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La referencia analogica AREF

El pin Analog Reference

Objetivos

 

 

    • La resolución de los convertidores ADC.
    • Las referencias internas de comparación en Arduino.
    • La referencia externa AREF.

 

Material requerido.

Imagen de Arduino UNO

Arduino Uno o similar. Esta sesión acepta cualquier otro modelo de Arduino.

Protoboard

Una Protoboard.

conexiones

Cables  de protoboard.

Pot

Un potenciometro.

Display LCD

 Una display LCD I2C

 

La conversión de analógico a digital

 

En una sesión previa ya dijimos que Arduino dispone de 6 convertidores analógico a digital (ADC)  que son los pines A0 a A5, y dijimos que son capaces de convertir valores de tensión hasta un máximo de 5V, que es la tensión de referencia en Arduino.

Ya dijimos también, que una de las características claves del convertidor, es su número de bits,  que define la finura con los que podemos cuantificar esa conversión a digital.  En el caso de Arduino, son 10 los bits que maneja en la puertas analógicas, lo que significa que su resolución es 210 =1.024 posibles valores.

Cuanto mayor sea esta resolución mejor es la capacidad de aproximación al valor real cuya conversión buscamos.

 
  • Es importante entender que una conversión a digital de una señal analógica es siempre una aproximación, y ni siquiera en el improbable caso de que el valor analógico fuese exactamente el que nos dice el convertidor, siempre tendremos una incertidumbre.
  • En un convertidor como los de Arduino con 10 bits de resolución, cada escalón de medida es de 5V/1024 = 0,0048828125 V, algo menos de 5mV, lo que significa que no puede discriminar entre valores de tensión cuya diferencia sea menor que esto.
 

Sin entrar en muchos detalles, conviene decir que lo que un convertidor ADC hace es comparar sucesivamente la señal que queremos cuantificar en la entrada, con una tensión de referencia contra la que hace las comparaciones.

Dicho de otro modo, un ADC no proporciona valores absolutos, sino que proporciona una comparación cuantificada con relación a un valor de referencia. Por eso, en la sesión Sensor de temperatura TMP36  hemos calculado la tensión de entrada en uno de los pines Analógicos como la lectura multiplicada por una relación entre el valor de la máxima de la entrada 5V con la máxima medida del conversor 1024.

Escalando la lectura del pin A0

Como las señales que normalmente manejamos en Arduino están alrededor de los 5V, comparar contra 5V es lo razonable, porque además la industria tiene una gama completa de sensores cuyo valor máximo devuelve 5V.

Pero cada vez más, la industria produce electrónica de 3,3V, el propio Arduino DUE es un ejemplo de ello, y si usamos nuestros ADC para digitalizar señales de pico 3,3V, estamos perdiendo precisión y resolución, porque estamos desperdiciando una parte de las posibles comparaciones, de hecho un tercio.

En la práctica, al ser 3,3V el máximo de la tensión de entrada compararlo contra 5V supone que nunca tendremos lecturas mayores de 1.024 * 3,3 /5 = 675 y seguiremos teniendo escalones de entrada de 5mV.

Pero si el convertidor es un comparador de tensiones, si pudiéramos cambiar el valor de tensión contra el que comparamos por una de 3,3V, los escalones serian de 3,3V/1024 = 0,00322265625 o sea 3,2 mV. Es decir hemos mejorado la resolución de nuestro convertidor y sin gastar un chavo.

Por eso en una situación ideal, la tensión de comparación contra la que realizamos la conversión de analógico a digital, debería ser el valor máximo posible de la señal de entrada. Porque es cuándo tendremos la mejor resolución posible con ese convertidor.

Los chicos de Arduino, eran conscientes de este asunto y por eso incluyeron un pin externo, que no habíamos usado hasta ahora, que permite conectar una tensión externa de referencia, contra la que se comparará la señal que leamos en nuestras puertas A0 a A5.

Este pin esta rotulado como AREF (Analog Reference o Referencia Analógica en cristiano) y está dos pines más arriba del digital pin 13:

 Referencia analogica

 

 

Usando la referencia analógica externa

 

La cuestión de la referencia analógica contra la que comparamos las muestras en las puertas A0-A6, es tan importante, que Arduino provee varias tensiones internas contra las que comparar y que podemos activar para cambiar dicha referencia.

