在嵌入式开发与电源设计中，使用单片机（MCU）的 ADC（模数转换器）采集电路中的电压和电流是极常见的需求。由于单片机 ADC 引脚有严格的输入电压范围（通常为 0~3.3V），因此需要通过合理的硬件电路将大电压或电流信号转换/缩放到 ADC 可读取的范围内。
一、 电压检测原理与分压电阻选型
1. 检测原理
由于待测电压（如 12\\text{V} / 20\\text{V}）超出了单片机 ADC 的输入上限（3.3\\text{V}），需利用电阻串联分压原理，将高电压按固定比例缩小后送入 ADC 引脚。
电路拓扑：
待测高压 V_{\\text{IN}} 经过上拉电阻 R_1 与下拉电阻 R_2 串联接地，中间节点接 ADC：
V_{\\text{ADC}} = V_{\\text{IN}} \\times \\frac{R_2}{R_1 + R_2}
V_IN ----+---- [ R1 ] ----+---- [ R2 ] ---- GND
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+---- V_OUT ----> MCU_ADC2. 分压电阻选型三步法
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计算分压比：
确定待测最高电压 V_{\\text{IN\\_MAX}}（留出约 20% 裕量）与 ADC 最高参考电压 V_{\\text{ADC\\_MAX}}（如 3.3\\text{V}）。
\\frac{R_2}{R_1 + R_2} \< \\frac{V_{\\text{ADC\\_MAX}}}{V_{\\text{IN\\_MAX}}}
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确定总阻值范围（关键折中）：
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阻值不能太小： 阻值过小会导致分压支路通过电流过大，增加电路静态功耗并引发电阻发热偏差。
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阻值不能太大： 单片机 ADC 采样保持电路内部有输入阻抗（通常为几十 \\text{k}\\Omega），如果外部分压电阻阻值过大，会导致 ADC 采样电容充放电速度不够，引发测量不准。
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推荐经验值： 分压网络总阻值建议在 10\\text{k}\\Omega \\sim 100\\text{k}\\Omega 之间。
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标称阻值匹配举例：
若需检测最高 12\\text{V} 电压：
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选择 R_1 = 10\\text{k}\\Omega，R_2 = 3.3\\text{k}\\Omega。
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当 V_{\\text{IN}} = 12\\text{V} 时，V_{\\text{ADC}} = 12\\text{V} \\times \\frac{3.3}{10 + 3.3} \\approx 2.977\\text{V} \< 3.3\\text{V}，在安全范围内。
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精度建议： 选用 1% 或 0.1% 精度的贴片电阻（如 0805/0603 封装），避免普通 5% 精度电阻带来的累计误差。
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二、 电流检测原理与采样电阻选型
1. 检测原理
电流信号无法直接被 ADC 读取，必须转换为电压。通常在主回路中串联一颗毫欧级别的采样电阻（Shunt Resistor），利用欧姆定律 V = I \\times R 将电流转化为微弱压差。
因为毫欧电阻上的压差极小（仅几毫伏到几十毫伏），单片机 ADC 无法精准分辨，所以必须配合电流检测放大器（如 INA180/INA219 等） 将信号放大数十到上百倍后再送入 ADC。
VBUS/VOUT ----+---- [ R_shunt ] ----+---- 负载
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IN+ IN-
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+---> [运放/INA180] <--+
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+---> MCU_ADC (放大后电压)2. 采样电阻选型三大核心考量
(1) 阻值选择（越小越好）
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核心目的： 降低插入压降 与发热功耗。
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计算逻辑：
如果电路电流为 3\\text{A}，若选用 1\\Omega 电阻，压降达 3\\text{V}（后级电路供电不足），且功耗 P = I\^2 R = 9\\text{W}（严重发热）；若改用 10\\text{m}\\Omega (0.01\\Omega) 采样电阻：
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压差： V = 3\\text{A} \\times 0.01\\Omega = 0.03\\text{V} (30\\text{mV})（对后级供电几乎无影响）。
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功耗： P = 3\^2 \\times 0.01 = 0.09\\text{W} (90\\text{mW})（普通贴片电阻即可承受）。
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推荐经验值： 采样电阻通常选 5\\text{m}\\Omega \\sim 50\\text{m}\\Omega 之间。
(2) 电阻额定功率（耐功率能力）
采样电阻必须保证在最大电流下不被烧毁。
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计算公式： P_{\\text{rated}} \\ge I_{\\text{MAX}}\^2 \\times R_{\\text{shunt}} \\times 2 （建议留出 2 倍以上安全裕量）。
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封装选择： 大电流采样通常选用 2512 或 1206 封装的合金采样电阻（如 3\\text{W} 功率）。
(3) 结合运放倍数推导最大测量电流
假设运放增益为 G（如 INA180A3 的 G = 100），ADC 允许的最大电压为 V_{\\text{ADC\\_MAX}} = 3.3\\text{V}，采样电阻为 R_{\\text{shunt}}：
I_{\\text{MAX}} = \\frac{V_{\\text{ADC\\_MAX}}}{G \\times R_{\\text{shunt}}}
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例： R_{\\text{shunt}} = 10\\text{m}\\Omega，G = 100，则最大能测量的电流为：
I_{\\text{MAX}} = \\frac{3.3\\text{V}}{100 \\times 0.01\\Omega} = 3.3\\text{A}
三、 设计总结与避坑要点
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电压检测：
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注意串联电阻总阻值，推荐 10\\text{k}\\Omega \\sim 100\\text{k}\\Omega。
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可以在下拉电阻两端并联一个 10\\text{nF} \\sim 100\\text{nF} 的 RC 滤波电容，吸收高频噪声，稳定 ADC 读数。
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电流检测：
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必须采用高精度低温飘的合金采样电阻，防止温度升高导致阻值偏移从而引发测量失准。
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优先选择高边采样（High-Side Sensing），将采样电阻接在电源正极线（VOUT），避免低边采样破坏系统共地。
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PCB 走线时，采样电阻到运放 IN+/IN- 引脚的连线必须采用 开尔文走线（Kelvin Sensing），防止走线铜箔本身的电阻干扰微弱信号采集。
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