3. 星上传感器与采集前端
星上遥测采集链路的起点是传感器，终点是送入帧格式化模块的数字量。在这两点之间，采集前端要完成四件事：把物理量变成电信号、把电信号调整到 ADC 能接受的量程与阻抗、把敏感信号与数字噪声隔开、把高于有用带宽的分量滤掉。任何一环处理不当，都会在遥测帧里表现为漂移、跳码或难以解释的噪声，而这些问题一旦上天几乎无法返工。因此本节按信号从传感器到 ADC 的实际流向，逐段说明设计要点与判断依据。
一、传感器输出形式决定前端拓扑
星上常见传感器按输出形式可分为几类，前端电路的第一级必须与之匹配。
- 电压输出型：如热电偶（约 μV/℃ 级）、热敏电阻分压、霍尔电压输出。特点是输出阻抗可能很高（热电偶源阻抗可达数百欧姆以上），需要高输入阻抗、低偏置电流的仪表放大器。
- 电流输出型：如 4～20 mA 压力变送器、光电二极管。电流信号抗干扰能力强，前端用精密取样电阻转为电压，取样电阻的温漂直接进入误差预算。
- 电阻/电桥型：如应变片、铂电阻 PT100/PT1000。通常构成惠斯通电桥，输出为差分毫伏级信号，需要桥压激励与差分放大。
- 电荷输出型：如压电振动传感器，需电荷放大器把电荷转为电压，且要关注电缆电容对灵敏度的影响。
- 数字输出型：如 I²C/SPI 接口的温度、磁强计芯片，前端主要是电平匹配、上拉电阻与总线时序，不经过模拟调理。
以 PT100 为例，0 ℃ 时阻值 100 Ω，灵敏度约 0.385 Ω/℃。若激励电流取 1 mA，则 0 ℃ 时桥臂电压约 100 mV，100 ℃ 时约 138.5 mV，满量程变化仅 38.5 mV。这个量级说明：前端增益需约 50～100 倍才能用满 ADC 量程，同时激励电流的精度与温漂会被直接放大，必须用恒流源或比例式测量（ADC 参考电压与桥压同源）来抵消。
二、信号调理：量程、阻抗与共模
调理的目标是让信号"适配"ADC 的输入范围与采样特性，核心参数有三项。
量程匹配：先估算传感器满量程输出 Vfs，再按 ADC 满量程 Vref 确定增益 G = Vref / Vfs，并留 10%～20% 余量防止饱和。例如热电偶 K 型在 0～1000 ℃ 输出约 0～41 mV，若 ADC 为 2.5 V 满量程，理论增益约 61，实际取 50，剩余量程用于冷端补偿与开路检测。
阻抗与偏置：高源阻抗配低输入阻抗放大器会形成分压误差。设源阻抗 Rs = 10 kΩ、放大器输入阻抗 Rin = 1 MΩ，则衰减约 1%，若未校准即成为系统误差。对热电偶、pH 类高阻源，应选偏置电流在 nA 甚至 pA 级的运放，否则偏置电流流过源阻抗产生附加失调。
共模抑制：电桥与差分传感器常带较大共模电压，应使用仪表放大器，其 CMRR 至少比所需精度高 20 dB。若共模为 1 V、要求误差小于 0.1 mV，则 CMRR 需优于 80 dB。
三、隔离：切断地环路与共模通路
星上数字电路开关噪声、电机/加热器回流会通过地线耦合进模拟前端。隔离的作用是在模拟侧与数字侧之间切断直流与低频通路，只保留信号或数据传递。常见方案有三类：光耦隔离（用于数字量或经 V/F 转换后的信号）、电容/磁隔离器（用于 SPI、UART 等数字接口）、隔离放大器或隔离 ADC（模拟侧直接隔离）。
选择时关注三项指标：隔离耐压（星上常用 500 V～1500 V 等级）、共模瞬态抗扰度 CMTI（建议不低于 15 kV/μs，防止开关瞬间误码）、以及隔离带来的附加失调与增益误差。隔离器应尽量靠近 ADC 或数字接口放置，隔离前的模拟走线要短且远离隔离后的数字回流路径。
四、抗混叠滤波：在采样前限制带宽
ADC 采样会把高于奈奎斯特频率 fs/2 的分量折叠进有用频带，且折叠后无法用数字滤波去除。因此抗混叠滤波器必须放在 ADC 之前，且是模拟滤波器。
