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凑凑热闹……
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谢谢分享!
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提高ADC 测量分辨率的示例
在实际应用中将一个信号的带宽限制到小于fs/2,然后以某个过采样率OSR 对该信号采样,再对采样值求平均值得到结果输出数据。每增加一位分辨率或每减小6dB 的噪声,需要以4 倍的采样频率fs 进行过采样。
fos=4w*fs
w 是希望增加的分辨率位数,fs 是初始采样频率要求,fos是过采样频率。
方程8 增加测量分辨率的过采样频率
假设一个系统使用12 位的ADC,每秒输出一个温度值(1Hz),为了将测量分辨率增加到16 位,按下式计算过采样频率: fos=44*1(Hz)=256(Hz)。
因此,如果以fos=256Hz 的采样频率对温度传感器进行过采样,在所要求的采样周期内收集到足够的样本,对这些样本求均值便可得到16 位的输出数据。为此,先累加将256个连续样本加在一起,然后将总和除以256,这样的过程通常被称为抽取。
图1 是软件关键流程。
http://www.dz3w.com/pic/020905/1_07095245.JPG
图1 一次过采样流程
假设某温度传感器的满度输出为10V,使用10V 的参考电压Vref ,温度的变化范围为500℃。可以计算对于12 位和16 位测量的代码宽度和温度分辨率(可测量的最小温度变化)。
在未使用过采样技术的情况下,可得到12 位的温度测量结果,其每码字对应的温度为:
500/4096=0.1221℃/code;
使用过采样技术的情况下,可得到16 位测量结果,其每码字对应的温度为:
500/(4096*16)=0.0076℃/code。
因此对于每个ADC 码,没采用过采样技术时,测量的最小温度变化是0.1221℃。当需要更高的温度分辨率,以便能分辨1%℃时,可以使用过采样和求均值技术,用同一个12 位ADC 达到这个分辨率,测量的最小温度变化是0.0076℃,这就允许以高于1%℃的精度对温度进行测量。
得到上述较好结果,是以牺牲CPU 的运行时间和占用内存资源为代价的,同时较低ADC 转换芯片也必须具有较高的转换速度,其转换速度必须满足过采样率OSR 的要求。否则,上述效果是得不到的。如果一个ADC 的最大采样速率是40ksps,在不采用过采样和求均值技术的情况下,可以得到40ksps 的输出字速率。但是,如果为达到较高的分辨率而采用过采样和求均值技术抽取,吞吐率将降低到初始值除以过采样率OSR。在我们所提供的例子中,过采样率OSR为256,输出字速率将是40ksps/256=156 个样本,即每秒钟有156 个采样值。由此可以看出:对于给定的采样速率,应在分辨率和吞吐率之间权衡。另一个需要考虑的问题是增加
分辨率需要增加计算时间。
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在模数转化时,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和求均值会减小噪声和改善SNR,这将有效地提高测量分辨率。过采样指对某个待测参数,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。
由奈奎斯特定理知:采样频率fs 允许重建位于采样频率一半以内的有用信号,如果采样频率为40kHz,则频率低于20kHz 的信号可以被可靠地重建和分析。与输入信号一起,会有噪声信号混叠在有用的测量频带内(小于fs/2 的频率成分):
http://www.dz3w.com/pic/020905/1_07094855.JPG
erms 是平均噪声功率,fs 是采样频率,E(f)是带内ESD。
方程1 说明信号频带内的噪声能量谱密度ESD或被采样噪声的噪声平面随采样频率的增加而降低。
方程2 相邻ADC 码之间的距离或LSB。
为了说明过采样对噪声的影响,先定义量化噪声为:两个相邻ADC 码之间的距离对应的电压值。因为ADC 会舍入到最近的量化水平或ADC 码,所以
http://www.dz3w.com/pic/020905/1_07094921.JPG
N 是ADC 码的位数, Vref是参考电压。
量化误差为(eq):
http://www.dz3w.com/pic/020905/1_07094954.JPG
方程3 ADC 量化噪声的功率
假设噪声近似为白噪声,代表噪声的随机变量在ADC 码之间分布的平均值为0,则方差为平均噪声功率,计算如下:
http://www.dz3w.com/pic/020905/1_07095020.JPG
方程4 过采样率定义。
用过采样率OSR 来表示采样频率与奈奎斯特频率之间关系:
http://www.dz3w.com/pic/020905/1_07095040.JPG
fs 是采样频率,fm 是输入信号的最高频率。
方程5 带内噪声功率是OSR 的函数。
如果噪声为白噪声则低通滤波器(对样本求均值)输出带内噪声功率为:
http://www.dz3w.com/pic/020905/1_07095104.JPG
n0 是滤波器的输出噪声功率。
方程5 说明,我们可以通过提高OSR 来减小带内噪声功率。由于过采样和求均值并不影响信号功率,即信号功率没有减小,而带内噪声功率却降低,显然信号的信噪比SNR就得到了提高,也就等效于ADC 的分辨率得到了提高。
