基于过采样技术提高ADC分辨率的研究与实现.docVIP

基于过采样技术提高ADC分辨率的研究与实现.doc

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基于过采样技术提高ADC分辨率的研究与实现 默认分类 ??2009-09-05 17:07 ??阅读2???评论0 字号: 大大? 中中? 小小 很多应用场合需要使用模/数转换器ADC 进行参数测量,这些应用所需要的分辨率取决于信号的动态范围、必须测量的参数的最小变化和信噪比SNR。许多系统中既有很宽的动态范围又要求测量出参数的微小变化,因此就必须使用高分辨率的ADC。然而,高分辨率的ADC 器件价格昂贵,若使用价格相对低廉的具有较低分辨率的ADC 器件,通过一些技术也达到较高的分辨率,则在工程应用中是非常受欢迎的。过采样技术就可以提高模数转换的分辨率而实现该目的。 1 基本原理 ??? ADC 转换时可能引入很多种噪声,例如热噪声、杂色噪声、电源电压变化、参考电压变化、由采样时钟抖动引起的相位噪声以及由量化误差引起的量化噪声。有很多技术可用于减小噪声,例如精心设计电路板和在参考电压信号线上加旁路电容等,但是ADC 总是存在量化噪声的,所以一个给定位数的数据转换器的最大SNR 由量化噪声定义。在一定条件下过采样和求均值会减小噪声和改善SNR,这将有效地提高测量分辨率。过采样指对某个待测参数,进行多次采样,得到一组样本,然后对这些样本累计求和并对这些样本进行均值滤波、减小噪声而得到一个采样结果。 ??? 由奈奎斯特定理知:采样频率fs 允许重建位于采样频率一半以内的有用信号,如果采样频率为40kHz,则频率低于20kHz 的信号可以被可靠地重建和分析。与输入信号一起,会有噪声信号混叠在有用的测量频带内(小于fs/2 的频率成分): ? erms 是平均噪声功率,fs 是采样频率,E(f)是带内ESD。 ??? 方程1 说明信号频带内的噪声能量谱密度ESD或被采样噪声的噪声平面随采样频率的增加而降低。 方程2 相邻ADC 码之间的距离或LSB。 ??? 为了说明过采样对噪声的影响,先定义量化噪声为:两个相邻ADC 码之间的距离对应的电压值。因为ADC 会舍入到最近的量化水平或ADC 码,所以 ? N 是ADC 码的位数, Vref是参考电压。 量化误差为(eq): ? 方程3 ADC 量化噪声的功率 ??? 假设噪声近似为白噪声,代表噪声的随机变量在ADC 码之间分布的平均值为0,则方差为平均噪声功率,计算如下: ? 方程4 过采样率定义。 ??? 用过采样率OSR 来表示采样频率与奈奎斯特频率之间关系: ? fs 是采样频率,fm 是输入信号的最高频率。 方程5 带内噪声功率是OSR 的函数。 ??? 如果噪声为白噪声则低通滤波器(对样本求均值)输出带内噪声功率为: ? n0 是滤波器的输出噪声功率。 ??? 方程5 说明,我们可以通过提高OSR 来减小带内噪声功率。由于过采样和求均值并不影响信号功率,即信号功率没有减小,而带内噪声功率却降低,显然信号的信噪比SNR就得到了提高,也就等效于ADC 的分辨率得到了提高。 方程6 噪声功率是OSR 和分辨率的函数。 ??? 可以从方程3、4 和5 得到下面这个反映噪声功率与过采样率和分辨率关系的表达式: ? OSR 是过采样率,N 是ADC 的位数,Vref是参考电压。 ??? 反过来给定一个固定的噪声功率,可以计算所需要的位数,解方程6 求N,得到用给定的参考电压、带内噪声功率及过采样率来计算有效位数。 方程7 有效位数是参考电压带内噪声功率和过采样率的函数。 ? 从方程7 可以注意到:采样频率每增加1 倍,带内噪声将减小3 dB,而测量分辨率将增加1/2 位。 2 提高ADC 测量分辨率的示例 ??? 在实际应用中将一个信号的带宽限制到小于fs/2,然后以某个过采样率OSR 对该信号采样,再对采样值求平均值得到结果输出数据。每增加一位分辨率或每减小6dB 的噪声,需要以4 倍的采样频率fs 进行过采样。 fos=4w*fs w 是希望增加的分辨率位数,fs 是初始采样频率要求,fos是过采样频率。 方程8 增加测量分辨率的过采样频率 ??? 假设一个系统使用12 位的ADC,每秒输出一个温度值(1Hz),为了将测量分辨率增加到16 位,按下式计算过采样频率: fos=44*1(Hz)=256(Hz)。 ??? 因此,如果以fos=256Hz 的采样频率对温度传感器进行过采样,在所要求的采样周期内收集到足够的样本,对这些样本求均值便可得到16 位的输出数据。为此,先累加将256个连续样本加在一起,然后将总和除以256,这样的过程通常被称为抽取。 ??? 图1 是软件关键流程。 ? 图1 一次过采样流程 ??? 假设某温度传感器的满度输出为10V,使用10V 的参考电压Vref ,温度的变化范围为500。可以计算对于12 位和16 位测量的代码宽度和温度分辨率(可测量的最小温度变化)

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