曾寶瑩，葉健濱（廣州市輕工職業(yè)學(xué)校，510650）

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基于Σ-Δ型ADC的過采樣應(yīng)用

曾寶瑩，葉健濱
（廣州市輕工職業(yè)學(xué)校，510650）

摘要：本文討論了基于高分辨精度的24位∑-△ ADC（AD7760）的過采樣應(yīng)用設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了針對白噪聲下的微弱信號，采用過采樣技術(shù)可以提高ADC的精度和信噪比。

關(guān)鍵詞：過采樣；Σ-Δ ADC；AD7760；微弱信號

過采樣Σ-ΔADC是近年迅速發(fā)展的一種A/D轉(zhuǎn)換方法，它是以極高的采樣速率將模擬信號轉(zhuǎn)化為高速數(shù)據(jù)流，通過噪聲整形、數(shù)字濾波等方法來提高有效分辨率。由于Σ-ΔADC 中大量地采用數(shù)字電路，制造成本低，同時(shí)又具有分辨率高、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。

求和—增量（Σ-Δ）型ADC是高精度ADC，本設(shè)計(jì)選用的AD7760是高性能Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，高達(dá)24位的精度和2.5Msps的速度，廣泛應(yīng)用于高精度高速率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。AD7760可以設(shè)定內(nèi)部可編程的采樣率和數(shù)字有限脈沖響應(yīng)濾波器的參數(shù)，以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

過采樣技術(shù)是指以實(shí)際所需采樣頻率fs的K倍，即K·fs進(jìn)行采樣，再通過“抽取”，即對采樣結(jié)果每K點(diǎn)做累加平均，使其等效轉(zhuǎn)換速率仍還原為fs 的一種方法。過采樣的實(shí)質(zhì)是用速度來換取系統(tǒng)精度的提高。本系統(tǒng)采用MCF51QE128單片機(jī)作為主控芯片，接收AD7760的采集數(shù)據(jù)，并通過SCI模塊傳送到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和信號復(fù)原，如圖1所示。

1.1AD7760電路設(shè)計(jì)

AD7760 的電路主要由電源電路、時(shí)鐘電路、外圍電路組成，如圖2所示。該芯片的供電比較復(fù)雜，模擬和數(shù)字電源需分開供電，分別需要2.5V、5V、4.096V電源。此外，根據(jù)AD7760能夠處理最大的外部頻率為40MHz，其外部輸入時(shí)鐘由40MHz有源晶振提供。針對高精度的AD的外圍電路的設(shè)計(jì)，由于其解耦性能要求很高，AD7760芯片的每個(gè)電源引腳接入相對應(yīng)的供電電源時(shí)需串接一個(gè)磁珠，芯片的電源引腳與相對應(yīng)的接地端需要串接電容或電感作為解耦，減少相互間的干擾。

圖2 AD7760的電路設(shè)計(jì)框圖

1.2AD7760軟件設(shè)計(jì)

基于AD7760 過采樣設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集軟件流程如圖3所示，利用鍵盤中斷讀取轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志引腳DRDY的下降沿，當(dāng)DRDY產(chǎn)生下降沿時(shí)，產(chǎn)生鍵盤中斷，通過控制引腳的時(shí)序及16根I/O總線讀取AD值，并保存到數(shù)組，以備SCI模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

1.3分析與結(jié)論

根據(jù)過采樣的結(jié)論：采樣頻率每增加1 倍，帶內(nèi)噪聲將減小3 dB，而測量分辨率將增加1/2 位。所以，需要以4倍的采樣頻率進(jìn)行采樣，才能增加1位分辨率，即：

其中：ΔN——希望增加的分辨率位數(shù)；fos——過采樣頻率；采樣頻率fs。

基于Σ-ΔADC——AD7760的過采樣設(shè)計(jì)應(yīng)用中，實(shí)際的A/ D采集速率為16Ksps。

如圖4所示，輸入的微弱信號是10Hz、10mV的正弦波，白噪聲信號為100Hz的方波信號。在圖中可以看出一列上下振動的鋸齒波波形，通過ADC的采樣速率可以估算出鋸齒波波形的頻率大約為100Hz，而這列鋸齒波的10Hz正弦波包絡(luò)線正是由于受到微弱信號的影響所產(chǎn)生。只要將白噪聲信號去除，就能得到微弱信號的波形。

所以通過過采樣技術(shù)將AD7760的采樣頻率提高4位分辨率，即從24分辨率提到28位有效分辨位數(shù)。本設(shè)計(jì)針對在白噪聲背景下的微弱信號，利用過采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)提高ADC有效分辨率的和提高信噪比的目的。

圖3 AD7760數(shù)據(jù)采集流程圖

圖4 基于Σ-ΔADC（AD7760）的過采樣設(shè)計(jì)的不同分辨位數(shù)的波形圖

參考文獻(xiàn)

［1］劉青蘭，方志剛，邵志學(xué).利用過采樣技術(shù)提高ADC測量分辨率［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，251（12）：74～79

［2］張新剛，王澤忠.基于過采樣技術(shù)提高數(shù)據(jù)采集精度的新方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2004，28（14）：58～62

［3］高晉占.微弱信號檢測［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004

Oversampling Application Design based on Σ-Δ ADC

Zeng Baoying，Ye Jianbin
（Guangzhou Vocational School of Light Industry，510650）

Abstract：Oversampling application design is studied in the paper which are based on high-resolution 24-bit Σ-ΔADC （AD7760）.Verifing that weak signal in the background of white noise，oversampling can achieve the purposes to improve ADC detecting precision and the signal to noise ratio.

Keywords：oversampling；Σ-ΔADC；AD7760；weak signal