利用过采样技术提高ADC测量分辨率

利用过采样技术提高ADC测量分辨率 刘青兰，方志刚，邵志学 (解放军理工大学工程兵工程学院江苏南京210007) 摘 要：针对目前单片机内嵌ADC分辨率较低，而外接高分辨率ADC成本又较高的情况，提出了用“过采样”技术使在 有用的测量频带内的信噪比得到改善，从而提高ADC测量的分辨率。并利用Matlab对其结论进行仿真，且在 TMS3201。F2407DSP上予以实现，结果明信噪比和测量分辨率明显提高。 关键词：过采样；模／数转换器；数据采集；数字信号处理 中图分类号：TP274 文献标识码：B 文章编号：1004—373X(2007)12—074—03 ImprovingtheResolutionofADCbyOver——sampling LIUQinglan，FANGZhigang，SHAOZhixue (EngineeringInstituteofEngineeringCorps，PLAUniversityofScience&Technology，Nanjing，210007，China) Abstract．．DuetOlowresolutionofADCinthepresentMCUandhighcostifADCofhighresolutionisused，theover— samplingtechnologyisgiventOimprovethesignalnoiserateintheusefulmeasuringfrequencyconsequentlytheresolutionof ADCisincreased．ThesimulationofresultsismadebyMatlabandanimplementationisalsodoneinaTMS320I。F2407DSP， andtheresultshowsthatSNRandmeasuringresolutionisobviouslyimproved． Keywords：over—sampling；analogtOdigitalconverter；dataacquisition；DSP 1 引 言 很多应用场合需要使用模／数转换器ADC进行参数 测量，这些应用所需要的分辨率取决于信号的动态范围、 必须测量的参数的最小变化和信噪比SNR[“。 TMS320I。F2407内嵌lo位ADC，难以满足数字信号处理 中高分辨率测量的要求。因此，在实际应用中，很多系统 会使用较高分辨率的片外ADC，如12位ADC、16位 ADC。这样做虽然能达到目的，但大大增加了成本也降低 了系统的可靠性。若能使用片内具有较低分辨率的ADC 器件，通过一些技术措施也达到需要的分辨率，这样既节 约了成本又节省了电路板空间，在工程应用中将是非常受 欢迎的。本文旨在通过对过采样技术的分析，使用这一技 术手段提高TMS320I，F2407片内ADC的信噪比和分辨 率，在不使用昂贵片外ADC的情况下同样获得较高测量 分辨率。 2 过采样技术提高ADC测量分辨率的原理 ADC转换时可能引入很多种噪声，例如热噪声、杂色 噪声、电源电压变化、参考电压变化、由采样时钟抖动引起 的相位噪声以及由量化误差引起的量化噪声等。有很多 技术可用于减小噪声，例如精心电路板和在参考电压 收稿日期：2006一10—25 74 信号线上加旁路电容等。但是ADC总是存在量化噪声 的，所以一个给定位数的数据转换器的最大SNR由量化 噪声定义。在一定条件下过采样会减小噪声和改善 SNR，有效地提高测量分辨率。过采样是指对某个待测参 数进行多次采样，得到一组样本，然后对这些样本累计求 和并对这些样本进行均值滤波、减小噪声而得到一个采样 结果¨J。