读取模拟电压：ADC 参考电压与分压电路

引言

analogRead() 是 Arduino 上最友好的函数之一，同时也是最安静地骗人的函数之一。它返回一个 0 到 1023 之间的数，所有人都把这个数当成电压，而绝大多数时候并不会出事。

在机器人上它就会出事，因为机器人有电机，而电机恰好会挪动这个数的参考基准。

analogRead 返回的是比值

ADC 并不测量电压。它把输入与一个参考作比较，然后报告这个比值：

reading = 1023 × V_in / V_ref

在 Arduino Uno 上，V_ref 默认取 AVCC，也就是板子的 5 V 轨。所以 analogRead() 真正回答的问题是“这是 5 V 轨的几分之几”，乘以 5/1023 换算成电压，只有在轨压恰好是 5 V 时才成立。

而电机一跑，你就知道它并不是。

参考电压才是问题的根源

把电池经分压器接到 A0 上，然后在电机启动时盯着这个数看。

建立在第一种设计上的低电截止 做的恰恰是与目的相反的事：机器人越使劲干，电池看起来越健康。而且这个故障是安静的，因为每一次单独的读数都是一个完全有效的比值。

解法是换一个不会动的参考。ATmega328P 板载一个 1.1 V 带隙参考：

analogReference(INTERNAL);   // 1.1 V on an Uno; INTERNAL1V1 on a Mega
analogRead(A0);              // discard — the reference needs a moment to settle

切换参考之后第一次读数一定要扔掉。内部参考和输入电容都需要时间，第一个采样是在它们还没稳定时取到的。

分压器怎么配

现在参考是 1.1 V，而电池包是 8.4 V，所以分压器必须把量程顶端压到参考之下：

V_adc = V_pack × R2 / (R1 + R2)

取 R1 = 68 kΩ、R2 = 10 kΩ，比值是 0.128，满电的 8.4 V 电池包送到 ADC 的是 1.077 V——刚好在参考之下，几乎用满了整个量程。任何你设计的分压器都值得核对这三个数：

把它和朴素版本比一比：20 kΩ/10 kΩ 分压器配 5 V 轨参考。满电电池包会送出 2.80 V，占 1023 中的 573 个计数；而在电池包整个 6.0–8.4 V 范围内，它只用到 164 个计数，更好的设计用到 286 个。分辨率几乎翻倍，代价是同样两个电阻和一行代码。

分辨率不等于精度

10 位配 5 V 参考是每步 4.88 mV；配 1.1 V 参考是每步 1.07 mV。这两个数都不是你的精度。

真正限制你的是别的东西：

• 参考容差。带隙标称 1.1 V，芯片之间的差异有几个百分点。这是一个固定的标度误差，所以每块板子量一次：喂进一个已知电压，读出计数，反解出真实的参考值，把这个常数存下来。这是标定步骤，不是可有可无的润色。
• **噪声。**机器人上的电源是嘈杂的，而平均是最便宜的解法。平均 N 个采样把随机噪声降低 √N——16 个采样安静 4 倍，白赚一位可用分辨率。它对标度误差毫无作用。
• **源阻抗。**ADC 通过外接的那个东西给一小电容（采样保持电容）充电。高阻抗的源在允许的时间里充不满它，而上一个通道残留的电压还留在里面。

最后这一项会产生一个值得单独命名的典型故障。

读起来像邻居的通道

用高阻抗源轮流读 A0 和 A1，每次读数都会被拉向前一个的值。在 A0 上扫动电位器，会看到 A1 也跟着动。并没有接错线。

有两个修法，可以同时用：

int readSettled(uint8_t pin) {
  analogRead(pin);        // charge the sample-and-hold on this channel
  return analogRead(pin); // then take the one you keep
}

读两遍并扔掉第一遍，等于给电容第二个采样窗口去跟上新电压。另一个修法是降低源阻抗——这正是上面那组分压器用 68 kΩ/10 kΩ 而不是看起来更整齐、却给出 50 kΩ 输出阻抗的 100 kΩ/100 kΩ 的原因。

这在机器人上出现在哪

• 电池监控，如上——它也是让低电压截止值得信赖、足以保护锂电包的原因。
• 模拟循迹传感器。红外反射阵列为每个传感器给出一个连续值，这正是循迹能算出平滑位置而不是一个左右标志位的原因。这些传感器读的正是电机压塌的那条轨，这也是循迹机器人的标定会随电池电量下降而漂移的原因之一。
• 电流传感，分流器或霍尔传感器，输出是一个电压。
• 电位器当作调参旋钮，这是无需重新烧录就调整 PID 增益最友好的办法。
• 不适用于 3.3 V 板子上的 5 V 传感器。ESP32或树莓派需要这组分压器是为了保护，不只是为了量程。

出问题时

能挡掉大部分这类问题的原则是：**在做其他任何决定之前，先决定你的参考是什么。**ADC 给你的每一个数都是相对于它的，参考一动，每个读数就同时在讲两件事。