一种提高A/D转换器分辨率的方法

摘要

本发明提供一种提高A/D转换器分辨率的方法，该方法是一种在中低分辨率模数转换器上实现高精度的采样的方法，通过抬高检测信号，使信号进入可检测范围，加上过采样技术提高分辨率的能力，使信号检测变得准确、高效，实现对微弱信号的有效识别，实现对微弱信号的高精度检测，不仅实施简便，而且成本低。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种提高A/D转换器分辨率的方法，属于信号检测及A/D转换的技术领域。

背景技术：

随着计算机技术的不断发展，信号的数字化、高准确化在越来越多的系统中发挥着重要作 用。越来越多领域(物理学、化学、天文学、军事雷达、地震学、生物医学等)的微弱信号需 要被检测，例如：弱磁、弱光、微震动、小位移、心电、脑电信号等。

然而对于微弱信号的检测，普通的信号检测设备存在分辨率不足的情况。目前一般有两种 处理方法，一种是先将信号放大滤波，再用低或中分辨率的模数转换器(A/D转换器)进行采 样，转化为数字信号后，再做数字信号处理；另外一种方法是使用高分辨率的A/D转换器， 对微弱信号直接采样，再进行数字信号处理。但第一种方法需要使用复杂的放大电路，第二种 方法需要高精度的A/D转换器，价格昂贵，两种方法在成本上都不利于广泛应用。

过采样技术是一种能有效提高采样分辨率的方法，在过采样率为OSR(f_s为过 采样的采样频率，f_m被采样的信号的最高频率)的情况下，则经过量化后，平均噪声功率为：

$e_{\mathrm{rms}}^2={\int }_{-\Delta /2}^{\Delta /2}\left(\frac{e_q^2}{\Delta }\right)\mathrm{de}=\frac{{\Delta }^2}{12}$

如果带内噪声为白噪声，则低通滤波后输出端的带内噪声功率为：

$n_0^2={\int }_0^{f_m}{e}_{\mathrm{rms}}{\left(f\right)}^2\mathrm{df}=e_{\mathrm{rms}}^2\left(\frac{2·f_m}{f_s}\right)=\frac{e_{\mathrm{rms}}^2}{\mathrm{OSR}}$

这表明带内噪声功率是OSR的函数，并与OSR成反比。由n位A/D转换器的信噪比计算公 式SNR＝6.02N+1.76,可得过采样后的信噪比：

SNR＝6.02N+1.76+10log(OSR)

＝6.02ENOB+1.76               -(式1)

上式中，ENOB为有效位数。由上式可得出，过采样率每提高一倍，信噪比提升3dB，A/D 转换器有效分辨率提高0.5位。

但过采样技术也有其局限性，在信号微弱变化，变化幅度小于一个量化电平时，过采样同 样失效。

发明内容：

针对现有技术的不足本发明提供一种提高A/D转换器分辨率的方法，该方法是一种在中低 分辨率模数转换器上实现高精度的采样的方法，通过抬高检测信号，使信号进入可检测范围， 加上过采样技术提高分辨率的能力，使信号检测变得准确、高效，实现对微弱信号的有效识别， 实现对微弱信号的高精度检测，不仅实施简便，而且成本低。

