传感器与模拟前端¶

传感器接口的任务，是把外部世界的电压、电流和脉冲转换为 MCU 可以安全、准确采样的信号，同时处理噪声、过压、断线和长线干扰。

一、先识别传感器输出类型¶

拿到传感器先回答：

项目	需要查的数据
输出形式	电压、电流、电阻、开漏、推挽、差分或数字总线
输出范围	正常最小/最大、共模、可能负压和过压
输出阻抗	能否直接驱动 ADC 采样电容
带宽	机械量变化速度、载波/PWM、最大脉冲频率
供电	电压、启动电流、噪声要求、上电时间
精度	零点、灵敏度、温漂、非线性、校准要求
连接	线长、屏蔽、地电位差、是否热插拔
故障	断线、短路、反接时希望 ADC/软件看到什么

不同输出对应的典型前端：

传感器输出	常用前端
0～3.3 V 低阻电压	RC + 限流/钳位，可直接 ADC
0～5 V、0～10 V	分压 + RC + 过压保护，必要时运放缓冲
双极性 ±10 V	衰减 + 偏置 + 运放/保护
4～20 mA	精密采样电阻 + RC/保护，必要时隔离
电阻式传感器	分压或恒流激励 + ADC
电桥/毫伏级差分	仪表放大器或专用 ADC
开漏/集电极开路	外部上拉 + 输入保护
差分编码器	差分线接收器 + 终端
I²C/SPI 传感器	总线电路 + 电源去耦/电平兼容

二、ADC 之前要解决四件事¶

量程：最大输入不能超过 ADC 可用范围；
驱动：源阻抗和采样时间要让采样电容充到足够精度；
带宽：只保留有用频段，减少混叠和开关噪声；
保护：异常电压的电流不进入 MCU 内部保护结构。

2.1 先确定真正的 ADC 上限¶

ADC 满量程通常与 \(V_{REF}\) 或 VDDA 有关。不能默认永远是精确 3.300 V：

参考电压本身有初始误差、温漂和负载要求；
3.3 V 电源会随负载和温度变化；
ADC 线性范围可能不完全到电源轨；
输入保护钳位的允许注入电流有限；
多通道切换时前一通道会影响后一通道的充电。

希望获得绝对精度时，可使用外部基准、测量内部基准通道，或做系统校准。

2.2 RC 滤波¶

一阶 RC 截止频率：

\[f_c=\frac{1}{2\pi RC}\]

设计步骤：

先确定被测量的有效最高频率；
根据 ADC 采样率确定需要抑制的频段和混叠风险；
选择不会让源阻抗过高的 \(R\)；
用 \(C\) 得到目标截止频率；
检查传感器能否稳定驱动该电容；
在板上用阶跃和频率响应验证。

RC 的电阻还能限制钳位电流，电容则为 ADC 采样保持电容提供局部电荷，但二者数值都不能无脑固定为“1 kΩ + 100 nF”。

三、电阻分压测高电压¶

3.1 基本计算¶

\[V_{ADC}=V_{IN}\frac{R_2}{R_1+R_2}\]

测 6S 锂电池时按满电 25.2 V 设计。若希望 ADC 最坏不超过约 3.0 V，可先取：

R1 = 100 kΩ（上臂）
R2 = 13 kΩ（下臂）

则：

\[V_{ADC,max}=25.2\times\frac{13}{100+13}\approx2.90\,V\]

这给电池、阻值和 ADC 参考误差留出了一定空间，但仍需做最坏情况计算。

3.2 不能只算分压比¶

还要检查：

分压电流 \(I=V_{IN}/(R_1+R_2)\) 与待机功耗；
\(R_1\parallel R_2\) 是否满足 ADC 最大源阻抗；
电阻精度、温漂和电压系数；
上臂电阻耐压，必要时多个电阻串联分担；
ADC 点的 RC 是否让响应过慢；
输入过压/负压时外部钳位和串阻能否承受；
MCU 掉电但电池仍在时，是否通过 ADC 脚反灌 3.3 V 域。

