怎樣讓熱噪聲“變廢為寶”

　　模擬設計中的熱噪聲幾乎總屬于寄生特性，需要不惜一切代價(jià)加以避免。輸入濾波、PCB 板面布局和接地連接都是良好模擬系統中最重要的因素，但用戶(hù)總能在模擬系統中找到一定量的 Johnson-Nyquist 熱噪聲和閃爍噪聲。

　　另一種噪聲源，即量化噪聲比熱噪聲和其他噪聲源更重要。當信號從模擬轉為數字時(shí)會(huì )產(chǎn)生量化噪聲。

　　圖 1 顯示了 4 位模數轉換器 (ADC) 數字化正弦波這一極端實(shí)例中獲得的量化噪聲

　　圖1

　　當您用尺子測量物體時(shí)，需要實(shí)際讀取尺子的刻度來(lái)測量物體的大小，對吧?但如果物體的尺寸介于兩個(gè)刻度之間會(huì )怎么樣呢?如果必須在量尺刻度的兩個(gè)點(diǎn)之間進(jìn)行選擇，那么您會(huì )選擇最接近物體實(shí)際尺寸的刻度。兩點(diǎn)之前最近刻度的舍入誤差就是量化噪聲的物理表現形式。

　　所有 ADC 都會(huì )對連接至其輸入端的電壓執行這種操作。它們會(huì )進(jìn)行信號檢測并將實(shí)際電壓近似為有限數量的步長(cháng)。ADC 中所用到的步長(cháng)數量決定分辨率的大小。

　　高精度 Δ-Σ ADC 的噪聲成形特性通常會(huì )最大限度地降低熱噪聲和閃爍噪聲。對于 16 位或 16 位以下的器件而言，熱噪聲遠遠小于因信號近似而產(chǎn)生的誤差。

　　在此類(lèi) ADC 中，大家會(huì )發(fā)現在低數據速率下數字代碼幾乎沒(méi)有發(fā)生變化。我們差不多只能在器件讀取實(shí)際信號時(shí)看到量化誤差。

　　這樣的性能對很多應用而言已經(jīng)足夠了。但是，我們可以改進(jìn)量化噪聲，這樣盡管只有 16 位 ADC 也能實(shí)現比 16 位更高的分辨率。

　　如何實(shí)現?添加噪聲嗎，是的!

　　通過(guò)向 ADC 輸入端添加統計隨機噪聲或高斯噪聲，就可讓 LSB 開(kāi)始閃爍，這就是通常所說(shuō)的抖動(dòng)。如果我們對多個(gè)讀入的閃爍進(jìn)行平均值計算，那么與不會(huì )造成代碼變化的較低噪聲前端相比，結果會(huì )更加接近實(shí)際值。

　　實(shí)現這種效果的極佳方法就是增大 16 位 ADC 的采樣率，直到 LSB 開(kāi)始閃爍為止。圖 2 給出了一個(gè)相關(guān)實(shí)例。更高噪聲會(huì )讓平均值計算獲得更準確的結果，同時(shí)還能提供相同的吞吐能力。

　　圖2

　　計算平均值非常簡(jiǎn)單。例如，使用 16 位ADS1118時(shí)設定采樣率為 8 個(gè)樣本每秒，此時(shí)大部分系統都會(huì )產(chǎn)生無(wú)數字代碼變化的穩定結果。在這種情況下，絕大多數誤差都是量化噪聲。然而，如果該器件運行在 128 個(gè)樣本每秒的采樣速率下，噪聲就會(huì )提高到足以引起數字代碼的變化。

　　為了對MCU中的 16 個(gè)樣本求平均數，需要先累加所有輸入結果。隨后的除法計算也比較簡(jiǎn)單，因為樣本數是 2 的冪。只需將結果向右移四位即可。這額外的 4 位就是可用的分辨率。只需一點(diǎn)點(diǎn)噪聲，在相同數據速率下就能獲得更高的分辨率。