隨著(zhù)電子系統中傳感器和信號源的快速增加，使得設備設計師們可以在系統MCU或傳感器融合協(xié)處理器中加入更多的模擬信號通道。尤其是在日益發(fā)展的小型物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中更是如此。

 

信號平均法是一項常用于此類(lèi)數據采集系統的技術(shù)，可以增強數值結果的可用分辨率并抑制多種噪聲。雖然過(guò)濾方式簡(jiǎn)單，但其整體效果要取決于所使用的平均法。本文將對傳統的序列平均法和最新的交叉平均法進(jìn)行比較。

 

許多現代的混合信號MCU和片上系統都直接將平均法加入到模數轉換器硬件中。這大大減少了MCU需要完成的處理量，簡(jiǎn)化代碼編寫(xiě)，縮短處理器需要在高功耗模式中的運行時(shí)間。

 

盡管多種信號與設備之間實(shí)現連接的模擬輸入多路復用器已十分普遍，但大部分混合信號MCU的硬件平均功能每次只能在一條信號通道中執行。當平均過(guò)程完成后，通常會(huì )引發(fā)中斷，然后固件在中斷中選擇另一個(gè)需要轉換的模擬輸入。在一些設備中，比如賽普拉斯半導體公司的PSoC 4系列1 Msps 12位ADC可編程片上系統，其通道序列內置于轉換器硬件中，可在無(wú)需處理器干預的情況下對所有通道執行平均功能。

 

這種傳統的對單一通道信號進(jìn)行多次轉換后才轉到下一個(gè)通道的平均模型被稱(chēng)為序列平均。這種方法存在一些限制，主要問(wèn)題在于會(huì )降低多通道環(huán)境中的可用采樣率，包括被平均的通道和序列中不需要平均的通道。

 

最近出現了一種新的方法，可以增強數據采集系統設計師所使用的各種工具。這項技術(shù)被稱(chēng)為交叉平均法，它給需要采集高頻率信號以及需要快速采集非平均通道樣本的系統帶來(lái)了福音。

 

序列平均和交叉平均的區別我們可以從一些圖文中得到解釋?zhuān)疚倪x擇了一個(gè)8通道的配置作為示例。原始ADC采樣率設置為800 ksps，每個(gè)通道中的16個(gè)12位樣本將被一起平均。這樣會(huì )產(chǎn)生一個(gè)16位的輸出字，而12位樣本量化的信噪比貢獻量則會(huì )把信噪比限制在相對于14位轉換器的水平（假設每個(gè)樣本的量化噪聲貢獻量不相關(guān)）。

 

由于有8個(gè)通道，且每個(gè)通道取樣16次后獲得最終結果，因此ACD需要進(jìn)行128次轉換才能生成各結果組。這一過(guò)程需要160微秒，結果組的可用頻率為6250次/秒。

 

這個(gè)例子還假設每個(gè)通道都有自己的結果寄存器，本示例中所使用的PSoC 4就是如此。但部分混合信號MCU有所不同，它們只有一個(gè)結果寄存器，因此不得不在轉換通道時(shí)進(jìn)行讀取。

 

圖1所示的是偽代碼形式的標準序列平均解決方案，其行為如下：

 

 

圖1：序列平均

 

每個(gè)輸入端通過(guò)連續16次轉換進(jìn)行采樣。一個(gè)通道的連續轉換需要160微秒，因此每個(gè)通道的采樣頻率為每秒6250個(gè)樣本。采樣孔徑（即一個(gè)通道的采樣時(shí)間）為20微秒。這一孔徑會(huì )產(chǎn)生低通濾波的效果，然而帶寬會(huì )非常高，出現（1/20微秒）50千赫倍數頻率響應的零點(diǎn)。這一過(guò)濾無(wú)法防止混疊。這一輸入信號中的任何接近6250赫茲倍數的頻率成分將被混疊降低到接近DC的水平，從而可能制造明顯的測量噪聲。只能通過(guò)使用每個(gè)通道的防混疊過(guò)濾器對其進(jìn)行預先過(guò)濾，以緩解這一現象。

 

此外，各通道間會(huì )出現20微秒的時(shí)間偏差。如果需要計算交叉通道數學(xué)函數（比如相關(guān)性或功率計算），這一時(shí)間偏差會(huì )產(chǎn)生嚴重誤差。

 

如果在這樣一個(gè)序列中有未平均的通道，此類(lèi)通道的采樣頻率主要由其他序列采樣中需要做平均的通道決定。因此，盡管ADC的采樣頻率為800 ksps，但未平均的通道的采樣頻率要遠低于此。最理想的情況是將這800 ksps頻率平均分攤到8個(gè)通道，每個(gè)通道頻率為100 ksps。

 

針對這一難題的解決方案交叉平均法則有效得多（見(jiàn)圖2）。定序器與之前一樣圍繞輸入通道，但這一次僅對每個(gè)通道采集一個(gè)樣本。在通道經(jīng)過(guò)N次單次采樣后，可以讀出所有累積寄存器的輸出。

 

圖2：交叉平均

 

偽代碼形式的交叉平均序列如下：

 

 

這個(gè)平均過(guò)程的信號特征明顯不同?，F在不會(huì )出現連續轉換，獲得每個(gè)平均數的16次轉換被均勻地分攤，每輪轉換耗時(shí)160微秒，間隔10微秒。換言之，每個(gè)通道的采樣頻率為100 ksps，這是將800 ksps ADC分攤到8個(gè)通道時(shí)的理論最大值。這一過(guò)程的采樣孔徑為160微秒，因此系統頻率響應零點(diǎn)會(huì )出現在最終采用頻率的倍數上。其優(yōu)點(diǎn)在于輸入信號中不會(huì )出現混疊降低到DC的高頻率噪聲。這可大大提高測量的穩定性，從而顯著(zhù)降低模擬過(guò)濾要求。

 

通道之間仍存在時(shí)間偏差，但已減少到1.25微秒，相比160微秒的抽樣時(shí)間要小得多，大大減少了跨通道計算的誤差。

 

在本示例中，使用交叉平均法的轉換器子系統以相當于約14位信噪比和6.25 ksps的頻率提供8個(gè)通道的樣本，并有效預防混疊，縮短通道間的延遲時(shí)間。

 

交叉平均法正在賽普拉斯半導體的新型可編程芯片系統設備上推行，包括近期推出的Cortex M4-based PSoC 6和賽普拉斯PSo4系列模擬產(chǎn)品PSoC Analog Coprocessor。該設備的ADC中的硬件（可通過(guò)PSoC Creator Scan_ADC 組件進(jìn)行完整配置）還可以在不執行平均功能的情況下轉換序列中的任何通道。這意味著(zhù)在更前面的例子中，通道仍能夠達到100 ksps頻率，且不會(huì )影響已平均通道的時(shí)間。

 

以高分辨率和高采樣頻率采集多個(gè)通道的樣本，極大的增加了使用現代混合信號可編程片上系統進(jìn)行經(jīng)濟而高性能的模擬信號捕捉的可能性。當需要轉換多個(gè)可能要求進(jìn)行平均的模擬通道時(shí)，請注意多種平均模式對設備信號處理能力所產(chǎn)生的影響。

 

 

 





推薦閱讀：

寬帶RF接收機架構方案綜述