高阻分压省电但源阻抗高。常见处理是 ADC 点并联电容、加长 ADC 采样时间；精度或速度更高时加低偏置电流运放缓冲。

3.3 可关断分压¶

长期待机设备可用 MOS 控制分压下端或上端，只在采样前开启。但要注意：

关断时 ADC 输入不能悬到未知电位；
MOS 漏电会影响高阻分压精度；
上端开关的栅源电压需要正确驱动；
开启后等待 RC 和运放稳定再采样；
不能产生通过 GPIO 保护二极管的反灌路径。

四、电流检测¶

4.1 三种常见方法¶

方法	优点	局限	典型用途
低边分流	共模低、放大容易	负载地被抬高，可能污染参考地	单个低边负载、成本敏感
高边分流	负载地完整，可测总线	放大器需承受高共模	电池总电流、支路电流
霍尔/磁隔离传感器	隔离、压降低、可测大电流	成本、零点漂移、带宽限制	大电流、双向或隔离测量

4.2 分流电阻¶

\[V_{shunt}=IR_{shunt}\]

\[P_{shunt}=I^2R_{shunt}\]

最大 10 A、\(R_{shunt}=5\,m\Omega\)：

满量程压降 = 50 mV
满量程功耗 = 0.5 W

实际应选择更高功率等级并考虑环境温度、脉冲过载和温漂。功率不只是“不会烧”，自热也会改变阻值和测量精度。

4.3 Kelvin 连接¶

大电流从分流电阻的功率焊盘通过，两个采样线从电阻端头的内侧独立引出到放大器：

功率入口 ═══[ RSHUNT ]═══ 功率出口
                │  │
                └──┴── 独立细采样线 → 放大器

若从大电流铜皮任意位置取样，铜箔和焊点压降会被当作被测电流。

4.4 电流检测放大器¶

核对：

共模范围覆盖母线最低/最高及可能负压；
增益后最大输出不撞 ADC 上限；
输出摆幅和参考端允许测单向还是双向电流；
失调与漂移是否能分辨小电流；
PWM 电机应用的共模瞬变抑制与带宽；
芯片掉电而母线带电时是否允许；
输入滤波阻值是否破坏芯片要求的匹配。

例如希望 50 mV 满量程映射到 2.5 V，需要约 50 倍增益。若器件增益固定，应围绕量程、零点和 ADC 裕量反推分流阻值。

五、运放、仪表放大器与比较器¶

5.1 什么时候用什么¶

需求	电路
高阻传感器驱动 ADC	运放电压跟随器
放大以地为参考的小信号	同相/反相运放
放大电桥毫伏级差分	仪表放大器或差分 ADC
判断是否超过阈值	比较器 + 迟滞
快速过流后硬件关断	高速比较器直接接驱动器 EN/Break

5.2 运放选型检查¶

供电范围是否包含 3.3 V/5 V；
输入共模范围覆盖信号全范围；
输出摆幅在目标负载下能到所需上下限；
是否真正需要轨到轨输入/输出；
增益带宽积和压摆率满足频率及幅度；
输入失调、偏置电流、噪声和温漂符合精度；
驱动 ADC 电容或长线时是否稳定；
输入存在而运放掉电时是否安全。

“常见运放”不等于适合。某些老运放在 3.3 V 下无法处理接近正电源轨的输入，也无法把输出摆到 ADC 满量程附近。

5.3 比较器迟滞¶

没有迟滞时，输入在门限附近叠加噪声会让输出反复翻转。通过正反馈设置不同的上升/下降门限：

输入上升超过 VTH+ → 输出翻转
输入下降低于 VTH- → 输出恢复
迟滞宽度 = VTH+ - VTH-

迟滞要大于噪声峰峰值，又不能吞掉需要检测的真实变化。开漏比较器输出还需要上拉，且上拉电压必须与后级兼容。

六、温度、电阻和电流型传感器¶

6.1 NTC 热敏电阻¶

常见电路是 NTC 与精密电阻分压：

3V3 ── R_FIXED ──┬── ADC
                 │
                NTC
                 │
                GND

固定电阻选择接近目标温区中间的 NTC 阻值，可提高该区灵敏度；
查 NTC 的 \(R_{25}\)、B 值/Steinhart-Hart 系数和容差；
分压电流会让 NTC 自热，精密测温要控制激励；
软件使用查表或模型换算，不把 ADC 值线性映射为温度；
设计开路/短路时 ADC 会落在哪个端点，便于诊断。

