第2章输入衰减网络

第二章：输入衰减网络——电阻分压器设计、电容补偿网络、交流/直流耦合切换、输入保护电路

各位好，咱们接着聊万用表模拟前端。上一章我讲了输入缓冲器的那些事儿，这一章咱们深入一下输入衰减网络。说白了，这就是万用表的第一道关卡，也是最容易出问题的地方。

你想想看，万用表要测从几毫伏到上千伏的电压，ADC的输入范围通常只有几伏。怎么办？必须得衰减。但衰减不是简单的电阻分压，这里头门道多着呢。

2.1 电阻分压器设计

电阻分压器，听起来简单吧？两个电阻一串，分压比就出来了。但实际做起来，坑不少。

分压比的选择

我个人习惯把分压比设计成10的整数倍，比如10:1、100:1、1000:1。为什么？因为后续的校准和读数处理方便。你想想看，ADC读到的电压直接乘以分压比就是实际电压，多清爽。

举个例子，一个典型的4位半万用表，量程通常有：

200mV档：不衰减，直接进ADC
2V档：1:1直通
20V档：10:1分压
200V档：100:1分压
1000V档：1000:1分压

电阻的选型

这里我要强调一下，千万别用普通贴片电阻做分压。我在项目中遇到过，用0805的1%电阻做100:1分压，结果温度一变化，读数就飘。为什么？因为电阻的温度系数不匹配。

建议用以下方案：

高精度金属膜电阻（0.1%或更高）
温度系数匹配的电阻网络（比如排阻）
实在不行，用低温漂电阻（±25ppm/℃以下）

关键参数：

分压比精度 = 电阻精度 + 温度漂移 + 老化效应

对于6位半万用表，分压比误差要控制在±0.01%以内。

输入阻抗问题

嗯，这里要注意。分压器的输入阻抗决定了它对被测电路的影响。通常万用表的输入阻抗是10MΩ，这是怎么来的？

看一个典型的分压网络：

1000V档：9.99MΩ + 10kΩ = 10MΩ
200V档： 9.9MΩ + 100kΩ = 10MΩ
20V档：  9MΩ + 1MΩ = 10MΩ
2V档：   直通，输入阻抗10MΩ

看到了吗？所有档位的输入阻抗都维持在10MΩ。这是为了统一负载效应，让用户在不同档位切换时，被测电路感受到的负载一致。

2.2 电容补偿网络

电阻分压器在直流下没问题，但交流信号呢？问题来了。每个电阻都有寄生电容，PCB走线也有分布电容。这些电容会导致分压比随频率变化。

我曾经调试一个万用表，直流精度很好，但测1kHz交流信号时，读数偏了5%。查了半天，发现是分压器的电容没补偿。

补偿原理

说白了，就是在分压电阻上并联电容，让电容分压比和电阻分压比一致。这样，从直流到高频，分压比都保持不变。

计算公式：

C1 * R1 = C2 * R2

其中：
R1、R2是分压电阻
C1、C2是并联的补偿电容

实际设计

以10:1分压为例：

R1 = 9MΩ，并联C1 = 10pF
R2 = 1MΩ，并联C2 = 90pF
时间常数：9MΩ × 10pF = 1MΩ × 90pF = 90μs

小技巧：

补偿电容要用NP0/C0G材质的，温度稳定性好。X7R的电容在直流偏压下容值会变化，千万别用。

频率响应验证

设计完成后，一定要用网络分析仪扫一下频率响应。我习惯看两个指标：

-3dB带宽：至少要到1MHz
平坦度：在100kHz以内，波动小于0.1dB

2.3 交流/直流耦合切换

这个功能看起来简单，就是一个电容的事儿。但实际设计时，要考虑的东西不少。

耦合方式

耦合方式	特点	应用场景
直流耦合	信号直通，包含直流分量	测电池、电源电压
交流耦合	隔直通交，只测交流分量	测纹波、音频信号

耦合电容的选择

交流耦合时，电容和输入电阻构成高通滤波器。截止频率要足够低，否则低频信号会被衰减。

举个例子：

输入电阻 = 10MΩ
截止频率 = 1Hz
耦合电容 = 1 / (2π × 10MΩ × 1Hz) ≈ 16nF

实际选型：22nF或47nF的薄膜电容

注意：

耦合电容的漏电流会影响直流偏置。电解电容漏电流大，不适合做精密耦合。建议用聚丙烯（PP）或聚酯（PET）薄膜电容。

切换电路

我建议用继电器切换，而不是模拟开关。为什么？因为模拟开关的导通电阻会引入误差，而且耐压有限。继电器虽然体积大，但可靠性高。

典型的切换逻辑：

DC档：继电器闭合，电容被短路
AC档：继电器断开，电容串入信号路径

2.4 输入保护电路

这是万用表最容易被烧毁的地方。用户一不小心，把表笔插到220V插座上，档位还在电阻档...嗯，我见过不少这样的案例。

保护器件

常用的保护方案有几种：

PTC热敏电阻：过流时电阻变大，限制电流
TVS管：过压时钳位，保护后级电路
气体放电管：耐压高，用于浪涌保护
限流电阻：串联在输入端，限制故障电流

典型保护电路

输入 → PTC(500Ω) → TVS(5V) → 分压网络 → 后级电路
                    ↓
                 气体放电管(90V) → 大地

这个电路的工作逻辑：

正常工作时，PTC电阻很小，TVS不导通
过压时，TVS先动作，钳位到5V
如果电流过大，PTC发热，电阻增大，限制电流
遇到雷击等浪涌，气体放电管导通，把能量泄放到大地

避坑指南：

我曾经设计过一款万用表，保护电路用了两个背靠背的二极管。结果用户测高压时，二极管的结电容导致高频信号失真。后来改成TVS管，问题解决了。

记住：保护器件也有寄生参数，会影响信号质量。

保护电路的验证

设计完成后，要做以下测试：

过压测试：施加1.2倍额定电压，持续1分钟
浪涌测试：按照IEC 61000-4-5标准，施加1kV/2Ω浪涌
短路测试：输入端短路，看保护电路是否动作

嗯，这一章的内容就到这里。输入衰减网络看似简单，但每个细节都影响整机的性能。下一章咱们聊聊ADC驱动电路，那又是另一番天地了。