ESP32の入出力ボードを作ってみた－アナログ入力の精度アップ－

ESP32を使って以下機能を拡張できる入出力ボードを作ってみました。
　アナログ入力：２ｃｈ
　デジタル入力：３ｃｈ
　ＣＡＮ通信：１ｃｈ
　Ｈブリッジ駆動回路：１ｃｈ
　ＰＷＭ駆動回路：４ｃｈ

入出力ボードが正常に動作するかを機能別に試してみます。今回は以下の色付きの部分のアナログ入力回路部分を確認します。

アナログ入力回路は下の内容で設計しました。
アナログ入力回路
　・Microchip社の MCP6V61T-E/OT Operational Amplifiers – Op Amps Zero Drift Op Amp Single ICを使用
　・オペアンプでボルテージフォロワー回路を構成してクローズドループゲイン１のバッファとして使用
　・０点を調整できるようにESP32のDAC出力信号をオフセットとして入力
　・センサ電源用に専用の3.3V電源(Onsemi社 NCV51460SN33T1G)を使用
　・RCローパスフィルタのカットオフ周波数は159Hzに設定

下がその回路図です。

下の方法でアナログ入力の精度を調べてみます。

・全抵抗５kΩの可変抵抗器を使って3.3Vの電源を可変抵抗器で分圧してアナログ入力端子(回路図上でのADC2_IN)を加える。
・下の簡単なプログラムでESP32の10bitADC(ADC2)で読み取った値をシリアルモニタに出力する。
・可変抵抗器のボリュームを回してテストピンのアナログ入力(TP7)と出力(TP8)をテスターで測定して、シリアルモニタでESP32のADC(ADC2)で読み取った値を確認する。
・エクセルでグラフにして精度が出ているかを調べる。

結果
　・アナログ入力回路は精度良く入力(ADC2_IN , TP7)と出力(ADC2 , TP8)は最大1[mV]の誤差。
　・ESP32のADCは、120[mV]程度0点のオフセットが見られ不感帯がある。2.6V以上の直線性が悪い。

アナログ入力回路は精度良く問題ありませんが、ESP32のADCは精度が悪く０点のオフセットと2.6V以上は直線性が悪く対策が必要です。

ESP32のDAC出力信号をオフセットとして入力して０点を調整してみます。
J10コネクタに2.2kΩの抵抗を挿入してDAC出力信号で０点を調整します。

以下のプログラムでDACの設定値を調整してオフセット(約120mV)をキャンセルしてみます。

結果
　・DACの設定値は６で約120mVの０点のオフセットをキャンセルできた。
　・１Ｖ以下の直線性が悪くなった。
　・アナログ回路の出力が最大２Ｖ程度に低下した。

０点のオフセットはキャンセルできたが、１V以下の直線性が悪く最大２Vまでの出力とDAC出力の影響を受けている。DAC回路に挿入した2.2kΩの抵抗値が小さすぎた。影響を受けない程度の抵抗値に調整してみます。

J10コネクタに200kΩの抵抗を挿入することでDAC出力信号がアナログ入力回路に電圧低下の影響を与えなくなった。これで、ESP32のDAC出力信号をオフセットとして入力して０点を調整してみます。

以下のプログラムでDACの設定値を調整してオフセット(約120mV)をキャンセルしてみます。

結果
　・DACの設定値は200で約120mVの０点のオフセットをキャンセルできた。
　・０から2.6V程度までの直線性は問題なし。
　・ 2.6V以上の直線性が悪い。

2.6V以上の直線性が悪い原因はESP32のADCにありハードでの対応が難しいため、以下で対応したいと思います。
　・特性変換テーブルを使用して直線性を確保する。
　・2.6V以上を使用しない様にセンサ側で対応する。今回の全抵抗5kΩの可変抵抗器の場合は、1kΩの抵抗を3.3V電源とセンサ側電源端子の間に挿入する。