方程6 噪声功率是OSR 和分辨率的函数。
可以从方程3、4 和5 得到下面这个反映噪声功率与过采样率和分辨率关系的表达式:
http://www.dz3w.com/pic/020905/1_07095131.JPG
OSR 是过采样率,N 是ADC 的位数,Vref是参考电压。
反过来给定一个固定的噪声功率,可以计算所需要的位数,解方程6 求N,得到用给定的参考电压、带内噪声功率及过采样率来计算有效位数。
方程7 有效位数是参考电压带内噪声功率和过采样率的函数。
http://www.dz3w.com/pic/020905/1_07095152.JPG
从方程7 可以注意到:采样频率每增加1 倍,带内噪声将减小3 dB,而测量分辨率将增加1/2 位。
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各位赶紧申请吧,然后把做出的成品拿出来大家学习学习。
我建议干脆定个方向,发点材料,大家搞个竞赛什么的,活跃一下气氛。
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想申请一个,但估计是没戏……
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个人建议,仅供楼主参考:
1、首先根据个人爱好选专业,个人认为喜欢才能学得好,认真才能有发展,你既有机械的背景,也有电路的背景,你学“自控”应该有学科交叉的优势,加之你自己喜欢,你就选自控专业吧。
2、至于你的疑虑,这样跟你说吧,任何一门学科都是要进行理论研究的,没有理论就不可能有一个学科,读硕士或博士还是需要一定的理论深度的,不管是工科还是理科,对于像“自控”这种工程学科,其实践性还是很强的,重点在做工程,如果你进了一个比较有名的课题组,找了个有名气的老板,实验室有很多国家项目,到时候你就会抱怨时间不够用,而不是没机会做项目了,所以呢,理论多一点还是工程多一点,不是看学科,而是看老板,看课题组。
3、报考钱尽量多收集报考单位的信息,尤其是课题组,甚至老板情况。
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顶一个!
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东西好多,学习一些先,支持一下!
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看了一下框图,对LPC1700有个大致的了解,但不解的是从图上看,LPC1700好像除了集成了Cortex-M3还集成了一个MPU微处理器核,我对Cortex-M3还不怎么了解,所以有些疑惑,我自己猜想应该是Cortex-M3微处理器核能够提供超强的外设支持功能,但它数字处理能力稍弱,所以再集成了一个MPU单元来增强LPC1700的数字处理能力。
从结构看,LPC1700相比其它单片机集成了更多的外设接口,如12位8通道的ADC和10位的DAC,方便同传感器电路,模拟电路进行连接,处理现实世界的物理信号,以太网接口,很容易实现与其它系统的通信和交互,SDRAM和闪存可方便实现,数据的存储和读取,个人认为这种芯片很适合用于传感网、无线传感器网络和物联网等应用中,也很适合应用于传感器电路,执行器电路和自动控制系统电路中。
如传感器感知现实世界物理量,将物理量转化为模拟信号,由ADC将模拟信号转化为数字信号,数字信号有MPU进行处理,可以将数据进行存储,也可以通过通信接口将数据通传感网进行传输,同时系统可以发出信号,通过DA对执行器进行控制,等等!
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要是能申请到免费样片的话,我也申请2片!
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看了一下LPC32x0的系统结构图,感觉还是蛮震撼的,一个单片机居然集成了如此多的功能模块,它不纯是一个具有较高性能和速度的CPU,还集成了片上存储器(ROM和SRAM)和存储器扩展接口电路,还能支持片外的NAND Flash存储器、SD卡、DDR存储器,(这些都没有集成到LPC32x0,开发时需要相应的芯片)。集成了多种通信接口电路,能支持多种数据交换协议,USB、I2C、I2S、SPI、SSP等等,总之就是将多种通信接口集成到了一起。
除了常规的键盘扫描等IO接口外,还集成了LCD控制电路,还集成了一个10位的AD,用于处理触摸屏的输入信号。在系统功能模块中,除了单片机芯片常见的看门狗电路、多种计时器电路、中断电路和系统控制电路外,还集成了直接存取(DMA)控制电路,功耗控制电路(电源管理),还集成了3个锁相环(PLL)电路。芯片绝大部分是数字电路,只有10位AD和PLL是模拟电路。
总之,LPC32x0是一款功能强大的数模混合的SOC芯片,它集成了从多的功能模块,通过总线矩阵实现各电路之间的互联和通信,感觉还是很强大的,尤其是0.9V的超低电压更是让人叹服,要知道在0.9V的低电压下,AD和PLL的实现都是比较困难的。从系统看,除了ARM9核需要购买外,其他部分应该都是恩智浦公司自己研发的,这些模块应该都是恩智浦公司很成熟的模块,所以对恩智浦这样的公司来说,开关一款新的单片机并不是什么难事。
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好好研究一下。
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