图1为过采样测量系统的原理图。 图1 过采样测量系统的原理图 2．1 带内噪声分析 根据奈奎斯特定理，被测信号的频带宽度如果在采样 频率六的一半以内，则该信号可以被重建。例如：采样频 率为10kHz，则频率低于5kHz的被测信号可以被可靠 地重建和分析。与输入信号一起还会有噪声信号混叠在 有用的测量频带内(小于六／2的频率成分)。通过数学手 段，以白噪声的数学模型近似地描述实际信号中的噪声， 则信号频带内的噪声能量谱密度可以表示为： 9 E(，)=erm。*(7。-)“2 (1) J 其中：e。。为平均噪声功率；六为采样频率；E(，)为带内能 量谱密度。 万方数据 式(1)描述了信号频带内的噪声能量谱密度随采样频 率的增加而降低。在实际应用的ADC变换器中，转换结 果中两个相邻ADC码之间的距离决定量化误差的大小。 如果N为一单极性ADC的位数，V一为参考电压，则量化 误差可以表示为： eqJ≤号，g一兽 (2) 其中：e。为量化误差；N为ADC码的位数；V耐为基准 电压。 设噪声近似为均匀分布的白噪声，则方差为平均噪声 功率，表达式如下： 磊。一E：c手地一矗 ㈤ 2．2过采样对分辨率提高的影响 用过采样率M来表示采样频率与奈奎斯特频率之间 的比较关系，定义如下： M一彘 @’ 其中：^为采样频率；^为输入信号的最高频率。 如果噪声为白噪声，则低通滤波器输出端的带内噪声 功率为： 瑶=．胁，)2af=‰20 (半)一裔(5)J I 1vl 其中：no为滤波器的输出噪声功率。 式(5)说明带内噪声功率是M的函数，由式(5)可以 看出：提高M可以减小带内噪声功率且并不影响信号功 率。所以这个方程表明可以通过提高过采样率的方法来提 高SNR。进一步将Pl。代入式(5)则得到如下方程： 挖：一鲁等2一淼 ㈤ 如果假设最佳情况下的输入信号是一个满度的正弦 波，则他的有效值是V，d的函数： V。。一逸 (7) 242 解式(6)得噪声功率有效值为： 行。=墨 (未进行过采样) (8)‰2矛—7面 ‘木迓仃近米砰’ ‘巧’ 挖。一_—坠(进行过采样)(9)挖。一矛■万丽 ‘进仃俎米砰’ ‘9’ 根据信噪比定义，则SNR是位数的函数： s～z魄IVy,I=2019l筹IdB 一6．02N+1．76dB (未进行过采样) (10) s～2吨例一-gI学IdB 一6．02N+1019M+1．76dB 一6．02*ENOB+1．76dB(进行过采样)(11) 其中：ENOB为测量的有效位数。 从式(10)，(11)可以看出通过过采样技术增加的信噪 比为： SNR。。一1019M (12) 式(11)说明SNR是ENOB的函数，可以看出：提高信 噪比和增加测量的有效位数是同时完成的，增加的有效位 数约为SNR捌。／6b，即过采样率每提高4倍，信噪比增加 6dB，有效位数增加一位。 3仿真分析 过采样能减小带内噪声、改善SNR和增加有效位数 ENOB，其改善效果可以用工程计算软件工具来仿真完 成。图2就是利用Matlab对混有白噪声的原始信号进行 奈奎斯特和过采样并求均值后的滤波效果图，其中左边是 奈奎斯特采样后的图形，右边是过采样和均值滤波后的 图形。 未处理的信号 处理后的信号m28 未处理的信号 处理后的信号m=32 制 馨 未处理的信号 处理后的信"J．m=128 0 0娩00400600801 ，／s 0．4f 03l 嚣告 02}一 ’、 ～ 01i o： o02 o04o∞o．∞o11 ，／s 图2不同过采样率下数据处理前、后比较图 从图2中可以看出，过采样对减小带内输出噪声功 率、提高ADC测量精度有明显的效果。