本发明的技术方案如下：

一种提高A/D转换器分辨率的方法，包括步骤如下：

1)产生阶梯波C_f；

2)过滤高频噪声；

过滤待检信号S中的高频噪声，得到带限信号S_f；

待采集的信号S中混杂着多种噪声，必须要进行滤波，过滤掉高频噪声，使其成为带限信 号S_f；

3)将所述带限信号S_f输入到加法器电路输入端；

所述带限信号S_f输入到加法电路与所述的阶梯波C_f进行叠加，生成叠加信号S_a；

4)将所述叠加信号S_a输入到n位A/D转换器；

根据带限信号S_f的最高频率f_m,设置过采样频率，得到n位A/D转换器采样频率f_s，然后 对叠加信号S_a进行过采样、量化、编码；

5)将所述n位A/D转换器输出的数字信号送到数字信号处理器(DSP芯片)中进行处理；

采用加法求均值的方法，得到叠加信号S_a测量值具有 n+w位有效位数；

加法求均值：在过采样率为M的情况下，每个奈奎斯特采样周期内将出现M 个采样值；对每个奈奎斯特采样周期中的M个采样值相加求均值，得到的均值S_i作为新的采 样值，依次计算，得到叠加信号S_a的测量值；加法求均值的过程上就是将信号通过低通滤波 器的过程。

6)将所述阶梯波C_f信号经n位A/D转换器后输入到DSP芯片；

采用加法求均值的方法，得到阶梯波测量值具有 n+w位有效位数；

7)在叠加信号测量值中减去阶梯波测量值得到数字序列：具有n+w 位有效位数。

根据本发明优选的，所述步骤1)中梯波信号阶梯波信号发生器产生。

根据本发明进一步优选的，所述梯波信号信号发生器包括触发脉冲、计数器及数模转换器。 所述信号发生器的参考电压V_ref、计数器位数等参数可根据实际的阶梯波要求调整，可以设计 不同阶数、不同阶幅的阶梯波C_f。

根据本发明优选的，所述步骤1)中所述阶梯波C_f的幅值随时间均匀变化，具有周期性， 即阶梯波每阶持续时间相等，阶梯间隔相等，到阶梯峰值后回到零值；频率与被检测信号的奈 奎斯特采样频率一致。

根据本发明优选的，所述步骤2)中过滤待检信号S中的高频噪声的过程通过抗混叠滤波 器实现。抗混叠滤波器有多种选择，如切比雪夫滤波器、巴特沃斯滤波器、贝塞尔滤波器等， 可根据带内波纹度、阻带下降斜率、滤波器落差(带通到带阻的落差分贝数dB)等各项要求 选择。

根据本发明优选的，所述步骤6)中的A/D转换器是低或中分辨率的模数转换器。低或中 分辨率的模数转换器就可以满足分辨率要求，成本低廉。

根据本发明优选的，所述步骤4)中，根据带限信号S_f的最高频率f_m,设置过采样频率， 得到n位A/D转换器采样频率f_s的具体方法是，M＝OSR＝2^2w，f_s＝2·f_m·OSR，其中 w(w＝1,2,3…)是增加的有效位数。当带限信号S_f的最高频率是f_m,实际检测需要的转换位数为 n+w位，由式1可知，每增加1位有效位数，采样频率需增加到原来的四倍，则过采样率应设 置为M＝OSR＝2^2w，得到n位A/D转换器采样频率f_s＝2·f_m·OSR。

加法求均值的过程上就是将信号通过低通滤波器的过程。

如图4所示，经过过采样和求均值后，带限信号S_f的功率并没有发生变化，而噪声功率 由σ下降为σ/OSR。因为所以过采样和求均值后的信噪比提升为原来 的OSR倍，以分贝表示：

SNR＝6.02N+1.76+10log(OSR)

＝6.02ENOB+1.76

即过采样率每提高一倍，信噪比提升3dB，A/D转换器有效位数提高0.5位。

本发明的优势在于：

1、本发明所述提高A/D转换器分辨率的方法，不仅可以将N位A/D转换器的分辨率提升 到n+w位，而且可以有效的控制信号检测的成本；尤其在微弱信号检测领域，叠加阶梯波可以 使需要检测的微弱信号进入检测设备能够识别的范围之内，从而实现对微弱信号的检测。

2、本发明所述提高A/D转换器分辨率的方法，在中低分辨率模数转换器上实现高精度的 采样，通过抬高检测信号，使信号进入可检测范围，加上过采样技术提高分辨率的能力，使信 号检测变得准确、高效，实现对微弱信号的有效识别，实现对微弱信号的高精度检测，不仅实 施简便，而且成本低。

