我們是否曾經(jīng)為我們的應(yīng)用找到了模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC),后來意識到我們需要更高的有效分辨率?如果我們的系統(tǒng)中有噪聲,或者會給我們的 ADC 輸入信號添加噪聲,那么我們可能會走運。對信號進(jìn)行過采樣可以增加 ADC 的有效位數(shù) (ENOB) 分辨率,但這需要存在噪聲。但是,在某些情況下,我們可以有意在信號中添加噪聲以啟用過采樣。
雖然ADC看起來非常簡單,但它們必須正確使用才能獲得最優(yōu)的性能。ADC具有與簡單模擬放大器相同的性能限制,比如有限增益、偏置電壓、共模輸入電壓限制和諧波失真等。ADC的采樣特性需要我們更多地考慮時鐘抖動和混疊。以下一些方法有助于工程師在設(shè)計中充分發(fā)揮ADC的全部性能。
要認(rèn)真對待ADC的模擬輸入信號,盡量使它保持干凈,“無用輸入”通常會導(dǎo)致“數(shù)字化的無用輸出”。模擬信號路徑應(yīng)遠(yuǎn)離任何快速開關(guān)的數(shù)字信號線,以防止噪聲從這些數(shù)字信號線耦合進(jìn)模擬路徑。
雖然簡化框圖給出的是單端模擬輸入,但在高性能ADC上經(jīng)常使用差分模擬輸入。差分驅(qū)動ADC可以提供更強的共模噪聲抑制性能,由于有更小的片上信號擺幅,因此一般也能獲得更好的交流性能。差分驅(qū)動一般使用差分放大器或變壓器實現(xiàn)。變壓器可以提供比放大器更好的性能,因為有源放大器會帶來影響總體性能的額外噪聲源。但是,如果需要處理的信號含有直流成份,具有隔直流特性的變壓器就不能用。在設(shè)計預(yù)驅(qū)動電路時必須考慮驅(qū)動放大器的噪聲和線性性能。需要注意的是,因為高性能ADC通常有非常高的輸入帶寬,因此在ADC輸入引腳處直接濾波可以減少混入基帶的寬帶噪聲數(shù)量。
過采樣意味著以高于奈奎斯特速率的采樣,這是信號最大頻率分量的兩倍。通常在過采樣之后進(jìn)行平均或低通濾波器,然后進(jìn)行抽取。過采樣可以提高有效的 ADC 分辨率。對于所需的每一位額外分辨率,我們必須過采樣四倍。見公式 1:
其中 b 是額外有效位數(shù),F(xiàn)Nyquist 是奈奎斯特頻率。
關(guān)鍵是知道什么時候可以過采樣。
一些 ADC 具有內(nèi)置的硬件過采樣模式,可以平均轉(zhuǎn)換后的輸出;請參見圖 1,選項 A。在具有集成 ADC 的微控制器 (MCU) 上,我們還可以利用軟件來實現(xiàn)過采樣(有關(guān)更多詳細(xì)信息和訪問代碼的鏈接,請參見應(yīng)用說明“用于更高分辨率的 MSP ADC 的通用過采樣”示例項目)。在軟件過采樣中,MCU 執(zhí)行后處理(包括后平均),或使用低通濾波器和抽取。低通濾波器需要更多的處理帶寬(和功率),但會去除帶外噪聲以獲得更好的性能。
圖 1:過采樣方法信號流程圖
以 MSP432P401R MCU 為例:該微控制器包含一個集成的 1 MSPS 精密 ADC。要將 ADC 的 13.2 ENOB 分辨率提高到 20 kHz 信號的 14.2 位,必須至少以奈奎斯特速率 (40 kHz) 的四倍(即 160 kHz)對其進(jìn)行采樣。要從 13.2 位變?yōu)?15.2 位,必須以至少 4 2 = 16 倍奈奎斯特速率(即 640 kHz)對其進(jìn)行采樣(對于 sigma delta ADC,60 kHz 不一定與時鐘速率相同)。
圖 2 顯示了具有過采樣功能的 MSP432P401R MCU 的精密 ADC 的性能。請注意,當(dāng)輸入信號的頻率為 20 kHz 時,性能在過采樣率 (OSR) 為 32 時停止改進(jìn)。這是因為 ADC 的最大采樣頻率為 1 Msps,并且由于轉(zhuǎn)換器為 1 MSPS,因此信號的最大值可以將 OSR 設(shè)置為 32,以增加 ENOB 為 15.625 kHz(基于公式 1)。
圖 2:具有不同過采樣率的 MSP432P401R MCU ADC 性能
回到“關(guān)鍵是知道何時可以過采樣”,這就是噪聲是提高 ADC 有效分辨率的秘訣所在。以下是過采樣有效提高分辨率的一些高級要求:
· 系統(tǒng)上的噪聲應(yīng)該足夠大,以在連續(xù)的 ADC 轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生差異。該噪聲可以是輸入噪聲或轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的噪聲(量化加熱噪聲)。
· 如果我們不使用抽取濾波器,則噪聲應(yīng)該是白色的。
· 帶限的非平穩(wěn)信號從過采樣中受益更多。
如果信號沒有足夠的噪聲,可以通過過采樣添加帶外噪聲以獲得更好的性能,然后過濾掉添加的噪聲。
請記住有關(guān)過采樣的以下幾點:
· 轉(zhuǎn)換器采樣率必須大于最大信號頻率的兩倍。
· 過采樣會增加功率,因此僅在必要時使用它——并且僅在必要的程度上使用。
· 過采樣并不像擁有一個具有所需 ENOB 分辨率并直接輸出結(jié)果的 ADC 那樣簡單。過采樣需要在 ADC 結(jié)果之后進(jìn)行額外處理。
· 我們將需要在軟件中進(jìn)行額外的后處理。預(yù)先驗證的軟件與MSP432? MCU等高性能中央處理器 (CPU) 相結(jié)合,可幫助我們快速實施過采樣 ADC 解決方案。