随着过采样率的 提高，输出噪声逐渐减弱，信号逐渐突出出来，ADC的测 75 万方数据 量精度也随着提高。在以上不同的过采样率下，其信噪比 的变化如表1所示。 值得注意的是，当输入噪声功率小于量化噪声功率 时，过采样可能无效，其仿真效果如图3，图4所示。这种 情况在使用较低分辨率ADC时容易出现，因为输入噪声 没有足够的幅度引起输入信号以等概率在相邻代码之间 随机变化。从图中看出，当输入噪声功率小于量化噪声功 率很多时，过采样根本就不起作用。因此在输入端有适量 的噪声是有好处的(至少对平均方法而言)，但是，出现在 输入端的噪声越多，就需要越多的采样平均以达到同样的 分辨率。因此在工程实现上，应针对现场噪声情况选取适 当位数ADC，采用过采样来提高测量精度。 表1不同过采样率下信噪比的变化 未处理的信号 处理盾的信号 图3较小噪声功率下仿真效果图 (输入噪声功率为量化噪声功率的0．64倍) 炒i／删糕【 { 图4较小噪声功率下仿真效果图 (输入噪声功率为量化噪声功率的o．25倍) 4实验及结果分析 TMS320I。F2407内嵌10位A／D转换模块，如果要获 得12位的分辨率，即获得2位的分辨率增量，则过采样率 可以通过其与分辨率增量之间的关系来表示：M一42— 16，即可以过采样率为16的奈奎斯特采样频率采样实现 分辨率的增加。 TMS320LF2407的ADC一次可执行最多16个通道 的自动转换，分别将转换结果保存在16个转换结果寄存 器中，而每次要转换的通道都可通过编程实现，因此用户 可以对同一通道进行多次采样。ADC时钟频率及采样／ 76 保持时间可以通过ACQPS3～ACQPS0位段域和CPS 位来调整。实验中ADC时钟频率与CPU频率都为 5MHz，一次A／D采样转换周期约50ps，利用事件管理 器A的定时器1定时时间到来触发A／D采样的启动， 1个定时周期为200ms。采样时采用级连模式，一次做 16个转换，转换通道都设为通道0。转换完成后，在A／D 中断服务子程序中对16个转换结果寄存器中的数据求均 值并保存到数据寄存器中，即以过采样率为16的奈奎斯 特采样频率采集16个数据求均值。 未处理的信号 处理后的信号M=15 图5对温度信号进行奈奎斯特(左)和 过采样(右)的实验结果图 利用TMS320LF2407片内ADC对室内温度进行检 测，实验测取了20组数据，实验中没有将测得的数据转换 成温度值，只是实测了从A／D转换器输出的电压值。在 实验中发现，每次启动A／D转换时第一个转换值与其他 15个转换值有较大的误差，因此在进行数据处理时将其 剔除，只对后15个值进行算术平均滤波，图5为对信号进 行奈奎斯特和过采样并求均值后的实验结果图。从图5 中可以看出，未进行过采样处理时输出信号数据有较大的 摆动，信号均值为2．0214，信噪比为SNR。。。一59．8433。 但进行过采样处理后，其信号输出明显趋于平缓，信号均 值基本不变为2．0212，信噪比增加列SNR⋯一70．9044， ADC转换精度显著提高，分辨率增加约2b。 5结语 理论分析、仿真及实验结果表明，当ADC噪声近似为 白噪声时，可以使用过采样技术减小ADC输出噪声，提高 ADC的信噪比及分辨率。过采样是以提高采样速率和牺 牲更多的存储空间为代价，过采样受A／D转换器采样速 率、输入信号频率及输入信号上噪声等因素的影响。当 A／D转换器采样速率过低或信号频率过高时，不适宜采 用过采样来提高ADC的精度；当输入噪声功率小于量化 噪声功率时，过采样也不能提高ADC的精度。 过采样技术使利用TMS3201．F2407片内ADC进行 的温度测量获得了更高的测量分辨率，这样不仅可以降低 成本，简化外围电路，进一步提高系统的可靠性和精度，而 且对于其他领域的参数测量，具有一定的实用和推广 价值。 (下转第79页) l_{㈠瓢㈣㈨}i。 晒 ∞ 晒 们 啪 叫 赵罄 万方数据 电源变压器可从市场直接购得或自行绕制，其参数可 按220v／15V，10VA选取。滤波用大电容器可采用日 本ELNA(耐压不低于25V)，以确保其质量。C7用来消 除电源网络的杂波干扰信号，绿色发光二极管I。EDz为电 源指示灯。为防歹徒破坏电网使报警系统失效，可采用 12V蓄电池供电。 另外，图3中R。；为光敏电阻，当R。j的阻值小于1k12 时，模块即被封锁不工作，所以能实现白天“休息”，夜晚工 作。如果要求模块全天候工作，可以不接R。，直接将模块 的R端悬空。R，为灵敏度调节电位器，最好采用WSW 有机实芯微调电阻器，通过调整其阻值大小，可以调节模 块的探测距离。 探测模块外接的环状天线可采用但～4mm粗铜丝 制作，其内径为10mm，开口处平行引线不超过10mm，并 保证天线安装稳固，不能有晃动。 电路中除可调电阻器以外，其余电阻均采用RTX一1／ 8W碳膜电阻器。 3 结 语 该防盗报警器采用雷达探测模块TWH9250，具有独 特的设计思想和简单的控制电路，并且监控范围较大，探 测灵敏度较高，调节灵敏度电位器可使探测距离在1～ 5m之间变化。 该装置在实验室进行试验，运行良好；具有简单实用、 工作可靠、灵敏度高等优点。是一种应用前景看好、值得 推广的新型防盗报警装置。 参考文献 [1]陈有卿，谢刚．新颖电子模块应用手册[M]．北京：机械工业 出版社，2003． E23汤光华，宋涛．电子技术[M]．北京：化学工业出版社，2005． [3]雷旭，何万强．新型家用防盗报警系统[J]．现代电子技术， 2003，26(4)82—83，86． 作者简介 汤光华 男，1957年出生，副教授，系主任。主要从事电子技术应用和开发、工业生产自动化装置改造与研究工作。 (上接第73页) 逐渐增大到值，速度给定回零，即完成建张阶段；然后 主轧机速度给定逐渐增大到全速工作，卷取机通过恒张力 跟随主轧机，即为恒张力轧制阶段。在轧制过程中，当卷 筒的卷径D增加时，即： D十一Ot*v／n。十一跳十一F*瓜十一M十一J。十 由于卷径D增加的同时，定子转矩电流分量i。也随之增加， 即保持L／D恒定，因此实现了卷取恒张力控制。当一卷带 钢即将轧完时，主轧机手控低速运行，卷取机张力给定减小 至零后，由手动控制卷取机转速，直至完成抛钢阶段。 4结语 通过交流变频器成功的实现张力控制系统表明，以前 只能用直流调速的系统随着交流变频调速性能的提高，采 用西门子SIM()VERTMASTERDRIVE矢量控制系统， 大大提高了动态响应速度和产品质量。SIMOVERT MASTERDRIVE高精度、高质量的转矩动态控制效果满 足了板、带材的生产工艺要求。 参考文献 [1]黄炯，杨嗣芳，陈振翼．纺织电气自动控制系统[M]．北京：纺 织工业出版社，1982． [2]王树．变频调速系统设计与应用[M]．北京：机械工业出版 社，2005． [3]SIMOVERTMASTERDRIVE矢量控制使用说明书Ez]． 西门子电气传动有限公司，2005． [4]马美娜．SIMOVERT卷取机张力控制系统[刀．控制工程， 2005，12(2)：125—127，131． E5]赵明．冷轧带钢卷取恒张力控制系统[J]．电气自动化，2005， 27(1)：17—18，24． 作者简介 吴亚君1971年出生，辽宁海城人，讲师。主要从事电控设备与PI。c的研究与教学工作。 (上接第76页) 参考文献 [1]李国．基于过采样技术提高ADC分辨率的研究与实现[J]． 计算机工程，2005(31)：244—248． [2]胡广书．