[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。, W3 {; ?$ s+ e, u* D & z: [% H% R3 ^6 I: M 什么是过采样?在信号处理中,过采样是指以明显高于奈奎斯特速率的采样频率对信号进行采样。从理论上讲,如果以奈奎斯特速率或更高的速率进行采样,则可以完美地重建带宽受限的信号。奈奎斯特频率定义为信号带宽的两倍。过采样能够提高分辨率和信噪比SNR,并且通过放宽抗混叠滤波器的性能要求,有助于避免混叠和相位失真。4 f5 \! i w* v& H' ~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:8 g# U$ Q* u1 B& s. K9 Z 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?; H: Z% k- R/ G9 a) i, X$ F+ l3 K 5 F" t/ y" ?5 O 过采样提高分辨率 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):/ ]- ^# }5 ~ [* Q 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:7 R; j6 B2 ] R) n- S 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! , i. \6 b' V8 [$ p# ^$ Q- }" h z 到底怎么实现呢?5 u. N- Q) S U8 Q. A* Z 这里以伪代码的方式给出编程思路:! \3 V; w& `. K! o( |# u: O5 f void init_adc(void) {. n' O) S( ]$ Y. X# \* l/ {' t' R8 J /*配置ADC的采样率为过采样率连续中断模式*/ } void start_adc(void) { /*控制ADC启动采样*/ } / J+ Z: `6 b+ E* f5 |. v( m /*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 */- d! }3 |. k! f9 q% ?9 x5 d /*OVERSAMPLE_FACTOR=4^RSHIFT_BITS 下面两个宏一起修改 */ #define RSHIFT_BITS (4)6 F+ R3 |+ I- @& g5 s: c2 l$ H #define OVERSAMPLE_FACTOR (256) static unsigned short adc_result=0U; void adc_isr(void) D' W! X9 D4 O2 R: ~' W' P { static unsigned short adc_index = OVERSAMPLE_FACTOR;5 E, h3 ?8 q- Q d/ W$ a static unsigned int accumulator = 0U;6 i4 w7 I& @4 r0 z2 ^1 ] /*ADC_REG ADC转换结果寄存器,不同平台名称不同*/ - D+ F5 R( d) v' G accumulator += ADC_REG; adc_index--; if( adc_index==0 ) { /* 加和按因子抽取 */- N% G0 j- `1 u adc_result = accumulator>>RSHIFT_BITS; accumulator = 0;6 s5 o- h1 A8 @9 u/ l0 T t adc_index = OVERSAMPLE_FACTOR;4 V: f9 I/ f4 S8 e } } 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。1 M9 ?/ q& J3 z: s8 B ) _+ Q4 X& v( n/ e 总结一下; y* `% r* X( _! i 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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