Stellaris系列微控制器的ADC過(guò)采樣技術(shù)（一）

概述 本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/160366.htm Luminary Micro在Stellaris系列微控制器的部分產(chǎn)品中提供了模數轉換器（ADC）模塊。ADC的硬件分辨率為10位，但由于噪音和其它使精度變小的因素的影響，實(shí)際的精度小于10位。本應用文檔提供了一個(gè)基于軟件的過(guò)采樣技術(shù)，從而使轉換結果的有效位數（ENOB）得到了改善。文檔中描述了對輸入信號執行過(guò)采樣的方法，以及在精度和整個(gè)系統性能上的影響。 過(guò)采樣 過(guò)采樣，顧名思義就是從輸入信號中采集額外的轉換數據。模擬信號采樣的標準約定指出：采樣頻率fS至少是輸入信號的最高頻率成分fH的兩倍。這被稱(chēng)作奈奎斯特采樣定理（Nyquist Theorem）（見(jiàn)等式1）。 等式1 奈奎斯特采樣定理： fS＝2fH 只要所選的采樣頻率高于fS就被看作是過(guò)采樣。當過(guò)采樣與平均技術(shù)相結合時(shí)，可改善ENOB。這是可以實(shí)現的，因為在將過(guò)采樣的結果進(jìn)行平均的同時(shí)也將量化噪音進(jìn)行了平均，這樣就提高了信噪比（SNR），信噪比的提高會(huì )在ENOB上產(chǎn)生一個(gè)直接的影響，從而改善ENOB。 精度上每提高一位，必須對信號進(jìn)行4倍的過(guò)采樣，即過(guò)采樣頻率fOS與采樣頻率fS的關(guān)系如等式2所示： 等式2 過(guò)采樣頻率： fOS=4X*fS x為ENOB上需改進(jìn)的位數（例如，需要改進(jìn)2位，則x＝2）。 平均 平均操作可看作是輸入信號上的一個(gè)低通濾波器，當采樣數據寬度（simple size）增加時(shí)濾波器的通帶變窄。有兩種方法可對轉換結果進(jìn)行平均：常規平均和滑動(dòng)平均（rolling average）。 常規平均 對輸入信號進(jìn)行n次采樣，將采樣值相加并將結果除以n，這即是常規平均。圖1所示的即為常規平均。當在過(guò)采樣方案中使用常規平均時(shí)，使用該技術(shù)之后，用于計算平均值的采樣數據被丟棄。每次應用程序需要一個(gè)新的轉換結果時(shí)，重復該處理。 在應用中，常規平均方案可理想地用于采樣頻率與ADC的采樣率相比較小的情況。 要點(diǎn)：當在常規平均方案中執行n倍過(guò)采樣時(shí)，有效的ADC采樣率將按照相同的因子降低。例如，在對輸入信號進(jìn)行4倍過(guò)采樣時(shí)，最大的有效ADC采樣率降低為原來(lái)的1/4，即采樣率為250K/s的ADC有效地變?yōu)?/span>62.5K/s的ADC。 圖2顯示的解決方案使用常規平均對輸入源進(jìn)行4倍過(guò)采樣。在該例中，應用要求在每個(gè)t階段（t0、t1、t2等等）準備好一個(gè)新值（平均操作完成）。 在使用平均技術(shù)時(shí)，因為計算后的轉換結果要與上面的n個(gè)采樣點(diǎn)對應，因此稍微有一點(diǎn)延遲。延遲時(shí)間使用等式3中的公式來(lái)計算： 等式3 平均后的采樣延遲： tdelay=(tSn-tS0)/2+tprocess tS0為進(jìn)行平均時(shí)第一個(gè)采樣點(diǎn)出現的時(shí)間，tSn為最后一個(gè)采樣點(diǎn)出現的時(shí)間。