroja y encontré lo siguiente: A0: 233 A1: 5 A2: 118 A3: 193 A4: 239 A5: 275 Al realizar mediciones con un multimetro en estos puertos me arroja hasta 1V sin tener conectado nada (valor que supongo debería ser cero) Estoy intentando leer las variaciones de corriente generadas en un modulo ACS-712, pero… Read more »

luisllamas

Hola Arlaor. Lo que te está pasando es totalmente normal, y no es nada malo. Cuando un Pin (analógico o digital) no está conectado al aire, debes asumir que su estado es indeterminado. Al estar el Pin "al aire", las mediciones que tomas son tensiones residuales, ruido, etc... (esto es así en todos los procesadores, no solo en Arduino) Pero no pasa nada. Si estás leyendo un dispositivo que da una tensión, al conectar el Pin la medición estará "fijada" por el valor de tensión. De forma similar, si estás leyendo la resistencia de un dispositivo (o un potenciómetro, por… Read more »

Pablo Razo Infante

Hola Luis, esta muy interesante tu post lo he leído completamente solo que no encontré una parte donde dijera si las entradas digitales están multiplexadas o en paralelo y me gustaría saber si puedes proporcionarme esa información. saludos

luisllamas

Multiplexedas, se dispone de un único ADC y los 6 canales (en Uno, en Nano 8, en mega 16,etc) se consiguen por un multiplexor -------- Mensaje original --------De: Disqus Fecha:10/05/2016 19:31 (GMT+01:00) Para: info@luisllamas.es Asunto: Re: Comment on Entradas analógicas en Arduino Settings A new comment was posted on Luis Llamas This comment is awaiting moderator approval. Pablo Razo Infante Hola Luis, esta muy interesante tu post lo he leído completamente solo que no encontré una parte donde dijera si las entradas digitales están multiplexadas o en paralelo y me gustaría saber si puedes proporcionarme esa información. saludos 1:31 p.m.,… Read more »

luisllamas

Sin ningún problema. Al definir un pin como entrada, lo pones en estado de alta impedancia (es decir, que se comporta como si fura una resistencia muy grande, y apenas circula corriente por el mismo)
De hecho, lo que quieres hacer es igual que leer un pulsador (en tu caso el rele hace las veces de pulsador) https://www.luisllamas.es/leer-un-pulsador-con-arduino/
Pero necesitarás una resitencia de Pull Down. Sería mejor si conectas el rele entre el Pin Digital y GND, y así puedes usar las resistencias de PullUP internas de Arduino (te simplifica el montaje)

luisllamas

Gracias a ti por tu comentario

luisllamas

No, en ningún caso

luisllamas

Para eso necesitarás emplear una interrupción. Mira esta entrada donde vemos su uso https://www.luisllamas.es/que-son-y-como-usar-interrupciones-en-arduino/

Ricardo Esteban González

Hola Luis! Gracias por el post!
Quería preguntarte sobre un caso más particular. En el caso en el que mi sensor analógico trabaje desde -10 a +10V, si yo quiero introducir la información en el Arduino, con entrada entre 0 y 5V, ¿Cómo lo puedo hacer?

Gracias

Jose Luis

Para leer una tension que varia entre +10 y -10v, solo necesitas tomar como referencia una tensión media de 2.5v (con un zener por ejemplo) y hacer un divisor de tensión respecto a los 2.5v.

Las resistencias que he puesto en el divisor son de 2K5 y 10K (justo al limite. mejor con 3K3 y 10K
Una vez hecha la lectura debes restar la tensión del Zener ( Es decir, con una entrada de 0v vas a leer 2.5v si le restas 2.5 obtienes el 0V)

Saludos

Jose Luis

DIOS que fallo!! Nada mas dar al OK he visto que las resistencias están mal. Si pones 3K3 la tensión de lectura variará entre -1 y +6v (mas o menos) es necesario bajar R2 a 1K8 de esta forma la tensión de entrada al microprocesador varia entre 0.7v y 4.3v.

Mis felicitaciones a Luis Llamas por el gran trabajo y esfuerzo que supone este Blog
Saludos de nuevo

luisllamas

Hola. Respecto a tu pregunta de si puede funcionar con 3.7 voltios en raw, la respuesta es no. De hecho me sorprende (mucho) que arranque. En cualquier caso, te estás jugando mucho o que se apague, o que incluso se rompa (con un voltaje bajo, lo normal es q se apague), porque en el pin raw espera un voltaje regulado con una alta precisión. Ese pin va directamente al procesador, y tiene un rango de alimentación muy estrecho. Respecto a tu esquema... bueno dentro de lo que puedo ver así de un vistazo, y aparte de lo de la alimentación… Read more »

albert

hola
sr. Luis pagina muy buena.
tengo la necesidad de saber que voltaje estoy trabajando para crear un watimetro. y tengo una tensión continua que varia , y su valor máximo será de 200 voltios ,
seria correcto trabajar con un divisor de tensión 100K y 2k2
puedo encontrarme con algún problema?
doy por supuesto que la precisión solo la será de 1024 bits..

Antonio

Hola Luis, muy buena entrada.
Te consulto. Tengo un sensor de 4 a 20mA donde por medio de una r250 convierto la señal de 1 a 5v. El problema que tengo es que pude suceder que la señal (por algún motivo), pueda superar los 20mA., de hecho el sensor puede leer hasta el 150% del fondo de escala.
En este caso la señal sera mucho mayor a 5v. Como hago para proteger la entrada analógica si supera esta tensión?.
De antemnano muchas gracias

Eduardo

¿En arduino Due puedo conectar a los pines analógicos valores de tensión que lleguen a 5V o deben ser de 3.3v también?