数字信号处理理论、算法与实现[M]．北京：清华大 学出版社，2003． -—●一-—·+_-——卜-——卜-—●一-—-卜一—·卜一——卜 [3]刘和平，严利平，张学峰，等．TMS320I。F240xDSP结构、原 理及应用EM]．北京：北京航空航天大学出版社，2002． [4]陈敏．提高测量系统分辨率与信噪比的软件方法EJ]．计量 学报，2004，25(2)：185—187． E5]王家文，王皓，刘海．Matlab7．0编程基础[M]．北京：机械工 业出版社，2005． 作者简介刘青兰 女，1969年出生，湖南益阳人，硕士。主要从事内部设备智能化的研究工作。 79 万方数据 利用过采样技术提高ADC测量分辨率 作者： 刘青兰， 方志刚， 邵志学， LIU Qinglan， FANG Zhigang， SHAO Zhixue 作者单位： 解放军理工大学,工程兵工程学院,江苏,南京,210007 刊名： 现代电子技术 英文刊名： MODERN ELECTRONICS TECHNIQUE 年，卷(期)： 2007，30(12) 被引用次数： 2次 参考文献(5条) 1.李国 基于过采样技术提高ADC分辨率的研究与实现[期刊论文]-计算机工程 2005 2.胡广书 数字信号处理理论、算法与实现 2003 3.刘和平.严利平.张学峰.卓清锋 TMS320LF240x DSP结构、原理及应用 2002 4.陈敏 提高测量系统分辨率与信噪比的软件方法[期刊论文]-计量学报 2004(02) 5.王家文.王皓.刘海 Matlab7.0编程基础 2005 相似文献(10条) 1.学位论文 李丹 音频信号的过采样处理及转换 2007 本论文研究了音频信号的过采样处理技术，主要包括音频信号数/模转换、模/数转换和功率放大。过采样型数/模转换器(DAC)由升采样数字滤波器 、数字AE调制器和模拟后端电路组成。过采样型模/数转换器(ADC)由模拟△∑调制器和降采样数字滤波器组成。模拟△∑调制器还可以应用于处理音频 信号的D类功率放大器中。 在高精度数据转换时，过采样△∑技术是最好的选择。但这种技术消耗的面积和功耗都比较大。针对这一问题，论文对过采样型数据转换器中的数 字滤波器、△∑调制器以及模拟后端电路的结构都进行了改进和优化。 论文在研究升/降采样数字滤波器的设计优化时，提出了一种高阶级联的半带FIR数字滤波器结构，即由多个低阶子滤波器级联组成高阶主滤波器。 每个子滤波器的结构、系数都完全一样。因此硬件上只需实现一个子滤波器，然后重复使用即可达到多个子滤波器级联的效果。这种结构有效降低了高 阶数字滤波器总体的硬件开销。 现在为了降低成本提高输出信号音质，由音频功率DAC(即DAC和功率放大器片内集成)直接驱动发声元件已成为一种潮流。本论文提出了一种1.5位无 片外滤波的功率DAC结构。DAC中的1.5位数字△∑调制器，其编码特点能大幅降低因不使用片外滤波而引入的高频能量损耗。由带反馈回路的D类开关来 实现DAC输出信号的功率放大，又可以有效提高输出性能和功放效率。相比传统结构，这种新型结构在面积和功耗上具有较大的优势。 本论文还研究了一种混合型单环结构的模拟△∑调制器。它的第一级采用连续时间积分器，其后几级采用开关电容采样型积分器。这种结构结合了 连续型和离散型调制器各自的优点，达到了面积和性能的折中。这种模拟△∑调制器除了可以用于过采样型ADC中，还可以用于实现D类功率放大器。 根据以上这些想法，论文分别设计了一个功率DAC和一个ADC/D类功放复用电路。功率DAC采用TSMC 0.18μm工艺，芯片面积为0.5mm<'2>。