这一期，我和大家探讨一个在30万网红大V的教学视频中看到的4-20mA电流采样电路，并对其中的一些问题进行分析，同时提出改进建议。
本次分享将分为六个部分，首先是引言，提出我们发现的问题；接着会深入分析电路保护措施、RC滤波器的应用，并澄清一个容易混淆的概念；然后展示我们提出的改进方案；最后进行总结并给出建议
事情的起因是我在一个教学视频中看到了关于4-20mA电流采样电路的讲解，但发现其中存在不少问题。这两种电路是视频中展示的内容，接下来我们将逐一分析其中的问题所在。
第一个问题，外部输入或者是运放输出，不经过任何限流电阻直接输入到MCU的GPIO，该做法大概只是在大学课本中学习电路KCL,KVL等基本知识的时候能看到。我想说几点：
1) 关于保护措施，至少需要考虑几种保护
浪涌的保护，特点是电压可能高达5000V左右，持续时间大概几十微秒。
静电的保护，特点是电压可能高达8000V左右，放电时间常数约为150纳秒.
反接的保护，特点是输入负电压；
一般情况下，有两种保护方法，
一种干扰信号的能量被TVS、压敏电阻以热量形式消耗。
另一种将干扰信号导到电源，其能量一部分被限流电阻消耗，一部分被电源上的大电容吸收。
如附图，当V i n的电压不超过MCU的工作电压时，I3和I4都为0，LDO输出电流I1等于负载电流I2。
LDO内部的PMOS正常导通，输出被稳定在固定电压。
当V i n的电压超过MCU的工作电压与上拉二极管的导通电压之和，则I3不为零，当I3大于负载电流I2时，超过电流将流向电容C1，使得I4不为0；
I1也变小，甚至减为0，PMOS截止，LDO不能正常稳压，负载将由V i n 通过上拉二极管供电；结果正3.3V被抬升，造成负被大面积烧毁的严重后果
保护措施的缺失会带来直接的后果。一旦有高压脉冲进入电路，MCU的保护二极管会被击穿，产生过大的电流，这不仅会损坏MCU本身，还可能导致电源管理芯片失效，最终烧毁整个电路板。
这张图是STM32芯片手册中的明确规定，输入电流必须限制在5毫安以内。因此，在设计电路时，限流电阻是必不可少的保护手段。
接下来谈谈滤波。为了获得干净的采样信号，我们需要使用RC低通滤波器。
它的原理是通过电阻和电容的组合，让低频信号顺利通过，同时衰减高频噪声。大家可以看到左侧的传递函数，它精确描述了这种频率选择特性。
需要特别注意的是，视频中的电路虽然加了电容，但没有串联电阻，这使得它的滤波效果大打折扣，基本起不到作用，只能滤除极高频的噪声。这提醒我们在设计电路时，必须严格遵循RC滤波的标准拓扑结构。
衡量滤波器性能的关键指标是-3dB截止频率。简单来说，就是信号衰减到原来的70.7%时的频率。
超过该频率，输出电压信号的幅度将小于输入电压信号幅度的0.707倍，功率小于0.5倍。如果输出与输入之间的衰减A从功率的角度以dB为单位来衡量,则该频率点为功率衰减3db的频率
视频中的电路因为没有电阻，截止频率非常高，对于我们需要滤除的大部分工业干扰来说，几乎没有效果。
视频中还犯了一个概念性的错误，就是大V郭老师把电压跟随器说成了射极跟随器。左边这个是射极跟随器，由三极管构成；右边这个是电压跟随器，由运放构成。两者虽然名字都有“随”字，但原理完全不同，这是电子电路中非常基础的概念，不应混淆。
针对以上问题，我们设计了改进方案。方案一如图所示，增加了压敏二极管用于浪涌保护，并用RC电路构成了有效的低通滤波器，同时这个电阻也起到了限流保护MCU的作用。这个方案结构简单，成本也比较低。
方案二增加了运放，实现了信号隔离，抗干扰能力更强。同时，我们为运放增加了保护二极管，并在输出端也增加了滤波电路。这个方案性能更好，适合对信号质量要求更高，使用环境更恶劣的应用场景。
最后，我们来总结一下。视频中的电路主要有三个问题：缺乏保护、滤波失效、概念混淆。这提醒我们，作为知识分享者，必须对自己分享的内容负责，做到严谨、准确，这样才能真正帮助到他人。
