在精密數據采集係統中

，信噪比(SNR)和有效位數(ENOB)越高
，係統在有寬帶噪聲的情況下測量信號的性能就越好。

 

噪聲會降低係統性能。降低噪聲的方法包括：用分辨率更高的ADC（例如Σ-Δ ADC或SAR ADC）替換該係統，或者進行過采樣並使用數字濾波技術。

 

過采樣技術在Σ-Δ ADC架構設計中有很長的曆史。Σ-Δ ADC由Σ調製器和隨後的數字信號算法模塊（或數字濾波器）構成。Σ調tiao製zhi器qi可ke以yi小xiao至zhi一yi位wei量liang化hua器qi，用yong以yi采cai集ji成cheng千qian上shang萬wan的de樣yang本ben
，然ran後hou對dui這zhe些xie樣yang本ben進jin行xing抽chou取qu以yi實shi現xian高gao分fen辨bian率lv轉zhuan換huan結jie果guo。參can與yu平ping均jun的de樣yang本ben越yue多duo，可ke獲huo得de的de分fen辨bian率lv越yue高gao
，因yin而er轉zhuan換huan結jie果guo越yue接jie近jin於yu采cai樣yang值zhi。常chang見jian的deΣ-Δ應用有溫度監視和電子秤測量係統。

 

Σ-Δ ADC架構依賴於以比目標帶寬高得多的速率對較小電荷進行采樣。它采集的樣本更多，但每次獲取的電荷更小。典型Σ-Δ ADC的過采樣範圍介於目標信號的32倍至1000倍之間。過采樣與噪聲整形（調製方案）相(xiang)結(jie)合(he)的(de)結(jie)果(guo)將(jiang)帶(dai)內(nei)噪(zao)聲(sheng)移(yi)到(dao)目(mu)標(biao)帶(dai)寬(kuan)之(zhi)外(wai)。移(yi)至(zhi)更(geng)高(gao)帶(dai)寬(kuan)的(de)噪(zao)聲(sheng)隨(sui)後(hou)通(tong)過(guo)數(shu)字(zi)濾(lv)波(bo)濾(lv)除(chu)。結(jie)果(guo)是(shi)目(mu)標(biao)帶(dai)寬(kuan)中(zhong)的(de)噪(zao)聲(sheng)更(geng)低(di)且(qie)分(fen)辨(bian)率(lv)更(geng)高(gao)。Σ-Δ ADC的每次轉換結果都是較小但更頻繁的采樣事件所產生的。

 

SAR ADC利用逐次逼近來確定結果。SAR ADC通過逐步方法來確定數字表示的每個比特在單個采樣瞬間是什麼。SAR采樣電荷再分配電容和數模轉換器(DAC)陣列。采樣數據與每個二進製加權電容陣列進行比較。二進製加權電容的總數決定了SAR ADC的位數或分辨率。轉換過程由高速內部時鍾和容性DAC陣列控製，能夠快速轉換變化的信號。SAR ADC用於需要寬帶寬的數據采集係統。

 

SAR ADC通常轉換單個時刻，以提供與特定時刻有關的數字答案。過采樣的使用隨著更快速SAR轉換器的出現而增加，目的是提高關鍵目標帶寬的分辨率。在當今使用過采樣技術的SAR ADC中，該技術常常是通過微控製器或現場可編程門陣列(FPGA)上的後處理執行的。ADI公司則在其SAR ADC係列中內置了過采樣特性。這種過采樣特性能夠提高噪聲性能，簡化接口要求
，並允許用戶直接使用，而無需對FPGA或微控製器進行設計並執行需要消耗大量資源的均值計算。過采樣特性還能在可管理的數據速率下盡可能提高數據處理性能。

 

表1.ADI公司雙通道、同步采樣SAR ADC係列

 

過采樣

 

在模數轉換期間，模擬信號由ADC數shu字zi化hua。與yu非fei過guo采cai樣yang解jie決jue方fang案an相xiang比bi
，過guo采cai樣yang通tong過guo對dui模mo擬ni信xin號hao進jin行xing采cai樣yang
，並bing以yi遠yuan高gao於yu所suo需xu速su率lv的de方fang式shi對dui該gai信xin號hao進jin行xing數shu字zi轉zhuan換huan來lai提ti高gao數shu字zi化hua信xin號hao的de有you效xiao分fen辨bian率lv。過guo采cai樣yang允yun許xu用yong戶hu在zai更geng寬kuan的de帶dai寬kuan內nei對dui轉zhuan換huan器qi噪zao聲sheng進jin行xing平ping均jun，從cong而er消xiao除chu噪zao聲sheng。對dui於yu不bu相xiang關guan
、寬帶（白）和零(0)均值的噪聲，當平均和/或濾波到特定帶寬時

