ESP32&Phyphox能直接测量负电压吗

ESP32&Phyphox能直接测量负电压吗

ESP32&Phyphox的电流、电阻以及其他一些物理的测量与表现，其实本质都是电压的测量，或者说是某一只引脚相对于地(GND)的电势的测量。所以只要能让Phyphox借助ESP32测量外部待测物理量转化后所对应的电压，这个物理实验就能进入Phyphox的范畴。

对断电自感及交变电流实验，电路元件上会出现电势由“左高右低”到“左低右高”的变换，ESP32要在一个时间里测量负电压。但是ESP32(以及Arduino等绝大部分的单片机)是不能直接测量负电压的，也就是某只引脚电压相对地为负，那么ESP32会将其处理为零。ESP32不主张这种做法——ESP32的一些引脚不允许有大的输入电流，可能会损坏开发板。

测量负电压较好的处理办法是，直接使用ADS1115，精度很高，结构简单，经济实惠。另一个办法是使用加法器，把待测电压和一个大一些的直流电压都输入放大器，之后再减去直流。可以用三极管搭，也可以找这种现成的功放板。这种小板子有很多卖的，可是ADS1115仍显得方便。

问题是，如果把原理极简化，只是针对中学生对象讲解中学物理实验，在稍稍提高一点分压电路的知识原理里面，是否有方案呢？确实是有的。我们把电压直接用ESP32的5V电压引出脚抬升起来就行了。电路图和在Multisim的仿真情况，如图1。

图1 电路图与仿真

R1、R2这两只分压电阻应该不能太大(我没有尝试其他值)，如果太大可能会使驱动电流过小，而造成在IO33引脚上测量的电压维持在VCC的5V上不变。

从原理上，有、，得到，显然测量范围可以在正、负5V之间。

现在，仍然用以前的Phyphox电压表来测量IO33上的电压。测一节干电池的负电压，如图2、图3。

图2 反接一节干电池，负压被抬升

图3 反接一节干电池，运算后的数值

接下来，直接把输入端短接，令输入电压为零，得到输出电压1.96V；用精度高一些的电压表测量干电池两端的电动势，1.60V，输入，得到输出电压1.10V。因为、是线性关系，计算得到。如图4。

图4 实测输入输出电压的换算关系

以下的事情我没做，但这必须是要做的。

我们用仿真做的东西，只是看看原理能不能过，而在真实的实验中，电阻的精度、接触电阻、电源的性能甚至导线的长短等，都会对测量结果产生一些影响。需要校准。象图5那样，直接找个双踪示波器，或者多路的数字万用表，直接把输入输出两个端子夹上，使出来微调偏压电阻等等手段，调整完毕，标上级别，这个ESP32就尽量别再动了，这样可以回避一些面包板上插孔松脱等问题。再到Phyphox Editor里面把界面整理整理，这个电压表，要比前面那些电压表完美一些，因为它能测负电压了。

图5 可测负电压电表的校准

刚接触ESP32的时候，买过的两块板，都是自带标准+5V输出的36引脚版本，近期才知道还有一种30引脚版本。本来以后30引脚的3V3引脚只能输出3.3V，结果测量之下，竟然输出的是5.0V！也是很有趣的现象。

本实验研究的电路实物图，如图6。

图6 可测负电压的ESP32&Phyphox电压表实物