1、基于StellarisTM系列微控制器的ADC滑動平均過采樣技術    關鍵詞:有效位數;ADC模塊;過采樣 1 過采樣原理 過采樣是從輸入信號中采集額外的轉換數據。模擬信號采樣的標準約定指出:采樣頻率fS至少是輸入信號的最高頻率成分fH的兩倍。 只要所選的采樣頻率高于fS就被看作是過采樣。當過采樣與平均技術相結合時,可改善ENOB。這是可以實現的,因為在將過采樣的結果進行平均的同時也將量化噪音進行了平均,這樣就提高了信噪比(SNR),信噪比的提高會在ENOB上產生一個直接的影響,從而改善ENOB。 精度上每提高一位,必須對信號進行4倍的過采樣,即過采樣

2、頻率fos與采樣頻率fS的關系:fos=4x*fS x為ENOB上需改進的位數(例如,需要改進2位,則x=2) 過采樣對轉換結果的精度的改善如圖1所示。圖中,對輸入信號進行4倍過采樣(樣品組用綠色和紫色表示)并進行平均。圖中顯示的采樣點闡明了原始的、帶噪音信號與平均值之間的差值。該例中的噪音在單個采樣值上對精度的影響達到±3位。我們注意到平均值(橙色圓點)比大多數單個的采樣值更接近于理想值,并且精確得多。 平均操作可看作是輸入信號上的一個低通濾波器,當采樣數據寬度(simple size)增加時濾波器的通帶變窄。有兩種方法可對轉換結果進行平均:常規平均和滑動平均(rolling av

3、erage)。以下我們只討論滑動平均。 滑動平均在平均計算中使用存放n個最近采樣值的采樣緩沖區,允許ADC在其最大采樣率時采樣(ADC采樣率并不象常規平均那樣減小為原來的1/n),這樣它可理想地用于要求過采樣和更高采樣率的應用中。在未知狀態中,采樣緩沖區能夠用有效的采樣數據預先填充(通過捕獲第一個"實際"數據點之前的n-1個采樣點),也可保持為空,由應用來決定。不預先填充緩沖區的危害是前面的n-1個采樣點包含無效的數據,并在滑動平均計算中產生不利的影響。如果這些影響可被應用所接受,并且如果軟件能夠解決前面的n-1個偏移的采樣點的可能性,則可去除緩沖區填充操作。 在使用滑動平

4、均時,采樣延遲如下式: tdelay=(tSn-tS0)/2 tprocess tS0為進行平均時第一個采樣點出現的時間,tSn為最后一個采樣點出現的時間。中斷處理程序處理采樣數據所需的時間,并被計算為供應用使用的平均tprocess也被分解到等式中。因為必須在每次中斷過程中執行采樣緩沖區處理,因此使用滑動平均增加了額外的處理開銷。 3 實現 Luminary Micro在ADC中使用采樣定序器(sample sequencer)結構,它使用一次觸發就可采集到高達17個不同的采樣值(來自任意的模擬通道),這樣過采樣的實現就變得非常簡單。而通過向應用提供在任意給定的時刻對多個通道進行過采樣的方法

5、,使得軟件的實現也具有極大的靈活性。 Stellaris驅動庫具有內置的允許進行高達8倍過采樣的函數。該級別的過采樣能夠使ENOB改進大約1.4位,因此在大多數應用中已足夠了。但是需要更大過采樣因子的應用必須使用其它的實現。以下是使用滑動進行平均每100s過采樣。 代碼段1 ADC配置-滑動平均 / 初始化ADC,以便在檢測到觸發時在通道1、定時器3上獲得一個采樣值。 ADCSequenceConfigure(ADC_BASE, 3, ADC_TRIGGER_TIMER, 0); ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 3, 0, (ADC_CTL_CH1 | A

6、DC_CTL_IE | ADC_CTL_END); / 初始化定時器0 TimerConfigure(TIMER0_BASE, TIMER_CFG_32_BIT_PER); TimerLoadSet(TIMER0_BASE, TIMER_A, SysCtlClockGet() / 10000); TimerControlTrigger(TIMER0_BASE, TIMER_A, true); 中斷處理程序必須更新采樣緩沖區并進行平均計算(見代碼段2)。在每次ADC中斷時,去掉采樣緩沖區中的最后一個元素,緩沖區中剩下的數據移動一個位置。然后,在計算平均值之前將新的轉換結果放在采樣緩沖區的開始處。

7、中斷處理程序中執行的額外計算又一次增加了開銷,這一點必須要考慮到。 代碼段2 ADC中斷處理程序 void ADCIntHandler(void) / 清除中斷 ADCIntClear(ADC_BASE, 3); / 檢查g_ucOversampleIdx,確保它的值在范圍內 if(g_ucOversampleIdx = 16) g_ucOversampleIdx = 0; / 從全局總和中減去最早的值 g_ulSum -= g_ulSampleBufferg_ucOversampleIdx; / 用新的采樣值代替最早的值 g_ulSampleBufferg_ucOversampleIdx =

8、 HWREG(ADC_BASE ADC_O_SSFIFO3); / 將新的采樣值加到總和中 g_ulSum = g_ulSampleBufferg_ucOversampleIdx; / g_ucOversampleIdx加1 g_ucOversampleIdx ; / 從采樣緩沖區的數據中獲得平均值 g_ulAverage = g_ulSum >> 4; / 占位符,供ADC處理代碼         在啟動定時器之前,使能定時器及其中斷(見代碼段3)。 代碼段3 使能ADC和中斷 / 使能定序器和中斷

9、ADCSequenceEnable(ADC_BASE, 3); ADCIntEnable(ADC_BASE, 3); IntEnable(INT_ADC3); / 使能定時器并啟動轉換處理 TimerEnable(TIMER0_BASE, TIMER_A); 本文描述的過采樣技術需要額外的代碼來執行平均計算,附加中斷,和/或大部分采樣定序器資源,因此它在整個系統性能上有一個顯著的影響。 4 結論 Luminary Micro的采樣定序器結構為過采樣技術的實現提供了大量的選項。當與軟件平均技術相結合時,該結構能夠使系統設計人員有效地在采樣頻率、系統性能和采樣解決方案之間進行權衡。 參考文獻 1王永宏,徐煒,郝立平. STM32 系列ARM Cortex - M3 微控制器原理與實踐M . 北京:北京航空航天大學出版社, 2