，每2倍過采樣，噪聲就會降低√2倍或3 dB。其他頻譜內容（例如相關噪聲或諧波）不會因平均而降低。圖1顯示了一個ADC的噪聲水平（深灰色）
，噪聲來源有多個，包括量化噪聲
、熱噪聲和外部噪聲（例如驅動器、時鍾和基準電壓源），分布在奈奎斯特帶寬上。

 

圖1.平均濾波後的噪聲

 

根據奈奎斯特理論(f_SAMPLING ≥ (2 × f_IN))，weilezhunquezhonggouxinhao

，bixuyizhishaoliangbeiyumubiaozuidapinlvdesulvduishuruxinhaojinxingcaiyang。weishiguocaiyangfasheng
，yeyaozunxuntongyangdebiaozhun。guocaiyanghuijiangdixinhaodezaosheng，daozhixitongSNR增加，從而分辨率得以提高（假設沒有明顯的失真成分）。

 

過采樣是一種數字信號處理技術，采集樣本後取其平均值。數據樣本平均類似低通濾波器。

 

ADI公司的AD7380係列是同步采樣SAR ADC係列
，能夠進行片內過采樣。該SAR ADC係列可以執行兩種過采樣技術：正常平均和滾動平均。

 

正常平均過采樣

 

在正常平均過采樣中
，平均算法實現為簡單平均：將M個樣本加在一起，然後將所得的和除以M。在這種方法中，對每個平均結果都會采集一個新的M樣本集。

 

表2給出了算法工作原理的一般表示。在此示例中
，數據有12個樣本。當M = 2時，參與平均的樣本數為2

，每兩個樣本產生一個新的輸出，因此速率為有效采樣速率的一半。結果為樣本1和樣本2
、樣本3和樣本4的平均值
，依此類推。

 

表2.正常平均示例

 

類似地，應用平均係數M = 4時，對第一組四個樣本進行平均
，然後對下一組四個樣本（樣本5至樣本8）進行平均。簡化的正常平均公式為：

 

 

其中：

 

為M個樣本的平均值。

M為參與平均的樣本數。

S_i為第n個采樣值。

 

在AD7380 SAR ADC係列中，正常平均過采樣是在芯片內實現
，最多可以收集32個平均樣本。隻要使能此技術，AD7380就會自動采集M個轉換樣本，然後輸出平均轉換結果。轉換結果是否可獲得取決於所采集的M個樣本，後者由AD7380係列的CONFIGURATION1寄存器中OSR位的過采樣率設置。當M個樣本轉換完成時

，可讀取結果。

 

圖2顯示了AD7380如何執行該算法。此示例假定M = 8
，即過采樣率(OSR)為8，因此要收集八個樣本並進行平均。當內部啟動轉換時
，AD7380執行一係列轉換和采集過程
，直到完成所需的樣本數(M)。然後，對捕獲的數據執行平均處理。此過程會引入一定的處理延遲
，如圖2所示。平均結果在T1處獲得
，並通過SDOx引腳輸出。此刻，新的平均操作開始
，導致發生新的轉換突發事件，以再采集M個樣本。圖2顯示，應用此技術會降低采樣係統的有效ODR。ODR降幅與樣本數(M)或OSR增幅成反比。對於要求更優性能但可接受較慢ODR的應用，建議使用正常平均過采樣方法。

 

圖2.正常平均過采樣操作

 

滾動平均過采樣

 

滾動平均過采樣技術使用緩衝區來存儲樣本以執行平均過程。滾動平均算法選擇緩衝區中存儲的最新M個樣本，然後將所得之和除以M。在數字設計中，緩衝區需要額外的空間來創建額外的存儲區。在滾動平均過采樣技術中，小型ADC的緩衝存儲容量有限，采用先進先出(FIFO)算法。當緩衝區已滿且有新的樣本可用時

，緩衝區中最早的數據會被丟棄，如圖3所示。使用前麵的示例采樣數據，前八個采樣結果填充FIFO緩衝區（S1至S8）。當出現新的樣本數據(S9)時，S1從緩衝區中移出，S9插入緩衝區中。此過程隨著新樣本存儲在緩衝區中而重複執行。

 

如前所述
，滾動平均過采樣技術將最新的M個樣本相加，並將總和除以M來計算平均值。在圖3所示的例子中，M = 4
，該算法將FIFO緩衝區中的四個樣本B1至B4（這是最新的四個樣本）相加
，然後除以4。在下一次平均期間，相同的FIFO緩衝位置參與平均

，但這些緩衝區中的內容會改變。在M = 8的情況下
，FIFO緩衝區中的所有樣本都包含在求和運算中，然後除以8。

 

