Stellaris系列微控制器的ADC过采样技术（一）

概述 本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/160366.htm Luminary Micro在Stellaris系列微控制器的部分产品中提供了模数转换器（ADC）模块。ADC的硬件分辨率为10位，但由于噪音和其它使精度变小的因素的影响，实际的精度小于10位。本应用文档提供了一个基于软件的过采样技术，从而使转换结果的有效位数（ENOB）得到了改善。文档中描述了对输入信号执行过采样的方法，以及在精度和整个系统性能上的影响。 过采样 过采样，顾名思义就是从输入信号中采集额外的转换数据。模拟信号采样的标准约定指出：采样频率fS至少是输入信号的最高频率成分fH的两倍。这被称作奈奎斯特采样定理（Nyquist Theorem）（见等式1）。 等式1 奈奎斯特采样定理： fS＝2fH 只要所选的采样频率高于fS就被看作是过采样。当过采样与平均技术相结合时，可改善ENOB。这是可以实现的，因为在将过采样的结果进行平均的同时也将量化噪音进行了平均，这样就提高了信噪比（SNR），信噪比的提高会在ENOB上产生一个直接的影响，从而改善ENOB。 精度上每提高一位，必须对信号进行4倍的过采样，即过采样频率fOS与采样频率fS的关系如等式2所示： 等式2 过采样频率： fOS=4X*fS x为ENOB上需改进的位数（例如，需要改进2位，则x＝2）。 平均 平均操作可看作是输入信号上的一个低通滤波器，当采样数据宽度（simple size）增加时滤波器的通带变窄。有两种方法可对转换结果进行平均：常规平均和滑动平均（rolling average）。 常规平均 对输入信号进行n次采样，将采样值相加并将结果除以n，这即是常规平均。图1所示的即为常规平均。当在过采样方案中使用常规平均时，使用该技术之后，用于计算平均值的采样数据被丢弃。每次应用程序需要一个新的转换结果时，重复该处理。 在应用中，常规平均方案可理想地用于采样频率与ADC的采样率相比较小的情况。 要点：当在常规平均方案中执行n倍过采样时，有效的ADC采样率将按照相同的因子降低。例如，在对输入信号进行4倍过采样时，最大的有效ADC采样率降低为原来的1/4，即采样率为250K/s的ADC有效地变为62.5K/s的ADC。 图2显示的解决方案使用常规平均对输入源进行4倍过采样。在该例中，应用要求在每个t阶段（t0、t1、t2等等）准备好一个新值（平均操作完成）。 在使用平均技术时，因为计算后的转换结果要与上面的n个采样点对应，因此稍微有一点延迟。延迟时间使用等式3中的公式来计算： 等式3 平均后的采样延迟： tdelay=(tSn-tS0)/2+tprocess tS0为进行平均时第一个采样点出现的时间，tSn为最后一个采样点出现的时间。中断处理程序处理采样数据所需的时间，并被计算为供应用使用的平均tproces也被分解到等式中。 滑动平均 滑动平均在平均计算中使用存放n个最近采样值的采样缓冲区，允许ADC在其最大采样率时采样（ADC采样率并不象常规平均那样减小为原来的1/n），这样它可理想地用于要求过采样和更高采样率的应用中。在未知状态中，采样缓冲区能够用有效的采样数据预先填充（通过捕获第一个“实际”数据点之前的n-1个采样点），也可保持为空，由应用来决定。不预先填充缓冲区的危害是前面的n-1个采样点包含无效的数据，并在滑动平均计算中产生不利的影响。如果这些影响可被应用所接受，并且如果软件能够解决前面的n-1个偏移的采样点的可能性，则可去除缓冲区填充操作。 图3显示了采用滑动平均的过采样实例。图中显示的情况为：输入信号进行4倍过采样，即采样缓冲区使用4个最近的采样值来计算平均值。在该例中，应用要求在每个t时刻有一个新的采样值。在t0时刻计算第一个过采样的结果之前，采样缓冲区收集了3个采样值，这样提供给应用的第一个数据有效。 在使用滑动平均时，等式3中计算得来的采样延迟也同样适用。要点：因为必须在每次中断过程中执行采样缓冲区处理，因此使用滑动平均增加了额外的处理开销。 实现 Luminary Micro在ADC中使用采样定序器（sample sequencer）结构，它使用一次触发就可采集到高达17个不同的采样值（来自任意的模拟通道），这样过采样的实现就变得非常简单。而通过向应用提供在任意给定的时刻对多个通道进行过采样的方法，使得软件的实现也具有极大的灵活性。 下面将给出使用Stellaris微控制器的多种过采样实现。有许多方法是将采样定序器的配置、ADC触发和中断相结合来工作的。这里所举的例子焦点都集中在最常使用的技术上。 所有的实例代码都使用Stellaris系统驱动库的ADC函数。驱动库和本文档中显示的软件实例的源代码可从Luminary Micro网站：http://www.luminarymicro.com中获得。 使用驱动库函数的8倍过采样 Stellaris驱动库具有内置的允许进行高达8倍过采样的函数。该级别的过采样能够使ENOB改进大约1.4位，因此在大多数应用中已足够了。 使用驱动库的过采样函数是对输入信号进行过采样的最简单的方法。配置“典型”ADC转换和过采样转换的主要不同在于函数调用。过采样函数有一个ADCSoftwareOversample前缀，很容易从标准ADC函数中识别出。 一旦确定好ADC转换处理的参数（采样频率、触发源、通道、等等），写代码是非常简单的。举例：例1中的代码段即为建立一个8倍过采样的10ms周期转换（由定时器触发）的代码。