企业官网建设流程全解析

我们项目里有一块要同时采 16 路模拟量的板子，主控是 STM32F103，片上 ADC 只有 10 个通道，去掉内部参考电压和温度传感器之后，真正能自由分配给外部信号的通道不够用。当时接了一堆电位器、温度传感器、分压电阻网络，转念一想，最省事的办法不是换大封装 MCU，也不是加独立 ADC 芯片，而是用一颗 CD74HC4067 模拟开关做通道扩展。

这颗芯片本质上是一个 16 选 1 的模拟多路复用器，通过 4 根地址线选通 16 个通道中的一路，把信号送到公共端 COM，再由 MCU 的 ADC 去采样。就这一颗芯片，把可用模拟输入从 4 路直接变成了 16 路，成本只有几块钱。排查过程中踩了两个典型的调试坑，一个是采样建立时间不足导致的数据偏置，另一个是地址切换毛刺导致的串扰读数。这篇笔记把硬件连接、扫描固件和两个坑的定位过程完整记录下来，给准备用 MUX 扩展 ADC 的读者一个参照。

1. 为什么要在方案里塞一颗多路开关：CD74HC4067的定位

1.1 内置ADC不够时有哪些扩展方案

MCU 内置 ADC 通道不够，通常有三条路可以走。

第一条是换芯片，找 ADC 通道更多的型号。这条路的缺点是牵一发动全身，引脚兼容性、封装、成本、库存全部要重新评估，很可能只为了 4 个模拟量就换了整个平台。

第二条是外挂独立 ADC，比如 ADS1115 这种 16 位、I2C 接口的芯片，分辨率高、接口省引脚，但一片只提供 4 路。如果要做 16 路，要么并 4 片，要么选多通道版本，BOM 成本直线上升，I2C 总线上还要做地址区分，软件复杂度也上去。

第三条就是本文用的方案：保留 MCU 自身的 ADC，前面加一颗 CD74HC4067，用时间换通道。MCU 的 ADC 内核、DMA、中断、滤波逻辑全部不用动，只是在每个采样周期里多了一步“切换开关并等待信号稳定”的动作。

三条路放在一起对比如下：

对于环境监控这种低频采样场景，温度、湿度和电池电压变化本身就慢，每秒采几十次已经完全够用，通道切换带来的时间开销完全可以接受。

1.2 CD74HC4067核心参数与选型理由

CD74HC4067 是 TI 出品的 16 通道模拟多路复用器/多路分配器，同类芯片还有 74HC4067、74HCT4067，以及国产的 74HC4067 兼容型号，引脚和功能基本一致。之所以选它而不是其他型号，核心原因是 16 路、低成本、易采购、TTL 电平兼容。

关键参数里最需要注意的是导通电阻 (R_{ON})。在 VCC = 4.5V 到 5V 时，典型值大约是几十欧姆，但 VCC 降到 3.3V 时，(R_{ON}) 会明显增大，可能到 100 欧姆以上。这个电阻本身不会让 ADC 读数产生静态误差，因为 ADC 输入阻抗极高，正常稳态下几乎没有电流。但当 ADC 开始采样时，采样电容要从信号源取电荷，这时 (R_{ON}) 就会和信号源内阻、采样电容一起决定电压建立的快慢。这也是后面第一个调试坑的根源。

另一个重要特性是 EN 引脚低电平有效。EN = 0 时，芯片正常工作，A0~A3 决定哪一路开关闭合；EN = 1 时，所有开关全部断开，芯片呈现高阻态。这个引脚很多人直接接地省事，但在实际调试里，它恰恰是解决地址毛刺问题的关键，后面会专门讲。

供电方面，CD74HC4067 的工作电压范围是 2V 到 6V，信号电压范围是 0 到 VCC。设计时必须注意，被采样的信号不能超过 VCC，也不能低于 GND，否则内部保护二极管会导通，轻则采样值被钳位，重则损坏芯片。

2. CD74HC4067硬件搭建：弄清楚COM、A0-A3和EN再接线

2.1 引脚功能与选中逻辑

CD74HC4067 的内部结构可以理解成一个单刀 16 掷开关加一个 4-16 译码器，16 个通道分别命名为 IO0 到 IO15，公共端叫做 COM，另有 4 个地址引脚 A0、A1、A2、A3 和 1 个使能引脚 EN。

