使用噪声提高 ADC 性能的秘诀

我们是否曾经为我们的应用找到了模数转换器 (ADC)，后来意识到我们需要更高的有效分辨率？如果我们的系统中有噪声，或者会给我们的 ADC 输入信号添加噪声，那么我们可能会走运。对信号进行过采样可以增加 ADC 的有效位数 (ENOB) 分辨率，但这需要存在噪声。但是，在某些情况下，我们可以有意在信号中添加噪声以启用过采样。

虽然ADC看起来非常简单，但它们必须正确使用才能获得最优的性能。ADC具有与简单模拟放大器相同的性能限制，比如有限增益、偏置电压、共模输入电压限制和谐波失真等。ADC的采样特性需要我们更多地考虑时钟抖动和混叠。以下一些方法有助于工程师在设计中充分发挥ADC的全部性能。

要认真对待ADC的模拟输入信号，尽量使它保持干净，“无用输入”通常会导致“数字化的无用输出”。模拟信号路径应远离任何快速开关的数字信号线，以防止噪声从这些数字信号线耦合进模拟路径。

虽然简化框图给出的是单端模拟输入，但在高性能ADC上经常使用差分模拟输入。差分驱动ADC可以提供更强的共模噪声抑制性能，由于有更小的片上信号摆幅，因此一般也能获得更好的交流性能。差分驱动一般使用差分放大器或变压器实现。变压器可以提供比放大器更好的性能，因为有源放大器会带来影响总体性能的额外噪声源。但是，如果需要处理的信号含有直流成份，具有隔直流特性的变压器就不能用。在设计预驱动电路时必须考虑驱动放大器的噪声和线性性能。需要注意的是，因为高性能ADC通常有非常高的输入带宽，因此在ADC输入引脚处直接滤波可以减少混入基带的宽带噪声数量。

过采样意味着以高于奈奎斯特速率的采样，这是信号最大频率分量的两倍。通常在过采样之后进行平均或低通滤波器，然后进行抽取。过采样可以提高有效的 ADC 分辨率。对于所需的每一位额外分辨率，我们必须过采样四倍。见公式 1：

其中 b 是额外有效位数，FNyquist 是奈奎斯特频率。

关键是知道什么时候可以过采样。

一些 ADC 具有内置的硬件过采样模式，可以平均转换后的输出；请参见图 1，选项 A。在具有集成 ADC 的微控制器 (MCU) 上，我们还可以利用软件来实现过采样（有关更多详细信息和访问代码的链接，请参见应用说明“用于更高分辨率的 MSP ADC 的通用过采样”示例项目）。在软件过采样中，MCU 执行后处理（包括后平均），或使用低通滤波器和抽取。低通滤波器需要更多的处理带宽（和功率），但会去除带外噪声以获得更好的性能。

图 1：过采样方法信号流程图

以 MSP432P401R MCU 为例：该微控制器包含一个集成的 1 MSPS 精密 ADC。要将 ADC 的 13.2 ENOB 分辨率提高到 20 kHz 信号的 14.2 位，必须至少以奈奎斯特速率 (40 kHz) 的四倍（即 160 kHz）对其进行采样。要从 13.2 位变为 15.2 位，必须以至少 4 2 = 16 倍奈奎斯特速率（即 640 kHz）对其进行采样（对于 sigma delta ADC，60 kHz 不一定与时钟速率相同）。

图 2 显示了具有过采样功能的 MSP432P401R MCU 的精密 ADC 的性能。请注意，当输入信号的频率为 20 kHz 时，性能在过采样率 (OSR) 为 32 时停止改进。这是因为 ADC 的最大采样频率为 1 Msps，并且由于转换器为 1 MSPS，因此信号的最大值可以将 OSR 设置为 32，以增加 ENOB 为 15.625 kHz（基于公式 1）。

图 2：具有不同过采样率的 MSP432P401R MCU ADC 性能

回到“关键是知道何时可以过采样”，这就是噪声是提高 ADC 有效分辨率的秘诀所在。以下是过采样有效提高分辨率的一些高级要求：

· 系统上的噪声应该足够大，以在连续的 ADC 转换中产生差异。该噪声可以是输入噪声或转换器内部的噪声（量化加热噪声）。

· 如果我们不使用抽取滤波器，则噪声应该是白色的。

· 带限的非平稳信号从过采样中受益更多。

如果信号没有足够的噪声，可以通过过采样添加带外噪声以获得更好的性能，然后过滤掉添加的噪声。

请记住有关过采样的以下几点：

· 转换器采样率必须大于最大信号频率的两倍。

· 过采样会增加功率，因此仅在必要时使用它——并且仅在必要的程度上使用。

· 过采样并不像拥有一个具有所需 ENOB 分辨率并直接输出结果的 ADC 那样简单。过采样需要在 ADC 结果之后进行额外处理。

· 我们将需要在软件中进行额外的后处理。预先验证的软件与MSP432™ MCU等高性能中央处理器 (CPU) 相结合，可帮助我们快速实施过采样 ADC 解决方案。