ESP32 – Analisando e corrigindo o ADC interno

Talvez você já tenha visto em algum lugar que o ADC do ESP32 não é linear ou tem muito erro nas leituras, mas o que isso significa na prática? Como podemos resolver? Quem irá nos ajudar? É o que vamos analisar e tentar corrigir neste artigo dedicado ao ADC do ESP32.

ESP32 e seu peculiar ADC

Depois de muitas reclamações a respeito do ADC no ESP8266, principalmente sobre conter apenas 1 canal (1 V, 10 bits, SAR ADC) para essa tarefa, a Espressif ouviu os seus usuários. No ESP32 incluiu 18 canais (1,1 – 3,9 V, 9 – 12 bits, SAR ADC), que foi separado em 2 controladores, ADC1 (8 canais) e ADC2 (10 canais). Isso nos permite, por exemplo, ler 2 canais paralelamente ou até com DMA para protocolos de áudio e vídeo como I2S, um baita avanço!

Alguns detalhes curiosos do ADC no ESP32

• Ambos controladores podem ser usados no domínio digital e RTC, que são focados em velocidade (2 M Samples/Seg) e baixo consumo (200 K Samples/Seg), respectivamente;
• Resolução configurável: 9, 10, 11 e 12 bits;
• Tensão máxima configurável (atenuação interna): 0 dB (1,1 V), 2,5 dB (1,5 V), 6 dB (2,2 V), 11 dB (3,9 V limitado pelo VDD_A);
• Faixas de tensão recomendadas para melhor precisão:
  • 0dB: 100 – 950mV;
  • 2.5dB: 100 – 1250mV;
  • 6dB: 150 – 1750mV;
  • 11dB: 150 – 2450mV.
• O ADC2 não pode ser usado enquanto o Wi-Fi estiver ligado, pois o canal é compartilhado com o driver do módulo de comunicação sem fio. Um meio para contornar isso seria desligar o WiFi durante a medição e depois ligá-lo novamente;
• As medições do ADC ficarão mais ruidosas enquanto WiFi estiver ligado, muitas vezes por conta de má alimentação e/ou filtragem do sinal;
• ULP permite leitura ADC mesmo durante deep sleep;
• Cada ESP32 pode ter até 6 % de diferença nas leituras, boa parte devido à tensão de referência (Vref) do ADC haver grande variação (1000 – 1200 mV). Essa variação na Vref ocasiona leituras diferentes entre os chips, veja na figura 1 abaixo a comparação de 2 ESP32 com Vref diferentes.

Testando o ADC

Agora que já sabemos um pouco mais sobre os detalhes do ADC, vamos fazer alguns testes na prática para analisar suas curvas.

As medições foram feitas com média simples de 100 amostras intervaladas por 30 us cada, sem capacitores ou qualquer método além da média simples para filtragem. Em todos os testes, vamos adotar uma leitura com o Vref padrão (“ADC Descal”) e outra com a API de calibração utilizando o Vref verdadeiro (“ADC Cal”), que vem gravado na memória dos ESP32 mais novos, fabricados de 2018 para frente. Após os testes, vamos entender como utilizar a API de calibração disponibilizada pela Espressif.

A fórmula utilizada nas medições sem a calibração foi:

Vm: 1,1 ou 3,3 V.

Resolução: 1024 ou 4096.

ADC: Valor lido do pino.

Teste A

Nesse teste (figuras 3 e 4), vamos analisar o ADC1 (GPIO36) e seu erro com 0 dB para as seguintes opções:

• Wi-Fi OFF;
• 10 e 12 bits;
• 0 dB (0 – 1100 mV);
• Vref ADC Descal: 1100 mV;
• Vref ADC Cal: 1072 mV.

Observando as figuras 3 e 4 que mostram a leitura e erro do ADC para “0 dB, 10 e 12 bits com Wi-Fi OFF”, podemos ver que a curva utilizando a API de calibração se manteve com erro <= 5 mV em toda faixa de tensão recomendada, tendendo a 0 mV. As leituras de 10 e 12 bits foram praticamente idênticas, não havendo alguma discrepância considerável na ordem dos mV, mas caso você precise de leituras mais precisas e consistentes, refaça os testes com sua placa e análise os resultados.

Apesar do erro com a calibração tendendo a ~0 mV na faixa de tensão recomendada pela Espressif (100 – 950 mV), fora desses limites, o erro é grande e pode ser totalmente inaceitável, descartando essas leituras em muitos projetos.

Teste B

Nesse teste (figuras 5 e 6), vamos analisar o ADC1 (GPIO36) e seu erro com 0 dB para as seguintes opções:

• WiFi ON;
• 10 e 12 bits;
• 0dB (0 – 1100 mV);
• Vref ADC Descal: 1100 mV;
• Vref ADC Cal: 1072 mV.

Observando as figuras 5 e 6 que se diferenciam do teste A apenas pelo Wi-FI ON, podemos ver que os erros na medição calibrada, próximo ao fim, foi maior que com o Wi-Fi OFF. Além disso, em toda a faixa de medição, houve ruído perceptível no gráfico, podendo haver necessidade de filtros analógicos ou digitais melhores.

Agora vamos mudar um pouco as coisas, onde a maioria que programa pela Arduino IDE reside. Os dois testes a seguir serão com a atenuação interna de 11 dB, que permite a leitura de 0 – 3,9 V (limitado pelo VDD_A), padrão na Arduino IDE. A própria Espressif diz que com 11 dB perde a linearidade enquanto 0 dB não, então vamos observar.

