ADC ราคา $2.97 แย่ได้ขนาดไหน?

• โมดูล ADS1115 ADC ราคาถูกให้ความสามารถเกือบเหมือนสเปกทางการ
• ฟังก์ชัน programmable gain amplifier ช่วยให้วัดแรงดันช่วงเล็กมากได้อย่างแม่นยำสูง
• พบกรณีที่บอร์ดราคาถูกบางตัวมีความคลาดเคลื่อนด้าน ความเร็วในการวัด และ ความแม่นยำ
• เมื่อนำ อัลกอริทึมการคาลิเบรต แบบง่ายมาใช้ ก็ให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำได้มาก
• ชิ้นส่วนราคาถูกอาจเป็น ของเสียจากกระบวนการผลิต หรือ ของก๊อบปี้ แต่โดยรวมก็ยังใช้งานพื้นฐานได้ไม่มีปัญหาใหญ่

---

การทดลองประสิทธิภาพจริงของ ADS1115 ADC ราคาถูก

ภาพรวม

• ในงาน embedded โดยทั่วไปมักใช้ ADC (ตัวแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิทัล) ที่อยู่ภายในไมโครคอนโทรลเลอร์
• ADC แบบฝังตัวมีข้อดีคือราคาถูกและเร็ว แต่จำนวนบิตที่วัดได้จริง (ENOB) อยู่เพียงราว 8~9 บิต
• เมื่อไม่นานมานี้ได้ทดสอบโมดูล ADS1115 ของ Texas Instruments(TI)
• ADS1115 เป็น ADC ภายนอก ที่ให้ความแม่นยำได้สูงสุด 16 บิต

คุณสมบัติหลักของ ADS1115

• มีความสามารถในการขยาย dynamic range ทำให้การวัดแรงดันขนาดเล็กละเอียดขึ้นได้สูงสุด 20 เท่า
• ผ่าน programmable gain amplifier (PGA) จึงปรับช่วงการวัดทั้งหมดได้ตั้งแต่ ±6.144 V ถึง ±0.256 V
  • LSB ต่ำสุดอยู่ที่ประมาณ 7.8 μV (0.256 V ÷ 32768) ทำให้ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงที่เล็กมากได้
  • เมื่อเทียบกับ ADC ในไมโครคอนโทรลเลอร์ทั่วไป (อ้างอิง 3.3V, 9 ENOB) ที่หนึ่งสเต็ปมีค่าประมาณ 6mV แล้ว ถือว่ามีความละเอียดสูงกว่ามาก
• ใช้ internal voltage reference จึงได้เปรียบเมื่อเทียบกับ MCU อย่าง RP2040 ที่ต้องใช้ external analog reference

ประเด็นด้านราคาและสภาพแวดล้อมการทดสอบ

• ADS1115 มีส่วนต่างราคามาก โดยที่ Digikey สำหรับจำนวน 1,000 ชิ้นอยู่ที่ราว $4 ขณะที่ LCSC อยู่ที่ $0.60
• ซื้อบอร์ด breakout ADS1115 จาก Amazon ในราคา $2.97 ต่อชิ้น (คาดว่าน่าจะใช้ชิ้นส่วนราคา $0.60)
• มีแผนซื้อบอร์ดราคาแพงกว่า (ของแท้) จาก Adafruit เพิ่มเติมเพื่อทดสอบเปรียบเทียบ

กระบวนการทดสอบจริง

• ทดสอบบอร์ดราคาถูกด้วย I²CMini และแหล่งจ่ายแรงดัน DC ความแม่นยำสูง

• จุดที่ตรวจสอบหลัก:

  • ทำงานได้ตรงตามสเปกหรือไม่
  • หรือมีการนำชิ้นส่วนที่ถูกกว่ามาขายโดยทำให้เข้าใจผิดว่าเป็น ADS1115

• ผลการทดสอบ

  • การทำงานพื้นฐาน รวมถึง เอาต์พุต 16 บิต, programmable gain amplifier, และ อัตราการสุ่มตัวอย่างหลายระดับ โดยรวมสอดคล้องกับ datasheet ของ TI
  • ใน differential mode เมื่อต่ออินพุตเข้าด้วยกันจะวัดได้ 0 เสมอ, เมื่อป้อน 2.5V ก็วัดได้ถูกต้อง, และเมื่อกลับขั้วก็แสดงค่าตรงข้าม จึงไม่พบปัญหาในการทำงานพื้นฐาน

ความแม่นยำในการวัดและความคลาดเคลื่อน

• Data Rate (อัตราการสุ่มตัวอย่าง) : ตามสเปกของ TI อนุญาตให้คลาดเคลื่อนได้ภายใน ±10%
  • ในโหมด 8 SPS บอร์ดสามตัวทำงานที่ 6.5~7 SPS ซึ่งช้ากว่าเล็กน้อย
  • มีบอร์ดหนึ่งตัวทำงานด้วยจังหวะที่ผิดไปอย่างสิ้นเชิงที่ 300 SPS จึงถูกตัดออกจากการทดสอบหลังจากนั้น
• เมื่อวัดแรงดันแม่นยำ 2.50067V กลับแสดงผลเป็น 2.4883V เกิดความคลาดเคลื่อนประมาณ 12mV หรือ 0.5% (มากกว่าสเปกทางการของ TI)
• เมื่อนำ อัลกอริทึมการคาลิเบรตเชิงเส้น แบบง่ายไปใช้บนไมโครคอนโทรลเลอร์ ความคลาดเคลื่อนลดลงจนเหลือต่ำกว่า 10 μV

บทสรุป

• คาดว่าชิ้นส่วนที่มีตำหนิ หรือชิ้นส่วนที่สเปกต่ำกว่าของแท้ ได้ไหลเข้าสู่ช่องทางจำหน่ายราคาถูกสำหรับสายงานอดิเรก
• โดยพื้นฐานแล้วยังสามารถวัดได้ค่อนข้างแม่นยำ และหากชดเชยด้วยซอฟต์แวร์ก็ไม่มีปัญหาใหญ่ในการใช้งานจริง
• มีแผนจะนำบอร์ดราคาแพงของแท้มาเปรียบเทียบทดสอบใหม่ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน

ปิดท้าย

• ADS1115 ราคาถูกให้ความคุ้มค่าต่อราคาค่อนข้างโดดเด่น
• หากเพิ่ม การคาลิเบรตแบบง่าย ในระดับฮาร์ดแวร์/เฟิร์มแวร์ ก็สามารถทำให้ได้ความแม่นยำที่ใช้งานได้จริง
• ควรระวังเรื่องแหล่งซื้อและการควบคุมคุณภาพ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาสินค้ามีตำหนิ