驱动8Q负 载时，功率DAC输出动态范围最高达到100dB以上，总谐波失真小于一80dB，带内信噪比在90dB以上，最大输出功率为436mW。ADC/D类功放复用电路采用 TSMC 0.35μm工艺，芯片面积为1mm<'2>。ADC的输出动态范围在100dB以上。D类功放驱动8Q负载时，总谐波失真为-92dB，带内信噪比在90dB以上，最大 输出功率为514mW。以上几个电路各自的性能测试结果均达到了设计目标，从芯片级上验证了论文中这些想法的正确性和可实现性。 2.期刊论文 张守钧.庞彦斌 用过采样和求均值技术提高模/数转换器的分辨率 -计算机测量与控制2003,11(6) 针对目前单片机内嵌的模/数转换器(ADC)的分辨率太低,而外接高分辨率ADC成本又太高的情况,提出了用"过采样和求均值"的技术来使在有用的测量 频带内的信噪比(SNR)得到改善,从而提高ADC测量的分辨率.并利用MATLAB对其结论进行仿真,且在单片机上予以实现,结果表明测量分辨率明显提高. 3.学位论文 曹先国 16bit/18bit过采样模-数转换器的分析和设计 1997 4.学位论文 刘伟 16位过采样Σ-△模/数转换器的研究与设计 2001 该课题主要进行了以下几方面的工作:1)对快速高精度的Σ-△调制器进行了理论研究,并对其系统进行设计和仿真,在此基础上,设计了高阶的Σ- △调制器结构;2)对快速高精度Σ-△转换器的数字滤波器进行了理论研究,并且在降低电路功耗和面积的前提下对其进行了设计和仿真.3)在整个Σ- △A/D转换器的设计中,考虑到了其中存在的误差,并对其进行了分析,使转换器精度达到16位. 5.期刊论文 李君.LI Jun 基于过采样技术提高ADC分辨率探析 -现代电子技术2010,33(6) 近年来,许多系统都需要使用模/数转换器ADC进行测量,将模拟信号转换为数字信号.为了简化系统电路和降低生产成本,在充分利用ADC采样速度的条 件下,通过过采样技术提高ADC的分辨率.这里基于ADC的基本结构,采用叠加成形函数的方法,介绍了用过采样的方法来达到较高分辨率和信噪比,得出采样 技术可以在不使用昂贵的ADC芯片的情况下提高模/数转换的分辨率. 6.学位论文 林冉 数字式掺铒光纤放大器驱动源的设计与研制 2004 随着1986年第一个掺铒光纤放大器(EDFA)在英国南安普顿大学的研制成功,光纤通信才在真正意义上逐步走向全光传输和全光通信阶段.该文主要从 理论上研究分析了数字式掺铒光纤放大器控制电路设计原理及其性能特点,在实验上研制出一部数字化掺铒光纤放大器样机的设计与调试,并在此基础上 不断改进一共研制了3代共5台数字化掺铒光纤放大器,完成了其从实验室样机向商品化的转变.设计中我们创新性地把混合信号处理器运用到EDFA控制电 路的设计中;1.创新性地把混合信号处理器运用到EDFA控制电路的设计中,硬件功能软件化,降低电路的复杂性.并且该文介绍的EDFA控制电路完全由软件 控制,所有操作均可以选择菜单的方式完成,可控性强,操作简单,同时避免了误操作对EDFA的损坏.2.针对数字式控制的特点,研究分析了掺铒光纤放大器 的工作原理,提出了6个反馈环路的EDFA控制电路结构,为数字式掺铒光纤放大器的研制提供了一定的理论依据.3.深入地分析研究了过采样理论,并将其应 用到实际设计中,大幅度提高模/数转换器测量的分辨率,减少电路噪声对数字控制系统的影响.4.成功研制并调试出一部数字式掺铒光纤放大器样机,使用 980nm半导体激光器,并用其进行了一系列的试验.实验LD的工作状态稳定,各项电气指标符合设计要求.5.在样机的基础上不断改进,制成通用数字式 激光器驱动电源3代共5台.在整机设计,可靠性分析等方面做了大量工作,完成了其从实验室样机向商品化转化的工作. 