地址线和通道的对应关系就是二进制编码，A0 是最低位，A3 是最高位：

使用时，把需要测量的 16 路信号分别接到 IO0 ~ IO15，把 COM 引脚接到 MCU 的 ADC 输入引脚。MCU 通过 GPIO 控制 A0~A3 的电平组合，就能让对应的通道与 COM 导通，ADC 采样到的就是那个通道的电压。

模块化的 CD74HC4067 板子现在也很常见，上面一般把 IO0~IO15 做成插针或者接线端子，COM、EN、A0~A3、VCC、GND 各有单独引脚，接线比较方便。如果是自己画板，建议在 VCC 和 GND 之间放一个 0.1uF 去耦电容，位置尽量靠近芯片电源脚。

2.2 参考电路与PCB走线经验

我实际接线的方式是这样的：

• 16 路传感器信号经过各自的前端电路，接到 IO0~IO15
• COM 引脚直接接 STM32 的 PA0，作为 ADC 输入
• A0、A1、A2、A3 接 PA1、PA2、PA3、PA4
• EN 接 PA5
• VCC 接 3.3V，GND 共地

信号0 -----> IO0 信号1 -----> IO1 ... 信号15 -----> IO15 | CD74HC4067 | COM ------> PA0 (ADC输入) A0 ------> PA1 A1 ------> PA2 A2 ------> PA3 A3 ------> PA4 EN ------> PA5

PCB 布局上有一条重要经验：模拟通道线要尽量短，而且要和数字地址线拉开距离。CD74HC4067 的地址线是数字信号，切换瞬间会有沿跳变，如果和模拟信号线平行走线几厘米，毛刺可以通过寄生电容耦合到模拟通道上。对于一个 ADC 精度只有 12 位或 10 位的系统，这点耦合不一定致命，但如果后面要追求更稳定的读数，走线分离绝对值得做。

COM 到 MCU 的走线同样要短，并且不要在中间额外串联大电阻。如果板上干扰确实严重，可以在 COM 到 GND 之间加一个 1nF 到 10nF 的电容，和 (R_{ON}) 构成低通滤波器，把高频毛刺滤掉。代价是信号建立时间变长，需要相应增加切换后的等待时间，这是一对需要权衡的矛盾。

3. 轮询扫描固件：先让16路数据流动起来

3.1 引脚与ADC初始化

固件部分，我用的是 STM32 HAL 库。先把地址引脚和 EN 引脚配成推挽输出，初始状态把 EN 拉高，保证芯片上电后所有通道都处于断开状态，避免上电瞬间误采样。

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); // EN 初始为高，断开所有通道 HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);

ADC 配置成单通道单次转换，用起来最简单。实际项目里如果后续要提升吞吐率，可以改成扫描加 DMA，但排错阶段单次转换更清晰，每读一次都能和万用表读数对照。

hadc.Instance = ADC1; hadc.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT; hadc.Init.ScanConvMode = DISABLE; hadc.Init.ContinuousConvMode = DISABLE; hadc.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE; hadc.Init.NbrOfConversion = 1; HAL_ADC_Init(&hadc); ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0}; sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0; sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1; sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5; HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig);

这里我把采样时间一开始就选得比较长，239.5 个 ADC 时钟周期。为什么这样选，第四部分会详细算。

3.2 扫描主循环：先断开，再切地址，后采样

扫描 16 路的基本逻辑是每次切换一个通道，读取 ADC，然后切下一个通道。

uint16_t adc_raw[16]; void Mux_Disable(void) { HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET); // EN=1 全部断开 } void Mux_Enable(void) { HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); // EN=0 开关有效 } void Mux_SetChannel(uint8_t ch) { HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_4, (ch & 0x01) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); // 实际写多引脚时，建议用 ODR 一次完成，避免多次写引脚造成的中间状态 // GPIOA->ODR = (GPIOA->ODR & 0xFFE1) | ((uint16_t)(ch & 0x0F) << 1); } uint16_t ReadMuxChannel(uint8_t ch) { Mux_Disable(); Mux_SetChannel(ch); delay_us(2); Mux_Enable(); delay_us(10); HAL_ADC_Start(&hadc); HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, 100); return (uint16_t)HAL_ADC_GetValue(&hadc); } void ScanAllChannels(void) { for (uint8_t i = 0; i < 16; i++) { adc_raw[i] = ReadMuxChannel(i); } }

