官方文档-AVR121过采样提高AD精度.doc

AVR121: 使用过采样增加ADC精度 翻译：邵子扬 2006年4月13日 修订：邵子扬 2006年4月14日 shaoziyang@ 特点 ? 使用过采样增加精度 ? 平均和抽取 ? 平均采样减少噪声 1 介绍 Atmel的AVR单片机提供了10位精度的模拟到数字转换器。在大多数情况10位精度已经足够了，但是某些情况下需要更高的精度。特殊的信号处理技术可以用来提高测量的精度。使用一种称为“过采样和抽取”的方法可以得到较高的精度，不需要使用外部的ADC。 图 1-1. 增加分辨率 2 操作理论 在阅读这篇应用笔记其他部分之前，读者应当先阅读应用笔记AVR120 - ‘ADC校准’和AVR数据手册中ADC的部分。下面的例子和数字是计算单端输入的连续模式，ADC噪声减少模式没有使用。这个方法对其他模式也有效，尽管数字也许会不同。 ADC的参考电压和ADC的精度决定了ADC的步距。ADC的参考电压VREF可以选择使用AVCC，内部的2.56V / 1.1V参考电压，或者AREF引脚上的电压。较低的VREF提供了较高的电压精度但是同时减少了输入信号的动态范围。如果2.56V的VREF被选择，它将给用户大约2.5mV的转换精度，并且最高的输入电压是2.56V。选择使用ADC输入通道的增益，这使用户有更好的精度来测量模拟信号，代价是损失ADC的动态范围。如果不能接受以动态范围交换精度，可以采用过采样来增加精度。这个方法受到ADC的特性限制：使用过采样和抽取将降低ADC的量化误差，但是不能减少ADC的非线性化误差。 2.1 采样频率 Nyquist 定理规定信号的采样频率必需至少是信号频率的两倍，否则高频部分将有损失（Nyquist 频率。 公式 2-1. Nyquist 频率 f nyquist 2 f signal 这里 fsignal 是输入信号的最高频率，上面的采样频率 fnyquist 称为过采样。这个采样频率只是理论上的绝对最小频率，在实际中，用户通常希望尽可能高的采样频率，在时域中获得最好的效果。这样有人可能会说在大多数情况下输入信号已经是过采样了。 采样频率是CPU时钟的分频的结果，一个较低的分频系数给出较高的ADC时钟频率。在一个特定点，较高的ADC时钟将降低转换的精度，即有效数据位ENOB（Effective Number Of Bits）。所有的ADC都有带宽限制， AVR的ADC也不例外，按照数据手册的说法，要获得10位转换精度，ADC时钟频率大概在50kHz – 200kHz。当ADC时钟是200kHz时，采样频率大约是15kSPS（次每秒），可以采样信号的上限大约是~7.5kHz。按照数据手册，ADC时钟最高可以到1Mhz，尽管这将降低ENOB。 3 理论 3.1 过采样和抽取 ‘过采样和抽取’理论的背后是非常复杂的，但是的方法却是比较容易的。这个技术要求大量的采样，这些额外的采样完成信号过采样。每增加额外的一位精度，信号必需过采样4倍。频率和输入信号的关系在公式3-1中。为了尽可能最好的重现信号，这么多次的采样是必需的，因为大量的采样平均后可以更好的重现输入信号。这可以认为是这篇应用笔记的主要内容，下面的理论和例子用来进一步解释。 公式 3-1. 过采样频率 f oversampling = 4n fnyquis 3.2 噪声 为了使这个方法正常工作，信号成分在转换过程中不能发生变化。但是成功增加精度的另一个标准是输入信号在采样时有所变化。这看起来是矛盾的，因为信号的变化意味着较少有效的LSB，变化的信号可以看成是信号的噪声成分。在信号过采样时，噪声使信号产生微小的变化。ADC的量化误差一般至少是0.5LSB，因此噪声幅度超过0.5 LSB就改变了LSB。噪声幅度有1-2 LSB时更好，因为可以保证几次采样不会总是相同的值。 使用抽取技术时，噪声的标准： 信号成分在转换时不能变化。 信号上有一定的噪声。 噪声的幅度至少有1 LSB。 通常AD转换时有一定的噪声，噪声可能是热噪声、CPU的核心产生的噪声、I/O端口切换带来的噪声、电源变化引起的噪声（特别是开关电源）等等。这些噪声在大多数情况下可以使这个方法正常工作了，但是在特殊情况下，需要引入噪声到输入信号，这个方法叫抖动。图 3-1 (a)展示了测量电压信号的在两档之间时，简单将4次采样结果平均没有太大作用，结果可能是同样的数字，它只能消除信号的波动。图3-1 (b) 显示添加人工噪声到输入信号后，改变了转换结果的LSB。添加4次采样同样的采样步骤，产生的结果给出更好的精度，如图3-1 (c) 所示，ADC的“虚拟精度”从10位增加到11位。这个方法就是抽取，在3-3小节会进一步讲解。 图 3-1. 精度从10位增加11位 另外使用这个方法的理由是可以