1 概述 PHILIPS 的 P89LPC900 系列 FLASH單片機(jī)部分型號提供了 8 位精度的 AD 轉(zhuǎn)換器，為許多控制系統(tǒng)帶來方便，諸如溫度控制、運(yùn)動控制等，在 MCU發(fā)出控制指令后，常常需要將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的情況反饋給 MCU，從而構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，達(dá)到精細(xì)控制的目的。這一檢測過程一般由各種傳感器完成，在某些對成本有高要求的場合，為了控制成本，也常使用一些簡單的分立元件替代數(shù)字傳感器，通常送到 MCU接口的都是一些經(jīng)過處理的電壓信號，內(nèi)帶 ADC的芯片能夠簡化設(shè)計(jì)，并使成本進(jìn)一步降低。一般來說，8 位的 AD 精度已經(jīng)足以應(yīng)對，但是在一些對精度要求比較高的場合，可能會需要 10 位或者更高精度，細(xì)心的用戶通過仔細(xì)研究 P89LPC900 單片機(jī)的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn) P89LPC900 系列單片機(jī) ADC的特點(diǎn)非常適合進(jìn)行 ADC過采樣，本文正是結(jié)合 P89LPC900 的特點(diǎn)，介紹該單片機(jī)在高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換場合的應(yīng)用，以及使用過采樣技術(shù)需要滿足的條件和需注意事項(xiàng)。使這種低成本高精度的 AD技術(shù)得以應(yīng)用。 2 ADC過采樣簡單介紹 2.1 過采樣過程 使用特殊的信號處理技術(shù)可以用來提高測量的精度，在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程常用一種“過采樣和抽取”的方式來得到較高的精度，“過采樣和抽取”的理論推導(dǎo)過程相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，但是應(yīng)用卻非常的簡單，這個過程一般分三步：第一步、高速（相對于輸入信號）采樣模擬信號；第二步、數(shù)字低通濾波；第三步、抽取數(shù)字序列。第二步是為了降低每次采樣值的波動，并不增加精度，只有過采樣和抽取才能相應(yīng)的提高精度。采樣要滿足奈奎斯特定理，這個本文就不再累敘，過采樣技術(shù)需要大量的采樣，每增加一位精度就要過采樣 4 倍。過采樣頻率與采樣頻率的關(guān)系如下式 [ALIGN=CENTER]f過采樣 = 4 f采樣 公式2-1 過采樣頻率公式 [/ALIGN] 為了盡可能真實(shí)的重現(xiàn)輸入信號，這么多次的采樣必須要有保證。下面以幾個圖簡單的描敘一下過采樣如何提高精度。 [ALIGN=CENTER] [/ALIGN] 從圖 2.1中 a 可以看出 8 位精度的測量值可能存在 0.5的誤差，而進(jìn)行過采樣、抽取之后如圖 2.1中 c，得到的值準(zhǔn)確的重現(xiàn)了輸入信號。這就是過采樣的過程，要注意普通平均不會增加轉(zhuǎn)換的精度，抽樣或插值方法和過采樣一起使用，才能增加精度。數(shù)字信號處理過采樣和信號低通濾波經(jīng)常看成是插值。這時，插值用來產(chǎn)生在大量采樣后的新采樣結(jié)果。越多的平均采樣數(shù)，越容易選擇低通濾波，插值結(jié)果越好。額外的 M 次采樣，象普通平均那樣累加起來，但是結(jié)果不象普通平均那樣除以 M。而是結(jié)果右移 N（N是希望增加的額外精度），從而比例化成正確的結(jié)果。右移一個二進(jìn)制數(shù)一次等于除以 2，。如公式 2-1，精度從8 位增加到 10 位需要總共 16次 8 位的采樣。這 16次 8 位結(jié)果產(chǎn)生一個12 位計(jì)算結(jié)果，其中最后兩位是無用的，右移后成為 10 位結(jié)果。 2.2 過采樣條件 在正常情況下信號都有一定的噪聲，就是常說的白噪聲或熱噪聲，如果這個噪聲能夠引起 ADC 最小計(jì)量單位的變化，那么過采樣技術(shù)就可以使用。 如果噪聲不足以引起 ADC 變化，對于結(jié)果是沒有任何影響的，這個時候就需要我們?nèi)藶榈囊朐肼?，引入的噪聲一般叫“抖動信號”，它的振幅要足以引?ADC 的變化，一般需要在 0.5 個 LSB 以上，在采樣過程，它的成分應(yīng)該保持一定，另外噪聲的周期不能超過采樣周期。 