注意Mux_SetChannel里我写了一段注释，建议用 ODR 直接写入地址位，而不是分 4 次调用HAL_GPIO_WritePin。原因在于，如果 A0~A3 分开写，4 次操作之间会产生多个中间电平组合。比如要从通道 3 切到通道 7，先改了 A0，芯片会瞬间选中通道 2，再改 A1 变成通道 0，最后才稳定到通道 7。虽然这段时间极短，但芯片的开关状态会跟着跳好几下，放在高频采样场景里就是隐患。一次性写 ODR 可以让地址线近乎同时变化，尽量缩短中间态。

4. 调试坑一：切换通道后马上启动ADC，采出来的值跟实际对不上

4.1 现象：读数偏低还有相邻通道的影子

第一版固件里我为了图快，切换通道后没有做任何延时，直接启动 ADC。结果发现，用万用表测 IO3 引脚明明是 2.5V，ADC 读出来只有 1.8V；把 IO2 接到 3.3V、IO3 接 GND 时，IO3 的读数又变成了 0.6V 左右。更奇怪的是，如果把 16 个通道全接上固定电压，按顺序扫描，前面几个通道读得还算准，越往后误差越不稳定，像是所有通道都在互相干扰。

这个现象很容易被误判成“多路开关串扰严重”。但串扰通常指高频信号通过寄生电容耦合，这里信号全是直流电压，谈不上高频耦合，问题实际上出在 ADC 采样瞬间的电荷建立过程。

4.2 原理：采样电容没充满就开始转换了

STM32 的 ADC 内部有一个采样保持电容，开始转换前会先接通模拟输入，给这个电容充电。充电时间就是寄存器里配置的 SamplingTime。在充电时间内，输入信号要经过信号源内阻、CD74HC4067 的导通电阻 (R_{ON})、MCU 引脚内部串联电阻，才能给采样电容充上电。

等效电路就是一个 RC 充电回路，时间常数：

τ = R_total × C_total R_total = R_source + R_ON + R_ADC_in(内阻) C_total = C_mux_out + C_ADC_sample + C_parasitic

假如信号源是一个 10kΩ 的分压电阻网络，CD74HC4067 的 (R_{ON}) 在 3.3V 下大约 100Ω，STM32 内部采样开关等效电阻大约 1kΩ，总的 R_total 就在 11kΩ 左右。再看电容，CD74HC4067 输出端电容、STM32 采样电容加上 PCB 寄生电容，大概 30pF 到 50pF。取 40pF 算：

τ ≈ 11kΩ × 40pF = 440ns

12 位 ADC 要稳定到 1 个 LSB 以内的误差，大约需要 8 到 9 个时间常数，也就是：

t_settle ≈ 9 × 440ns ≈ 4us

如果我把 ADC 采样时间配成 1.5 个周期，而 ADC 时钟是 12MHz，实际充电时间只有：

t_sample = 1.5 / 12MHz ≈ 125ns

125ns 只有 0.28 个时间常数，采样电容上的电压只能充到目标值的 25% 左右，ADC 读到的自然远远小于真实电压。

这就解释了为什么结果“偏低”。同时，CD74HC4067 切换后，打开的那个开关相当于把一个新电压接到 COM 引脚，而 COM 引脚和 ADC 采样电容上都还残留着上一个通道的电压。如果上一个通道是 3.3V，这次要采 0V，初始状态下电容是从 3.3V 开始放电，充电时间不足就导致读数偏正；反过来，上一个通道是 0V，这次要采 3.3V，读数就偏负。这就是“相邻通道的影子”的来源，本质是残余电荷没有放完或充完。

4.3 解决：长采样周期、延时和丢弃首样本

解决办法有三个层次，在实际项目中我最终用了前两个组合。

第一，把 ADC 采样时间调大。STM32F103 的采样时间有 1.5、7.5、13.5、28.5、41.5、55.5、71.5、239.5 个周期这几档。直接用最大档 239.5 个周期，在 12MHz 时钟下大约是 20us，足够让前面的 RC 回路完全建立。代价是单次转换时间变长，但对低频场景毫无影响。

第二，通道切换后延时。在代码里，我切完地址线、拉低 EN 之后，又加了 10us 左右延时才启动 ADC。这一步可以进一步确保 COM 引脚上的模拟电压完全稳定，同时把地址线毛刺消散的时间也算进去。

第三，如果追求极致速度，又不想每个通道都等那么久，可以在代码里切完通道后先做一次虚假转换，丢弃结果，再用第二次转换作为有效值。原理是第一次转换期间，采样电容有足够时间完成大部分的电荷补充，虽然第一次结果不对，但转换结束后电容上的电压已经接近真实值，紧接着第二次采样就能采到比较准的数据。