Teste C

Nesse teste (figuras 7 e 8), vamos analisar o ADC1 (GPIO36) e seu erro com 11 dB para as seguintes opções:

• WiFi OFF;
• 10 e 12 bits;
• 11 dB (0 – 3900 mV);
• Vref ADC Descal: 1100 mV;
• Vref ADC Cal: 1072 mV.

Podemos perceber que os erros aumentaram e também ficou bem menos linear, principalmente após 2 V. Mesmo utilizando a calibração com Vref verdadeiro, não foi o suficiente para aproximar o erro de ~0 mV, ficando próximos a ~25 mV na faixa recomendada.

Teste D

Nesse teste (figuras 9 e 10), vamos analisar o ADC1 (GPIO36) e seu erro com 11 dB para as seguintes opções:

• WiFi ON;
• 10 e 12 bits;
• 11 dB (0 – 3900 mV);
• Vref ADC Descal: 1100 mV;
• Vref ADC Cal: 1072 mV.

Novamente, repetimos o mesmo teste que o anterior, mas com o Wi-Fi ON. As curvas permanecem parecidas, entretanto, o ruído gerado pelo WiFi é bem notável, sendo até desaconselhável usar o ADC com WiFi ON em produtos que precise de leituras estáveis.

Algumas medidas para tentar melhorar a leitura é usar um atenuador externo como divisor resistivo em 0 dB e adicionar filtros analógicos/digitais.

API de calibração

A Espressif, após tantas reclamações dos usuários, começou a disponibilizar uma biblioteca (API) para calibração do ADC com tabelas para comparação que também utilizam dois métodos para afinar a leitura entre os chips, que vêm gravados na memória (eFuse) dos ESP32 mais recentes fabricados de 2018 em diante:

• Vref: A calibração com Vref representa o valor verdadeiro do Vref naquele ESP32. Quando disponível, é utilizado pela API ao invés do padrão (veremos mais a seguir);
• Two Point: A calibração de dois pontos tem as leituras do ADC1 e ADC2 para 150 mV e 850 mV naquele ESP32. Se disponível, este método tem mais prioridade que o Vref quando utilizado pela API.

A API do ADC faz todo o trabalho de compensar as curvas de acordo com estes e outros valores gravados na memória. Mais detalhes nas referências no fim do artigo. Se ainda não for o suficiente, você pode efetuar suas próprias análises e calibrações individuais das placas com alguma fórmula de correção, como a Espressif fez em sua linha de montagem, porém, de forma automatizada.

E se o meu ESP32 for anterior a 2018, vou poder utilizar essa calibração? Sim, é o que vamos testar agora, alterando as tensões de referência para os máximos, padrão e verdadeiro.

Teste E

Nesse teste (figuras 11 e 12), vamos analisar o ADC1 (GPIO36) e seu erro com 0 dB para as seguintes opções:

• WiFi OFF;
• 12 bits;
• 0 dB (0 – 1100 mV);
• Vref: 1000, 1100, 1200, 1072 mV.

Observando as figuras 10 e 11, podemos perceber que há grande variação assumindo os piores casos (1000 e 1200 mV). Apenas para a curva de 1072 mV que foi utilizado o Vref gravado na memória, sendo o restante definido no código. Qualquer uma dessas curvas ainda é melhor do que se utilizar o método sem calibração como visto nas figuras 2, 3, 4 e 5.

Teste F

Nesse teste (figuras 13 e 14), vamos analisar o ADC1 (GPIO36) e seu erro com 11 dB para as seguintes opções:

• WiFi OFF;
• 12 bits;
• 11 dB (0 – 3900 mV);
• Vref: 1000, 1100, 1200, 1072 mV.

Observando as figuras 13 e 14, os erros com Vref 1200 mV chegam até próximo aos 300 mV, sendo totalmente descartável em muitos produtos. Mesmo assumindo o Vref verdadeiro, não foi capaz do erro tender a ~0 mV como em 0 dB. Novamente, qualquer uma dessas curvas será muito melhor do que sem a API de calibração, como visto nas figuras 7, 8, 9 e 10.

Vamos então colocar a mão na massa e utilizar essa API de calibração, que faz todo o trabalho sujo para nós. O código é simples, bastando apenas inicializar a estrutura interna para calibração e depois converter o valor RAW lido para mV com a função específica da API. A API utilizará o melhor método para afinar a leitura sempre que disponível.

Código

Testando este código, você também vai descobrir se seu ESP32 tem os valores do Vref ou Two Point gravados na memória, além de verificar a tensão calibrada sendo mostrada no Serial Monitor.

Atenção, é necessário que as opções de Vref e/ou Two Point estejam habilitadas no MENUCONFIG para API conseguir utilizar, o que vem por padrão ON, mas pode ser necessário você olhar manualmente se está ativado. Mais informações nas referências.

Conclusão

Após vários testes com o ADC no ESP32, podemos chegar à conclusão que ele realmente não é tão bom para alguns produtos, mas a calibração da Espressif é muito útil e serve para muitos outros, ainda mais quando 0 dB. Se você precisa de algo ainda mais sofisticado, pode utilizar filtros digitais e/ou analógicos para deixar um sinal mais agradável, além de aplicar alguma fórmula matemática para correção da curva do ADC (Excel pode fazer isso!).

Caso seu produto demande um ADC melhor, seria aconselhável utilização de um ADC externo, que é dedicado a esta função e costuma ser muito melhor que ADC embutidos de microcontroladores. Continue estudando maneiras para calibração de ADC’s e diga para gente, nos comentários, o método utilizado!

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Referências