基于Σ-Δ型ADC的过采样应用

曾宝莹，叶健滨（广州市轻工职业学校，510650）



基于Σ-Δ型ADC的过采样应用

曾宝莹，叶健滨
（广州市轻工职业学校，510650）

摘要：本文讨论了基于高分辨精度的24位∑-△ ADC（AD7760）的过采样应用设计，验证了针对白噪声下的微弱信号，采用过采样技术可以提高ADC的精度和信噪比。

关键词：过采样；Σ-Δ ADC；AD7760；微弱信号

过采样Σ-ΔADC是近年迅速发展的一种A/D转换方法，它是以极高的采样速率将模拟信号转化为高速数据流，通过噪声整形、数字滤波等方法来提高有效分辨率。由于Σ-ΔADC 中大量地采用数字电路，制造成本低，同时又具有分辨率高、线性度好、抗干扰能力强等优点，应用广泛。

求和—增量（Σ-Δ）型ADC是高精度ADC，本设计选用的AD7760是高性能Σ-Δ模数转换器，高达24位的精度和2.5Msps的速度，广泛应用于高精度高速率的数据采集系统。AD7760可以设定内部可编程的采样率和数字有限脉冲响应滤波器的参数，以达到设计的要求。

1 系统总体设计

过采样技术是指以实际所需采样频率fs的K倍，即K·fs进行采样，再通过“抽取”，即对采样结果每K点做累加平均，使其等效转换速率仍还原为fs 的一种方法。过采样的实质是用速度来换取系统精度的提高。本系统采用MCF51QE128单片机作为主控芯片，接收AD7760的采集数据，并通过SCI模块传送到上位机进行数据处理和信号复原，如图1所示。

1.1AD7760电路设计

AD7760 的电路主要由电源电路、时钟电路、外围电路组成，如图2所示。该芯片的供电比较复杂，模拟和数字电源需分开供电，分别需要2.5V、5V、4.096V电源。此外，根据AD7760能够处理最大的外部频率为40MHz，其外部输入时钟由40MHz有源晶振提供。针对高精度的AD的外围电路的设计，由于其解耦性能要求很高，AD7760芯片的每个电源引脚接入相对应的供电电源时需串接一个磁珠，芯片的电源引脚与相对应的接地端需要串接电容或电感作为解耦，减少相互间的干扰。

图2 AD7760的电路设计框图

1.2AD7760软件设计

基于AD7760 过采样设计的数据采集软件流程如图3所示，利用键盘中断读取转换完成标志引脚DRDY的下降沿，当DRDY产生下降沿时，产生键盘中断，通过控制引脚的时序及16根I/O总线读取AD值，并保存到数组，以备SCI模块发送数据。

1.3分析与结论

根据过采样的结论：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。所以，需要以4倍的采样频率进行采样，才能增加1位分辨率，即：

其中：ΔN——希望增加的分辨率位数；fos——过采样频率；采样频率fs。

基于Σ-ΔADC——AD7760的过采样设计应用中，实际的A/ D采集速率为16Ksps。

如图4所示，输入的微弱信号是10Hz、10mV的正弦波，白噪声信号为100Hz的方波信号。在图中可以看出一列上下振动的锯齿波波形，通过ADC的采样速率可以估算出锯齿波波形的频率大约为100Hz，而这列锯齿波的10Hz正弦波包络线正是由于受到微弱信号的影响所产生。只要将白噪声信号去除，就能得到微弱信号的波形。

所以通过过采样技术将AD7760的采样频率提高4位分辨率，即从24分辨率提到28位有效分辨位数。本设计针对在白噪声背景下的微弱信号，利用过采样技术实现提高ADC有效分辨率的和提高信噪比的目的。

图3 AD7760数据采集流程图

图4 基于Σ-ΔADC（AD7760）的过采样设计的不同分辨位数的波形图

参考文献

［1］刘青兰，方志刚，邵志学.利用过采样技术提高ADC测量分辨率［J］.现代电子技术，2007，251（12）：74～79

［2］张新刚，王泽忠.基于过采样技术提高数据采集精度的新方法［J］.电力系统自动化，2004，28（14）：58～62

［3］高晋占.微弱信号检测［M］.北京：清华大学出版社，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