Arduinoのアナログピンの測定速度の限界？について

Question

ArduinoUNOのA0ピンでanalogreadして最短数us程度の信号電圧を入力してしきい値以上か以下かの判定に用いてます。
しかし信号電圧がしきい値以上になっているのに、しきい値以上で入るルーチンに移行しない（検出できていない？）ケースがあります。
ちなみにしきい値以上になるとD10ピンを10mshighにするだけのコードを書いてます。

この信号の取りこぼしの原因は信号電圧が発生している時間が短すぎるからでしょうか？
ひとつ不安点があるとすれば２台のUNOを同時に使い、片方のボードの5v端子とanalogreadしているボードの5v端子を結線していて、片方のボードが受けたバスパワーを共用しており、電圧と電流が不足しているのでは？と思っています。
回路は組んでしまっていて容易に変更出来ないので質問させて頂きました。

Answer 1

ただ単に電圧レベルが低いロジックパルスをみたいだけの場合は
ロジックレベル変換回路を組んでデジタル信号として割り込みかける

電圧にアナログ的な意味はあるが、特定の電圧を超えるかどうかだけが知りたい場合は
コンパレータで比較する回路を組んでデジタル信号として割り込みかける

パルスの高さに意味がある場合は
ピークホールド回路を組んでAD変換するか十分高いサンプリングレートのADCを使う

回路は組んでしまっていて容易に変更出来ない

そもそものアプローチがおかしいものをプログラムで無理してやるほうが大変です。

Comments

[nullsan]

ご回答ありがとうございます！
なるほどですね。それぞれ使い分ける必要があるのですね。
他の回答者様に教えていただいたサンプリングレートを上げるコードを組み込んだところほぼ問題なさそうな結果が出た＋納期の関係で（仕事で使うものを作っています）もうハード設計を変えられないので、今後はそのように対応考えます！

Answer 2

はい短すぎます。
ADコンバータの性能はものにより様々ですが、
ArduinoUNOのレベルのCPUですと信号の取り込みに最短数μs(信号のインピーダンス次第でもっと)、変換に10μsといったところでしょうか。
それにループを回る分でC言語ならもう数μsくらい見ておくべきかなと。

ではどうするかですが、この目的ならアナログコンパレータを使うのがよいです。
コンパレータは閾値との上下しか見ない分ADコンバータに比べ応答が速く、数μsくらいなら多分反応できます。
加えて、ポーリングでは時間的にややつらいので割り込みを使った方がよいです。

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データシートを見てみました。
「Table 29-15. ADC Characteristics」を見ると、
Conversion Timeは最小で13μsであり、数μsの信号を捉えるのは厳しそうです。
ただ、Input Bandwidthが38.5kHzというのがちょっと分からないところで、これが38.5kHz以上の信号は通さないということなら、それ未満の信号も鈍って13μsのサンプリングで捉えられるようになるかもしれません。

ただ、やはりコンパレータの方がよいでしょう。
「Table 30-1. Common DC characteristics」を見ると、
Analog Comparator Propagation Delayが(Vcc=4.0V時)500nsです。詳しいことは知りませんが雰囲気的に数μsの信号を捉えるのに十分そうです。
また、ADCの入力をコンパレータに回すことができるようなので、回路の変更も外付け抵抗だけで済みそうです。

Arduinoのコンパレータの使い方は頑張って調べてください。

Comments

[nullsan]

有益な回答をありがとうございます！
欲しい情報がピンポイントで手に入りました！
今回の実験が終わって次の実験が始まるまでにはハードをいちから設計し直して対応してみます！
ありがとうございます

Answer 3

UNOだとデフォルトのanalogReadは約100usかかるようです。
下記を加えると、約15usまで高速化できます。(計算上は13usらしい)

ADCSRA = ADCSRA & 0xf8;
ADCSRA = ADCSRA | 0x04;

検出したデータを処理する時間も含めサンプリングレートを計算し、それが要求されている機能の要件を満足できるものなのか確認してみてはいかがでしょうか。

無理であれば、もっと高速なデバイスを利用するしかないのでは。

Comments

[nullsan]

ご回答ありがとうございます！
早速コードに追加して利用させていただきます。
setupルーチン内に記述すればよろしいでしょうか？
他にインクルードが必要なするライブラリなどありますか？

ちなみになぜこうすると高速化できるのでしょうか。
単純に高速化しているだけなら万々歳なのですが、これの追加によってなにか犠牲になることは
ありますか？

疑問です。
ご回答を頂けたら幸いです

[ta.fu]

私はsetupに実装して試しました。
また何が犠牲になるかはわかりません。atmega328の資料を見る限り、変換クロックによりAD変換の特性が変わる記載があるので何かしら変わるのでしょう。
一応、「uno AD変換」でググると色々な情報が出てくるので、それを参考にしては。あとはunoのcpuのatmega328の資料を見るとか。

[ikadzuchi]

犠牲になるのは精度ですね。
データシートの
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/ATmega48A-PA-88A-PA-168A-PA-328-P-DS-DS40002061A.pdf
「Table 29-15. ADC Characteristics」を見ると、精度は
ADC clockが200kHzの時は2LSB(最下位ビット)、1MHzの時は4.5LSBとあります。
つまり分解能10bitのうち10-4.5=5.5で5.5bit相当の精度しか出ないという訳です。

[nullsan]

素人で申し訳ないのですが、データシートを読み解く力がないので実際に動作させました。
5vをA0に入力して誤差を確認したところおよそ+-約15mv程度でした。
これなら今回の運用では問題ない数字なので一旦これで行こうと思います。
わざわざデータシートを読んでいただきありがとうございます！

Answer 4

簡単に言うと、analogread関数を実行した瞬間のアナログ値を読んでます
これはいいですね？

その数usecのパルスのときにドンピシャでその関数を実行できればいいですが、そうできてますか？
たとえ無限ループでanalogreadを実行してたとしても、一発の数usのパルスを読み出せる確率はかなり低いと思いますよ

Comments

[nullsan]

あーなるほど！
すごくよく理解しました。
analogreadをタイムリーに制御する方法なにかありますか？
割り込みピン使おうかと思いましたが信号電圧が500mv～1.5vなので使えず…

なにか妙案ありましたら教えていただければと思います

[y_waiwai]

パルスを捉えるという用途にはアナログ入力は使えません
ここは回路を組んで、そのパルスを増幅しデジタルパルスにしてしまいましょう。
そうすれば割り込み入力なりタイマ入力なりが使えます

[nullsan]

素人考えで進めてしまっていたのを反省しています。。
今後はハードウェアを有効活用してより効率的な方法を模索します！
y_waiwaiさんいつもご回答ありがとうございます！