3、信号预处理：光电信号放大、模拟滤波电路设计、ADC采样策略

信号预处理，说白了就是给光电传感器那微弱的信号「洗个澡、穿件衣服」，再送到 ADC 嘴里去。这一步要是没做好，后面算法再牛也白搭。我见过太多项目，PCB 画得漂漂亮亮，结果一上电噪声比信号还大，最后查来查去，问题就出在预处理环节。

3.1 光电信号放大：从 pA 到 V 的跨越

光电二极管出来的电流有多小？我跟你讲，典型值在 nA 到 μA 级别，有些弱光场景甚至低到 pA。这么小的信号，直接送 ADC 等于没送。所以第一件事就是 I/V 转换加放大。

选型时我有个习惯：先看运放的输入偏置电流。你想想看，如果运放自己就吃掉几个 nA，那信号还怎么测？我个人偏好 OPA2376 或 AD8605，偏置电流都在 pA 级，够用。

参数	推荐值	我的经验
输入偏置电流	< 10 pA	低于信号电流的 1/10 才安全
增益带宽积	> 1 MHz	别贪快，够用就行，太快反而引入噪声
反馈电阻 Rf	1 MΩ ~ 10 MΩ	太大容易饱和，太小增益不够
反馈电容 Cf	1 pF ~ 10 pF	防振荡用的，我一般先留空，实测再焊

3.2 模拟滤波电路设计：把噪声挡在门外

放大之后呢？噪声也跟着放大了。这时候就需要滤波器上场。我遇到过最头疼的情况是：50Hz 工频干扰串进来，跟信号混在一起，怎么滤都滤不干净。后来发现是地线没处理好，这是后话。

光学触控系统里，我常用的滤波策略分两步：

1. 一阶 RC 低通：放在 TIA 输出端，截止频率设在 10~100 kHz，先把高频毛刺干掉。
2. 二阶有源低通：用 Sallen-Key 拓扑，截止频率根据扫描频率来定，一般 1~10 kHz。

为什么用有源滤波？因为无源 RC 在低频段需要很大的电容和电阻，体积大不说，还容易引入热噪声。有源滤波用运放隔离，设计更灵活。

3.3 ADC 采样策略：什么时候采、采多少、怎么采

ADC 采样不是简单地把模拟信号转成数字。你得考虑三个问题：什么时候采？采多少？怎么采？

3.3.1 采样时机

光学触控系统里，LED 是脉冲点亮的。我建议在 LED 稳定发光的中段采样，避开上升沿和下降沿。为什么？因为那段时间电流不稳定，噪声最大。

3.3.2 采样位数与速率

12 位 ADC 够不够？说实话，大部分场景够用。但如果你要检测很微弱的手指遮挡变化，我建议上 16 位。采样速率呢？每个通道 100 kSPS 基本够用，毕竟光学触控的扫描频率一般也就几十到几百 Hz。

场景	推荐位数	采样率
普通触控	12 bit	100 kSPS
高精度触控	16 bit	200 kSPS
多通道扫描	12~16 bit	每通道 50 kSPS

3.3.3 过采样与平均

硬件搞不定的事，软件来凑。过采样+平均可以有效提升有效位数。我常用的套路是：对同一个点采 16 次，去掉最大最小值，剩下 14 个取平均。这样等效位数能提升 2~3 bit。

// 过采样平均示例
uint32_t sum = 0;
uint16_t max_val = 0, min_val = 0xFFFF;
for (int i = 0; i < 16; i++) {
    uint16_t val = adc_read(channel);
    sum += val;
    if (val > max_val) max_val = val;
    if (val < min_val) min_val = val;
}
sum -= (max_val + min_val);
uint16_t result = sum >> 2;  // 等效 14 次平均，右移 2 位

3.4 知识结构总览

下面这张图把信号预处理的三个环节串起来了。你看一眼就能明白整个链路是怎么走的。

3.5 实战中的几个坑

• 地线环路：模拟地和数字地没分开，噪声从地线串进来。我建议用 0Ω 电阻或磁珠单点连接。
• 电源纹波：运放对电源噪声很敏感。LDO 输出端加 10μF+0.1μF 去耦电容，靠近运放引脚放。
• PCB 布局：反馈电阻 Rf 和 Cf 要尽量靠近运放引脚，走线越短越好。我见过有人把 Rf 放得老远，结果寄生电容把带宽压到只有几十 kHz。
• 采样抖动：ADC 触发信号抖动会导致采样值不稳定。用定时器硬件触发，别用软件延时。