CN104734715B - 一种提高a/d转换器分辨率的方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种提高A/D转换器分辨率的方法
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(fs为过采样的采样频率，fm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：
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：
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Cf；
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Sf；
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Sf；
3)将所述带限信号Sf输入到加法器电路输入端；
所述带限信号Sf输入到加法电路与所述的阶梯波Cf进行叠加，生成叠加信号Sa；
4)将所述叠加信号Sa输入到n位A/D转换器；
根据带限信号Sf的最高频率fm,设置过采样频率，得到n位A/D转换器采样频率fs，然后对叠加信号Sa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Sa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Si作为新的采样值，依次计算，得到叠加信号Sa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Cf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Vref、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Cf。
根据本发明优选的，所述步骤1)中所述阶梯波Cf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Sf的最高频率fm,设置过采样频率，得到n位A/D转换器采样频率fs的具体方法是，M＝OSR＝22w，fs＝2·fm·OSR，其中w(w＝1,2,3…)是增加的有效位数。当带限信号Sf的最高频率是fm,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＝22w，得到n位A/D转换器采样频率fs＝2·fm·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Sf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Sa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Sf的功率和噪声功率；
图5是实施例1所述的阶梯波Cf采样图；
图6是实施例1所述阶梯波Cf量化图；
图7是实施例1所述叠加波Sa采样图；
图8是实施例1所述叠加波Sa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Cf，所述梯波信号由触发脉冲产生；所述触发脉冲的参考电压Vref、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Cf。所述阶梯波Cf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Sf；
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Sf；
3)将所述带限信号Sf输入到加法器；
所述带限信号Sf输入到加法电路与所述的阶梯波Cf进行叠加，生成叠加信号Sa；
4)将所述叠加信号Sa输入到5位A/D转换器；
根据带限信号Sf的最高频率fm,设置过采样频率，得到5位A/D转换器采样频率fs，然后对叠加信号Sa进行过采样、量化、编码；
根据带限信号Sf的最高频率fm,设置过采样频率，得到5位A/D转换器采样频率fs的具体方法是，M＝OSR＝22w,fs＝2·fm·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＝22×4＝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Sa测量值 具有9位有效位数；
6)将所述阶梯波Cf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。

Claims (5)

1.一种提高A/D转换器分辨率的方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)产生阶梯波Cf；所述阶梯波Cf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)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Sf；
3)将所述带限信号Sf输入到加法器；
所述带限信号Sf输入到加法电路与所述的阶梯波Cf进行叠加，生成叠加信号Sa；
4)将所述叠加信号Sa输入到n位A/D转换器；
根据带限信号Sf的最高频率fm,设置过采样频率，得到n位A/D转换器采样频率fs，然后对叠加信号Sa进行过采样、量化、编码；根据带限信号Sf的最高频率fm,设置过采样频率，得到n位A/D转换器采样频率fs的具体方法是，M＝OSR＝22w，fs＝2·fm·OSR，其中w是增加的有效位数；
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Sa测量值 具有n+w位有效位数；
6)将所述阶梯波Cf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。
2.如权利要求1所述的提高A/D转换器分辨率的方法，其特征在于，所述步骤1)中梯波信号阶梯波信号发生器产生。
3.如权利要求2所述的提高A/D转换器分辨率的方法，其特征在于，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。
4.如权利要求1所述的提高A/D转换器分辨率的方法，其特征在于，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。
5.如权利要求1所述的提高A/D转换器分辨率的方法，其特征在于，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。
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