7.学位论文 王亚杰 用于CMOS图像传感器的像素级模/数转换器的研究 2006 近十几年,CMOS集成技术的提高使得CMOS图像传感器成为视频领域的主要产品.目前数字图像传感器成为发展的主要方向,它的核心发明是在图像传感 器的每一个像素点上包含了一个模/数转换器(ADC),这些ADC在捕获的瞬间立即将每个像素点上的光信号转换成一个数字值,从而可将阵上的信号退化和串 扰降到最小,可使图像传感器得到更高的图像质量和更大的降低系统成本和功耗.本文所设计的像素级ADC正是开发一种数字化的像素,它是国家自然科学 基金项目"基于深亚微米工艺大动态范围、千万像素CMOS图像传感器关键技术研究"的重点工作.具体的研究工作及创新点如下: (1) 采用了一种简单结构的多通道位串行(MCBS)ADC.传统的字节并行ADC每个像素需要m-bit锁存器,会占用很大面积.而本设计采用每四个像素共用 一个比较器/锁存器对,所有像素共用一个斜坡发生器和数字控制来实现,从而满足图像传感器填充因子指标的要求. (2) ADC采用Nyquist速率转换代替过采样,所有像素并行工作,转换一次所有像素模块同时输出一个字节,比较器/锁存器对只需工作在非常低的速度 下,以简单的结构来实现. (3) ADC通过直接积分实现来代替连续采样,使图像传感器的弱光表现达到模拟CMOS传感器的水平,每次转换后复位光电二极管,滞后现象被消除. (4) 设计了高增益、低功耗的比较器,以工作在亚阈值区、共源共栅输出的两级放大器来实现,从而满足了像素级ADC的高精度、低功耗的要求. (5) 以简单结构实现高精度的斜坡发生器,且步长可调,从而使ADC可方便的执行可变步骤尺寸的量化. 基于Chart 0.35微米双栅4层金属N阱CMOS工艺,最终设计结果为:ADC的分辨率为8位,转换时间约2.08ms,采样频率3.84kS/s,信噪比约50dB；每四个像 素共用一个ADC,平均每个像素有包含4.5个晶体管(四个像素共18个晶体管),一个像素面积约为121.48 um<'2>；填充因子达25.36﹪:在3.3V电源下,一个 像素子模块(4个像素连同比较器/锁存器对)的功耗不超过1uW. 8.期刊论文 王志坚.Wang Zhijian 基于过采样技术提高ADC分辨率 -山西焦煤科技2008,""(11) 随着计算机技术的不断发展,产品的数字化、准确化程度在很多系统中起重要作用.很多系统都需要使用模数转换器ADC进行测量,将模拟信号转换为 数字信号.介绍了用过采样和求均值的方法来达到较高分辨率和信噪比,提出采样技术可以在不使用昂贵的ADC芯片的情况下提高模数转换的分辨率. 9.学位论文 张宪敏 ΣΔADC中降采样滤波器的设计与验证 2008 随着集成电路工艺和数字信号处理技术的不断发展，要求将高精度的模／数转换器集成到VLSI数字信号处理器中。传统的Nyquist型ADC由于所能实 现的转换精度受到元件精度匹配的限制，在标准的CMOS工艺中很难获得高精度。 ∑△ADC与过采样相结合，对量化噪声误差进行整形，有效衰减输出信号的带内量化噪声，提高了输出带内信噪比，使得利用卡H精度转换器进行高 精度的模/数转换成为可能。与Nyquist型ADC相比，降低了对元器件匹配精度的较高要求，使得提高精度的压力尽量转移到数字处理环节，充分利用了数 字电路速度越来越快而成本日益下降的发展趋势，适用于中低频高精度信号处理场合。其结构包括∑△调制部分和降采样滤波部分，而且数字降采样滤 波器的面积和功耗决定了∑△ADC的面积和功耗。 