设计步骤：先确定有用信号最高频率 fmax，再确定采样率 fs，要求 fs ≥ 2.5～5 倍 fmax（工程上常取 5～10 倍以降低滤波器阶数压力）。然后确定滤波器在 fs − fmax 处需提供的衰减。例如 fmax = 100 Hz、fs = 1 kHz，则混叠危险频段从 900 Hz 开始，若要求把 900 Hz 以上分量压到 1 LSB 以下，按 12 位 ADC、满量程 2.5 V 计算，1 LSB ≈ 0.61 mV，相对满量程约 −72 dB，即滤波器在 900 Hz 处需衰减约 72 dB。
一阶 RC 在 900 Hz 处衰减有限，通常需要二阶或四阶有源低通（如 Sallen-Key 或 MFB 结构）。截止频率一般取 fmax 的 1.2～2 倍，兼顾通带平坦与阻带衰减。需注意：滤波器电阻会与 ADC 采样电容形成附加建立时间，若 ADC 为开关电容输入，滤波器输出阻抗应满足 ADC 手册给出的最大源阻抗要求，否则采样保持阶段来不及建立，产生增益误差。
五、ADC 选型要点
选型围绕分辨率、采样率、输入类型、参考源与接口展开。
| 参数 | 考虑要点 | 示例取值 |
|---|---|---|
| 分辨率 | 由被测最小变化量与满量程之比决定，并留 2～4 倍余量 | 温度 0.1 ℃ / 1000 ℃ → 至少 14 位 |
| 采样率 | ≥ 5 倍 fmax，多通道时按总吞吐计算 | 振动 2 kHz → 10 kSPS 以上 |
| 输入类型 | 差分优于单端，可抑制共模与地弹 | 电桥、热电偶用差分 |
| 参考源 | 初始精度与温漂直接决定增益误差 | 要求 0.1% 时参考温漂 < 10 ppm/℃ |
| 接口 | SPI 便于隔离，I²C 走线少但速率低 | 多通道同步采集用 SPI + 独立片选 |
还需关注有效位数 ENOB 而非标称位数。若 ADC 标称 16 位但 ENOB 仅 13.5 位，则实际可用精度按 13.5 位估算。多通道采集时，若各通道共用 ADC 并轮询，要注意通道切换后的建立时间与串扰；对相位一致性要求高的振动、电流信号，应选同步采样 ADC 或每通道独立 ADC。
六、工程落地中的几个判断点
第一，先算误差预算再选器件。上图中示例合成误差约 ±0.78%，若系统指标为 ±1%，则方案可行；若指标为 ±0.5%，则必须压缩传感器与 ADC 两项，而不是简单换更高位数的 ADC。
第二，抗混叠滤波器要与 ADC 输入结构联合设计。开关电容输入的 ADC 在采样瞬间会从滤波器输出抽取电荷，若滤波器输出阻抗过大，采样电容充电不足，表现为增益偏低且随通道切换变化。此时可在滤波器与 ADC 之间加一级缓冲，或降低滤波器电阻并相应增大电容。
第三，隔离位置决定噪声路径。若隔离放在调理之后、ADC 之前，则调理级仍与传感器共地，适合传感器本身浮地的场合；若隔离放在 ADC 数字侧，则模拟地与数字地在 ADC 处单点连接，适合数字噪声为主的场合。两种方式的地平面分割与回流路径不同，需在布局阶段确定。
第四，多通道采集要区分"轮询"与"同步"。温度、压力等缓变量可用多路开关加单 ADC 轮询，但每个通道切换后要留足建立时间；振动、电流等需要相位关系的信号必须同步采样，否则通道间的时间偏差会直接变成相位误差。
把以上环节串起来看，采集前端的设计顺序应是：明确传感器输出形式与满量程 → 计算所需增益与误差预算 → 选择调理与隔离方案 → 按 fmax 与 fs 设计抗混叠滤波器 → 依据分辨率、采样率、输入类型与参考源选定 ADC → 复核滤波器输出阻抗与 ADC 采样建立时间的匹配。每一步都有可量化的判断依据，而不是凭经验堆器件。