6.2 4～20 mA¶

用采样电阻转换为电压：

\[V=IR\]

若用 150 Ω：

4 mA  → 0.6 V
20 mA → 3.0 V

适合 3.3 V ADC 且保留一定裕量。电阻功耗在 20 mA 时为 60 mW，但仍要考虑过流、精度和温漂。长线工业环境还需浪涌保护、共模/地电位分析，必要时隔离。

断线通常表现为接近 0 mA，这正是 4 mA“活零点”的优势；软件应把低于合理下限识别为故障，而不是有效零量程。

6.3 0～10 V¶

采用精密分压 + RC + 外部过压钳位。不要把 10 V 直接接运放或 ADC 后再希望内部 ESD 二极管保护。若输入可能断线、负压或错接 24 V，所有这些都要进入最坏情况计算。

七、编码器、霍尔与 IMU¶

7.1 增量编码器频率¶

\[f_{edge}=\frac{RPM}{60}\times PPR\times N_{edge}\]

\(N_{edge}\) 取决于单边沿、双边沿或四倍频。以 3000 RPM、1024 PPR、A/B 四倍频为例：

\[f_{edge}=\frac{3000}{60}\times1024\times4=204.8\,kedge/s\]

MCU 定时器、输入缓冲、隔离器和 RC 滤波带宽都应高于此值并留裕量。

7.2 按输出类型接入¶

输出	接法
3.3 V 推挽、板内短线	串阻/施密特输入，可直接定时器
5 V 推挽	5 V 容忍输入或电平转换
NPN 开漏	上拉到 MCU 可承受电压 + 保护
RS422 差分 A+/A-	差分接收器 + 合适终端 + 双绞线
正余弦模拟编码器	专用模拟前端/ADC，关注幅相与校准

长线高速编码器优先差分。终端放在接收端，阻值匹配线缆；连接器处做 ESD，A/B/Z 每对保持成对布线。

7.3 IMU¶

供电可使用低噪声支路或磁珠隔离，并就近去耦；
远离电感、功率 MOS、大电流连接器和高磁场器件；
明确芯片坐标轴与机器人坐标，PCB 丝印标出 X/Y/Z；
放置位置兼顾刚性、振动和整机旋转中心；
SPI 常比长/繁忙 I²C 更适合高采样率；
数据异常可能来自机械振动和电源噪声，不只来自软件滤波。

八、模拟布局和调试¶

8.1 布局原则¶

模拟前端靠近传感器连接器或 ADC，缩短高阻节点；
ADC 输入远离 Buck 的 SW 节点、晶振和电机 PWM；
保持连续参考地，利用布局让大电流回流绕开模拟区；
VREF 去耦和地连接按 MCU/ADC 手册；
分流电阻和采样放大器靠近，Kelvin 线成对、对称；
外部保护靠近连接器，滤波靠近被保护/采样器件。

8.2 调试顺序¶

不接传感器，用已知电压源验证前端增益和量程；
扫描输入，检查零点、满量程、线性和饱和行为；
用示波器同时看原始输入与 ADC 点，确认 RC 和噪声；
改变 3.3 V、温度和负载，观察参考与偏移；
接入真实线缆，在电机启动/PWM 时复测；
主动制造断线、短路和越界输入，确认硬件安全且软件能诊断；
把校准系数、单位和有效范围写入固件配置。

8.3 Checklist¶

数字传感器和节点互联需要继续处理物理层，见通信接口电路。