// 丢弃式方案：用更短的等待换更快的扫描 Mux_Enable(); delay_us(1); HAL_ADC_Start(&hadc); HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, 100); HAL_ADC_GetValue(&hadc); // 第一次结果丢弃 HAL_ADC_Start(&hadc); HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, 100); adc_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc); // 第二次取用

当时排查这个坑的时候，我特意用示波器钩住 COM 引脚，观察通道切换瞬间的波形，可以看到一段指数上升过程，从切通道到电压稳定，花了大几十微秒。这比我估算的 4us 大得多，原因是我信号源内阻实际还不止 10kΩ，前面还串了滤波电阻。所以“延时宁多勿少”，别卡着理论值刚好够，留足裕量。

5. 调试坑二：地址切换毛刺导致“抢读”错值，需要把EN用起来

5.1 现象：数据偶尔跳到另一个通道的读数

建立时间的问题解决后，数据大部分时间正常，但偶尔会有那么一两路数据“抽风”，直接从正常值跳成了另一个通道的读数。出现频率不固定，有时候连续扫描几百次都不出问题，有时候连续出好几个。

我开始以为是电源干扰，往 ADC 输入加了 RC 滤波，没用；又以为是滤波算法不够强，把滑动窗口拉大，毛刺还是定期出现。直到某次我用逻辑分析仪同时抓了地址线 A0~A3 和 ADC 转换完成标志，才发现问题不在模拟输入，而在地址切换的瞬间。

5.2 原理：地址线跳变时开关状态不确定

当时我的代码流程是：先写地址线，然后开启 ADC 转换。执行完地址写入后，我理所当然地认为通道已经切好了，但事实上，CD74HC4067 内部通过 4-16 译码器控制 16 个开关管，地址线电平变化后，译码输出并不是瞬间完成状态切换的，内部各种门电路存在传播延迟。

更关键的是，在地址线跳变的极短瞬间，如果旧通道对应的开关还没有完全关断，新通道对应的开关又已经开始导通，就会出现两个开关同时处于半导通状态的窗口。这个窗口只有几纳秒到几十纳秒，但足以让 COM 引脚被两个通道同时驱动。如果此时 ADC 恰好在这个窗口内启动采样，采样电容捕获到的就是这个叠加后的不确定电压，而不是任何一路的准确电压。

在多路复用器的数据手册里，这类开关通常标注为“先断后合”或“先合后断”。如果芯片是“先合后断”的时序，在通道切换瞬间就会存在短暂的通道短路；即使是“先断后合”，地址线和讲码器之间的延迟也可能造成一瞬间的悬空状态，让 COM 引脚电压漂移。无论哪种情况，在通道切换过程中直接启动 ADC 采样都是危险的。

5.3 解决：把EN用起来，严格按照“断开-切地址-接通-采样”时序

正确做法是：切换地址线的过程中，先用 EN 把所有开关全部断开，让 COM 引脚悬空；等地址线稳定后，再拉低 EN，让选中通道的开关闭合；再等模拟信号建立起来，最后才启动 ADC。

这样做的本质是给芯片提供一个“隔离期”。地址线怎么跳都无所谓，因为 EN = 1 时所有开关都不导通，COM 引脚不受地址线变化影响；等到地址线稳定了，再一次性把选中通道接通，COM 上看到的就是一个干净的跳变，不会出现多个开关同时导通的混乱状态。

void SafeReadChannel(uint8_t ch) { Mux_Disable(); // 1. EN=1，断开全部开关，隔离地址毛刺 Mux_SetChannel(ch); // 2. 更新地址线 delay_us(2); // 3. 等待地址稳定和毛刺消散 Mux_Enable(); // 4. EN=0，仅选中目标通道 delay_us(10); // 5. 等待模拟电压建立 HAL_ADC_Start(&hadc); // 6. 开始采样 HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, 100); adc_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc); }

这套流程里，第 1 步是最关键的。如果没有第 1 步，即使后面延时再长，都无法消除地址切换瞬间多个开关同时半导通的窗口；有了第 1 步，那个窗口就被彻底屏蔽了，因为这时候所有开关都被 EN 关断，译码器的输出状态不会造成任何物理通路。

