文中在通過對過采樣技術的分析，將此技術應用在TI公司LM3S8962片內ADC上，在不使用昂貴片外ADC的情況下同樣獲得較高的分辨率。既節(jié)約了成本，又節(jié)省電路板空間，同時也提高了系統(tǒng)整體可靠性。

1 過采樣技術分析
1．1 過采樣原理
    過采樣是對待測數據進行多次采樣，獲取樣本數據，累計求和這些樣本數據，并對它們均值濾波，減小噪聲后最終獲得采樣結果。過采樣在一定條件下能夠提高信噪比(SNR)，同時使噪聲減弱，從而提升測量分辨率。過采樣技術將采樣頻率提高到被采樣頻率的4倍，能過濾掉高于3fb的分量，用數字濾波器過濾fb～3fb的分量，最終有用分量被完全保存下來。若采取足夠多次采樣，則能重現原始信號。式(1)是過采樣的頻率要求
   
    式(1)中，Fo為過采樣頻率；n為希望增加的分辨率位數；fb為初始采樣頻率要求。
1．2 過采樣與噪聲、分辨率的關系
    在提出過采樣與噪聲的對應關系之前，對量化噪聲作一簡單描述。量化誤差是由相鄰ADC碼的間距所決定，因此相鄰ADC碼之間的距離為
   
    式(2)中，N為ADC碼的位數；Vr為基準電壓。式(3)為量化誤差ed的關系式。
    奈奎斯特定理指出，如果被測信號的頻帶寬度小于采樣頻率的1／2，那么可以重建此信號。現用白噪聲近似描繪實際信號中的噪聲，在信號頻帶中的噪聲能量譜密度為
   
    式(4)中，e(f)為帶內能量譜密度；ea為平均噪聲功率；fs為采樣頻率。
   
    ADC量化噪聲的功率關系如式(5)所示。由于量化噪聲會引發(fā)固定噪聲功率，因此針對增加的有效位數能夠計算過采樣比
   
    式(6)中P為過采樣比；fs為采樣頻率；fm為輸入信號最高頻率。低通濾波器輸出端的帶內噪聲功率見式(7)。其中n2是濾波器輸出的噪聲功率
   
    由此可見，過采樣能減少噪聲功率卻又對信號功率不產生影響，在減小量化誤差的同時，能夠獲得與高分辨率ADC相同的信噪比，從而增加被測數據的有效位數。通過提高采樣頻率或過采樣比可提高ADC有效分辨率。

2 過采樣滿足條件及操作步驟
    對于過采樣，理論上需要信號有一定噪聲，并且必須近似白噪聲，幅度足夠大。若噪聲信號不能滿足前面講述的理論要求，就需要引入噪聲激勵。因此，選用周期性噪聲作為激勵信號。同時對激勵噪聲有一定要求：激勵噪聲幅度≥1 LSB；噪聲均值在添加激勵噪聲時必須是0。
    在理解過采樣理論及需要滿足的條件后，出于對具體應用的考慮，設計了過采樣的操作步驟，概括如下：
    (1)判斷被采樣信號是否有噪聲，如果沒有噪聲，則疊加周期性激勵噪聲。
    (2)對信號進行4n次過采樣(n為希望增加的分辨率位數)。如果使用片內10位ADC，希望得到14位的ADC精度，則需要44即256次10位的過采樣。
    (3)抽取數字序列，對各個采樣值進行累加。
    (4)對累加后的采樣數據，若提高n位精度則右移n位，最終得到過采樣值。