附图说明：

图1是本发明所述提高A/D转换器分辨率的方法的结构图；

图2是本发明所述A/D转换器在一个阶梯波周期内过采样示意图；

图3是本发明叠加信号S_a的频率曲线及低通滤波器的频率特性曲线；

图4是经发明所述提高A/D转换器分辨率的方法处理后的带限信号S_f的功率和噪声功率；

图5是实施例1所述的阶梯波C_f采样图；

图6是实施例1所述阶梯波C_f量化图；

图7是实施例1所述叠加波S_a采样图；

图8是实施例1所述叠加波S_a量化图。

具体实施方式：

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1-8所示。

一种提高A/D转换器分辨率的方法，包括步骤如下：

1)产生阶梯波C_f，所述梯波信号由触发脉冲产生；所述触发脉冲的参考电压V_ref、计数 器位数等参数可根据实际的阶梯波要求调整，可以设计不同阶数、不同阶幅的阶梯波C_f。所 述阶梯波C_f的幅值随时间均匀变化，具有周期性，即阶梯波每阶持续时间相等，阶梯间隔相 等，到阶梯峰值后回到零值；频率与被检测信号的奈奎斯特采样频率一致。

2)通过切比雪夫滤波器过滤高频噪声；

过滤待检信号S＝0.242648中的高频噪声，得到带限信号S_f；

待采集的信号脑电信号S中混杂着多种噪声，必须要进行滤波，过滤掉高频噪声，使其成 为带限信号S_f；

3)将所述带限信号S_f输入到加法器；

所述带限信号S_f输入到加法电路与所述的阶梯波C_f进行叠加，生成叠加信号S_a；

4)将所述叠加信号S_a输入到5位A/D转换器；

根据带限信号S_f的最高频率f_m,设置过采样频率，得到5位A/D转换器采样频率f_s，然后 对叠加信号S_a进行过采样、量化、编码；

根据带限信号S_f的最高频率f_m,设置过采样频率，得到5位A/D转换器采样频率f_s的具体 方法是，M＝OSR＝2^2w,f_s＝2·f_m·OSR，其中w是增加的有效位数。A/D转换器原有的有效 位数为n＝5位，满幅值为8V，分辨率为q＝1LSB＝8/2⁵＝0.25。为使测量值达到9位，w＝4, 则过采样率应设置为OSR＝2^2×4＝256，即在一个阶梯波周期内采样256次。

5)将所述5位A/D转换器输出的数字信号送到数字信号处理器(DSP芯片)中进行处理；

采用加法求均值的方法，得到叠加信号S_a测量值具有9 位有效位数；

6)将所述阶梯波C_f信号经5位A/D转换器后输入到DSP芯片；

采用加法求均值的方法，得到阶梯波测量值具有9 位有效位数；

7)在叠加信号测量值中减去阶梯波测量值得到数字序列：具有9位有效位数。

信号S＝0.242648在直接经A/D转换器采样量化时，量化值S₁＝0.25，测量误差为ΔS ＝0.007352，运用基于过采样的阶梯波叠加方法后得到的测量值为测量误差为 ΔS′＝0.0004606954<1/128。这说明阶梯波叠加过采样方案在信号检测中能够很好的提高A/D 系统的分辨率。

实施例2、

一种如实施例1所述的提高A/D转换器分辨率的方法，其区别在于：所述步骤6)中的A/D 转换器是低或中分辨率的模数转换器。低或中分辨率的模数转换器就可以满足分辨率要求，成 本低廉。

对待检信号S分别按照实施例1或者实施例2所述的提高A/D转换器分辨率的方法和普通 方法进行十次实验得到的处理数据对比表如下：

表1

根据表1可知本发明所述提高A/D转换器分辨率的方法能有效的提高A/D转换器的分辨率。