要使能AD7380係列中的滾動平均過采樣，須將OS_MODE位設置為邏輯1
，並且CONFIGURATION1寄存器的OSR位須為一個有效的非零值，以在FIFO緩衝區中存儲最多8個樣本。轉換發生後，FIFO緩衝區將立即更新。使能滾動平均過采樣後，其算法會從FIFO緩衝區中收集最新的M個樣本
，再除以M，其中M為OSR。然後
，平均結果通過AD7380的SDOx引腳輸出。

 

圖4顯示，隻要緩衝區中有所需數量的樣本（此例中M = 8），隨後的轉換周期就會提供過采樣結果。因此
，輸出數據速率(ODR)會更快
，哪怕M（樣本數）增加。滾動平均過采樣技術在需要高ODR和高性能的應用中很有用。這項技術可實現的性能提升受可用緩衝存儲空間的限製。簡化的滾動平均公式為：

 

 

其中：

 

為M個樣本的平均值。

M為參與平均的樣本數。

B_i為特定緩衝位置的樣本。

 

圖3.滾動平均過采樣緩衝區示例

 

圖4.滾動平均過采樣操作

 

過采樣的優勢

 

改善噪聲

 

利用過采樣，ADC可ke以yi實shi現xian更geng高gao的de動dong態tai範fan圍wei。過guo采cai樣yang的de工gong作zuo原yuan理li是shi假jia設she噪zao聲sheng源yuan不bu相xiang關guan且qie均jun值zhi為wei零ling，這zhe是shi因yin為wei樣yang本ben將jiang白bai噪zao聲sheng視shi為wei頻pin譜pu中zhong均jun勻yun分fen布bu的de噪zao聲sheng，或huo者zhe將jiang以yi相xiang鄰lin代dai碼ma為wei中zhong心xin的de高gao斯si噪zao聲sheng分fen布bu視shi為wei可ke通tong過guo平ping均jun來lai降jiang低di的de信xin號hao。

 

圖5是使用AD7380所生成的快速傅立葉變換(FFT)曲線示例，分兩種情況：無過采樣和應用滾動平均過采樣

，OSR = 8。

 

圖5.利用AD7380改善噪聲

 

可以看到，本底噪聲有顯著改善，這與SNR的增加是一致的（參見圖6）。在此例中，在使能正常平均過采樣和滾動平均過采樣的情況下
，SNR分別提高到96 dB和95 dB。

 

圖6.AD7380 SNR與過采樣率的關係

 

要評估應用過采樣技術所獲得的SNR改善情況，請使用以下公式：

 

 

其中：

 

N為ADC分辨率。

fs為采樣頻率。

BW為目標帶寬。

10log(f_S/(2 × BW))為過程增益。

f_S/(2 × BW)為采樣比或奈奎斯特比率。

 

請注意，其中包括了處理增益，以考慮在2 × BW之外采樣的額外過采樣過程。在下式中，將采樣頻率提高k倍（其中k是參與平均的樣本數或過采樣率），會導致SNR提高。

 

過采樣 = k × (f_S/(2 × BW))

 

理想情況下，k的值加倍會使SNR提高3 dB。

 

表3和表4詳細說明了在不同的過采樣率下，典型的正常和滾動平均過采樣對SNR的影響。隨著過采樣率的增加，SNR也會提高。

 

表3.AD7380正常平均過采樣的典型SNR性能

 

 

表4.AD7380滾動平均過采樣的典型SNR性能

 

兩種平均技術在AD7380係xi列lie產chan品pin中zhong均jun可ke使shi用yong。每mei種zhong技ji術shu有you其qi適shi合he的de一yi係xi列lie應ying用yong。不bu過guo
，每mei種zhong技ji術shu有you其qi自zi己ji的de特te點dian，具ju體ti應ying用yong必bi須xu考kao慮lv這zhe些xie特te點dian。正zheng常chang平ping均jun過guo采cai樣yang技ji術shu有you如ru下xia特te點dian：

 

●    性能更優，因為此技術對額外數據進行采樣以求平均。

●    ODR較慢，因為樣本數或OSR增加
，使得應用可以使用較低的SCLK頻率，從而降低總成本。

●    信號帶寬明顯小於轉換速率（參見圖7）。請注意

，帶寬限製類似於一個有效低通濾波器。

 

圖7.SNR與輸入頻率的關係
，過采樣頻率響應

 

滾動平均過采樣技術有如下特點：

 

●    采樣速率可以變化，由應用通過引腳進行控製。

●    最高4 MSPS的快速采樣速率。

●    由於緩衝區限製
，參與平均的樣本數以8為限。

●    信號帶寬更寬（參見圖7）。

 

分辨率更高(N)

 

如前所述，兩種過采樣技術均能顯著改善性能。使用以下公式，SNR受限於ADC的N分辨率。

 

使用下式計算N：

 

 

給定理想16位ADC，計算SNR，可獲得的最大SNR為98 dB。

 

 

