一、项目背景与任务介绍

在各类嵌入式测量、环境监测与工业控制系统中，电压信号采集是实现物理量数字化感知的基础环节。本次任务为设计一款基于普及型 ADC 芯片的电压采集模块，核心目标是将外部模拟电压信号转换为数字量，通过标准数字接口输出给 MCU，为后续数据处理、控制决策提供可靠的数字输入。

本次设计需满足以下核心要求：采用入门级通用 ADC 芯片，支持宽电压输入（含分压保护），具备标准数字通信接口，板载电源滤波与信号处理电路，同时预留外部输入与 MCU 连接接口，且所有核心器件均需在 DigiKey 平台正常可采购，兼顾成本、实用性与可扩展性，适配学生科创项目与入门级嵌入式系统开发场景。

二、设计方案介绍

本模块整体采用 “分压预处理 - 信号滤波 - ADC 采集 - 数字输出” 的架构，实现 4 路外部电压信号的同时采集。

1. 信号预处理单元：针对外部 0-12V 输入电压，采用固定分压电阻网络（400KΩ+80KΩ）实现降压，将输入电压按比例降至 ADC 可接受的测量范围，同时利用 RC 低通滤波电路滤除信号中的高频噪声，保证采集信号的稳定性。
2. ADC 核心采集单元：选用 ADS1115 作为主芯片，该芯片集成 16 位高精度 ADC，支持 I2C 通信接口，可同时处理 4 路单端模拟输入，满足多通道采集需求。芯片内置可编程增益放大器，可根据输入信号范围灵活配置测量量程，兼顾测量精度与输入范围。
3. 电源与接口单元：模块采用 + 5V 供电，电源端配置去耦电容抑制电源噪声；同时预留 8Pin 接线端子，包含电源、地、I2C 通信接口（SCL/SDA）与 4 路外部电压输入接口，实现与 MCU 的快速连接与外部信号接入。

模块整体资源框图如下：

三、模块核心器件介绍

本次设计的核心器件为德州仪器（TI）的 ADS1115IDGSR 模数转换器，该器件为 DigiKey 平台常规可售型号，广泛应用于各类低功耗、高精度电压采集场景。

1. 核心芯片：ADS1115IDGSR
2. • 器件链接：ADS1115IDGSR Texas Instruments | 模数转换器（ADC） - DigiKey
   • https://www.digikey.cn/zh/products/detail/texas-instruments/ADS1115IDGSR/2231567
   • 核心参数：16 位高精度逐次逼近型 ADC，支持 4 路单端或 2 路差分输入，I2C 通信接口（最高 3.4MHz），工作电压 2.0V-5.5V，内置 8 种可编程增益（±256mV~±6.144V），具备低功耗工作模式，单次转换功耗仅 150µA，适配电池供电场景。
   • 应用优势：作为入门级高精度 ADC，ADS1115 无需额外配置复杂的前端调理电路，即可实现对分压后信号的精准采集，同时 I2C 接口占用 MCU 资源少，适配绝大多数主流嵌入式 MCU，降低了系统集成难度。
2. 分压与滤波器件
3. • 分压电阻选用 400KΩ 与 80KΩ 高精度贴片电阻，分压比例为 5:1，可将 0-12V 外部输入降压至 0-2V，适配 ADS1115 默认量程，同时实现过压保护，避免高压信号直接损坏 ADC 芯片。
   • 滤波电路采用 100nF 陶瓷电容与分压电阻组成 RC 低通滤波器，截止频率约为 20Hz，可有效滤除电源纹波与高频干扰，提升采集信号的信噪比。

四、原理图与 PCB 设计说明

（一）原理图设计

本次设计的原理图已完成绘制，核心电路包含以下部分：

1. 4 路分压与滤波电路：4 路外部输入信号（V1-V4）分别通过 400KΩ+80KΩ 分压网络，将电压降压后经 100nF 电容滤波，输出至 ADS1115 的 AIN0~AIN3 通道，实现信号预处理。
2. ADS1115 核心电路：芯片电源端（VDD）接 + 5V 供电并配置 100nF 去耦电容，SCL/SDA 引脚外接 10KΩ 上拉电阻，确保 I2C 通信稳定；ADDR 引脚可配置 I2C 地址，支持多设备挂载；ALERT/RDY 引脚可作为转换完成信号，方便 MCU 查询采集状态。
3. 接线端子接口：JP1 为 8Pin 端子，包含 + 5V 电源、GND 地、I2C 通信接口（SCL/SDA）与 4 路外部电压输入接口，支持快速插拔连接，方便与外部信号源及 MCU 对接。

（二）PCB 设计规划

PCB 设计将遵循信号完整性与电源完整性原则：

• 电源路径采用短粗走线，去耦电容紧贴 ADS1115 的 VDD 引脚放置，抑制电源噪声；
• 模拟信号走线（分压后至 ADC 输入）远离数字信号走线（I2C 接口），避免数字信号对模拟采集的干扰；
• 分压电阻与滤波电容靠近外部输入端子放置，缩短信号路径，减少干扰引入；
• 预留丝印标注接口定义与量程说明，方便用户快速接线与调试。3D图

五、模块主要性能指标与管脚定义

（一）核心性能指标

（二）接线端子 JP1 管脚定义

表格

六、心得体会

本次电压采集模块设计，让我对嵌入式系统中 “模拟信号数字化” 的完整流程有了系统性的理解，也深刻体会到从需求分析到原理图设计的关键要点。

首先，分压与滤波电路的设计是本次任务的核心环节。最初仅考虑了分压比例的计算，忽略了分压电阻的精度与 RC 滤波的截止频率，在后续仿真中发现信号噪声较大，通过调整电阻精度并优化滤波电容参数，才解决了采集数据跳变的问题。这让我意识到，模拟电路设计不仅需要理论计算，更要结合实际干扰情况进行优化。

其次，在芯片选型与接口设计上，ADS1115 的 I2C 接口虽然占用资源少，但需要注意上拉电阻的配置与地址冲突问题。本次设计预留了 ADDR 引脚的配置空间，方便后续多模块扩展，也让我认识到接口兼容性与可扩展性在模块化设计中的重要性。

最后，本次设计仍存在可优化的空间，例如可增加 TVS 二极管实现输入过压保护，或通过增加运放电路提升信号驱动能力。后续可结合实际应用场景，进一步优化电路设计，提升模块的稳定性与通用性。

本次设计让我掌握了基础 ADC 模块的设计流程，也为后续更复杂的测量系统开发打下了坚实的基础。