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(lái)意識(shí)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(huì)給我們的 ADC 輸入信號(hào)添加噪聲，那么我們可能會(huì)走運(yùn)。對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)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(hào)中添加噪聲以啟用過(guò)采樣。
雖然ADC看起來(lái)非常簡(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)鐘抖動(dòng)和混疊。以下一些方法有助于工程師在設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮ADC的全部性能。
要認(rèn)真對(duì)待ADC的模擬輸入信號(hào)，盡量使它保持干凈，“無(wú)用輸入”通常會(huì)導(dǎo)致“數(shù)字化的無(wú)用輸出”。模擬信號(hào)路徑應(yīng)遠(yuǎn)離任何快速開(kāi)關(guān)的數(shù)字信號(hào)線(xiàn)，以防止噪聲從這些數(shù)字信號(hào)線(xiàn)耦合進(jìn)模擬路徑。
雖然簡(jiǎn)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(dòng)ADC可以提供更強(qiáng)的共模噪聲抑制性能，由于有更小的片上信號(hào)擺幅，因此一般也能獲得更好的交流性能。差分驅(qū)動(dòng)一般使用差分放大器或變壓器實(shí)現(xiàn)。變壓器可以提供比放大器更好的性能，因?yàn)橛性捶糯笃鲿?huì)帶來(lái)影響總體性能的額外噪聲源。但是，如果需要處理的信號(hào)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(jì)預(yù)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)必須考慮驅(qū)動(dòng)放大器的噪聲和線(xiàn)性性能。需要注意的是，因?yàn)楦咝阅蹵DC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(guò)采樣意味著以高于奈奎斯特速率的采樣，這是信號(hào)最大頻率分量的兩倍。通常在過(guò)采樣之后進(jìn)行平均或低通濾波器，然后進(jìn)行抽取。過(guò)采樣可以提高有效的 ADC 分辨率。對(duì)于所需的每一位額外分辨率，我們必須過(guò)采樣四倍。見(jiàn)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(shí)候可以過(guò)采樣。
一些 ADC 具有內(nèi)置的硬件過(guò)采樣模式，可以平均轉(zhuǎn)換后的輸出；請(qǐng)參見(jiàn)圖 1，選項(xiàng) A。在具有集成 ADC 的微控制器 (MCU) 上，我們還可以利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣（有關(guān)更多詳細(xì)信息和訪(fǎng)問(wèn)代碼的鏈接，請(qǐng)參見(jiàn)應(yīng)用說(shuō)明“用于更高分辨率的 MSP ADC 的通用過(guò)采樣”示例項(xiàng)目）。在軟件過(guò)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(huì)去除帶外噪聲以獲得更好的性能。
圖 1：過(guò)采樣方法信號(hào)流程圖
以 MSP432P401R MCU 為例：該微控制器包含一個(gè)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(hào)的 14.2 位，必須至少以奈奎斯特速率 (40 kHz) 的四倍（即 160 kHz）對(duì)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(duì)其進(jìn)行采樣（對(duì)于 sigma delta ADC，60 kHz 不一定與時(shí)鐘速率相同）。
圖 2 顯示了具有過(guò)采樣功能的 MSP432P401R MCU 的精密 ADC 的性能。請(qǐng)注意，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率為 20 kHz 時(shí)，性能在過(guò)采樣率 (OSR) 為 32 時(shí)停止改進(jìn)。這是因?yàn)?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(hào)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(guò)采樣率的 MSP432P401R MCU ADC 性能
回到“關(guān)鍵是知道何時(shí)可以過(guò)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(guò)采樣有效提高分辨率的一些高級(jí)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(hào)從過(guò)采樣中受益更多。
如果信號(hào)沒(méi)有足夠的噪聲，可以通過(guò)過(guò)采樣添加帶外噪聲以獲得更好的性能，然后過(guò)濾掉添加的噪聲。
請(qǐng)記住有關(guān)過(guò)采樣的以下幾點(diǎn)：
· 轉(zhuǎn)換器采樣率必須大于最大信號(hào)頻率的兩倍。
· 過(guò)采樣會(huì)增加功率，因此僅在必要時(shí)使用它——并且僅在必要的程度上使用。
· 過(guò)采樣并不像擁有一個(gè)具有所需 ENOB 分辨率并直接輸出結(jié)果的 ADC 那樣簡(jiǎn)單。過(guò)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(yàn)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(shí)施過(guò)采樣 ADC 解決方案。