中斷處理程序處理采樣數據所需的時(shí)間，并被計算為供應用使用的平均tproces也被分解到等式中。 滑動(dòng)平均 滑動(dòng)平均在平均計算中使用存放n個(gè)最近采樣值的采樣緩沖區，允許ADC在其最大采樣率時(shí)采樣（ADC采樣率并不象常規平均那樣減小為原來(lái)的1/n），這樣它可理想地用于要求過(guò)采樣和更高采樣率的應用中。在未知狀態(tài)中，采樣緩沖區能夠用有效的采樣數據預先填充（通過(guò)捕獲第一個(gè)“實(shí)際”數據點(diǎn)之前的n-1個(gè)采樣點(diǎn)），也可保持為空，由應用來(lái)決定。不預先填充緩沖區的危害是前面的n-1個(gè)采樣點(diǎn)包含無(wú)效的數據，并在滑動(dòng)平均計算中產(chǎn)生不利的影響。如果這些影響可被應用所接受，并且如果軟件能夠解決前面的n-1個(gè)偏移的采樣點(diǎn)的可能性，則可去除緩沖區填充操作。 圖3顯示了采用滑動(dòng)平均的過(guò)采樣實(shí)例。圖中顯示的情況為：輸入信號進(jìn)行4倍過(guò)采樣，即采樣緩沖區使用4個(gè)最近的采樣值來(lái)計算平均值。在該例中，應用要求在每個(gè)t時(shí)刻有一個(gè)新的采樣值。在t0時(shí)刻計算第一個(gè)過(guò)采樣的結果之前，采樣緩沖區收集了3個(gè)采樣值，這樣提供給應用的第一個(gè)數據有效。 在使用滑動(dòng)平均時(shí)，等式3中計算得來(lái)的采樣延遲也同樣適用。要點(diǎn)：因為必須在每次中斷過(guò)程中執行采樣緩沖區處理，因此使用滑動(dòng)平均增加了額外的處理開(kāi)銷(xiāo)。 實(shí)現 Luminary Micro在ADC中使用采樣定序器（sample sequencer）結構，它使用一次觸發(fā)就可采集到高達17個(gè)不同的采樣值（來(lái)自任意的模擬通道），這樣過(guò)采樣的實(shí)現就變得非常簡(jiǎn)單。而通過(guò)向應用提供在任意給定的時(shí)刻對多個(gè)通道進(jìn)行過(guò)采樣的方法，使得軟件的實(shí)現也具有極大的靈活性。 下面將給出使用Stellaris微控制器的多種過(guò)采樣實(shí)現。有許多方法是將采樣定序器的配置、ADC觸發(fā)和中斷相結合來(lái)工作的。這里所舉的例子焦點(diǎn)都集中在最常使用的技術(shù)上。 所有的實(shí)例代碼都使用Stellaris系統驅動(dòng)庫的ADC函數。驅動(dòng)庫和本文檔中顯示的軟件實(shí)例的源代碼可從Luminary Micro網(wǎng)站：http://www.luminarymicro.com中獲得。 使用驅動(dòng)庫函數的8倍過(guò)采樣 Stellaris驅動(dòng)庫具有內置的允許進(jìn)行高達8倍過(guò)采樣的函數。該級別的過(guò)采樣能夠使ENOB改進(jìn)大約1.4位，因此在大多數應用中已足夠了。 使用驅動(dòng)庫的過(guò)采樣函數是對輸入信號進(jìn)行過(guò)采樣的最簡(jiǎn)單的方法。配置“典型”ADC轉換和過(guò)采樣轉換的主要不同在于函數調用。過(guò)采樣函數有一個(gè)ADCSoftwareOversample前綴，很容易從標準ADC函數中識別出。 一旦確定好ADC轉換處理的參數（采樣頻率、觸發(fā)源、通道、等等），寫(xiě)代碼是非常簡(jiǎn)單的。舉例：例1中的代碼段即為建立一個(gè)8倍過(guò)采樣的10ms周期轉換（由定時(shí)器觸發(fā)）的代碼。