本设计完成的是专门用于处理音频信号的∑△ADC中的降采样滤波器的设计，该设计的性能指标如下：精度为24位，输出信号频率为44.1kHz，通带 波纹为0.02dB，阻带衰减为80dB。本论文分析了∑△调制器的结构，重点讨论了数字部分，即降采样滤波器的设计方法和电路实现，包括：CIC滤波器的 降采样倍数、阶数和差分延迟因子的选取；ISOP补偿滤波器的补偿系数和内插因子的选取；一般FIR低通滤波器与半带滤波器的阶数和参数的最佳选取 ；基于Booth和CSD编码的乘法器设计。另外本论文提出了降低芯片面积的两种方法：深度为2的FIFO代替DFF作为数据寄存单元；RAM和时分复用乘法器的 使用。降低功耗方面，本设计引入了门控时钟技术；最后提出了一种适合本设计的验证，使得复杂的验证问题变得可行。 本设计通过Matlab工具选取和优化了各级滤波器的设计参数，采用硬件描述语言Verilog实现了电路的RTL级描述，利用Modelsim仿真工具对电路进 行了功能仿真，最后基于UMC 0.18um工艺库，使用Synopsys公司的Design Compiler和Primetime对设计进行了逻辑综合和静态时序分析。 10.学位论文 张丽君 过采样技术及其在生物医学信号检测中的应用 2008 模数转换器（AnalogtoDigitalConverter，ADC）是现代信号检测中必不可少的器件，它决定了系统的测量精度。尤其在生物医学信号这种强背景噪 声的微弱信号检测中，高精度的ADC可以降低放大器对增益的要求。过采样技术可以提高ADC的测量精度，简化或省略抗混叠滤波器，但是，目前过采样 技术主要在∑-ΔADC中有深入的研究。本课题对过采样技术在现成N位ADC中的研究与应用进行了探讨。 首先，本文第一次分析了过采样技术在N位ADC应用中存在的问题。提出一种新的方法-叠加成形信号，来避免直流信号和微弱信号测量时过采样失效 的问题。从理论上分析该方法的可行性，通过仿真实验，与老的方法-抖动相比较，得出叠加成形信号的方法在过采样率小于49时更具有优势。同时，采 用仿真的方式，获得最佳过采样效果时，成形信号的参数。并且，搭建硬件平台，测量心电信号，验证了成形信号在过采样技术中的作用。 其次，分析了低通滤波器在过采样技术中的作用，从理论上计算出过采样较完美地实现目标时的滤波器参数，设计了适合过采样应用的滤波器，包 括低衰减特性的平均滤波器、高衰减特性的切比雪夫滤波器和可变参数的低通滤波器。并且，为提高过采样的效率，阐明了低通滤波器和减采样合并的 方法。仿真实验结果得出，过采样率必须与低通滤波器参数匹配才能达到过采样的预期目标。 最后，叙述过采样技术的两个应用。过采样技术简化数字锁定放大器的结构，提高检测精度，优化了生物体阻抗谱的测量，并提出一种优化算法 ，以解决过采样带来的大运算量和存储量问题。通过AD7674和FPGA实现的传感器数字化接口，验证了软件定义仪器的可行性和可变参数滤波器设计的合 理性。 本课题对N位ADC中过采样技术的应用进行了较系统的研究，其结果对过采样技术的应用具有指导意义，对于推动生物医学信号等微弱信号检测的发 展也具有重要意义。 引证文献(2条) 1.郭佳.李永红.周惠晋.陈晓景 新型数字输出式三轴过载传感器研究[期刊论文]-仪表技术 2010(1) 2.谢湘南.马冰.田书林 基于LPC2136的精确温度测量[期刊论文]-中国测试技术 2008(6) 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_xddzjs200712026.aspx 授权使用：国电南京自动化股份有限公司(wfgdnz)，授权号：af1d5091-0239-45a4-a07f-9e3000d5814b 下载时间：2010年11月16日