如何使用運算放大器提升 FSR 訊號穩定性

問題出在哪裡?

在分壓電路中使用力敏電阻 (FSR) 時，可能會發現類比訊號會有些微跳動，特別是在施力很小的時候，或是當感測器與主控板之間有較長的導線時，這些波動會讓你很難得到穩定的測量結果。

問題通常源自於 類比輸入端的負載效應（loading effect），也就是 Arduino 的類比輸入腳位在讀取電壓時，會影響整體電路的電壓穩定性。一個簡單的解決方法是添加一個類似運算放大器的緩衝運算放大器

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什麼是緩衝器（Buffer）？為什麼要使用它?

緩衝器（Buffer），又稱為 電壓跟隨器（Voltage Follower），是一種讓「輸出電壓與輸入電壓完全一致」的電路。雖然它不會放大訊號，但可以有效隔離前後電路之間的干擾。

使用緩衝器的好處包括:

• 避免輸入負載造成訊號失真
• 降低雜訊與跳動（jitte）
• 穩定低力道範圍的讀值
• 提升多感測器系統的整體準確度

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電路圖：FSR + 運算放大器緩衝器

您的 FSR 分壓器基本上保持不變。以下是運算放大器的接線方法:

  +5V
   |
  [FSR]
   |
   +----> Point A ----> op-amp non-inverting input (+)
   |
 [10kΩ resistor]
   |
  GND

op-amp wiring:
- +IN → Point A (divider output)
- −IN → op-amp output (feedback loop)
- OUT → Arduino A0
- VCC → 5V
- GND → Ground

這樣的接法會形成一個「電壓跟隨器（Voltage Follower）」電路，使用運算放大器的一個通道即可。

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Arduino程式碼範例 + 阻值計算公式

當接好電路後，Arduino 的程式碼依然非常簡單:

const int fsrPin = A0;
const float Vcc = 5.0;
const float R_fixed = 10000.0; // 10kΩ

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int val = analogRead(fsrPin);
  float voltage = val * Vcc / 1024.0;
  Serial.print("FSR Voltage: ");
  Serial.println(voltage, 2);

  // Calculate FSR resistance using voltage divider formula
  if (voltage > 0.01) { // Avoid division by zero
    float fsrResistance = (Vcc - voltage) * R_fixed / voltage;
    Serial.print("FSR Resistance: ");
    Serial.print(fsrResistance);
    Serial.println(" ohms");
  }
  else {
    Serial.println("FSR Resistance: Infinite (no pressure)");
  }

  delay(500);
}

這段程式會同時列印電壓值與計算出來的 FSR 阻值，讓你能更深入觀察 FSR 在不同壓力下的反應行為。

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建議元件選擇

電阻 (R_fixed):

• 10kΩ →一般用途（預設推薦值）
• 2.2kΩ → 適合感測較大力道（壓一下就變化大）
• 47kΩ → 適合感測輕觸動作（小壓力也有變化）

運算放大器:

• 建議使用雙通道、5V 單電源供應的運算放大器
• 優點：價格便宜、容易取得、適用於 Arduino 或其他微控制器

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什麼時候該用 Op-Amp 緩衝器?

如果你遇到以下狀況，建議加入運算放大器緩衝器來提升整體效能與穩定性:

• FSR讀值波動太大
• 需要更穩定的壓力偵測結果
• 打算擴展成多感測器統
• 希望提升低力道的解析度

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結論

在 FSR 電路中加入一顆運算放大器作為電壓緩衝器，是一種簡單又具成本效益的升級方式。它能穩定電壓分壓器的輸出，同時隔離後級電路造成的干擾，讓你取得更穩定、準確的類比讀值。

無論你是在打造原型、優化商用產品，或只是想提升量測品質，加入 Buffer 都是值得的改善。這個看似微小的調整，往往能大幅改善 FSR 在實際應用中的表現。