3 LM3S8962實現ADC過采樣
3．1 Cortex-M3內核特點介紹
    在ADC過采樣設計中，選用TI公司ARM Cortex-M3芯片，主要原因是其功能強大、高性價比的Cortex-M3內核，使過采樣的效率與精度得到進一步提升。該內核具有如下特性：
    (1)采用ARMv7M架構，在ARMv4T架構基礎上擴展了36條指令。
    (2)基于哈佛結構，數據與指令可同時從存儲器讀取，并行執(zhí)行多個操作，加快程序執(zhí)行速度。與ARM7TDMI-S相比，比ARM指令每兆赫效率提高了35％，比Thumh指令效率提高了70％。
    (3)帶有多種睡眠和喚醒模式，實現產品的低功耗。
    (4)單周期乘法、乘-加、硬件除法指令，實現快速運算。
    (5)低延遲中斷處理：支持8層硬件中斷嵌套，末尾連鎖功能，高優(yōu)先級中斷遲來處理。
3．2 過采樣的軟件實現
    (1)外設初始化。
    在軟件實現過采樣之前，必然要對各個模塊進行初始化和配置。初始化定時器、ADC、UART等模塊，定時器模塊用來提供系統(tǒng)時鐘周期，配置ADC的觸發(fā)模式和采樣速率，利用UART將測量值傳遞給PC，方便查驗是否正確。
    (2)產生PWM信號，作為噪聲。
    為了保證過采樣原理應用的可靠性，引入噪聲激勵信號。而為了避免激勵噪聲出現的誤差，使用內部的PWM信號發(fā)生器產生周期性和對稱性很好的PWM波，作為激勵噪聲。產生噪聲步驟如圖1所示。

    (3)數據的采集、濾波及抽取。
    在過采樣中所做的數字平均濾波僅提高了平滑度，精度卻并沒有增加，抽取過程才是真正意義上的提高精度。額外的K次采樣，按照常規(guī)平均那樣進行累加，但并不是直接將結果除以M，而是右移N位(N是期待所增加的額外精度)，得到更精確的采樣結果。
    過采樣算法如圖2所示。對TI的LM3S8962芯片，將10位AD值的精度提高到12位的方法，直接調用寄存器讀取函數HWREG訪問FIFO緩存區(qū)，經過兩次循環(huán)，將從FIFO中收集到的16個10位轉換值相加，產生一個14位結果，右移2位后就得到所希望的12位AD值。

4 應用分析
    轉換速率、穩(wěn)定度和分辨率是模數轉換器的衡量標準。為了能夠清楚地看到利用過采樣技術后對AD值改善的效果，采用LM3S8962芯片進行了12位ADC過采樣實驗。根據顯示的實驗數據和測量情況，給出并分析了指標的改善情況。
    對于轉換速率，使用片內定時器進行測量，在CPU為50 MHz時鐘頻率狀態(tài)，ADC的采樣速度為100 kHz時，采樣連續(xù)觸發(fā)模式進行1次12位過采樣時間是52 μs，由于在數據轉換的同時還要訪問數據緩存區(qū)，因此再加上64μs才是它的實際速度。
    對數次采樣后獲得的值進行數字濾波，滑動平均后，得到較為穩(wěn)定的數據值，通過串口傳送過采樣后的數據結果如圖3所示。1組數據有6 bit，其中前3 bit是原來的10位采樣值，后3 bit是12位過采樣值。從圖3中能夠得知，12位過采樣分辨率的值比10位采樣值的分辨率值更穩(wěn)定。

    為了驗證位數越高，采樣精度越高，做了一個13位的過采樣實驗。采樣過程中，循環(huán)8次，獲得64組AD值，并利用分段折線法校正非線性誤差，將采樣值轉換為標準電壓值。從圖4中可以看出，過采樣后的電壓值波動很小，效果尤為明顯。

5 結束語
    文中從過采樣的頻譜特性出發(fā)，分析了過采樣技術的基本原理。隨后采用TI公司高性價比的Cortex-M3內核ARM，利用過采樣技術提高了測量值的分辨率。實驗結果表明，利用過采樣技術既能降低成本，又能使外圍電路得到簡化，它與Cortex-M3內核相結合后，更能提高系統(tǒng)的運行速率、可靠性與穩(wěn)定性。這種結合方式對于檢測、監(jiān)控等領域起著積極作用，具有一定的推廣和實用價值。