總的來說，對于有噪聲的信號過采樣實(shí)現(xiàn)過程如下： 對信號進(jìn)行4 次的過采樣（n位額外精度位數(shù)）； 對各個值進(jìn)行累加； 右移n位，得到過采樣值 在過采樣過程，在兩個地方可能用到數(shù)字濾波，一個是過采樣中每一個采樣值由若干個8 位 AD 值平均得到；另一個地方是取若干個最終的過采樣值進(jìn)行處理得到。對于P89LPC900，個人比較偏向于第二種方法，這與 P89LPC900 的特點(diǎn)有關(guān)。 3 P89LPC900適合進(jìn)行ADC過采樣的幾個特點(diǎn) 低功耗，對電源的影響非常小，得到的 AD 值穩(wěn)定 要得到一個準(zhǔn)確的 AD 值，一般需要有一個穩(wěn)定的基準(zhǔn)源，但是 LPC900 本身功耗很低，每個功能模塊所消耗的電流很穩(wěn)定，只要在轉(zhuǎn)換過程不進(jìn)行大功耗模塊的切換，并不進(jìn)行大電流的輸入輸出，就能夠得到一個非常穩(wěn)定的 AD 值，而不需要額外的基準(zhǔn)源。這個特點(diǎn)在需要測量高精度的電壓變化的時候非常有用。 AD 轉(zhuǎn)換速度快 LPC900 的 ADC采用逐次逼近原理，在 3.3MHz 的 A/D 時鐘下，進(jìn)行一次 ADC最小僅需要 3.9uS，在同樣的時間損耗里能夠獲得更多次的 AD 值，提高精度。 AD 模塊自帶特殊轉(zhuǎn)換方式 LPC900 具有六種 AD 操作模式，每個 AD 轉(zhuǎn)換器有 4 個結(jié)果寄存器。 固定通道，單次轉(zhuǎn)換 固定通道，連續(xù)轉(zhuǎn)換 自動掃描，單次轉(zhuǎn)換 自動掃描，連續(xù)轉(zhuǎn)換 雙通道，連續(xù)轉(zhuǎn)換 單步模式 其中固定通道，連續(xù)轉(zhuǎn)換可以在程序運(yùn)行的同時對某個通道的模擬電壓值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在 4 個結(jié)果寄存器中，第 5 次以后轉(zhuǎn)換結(jié)果分別覆蓋前面4 次結(jié)果，在內(nèi)部本身就構(gòu)成一個窗口移位寄存器。任何時候讀取結(jié)果寄存器都能得到連續(xù)的 4個 AD 值對后期處理提供了保證。 4 過采樣條件及注意 4.1 使用 P89LPC900 進(jìn)行 ADC 過采樣需要滿足以下條件 被測信號變化不能太快，根據(jù)奈奎斯特定律，要真實(shí)采樣一個信號，采樣頻率至少要在 被測信號頻率的兩倍以上，進(jìn)行過采樣也同樣對采樣周期有要求，以 P89LPC935 為例，3.3MHz 的 AD 時鐘下，一次 8bit 采樣時間為 3.9uS，要進(jìn)行一次 10bit 精度的過采樣需要采樣 16 次，那么 也就是說被測信號的變化周期應(yīng)該在 2 TAD 以上。 被測信號在采樣過程必須有噪聲疊加，一個恒定不變的信號是不能滿足過采樣理論的，比如一個 8bit 采樣結(jié)果為 8FH的信號，進(jìn)行 10bit 過采樣，16＊（8FH）=8F0H，進(jìn)行 2 位的左移得到 23CH，那么電壓值為 23CH/400H = 0.55859375 = 8FH/100，精度并沒有得到提高。這種情況需要人為產(chǎn)生噪聲進(jìn)行疊加，噪聲要求參考上文 2.2。 4.2 注意事項(xiàng) 采樣時建議進(jìn)行一位冗余過采樣，如需要 10bit 時進(jìn)行 11bit 過采樣。 過采樣結(jié)合平均值濾波使用，增加結(jié)果的穩(wěn)定度。 使用過采樣一般對成本有較高要求，那么電源本身可能有一定誤差，建議在采樣過程不要切換大功率模塊，保證電源穩(wěn)定。 如果想獲得準(zhǔn)確的 AD 值，那么要使用足夠高精度的電源作為基準(zhǔn)源，但是如果需要的是各個測量值之間的關(guān)系，則對電源沒有過高的要求。 一個沒有經(jīng)過特殊處理的系統(tǒng)一般是帶有足夠的噪聲的。 LPC900 系列單片機(jī)的 ADC 過采樣技術(shù)已經(jīng)在健身器材、溫度控制系統(tǒng)、超聲清洗儀器以及電池充電器等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 ［參考文獻(xiàn)：］[ALIGN=CENTER]1 《Stellaris？系列微控制器的ADC過采樣技術(shù)》 2 《P89LPC935FLASH單片機(jī)使用指南》 以上資料可以從ZLG官方網(wǎng)站下載。 [/ALIGN]