第3章传感器与信号调理

3、传感器与信号调理：电压分压网络、电流采样电阻、电阻测量恒流源、电容测量电路

各位工程师朋友，咱们接着聊万用表的核心——信号调理。说白了，万用表测量的各种物理量，电压、电流、电阻、电容，最终都要变成ADC能识别的电压信号。这个过程，就是信号调理。我做了这么多年测试，发现很多故障其实就出在这一块。今天咱们把这四个电路掰开揉碎了讲清楚。

万用表测电压，最高能到上千伏，但ADC的输入范围通常只有几伏。怎么办？分压。用一串精密电阻把高压按比例降下来。

我个人习惯用这种结构：

Vin —— R1 —— R2 —— R3 —— ... —— Rn —— GND
                |      |      |          |
                +—— Vout1 +—— Vout2 ... +—— Voutn

每个抽头对应一个量程。比如1000V档，分压比可能是1000:1；200mV档，分压比就是1:1，直接进ADC。

关键点：分压电阻的精度和温度系数直接决定测量精度。我建议用0.1%精度、25ppm/°C以下的金属膜电阻。别用碳膜，温漂太大，测着测着就偏了。

嗯，这里要注意：分压网络的总输入阻抗。一般设计成10MΩ，这是行业惯例。为什么？因为被测电路的内阻会影响测量结果。10MΩ的输入阻抗，对大多数电路来说已经足够“轻”了。

避坑指南：我曾经遇到过一台万用表，200mV档测不准。查了半天，发现是分压电阻焊点虚焊，接触电阻时大时小。所以，分压网络的焊接质量一定要过关，最好用四线开尔文接法。

测电流，本质上是测电压。让电流流过一个小电阻，测它两端的压降，再用欧姆定律算电流。这个电阻，就叫采样电阻。

采样电阻的选择有几个讲究：

你想想看，采样电阻两端的电压信号非常微弱，比如10A档，满量程压降才100mV。这个信号要放大后才能进ADC。所以，采样电阻后面通常跟一个精密差分放大器。

警告：千万别用普通电阻代替采样电阻！普通电阻的引线电阻和焊点电阻会引入额外误差。我见过有人用1/4W碳膜电阻做电流采样，结果测10A时电阻直接冒烟了。

万用表测电阻，用的是恒流源法。给被测电阻通一个已知的恒定电流，测它两端的电压，然后算出电阻值。公式很简单：R = V / I。

恒流源电路有很多种，我比较喜欢用运放加基准电压源的结构：

Vref —— [运放] —— Rset —— Rx —— GND
                |
              反馈

运放强制Rset两端的电压等于Vref，所以流过Rset的电流就是I = Vref / Rset。这个电流也流过Rx，所以运放输出端的电压就是V = I × (Rset + Rx)。

实际电路中，不同量程对应不同的恒流值。比如：

为什么要换量程？因为恒流源有输出范围限制。测小电阻用大电流，测大电阻用小电流，这样既能保证信噪比，又不会超出运放的输出能力。

个人经验：恒流源电路最怕的是接触不良。我曾经修过一台表，测电阻时读数乱跳。查到最后，发现是表笔插座氧化了，接触电阻时大时小。所以，恒流源路径上的所有接插件，一定要用镀金的。

万用表测电容，原理跟电阻不一样。电容不能通直流，所以不能用恒流源法。常用的方法是充放电法：

具体电路是这样的：

Vcc —— [开关] —— Rx —— Cx —— GND
                |
              比较器

开关闭合，电容充电。开关断开，电容通过Rx放电。比较器监测电容两端的电压，当电压降到某个阈值（比如Vcc的36.8%）时，触发计时器停止。这个时间就是τ。

嗯，这里要注意：电解电容有极性，反接会爆炸。所以万用表的电容档通常只测无极性电容，或者有极性保护电路。

关键点：电容测量精度取决于计时精度和电阻精度。我建议用晶振做计时基准，用0.1%精度的放电电阻。另外，测量前一定要给电容放电，否则可能损坏万用表。

警告：千万别用万用表测带电的电容！我曾经见过一个新手，没给滤波电容放电就直接测，结果“嘭”的一声，表笔都炸飞了。安全第一，先放电，再测量。

好了，这四种信号调理电路，是万用表的核心。电压分压网络决定了量程范围，电流采样电阻决定了电流测量精度，恒流源决定了电阻测量能力，充放电电路决定了电容测量功能。每一部分都环环相扣，任何一个环节出问题，整台表就废了。

下一章，咱们聊聊ADC选型与数据采集。到时候我会分享一些我在项目中踩过的坑，保证让你少走弯路。