如果硬件上已经把 EN 接地，那这个时序改进就用不了。所以设计阶段一定要把 EN 引到 MCU 的 GPIO，不要直接接地。一个 GPIO 引脚的代价，换来的是整个扫描过程的可控性，非常值得。

同样重要的是，地址线更新那一步最好一次性写入 ODR，而不是分四次写引脚。分四次写导致 A0~A3 之间可能出现多个中间组合，即使 EN 保持断开，也会有更多不必要的内部状态跳变，增加毛刺和功耗。一次性写完之后，再用一个短延时把地址线的电平稳定下来。

6. 数据优化和标定：滤波与校准让16个通道真正可用

6.1 简单滑动平均去抖

解决了建立时间和通道切换毛刺之后，16 路数据已经基本稳定，但 ADC 本身还有量化噪声和外部的轻微干扰，单次采样的抖动依然存在。我在每个通道上做了滑动平均，每路连续采 5 次，去掉最大值和最小值，再把中间 3 次取平均。这种方式对脉冲噪声有很强的抑制能力，又不会像单纯平均那样被一个极端值带偏。

#define FILTER_N 5 uint16_t AdcFilterValue(uint16_t *buf, uint8_t n) { uint32_t sum = 0; uint16_t min = buf[0]; uint16_t max = buf[0]; for (uint8_t i = 0; i < n; i++) { if (buf[i] < min) min = buf[i]; if (buf[i] > max) max = buf[i]; sum += buf[i]; } sum -= min; sum -= max; return (uint16_t)(sum / (n - 2)); }

每路采 5 次、中间 3 次取平均，16 路算下来每次全扫描要执行 80 次 ADC 转换。如果一次转换加切换延时约 100us，全扫描一轮约 8ms，也就是 125Hz 的全帧率，单通道更新率约 7.8Hz，完全满足温度、电压监控类应用。

6.2 零点、跨度和三点校准

16 路模拟量还有一个绕不开的问题：每一路的前端电路都不可能完全一致，比如电阻分压的精度、传感器供电的微小差异、CD74HC4067 不同通道之间 (R_{ON}) 的离散性，都会让同一电压在不同通道上读出不同的原始值。

最实用的做法是线性校准，用两点或者三点建立“原始 ADC 值到实际物理量”的映射。很多人的做法是只做零点和满量程两点校准，但我建议有条件的话做三点校准。两点校准假设 ADC 特性是一条完美直线，但实际 ADC 的中段误差和两端误差往往不一致，三点校准（零点、中值点、满量程点）可以做分段线性插值，把中段的非线性误差也修正掉。

具体的做法是：给采样端输入三个已知电压，记录下每个通道对应的 ADC 原始值，然后在代码里建一个查找表，用线性插值把任意原始值映射到实际电压。16 个通道存 16 组系数，每组 3 个点，内存占用很小，但校准效果立竿见影。

6.3 关于采样率、缓冲和后续扩展的收尾建议

很多人拿到这类型扩展方案后，第一反应是“能不能提高扫描速度”。CD74HC4067 本身开关速度是纳秒级的，瓶颈并不在芯片上，而在 ADC 采样建立时间上。如果确实要提速，有几个思路可以组合使用。

第一个思路是缩短信号源内阻。尽量降低每一个通道前端的串联电阻，信号源内阻从 10kΩ 降到 1kΩ，充电时间常数直接下降一个数量级。

第二个思路是在 COM 和 ADC 之间加一级运放缓冲。运放输入高阻，输出低阻，把 CD74HC4067 的 (R_{ON}) 和 ADC 采样电容隔离开，这样 ADC 采样时从运放输出端取电荷，运放输出端能提供足够大的电流，采样电容在极短时间内就能充满。这是所有方案里效果提升最大的一种，代价是增加一颗运放的成本。

第三个思路是并行使用两颗 CD74HC4067，分成两组各 8 路，分别接 ADC1 和 ADC2，用 DMA 同时采集两路。这样全通道扫描时间几乎减半，但软件复杂度会明显上升。

在我的实际项目里，最终是“CD74HC4067 + 运放缓冲 + 每路 5 次滤波 + 三点校准”的组合，16 路传感器数据全部稳定在 ±2mV 以内，对于电池电压、环境温度、位置电位器这类信号，精度完全够用。如果只是玩玩低速率采集，不追求极限精度，直接按本文的“断开-切地址-接通-延时-采样”流程，配合较长 ADC 采样周期，就已经能解决绝大多数问题了。