[导读] 相信ADC的应用或多或少都会用到,在很多场合都有分辨率要求,要实现较高分辨率时,第一时间会想到采用一个较高位数的外置ADC去实现。可是高分辨率外置ADC往往价格都不便宜,这就带来一对矛盾:高指标与低成本。其实利用单片机片上的ADC利用过采样技术就能很好的解决这样一对矛盾体,本文来聊聊这个话题。; k& k3 d! h* P. C! P' b. i 在很多项目应用中,需要测量信号的动态范围较大,且需要参数的微小变化。例如,ADC需要测量很大的温度范围(比如工业中甚至要求从-200℃~500℃),但仍要求系统对小于1度的变化做出响应。常见的单片机片上ADC位数为12位,如要实现高于12位分辨率要怎么做呢?我们知道奈奎斯特-香农采样定理可知: 其中:
或许你会问,常规的应用都是过采样,怎么也没见分辨率提高了呀?如果仅仅过采样,要实现更高分辨率显然是不够的,那么要怎么利用过采样实现更高的分辨率呢?要知道所采用的ADC硬件核分辨率是固定的,难道还会变不成? 过采样提高分辨率, w8 `7 Q7 W& Z" O 如果对一模拟信号,采用过采样,然后再进行一定的软件后处理,理论上是可以得到更高分辨率的: 为增加有效位数(ENOB :effective number of bits),对信号进行过采样,所需的过采样率可以由下面公式确定(省略理论推导,过于枯燥): 其中:
因此,如果我们以f对信号进行过采样,然后在所需的采样周期内收集足够的样本以对它们进行平均,现在可以将16位输出数据用于16位测量。具体怎么做呢?
SNR理论情况下极限值的计算方式是数据转换的有效位数,如下所示:5 o6 J8 [5 c' X1 F) n; A* {; s5 [ 这个公式没必要去记,用到的时候参考计算一下即可。从公式中可看出,要提升一个模数转换器的理论SNR的一种可行方案可以通过提升采样位数,但是需要注意的是这里的信噪比是度量模数转换器本身的,就一个真实系统的信噪比还与整个信号链相关!从上式中不难算出,12位ADC的理论SNR极限值为74dB,而通过过采样提升4位分辨率后,其SNR理论极限提高至96 dB!9 Y9 i' K% `; t! G - J/ _; s, \7 E/ F# ~( n- E $ y7 `5 ]' m5 V8 X7 M 到底怎么实现呢? 这里以伪代码的方式给出编程思路: void init_adc(void) { /*配置ADC的采样率为过采样率连续中断模式*/ E2 S# c( j5 ~ } void start_adc(void) { /*控制ADC启动采样*/+ `! e. q- S R8 n } /*不同的开发平台中断函数写法略有差异,比如51需要指定向量 */ /*OVERSAMPLE_FACTOR=4^RSHIFT_BITS 下面两个宏一起修改 */ #define RSHIFT_BITS (4)& b$ X) |3 `% U+ ~ #define OVERSAMPLE_FACTOR (256)8 ?" Y& v9 {! ~$ L static unsigned short adc_result=0U;5 c5 q1 k E& [- x void adc_isr(void)+ n* x) J, x" A* m {' o( \* k, c5 n* s% V$ j& C W) o! q% u static unsigned short adc_index = OVERSAMPLE_FACTOR; static unsigned int accumulator = 0U; /*ADC_REG ADC转换结果寄存器,不同平台名称不同*/ accumulator += ADC_REG; adc_index--; if( adc_index==0 )2 h0 n, D' r7 a, y$ h' [( c: a { /* 加和按因子抽取 */4 j. o. x6 k$ r7 v+ s adc_result = accumulator>>RSHIFT_BITS;0 g5 C5 s7 p' I8 b- v accumulator = 0;; T* O/ N7 _& y adc_index = OVERSAMPLE_FACTOR;* g) d& q/ L, R7 D3 S* \: ~9 W6 y } } 该方案有一个缺陷,就是每次ADC中断都需要CPU参与,在过采样率很高的情况下,上述方案消耗很多CPU资源,那么如果单片机内存资源足够的情况下可以考虑采用DMA模式,采集很多数据并将数据暂存下来,然后再做累加平均抽取。这是空间换时间的策略的体现。这个编代码也很容易,只需要申请一片内存区,内存区的大小可以定为256的倍数,这是因为在提升4位分辨率情况下,一个16位的输出样本需要256个12位样本。' z" m! h! A9 B" q/ W& ~4 Y 总结一下/ E7 @% S! v$ l/ L: d8 {* B 在成本受限的情况下,可以通过单片机片内ADC过采样以及累积抽取的技术来提升采样分辨率,这种技术的特点:
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