利用过采样技术提高ADC测量分辨率

时间：2025-07-06

过采样文章

嵌入式技术刘青兰等:利用过采样技术提高ADC

测量分辨率

利用过采样技术提高ADC测量分辨率

刘青兰,方志刚,邵志学

(解放军理工大学工程兵工程学院　江苏南京　210007)

摘　要:针对目前单片机内嵌ADC分辨率较低,而外接高分辨率ADC,“过采样”技术使在有用的测量频带内的信噪比得到改善,从而提高ADC测量辨率结论进行仿真,且在

TMS320LF2407DSP上予以实现,关键词:过采样;模/数转换器;数据采集;中图分类号:TP274:10042373X(2007)122074203

theResolutionofADCbyOver2sampling

LIUQinglan,FANGZhigang,SHAOZhixue

(EngineeringInstituteofEngineeringCorps,PLAUniversityofScience&Technology,Nanjing,210007,China)

Abstract:DuetolowresolutionofADCinthepresentMCUandhighcostifADCofhighresolutionisused,theover-samplingtechnologyisgiventoimprovethesignalnoiserateintheusefulmeasuringfrequencyconsequentlytheresolutionofADCisincreased.ThesimulationofresultsismadebyMatlabandanimplementationisalsodoneinaTMS320LF2407DSP,andtheresultshowsthatSNRandmeasuringresolutionisobviouslyimproved.

Keywords:over2sampling;analogtodigitalconverter;dataacquisition;DSP

1　引　言

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[1]。

TMS320LF2407内嵌10位ADC,难以满足数字信号处理

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会减小噪声和改善

SNR,有效地提高测量分辨率。过采样是指对某个待测参

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[1]。图1

为过采样测量系统的原理图。

中高分辨率测量的要求。因此,在实际应用中,很多系统会使用较高分辨率的片外ADC,如12位ADC、16位

ADC。这样做虽然能达到目的,但大大增加了成本也降低

了系统的可靠性。若能使用片内具有较低分辨率的ADC器件,通过一些技术措施也达到需要的分辨率,这样既节约了成本又节省了电路板空间,在工程应用中将是非常受欢迎的。本文旨在通过对过采样技术的分析,使用这一技术手段提高TMS320LF2407片内ADC的信噪比和分辨率,在不使用昂贵片外ADC的情况下同样获得较高测量分辨率。

2　过采样技术提高ADC测量分辨率的原理

ADC转换时可能引入很多种噪声,例如热噪声、杂色

图1　过采样测量系统的原理图

2.1　带内噪声分析

根据奈奎斯特定理,被测信号的频带宽度如果在采样频率fs的一半以内,则该信号可以被重建。例如:采样频率为10kHz,则频率低于5kHz的被测信号可以被可靠地重建和分析。与输入信号一起还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)。通过数学手段,以白噪声的数学模型近似地描述实际信号中的噪声,则信号频带内的噪声能量谱密度可以表示为:

E(f)=erms3(

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等。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

收稿日期:2006210225

)1/2

(1)

其中:erms为平均噪声功率;fs为采样频率;E(f)为带内能量谱密度。

过采样文章

《现代电子技术》2007年第12期总第251期

式(1)描述了信号频带内的噪声能量谱密度随采样频率的增加而降低。在实际应用的ADC变换器中,转换结果中两个相邻ADC码之间的距离决定量化误差的大小。如果N为一单极性ADC的位数,Vref为参考电压,则量化误差可以表示为:

|eq|≤

SNR=20lg

=20lg