Para activar una referencia interna de 1,1V en un Arduino UNO usa la instrucción

analogReference(INTERNAL);

Si por el contrario usas un MEGA puedes usar exclusivamente:

analogReference(INTERNAL1V1);
analogReference(INTERNAL2V56);

Que te activará referencias de 1.1V y 2.56V respectivamente.

Si usamos la clave DEFAULT, volvemos a la referencia estándar de 5V en prácticamente todos los modelos de Arduino.

analogReference(DEFAULT);
 
  • Cuidado con la referencia DEFAULT, porque en el DUE significa 3,3V porque es su tensión de referencia. Asegúrate de esto antes de usarlo alegremente.

 

Cuando conectemos una tensión de referencia al pin AREF, tenemos que avisar a Arduino de que queremos usarla. Y eso lo hacemos con la instrucción

analogReference(EXTERNAL);

Usad la cabeza cuando modifiquéis la referencia analógica, porque si no tenéis cuidado, cenareis Arduino a la brasa. Es relativamente fácil de liarla con ciertas acciones que parecen inocentes:

 
  • Asegúrate de que si usas una referencia externa los GND de Arduino y de la referencia sean el mismo uniéndolos. No hacer esto tiene muy mal pronóstico a la primera de cambio.
  • No uses bajo ninguna circunstancia menos de 0v en el pin AREF ( O una señal que varíe y pueda tener transitorios negativos) porque el resultado es impredecible.
  • Si conectas una tensión externa de referencia, no llames a analogRead() antes de ejecutar la instrucción analogReference(EXTERNAL), porque harías un cortocircuito entre la señal de comparación interna y la tensión externa en AREF, y posiblemente podrás aprovechar la ocasión para comprarte ese Arduino nuevo al que le tienes tantas ganas.
  • No conectes a AREF menos de 1V ni más de 5V, no puedes poner 12 y esperar que te dé un valor tranquilamente.
 

 

Circuito de prueba

 

Vamos a montar un circuito de prueba con un display I2C como vimos en la sesión.. y un potenciómetro. Pero en esta ocasión, conectaremos en los extremos del potenciómetro GND y 3,3V de modo que en el pin central que leeremos con A1, no puede nunca superar los 3,3V simulando un sensor con ese valor máximo.

Al ir girando el potenciómetro, leeremos una caída de tensión entre 0V y 3,3V. y la lectura del pin A1, dará valores entre 0 y 670, ya que estamos en el caso que definíamos un poco más arriba.

 

Conversion analogica a digital

 

El programa simplemente leerá el pin analógico A1 y enviara su valor a un display I2C de 16 caracteres por dos líneas tal y como vimos en la sesión….

#include <Wire.h>
#include <LCD.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#define I2C_ADDR    0x27
LiquidCrystal_I2C             lcd(I2C_ADDR,2, 1, 0, 4, 5, 6, 7);

void setup()
   {
       lcd.begin (16,2);    // Inicializar el display con 16 caraceres 2 lineas
       lcd.setBacklightPin(3,POSITIVE);
       lcd.setBacklight(HIGH);
       lcd.home ();                   // vamos al principio
       lcd.print("Prometec.net");
   }

void loop()
   {
       lcd.setCursor ( 0, 1 );        // Vamos a la segunda linea
       lcd.print(analogRead(A1));
   }

Aquí teneis un minivideo con las lecturas del potenciómetro

 

Si ahora conectamos la tensión de 3,3V interna de Arduino al pin AREF, tendremos un circuito como este:

 

Conversion ADC con referencia externa

Veamos ahora el programa:

#include <Wire.h>
#include <LCD.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

#define I2C_ADDR 0x27
LiquidCrystal_I2C lcd(I2C_ADDR,2, 1, 0, 4, 5, 6, 7);

void setup()
  {  lcd.begin (16,2); // Inicializar el display con 16 caraceres 2 lineas
     lcd.setBacklightPin(3,POSITIVE);
     lcd.setBacklight(HIGH);
     lcd.home (); // vamos al principioe
     lcd.print("Prometec.net");

     analogReference(EXTERNAL);  // Atentos aqui
  }

void loop() 
  {  lcd.setCursor ( 0, 1 ); // Vamos a la segunda linea
     lcd.print(analogRead(A1)); 
     lcd.print(" ");          // Para borrar rastros en pantalla
   }

Aqui teneis un video con la diferencia:

 

Resumen de la sesión

 

 

 

    • Hemos insistido en la cuestion de la conversion analogica a digital y hemos visto que básicamente es una comparación contra un valor de referencia.
    • Hemos visto que podemos usar un valor interno o externo de tensión, distinto de los 5V habituales.
    • Ya sabemos las instrucciones precisas para activar esa referencia externa y las precauciones a adoptar cuando la usemos.