SNR的最大改善幅度受ADC位數的限製，如圖6所示
，當過采樣率大於8時
，SNR性能幾乎沒有提高。要獲得過采樣的好處，必須提高N分辨率
，這就是AD7380分辨率提升特性的重要意義。

 

提升分辨率

 

即使有限製，AD7380係列也可以通過過采樣有效提高分辨率，從而擴展可實現的SNR。要使能片內提升分辨率特性，須寫入CONFIGRATION1寄存器的RES位（位2）。

 

要了解過采樣如何提高SNR，請使用前麵的公式計算17位ADC的SNR。結果是SNR為104.1 dB。

 

將此值代入SNR公式可得出將分辨率提高1位所需的過采樣係數k。

 

 

為了將分辨率提高1位
，ADC過采樣率必須至少為4。下式為提高分辨率所需的過采樣係數計算公式：

 

過采樣 = 4x × (f_S/(2 × BW))

 

其中x為額外分辨率。表5總結了不同過采樣率下的分辨率提高情況。

 

表5.不同過采樣率下的分辨率提高情況

 

圖8顯示了使能分辨率提升特性時AD7380的SNR性能。實現的SNR性能超過100 dB。額外的2位分辨率提升改善了量化噪聲，導致SNR提高。分辨率提升是一種提高係統動態範圍而無需增加2位分辨率的成本的方法。此特性的缺點在於，串行端口接口(SPI) SCLK需要提供額外的2個時鍾周期來輸出平均轉換結果。

 

圖8.使能AD7380分辨率提升特性後SNR與過采樣率的關係

 

應用示例

 

dianjikongzhiyingyongliyongguangxuebianmaqilaizhunqueceliangweizhi。liru
，bianmaqidezhengxianheyuxianshuchujinxingchazhi，bingqiebixutongshibuhuo。duiyucileiyingyong

，jianyishiyongtongbucaiyangSAR ADC，例如高吞吐速率AD7380。角位置θ由you捕bu獲huo的de正zheng弦xian和he餘yu弦xian信xin號hao的de反fan正zheng切qie值zhi獲huo得de。當dang這zhe些xie信xin號hao是shi理li想xiang信xin號hao時shi，結jie果guo是shi準zhun確que的de。在zai實shi際ji應ying用yong中zhong
，這zhe些xie信xin號hao會hui受shou到dao噪zao聲sheng的de影ying響xiang
，導dao致zhi讀du數shu錯cuo誤wu。這zhe些xie偏pian差cha會hui導dao致zhi編bian碼ma器qi的de角jiao位wei置zhi出chu現xian誤wu差cha。

 

需要高編碼器精度的一個例子是當電機以較低速度運行時
，即電機開始減速
，然後到達目標位置的情況。使用AD7380depianneiguocaiyangjishukeduizhengxianheyuxianxinhaojinxingshuzilvbo，congershixiangaodongtaifanwei。zengqiangdezhengxianheyuxianzhuanhuandaozhijiaoweizhijingdugenggao，zhezaihenduoyingyongzhongshibixude，lirujiangweixingyuanqijiananzhuangdaoyinshuadianluban(PCB)的取放機器，或工業機械中用於運輸和移動載荷到特定位置的機械臂。

 

結論

 

過采樣是一種數據處理技術，可使ADC提供準確轉換結果。SAR ADC過去在通過微控製器、DSP或FPGA進行的後處理中使用了這種技術。ADI公司的高速SAR ADC係列

，例如AD7380，已將此功能集成到兩種片內過采樣技術中，即正常平均和滾動平均。通過SDOx引腳可以直接而快速地獲得平均轉換結果
，成效顯著，並立即體現在ADC參數中，例如SNR和全動態範圍。

 

正(zheng)常(chang)平(ping)均(jun)過(guo)采(cai)樣(yang)技(ji)術(shu)適(shi)合(he)於(yu)要(yao)求(qiu)更(geng)高(gao)性(xing)能(neng)且(qie)能(neng)接(jie)受(shou)較(jiao)低(di)時(shi)鍾(zhong)速(su)度(du)和(he)輸(shu)出(chu)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)的(de)應(ying)用(yong)。滾(gun)動(dong)平(ping)均(jun)過(guo)采(cai)樣(yang)技(ji)術(shu)適(shi)合(he)於(yu)需(xu)要(yao)速(su)度(du)和(he)性(xing)能(neng)的(de)應(ying)用(yong)。

 

增加分辨率可進一步提高過采樣性能。請注意

，結合所討論的兩種過采樣技術
，利用AD7380係列的分辨率提升特性可以直接添加額外的2位分辨率。AD7380係列是高速SAR ADC，可減輕微控製器上SPI的負擔

，使其可進行額外的數據處理。AD7380係列器件高度可靠，可提高ADC轉換精度。

 

 

推薦閱讀：