 

 

 

 

 

(10) Comments

    • Javier

    Hola, en primer lugar enhorabuena por tu BLOG.
    Supongo que soy del grupo de paletos aficionados a la electrónica. Mi duda es la siguiente porque me estoy volviendo loco buscando en internet y no doy con lo que necesito. Sólo deseo controlar de manera independiente 5 leds con Arduino One, de tal manera que todos permanezcan encendidos, pero de manera “aleatoria” (prefijada por mí, por supuesto, pero automatizada), se apague uno de ellos un segundo, y vuelva a encenderse. Y así cada uno de ellos cada cierto tiempo pero que el apagado de un segundo o así no afecte a los demás. Puede hacerse?

    • Desde luego que si Javier, basta con que conectes cada led a un pin de arduino y los controles por programa de forma independiente. Estas cosas parecen muy complicadas al principio, pero en cuanto aprendas a programar un poquito veras que rapido lo consigues. ANimo

    • Cesar

    saludos, estoy usando un fotodiodo cuya señal en un multimetro digital me arroja 1.5 volts, como me recomienda usar el aref en este caso

    • Puedes usar un divisor de tension de por ejemplo 3 resistencias de 1k y usar la caida de tension de 1/3 para alimentar directamente AREF. No es exactamente la terecera parte pero se le aproxima razonablemente. Otro modo seria usar una fuente power down para proprocionar exactamente los 1.5V a la referencia annalogica

    • Antonio

    Buenas tardes, tengo una duda y no encuentro información al respecto. El caso es que tengo varios sensores conectados por entradas analógicas y uno de ellos es el lm35 de temperatura pero como da 10mV por grado centigrado pues las lecturas son un poco imprecisas, entonces me gustaría bajar la tensión de referencia analógica. Pero, y aquí viene mi duda, ¿que pasaría si yo pongo la tensión de referencia interna del arduino uno (1,1 voltios), que para el sensor lm35 me vendría muy bien, ya que no voy a medir mas de 110 grados, y a la vez otro sensor introduce una tensión superior a 1,1 voltios por otra de las entradas analógicas? Siempre sin pasar de los 5 voltios soportados. ¿Se tostaría la entrada? ¿O simplemente el otro sensor marcaría el tope y no pasaría nada?

    Gracias de antemano por el post. Espero que me puedas responder. Un saludo.

    • Hola Antonio, Aunque nunca he usado la referencia interna de tension no veo inconveniente en que la uses para lo que quieras. Otra cuestion mas peliaguda es saber si se quemaria con la tension superior de otro de tus sensores.
      Vamos a ver un ADC compara la tension de entrada contra la de referencia mediante varios puentes de resistencia tipicamente, entiendo que no deberia causarte mas problema que una lectura invalida.

      Pero de culaquier modo, si alguno de tus sensores te da valores a tu referncia de tension parece mala idea y mala ingenieria, ya que te va a causar mas problemas de los que te resuelva. Paraece mas sencillo subir la referencia a 3.3 para estar tranquilos porque recuerda que el LM35 tiene una precision mas bien pobre y tiene una incertidumbre de al menos 0,5 grados

    • Antonio

    ¿Qué potenciometro se ha usado?¿Cuáles son sus requerimientos?

    • Hola Antonio, He usado un poitenciometro de 10k para este ejemplo

    • Jesus Mª Verduch

    No lo entiendo la resolución en ambos casos sigue siendo de 1024

    • Hola Jesus Mari,

      Cierto, la resolucion siguen siendo de 1024 digamos pasos, pero antes cada paso era e 5V/ 1024 = 5 mV y ahora es de 3.3 /1024 = 3mV, o sea al fijar el AREF lo que haces es bajar el fondo de escala contra el que comparas

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