AD7606数字滤波器与硬件过采样深度解析：OS引脚与SNR提升
www.z-linear.comAD7606内置数字滤波器通过OS[2:0]引脚可选择2/4/8/16倍过采样。过采样后SNR能提升多少3dB带宽会降低多少D223的软件256点平均和AD7606硬件过采样有什么区别本文深度解析AD7606的数字滤波器。一、AD7606数字滤波器概述1.1 数字滤波器简介AD7606内置一个可选的数字一阶sinc滤波器在使用较低吞吐速率或需要更高信噪比或更宽动态范围的应用中应使用该滤波器。滤波器类型一阶sincΔΣ使能方式OS[2:0]引脚过采样倍率×2/×4/×8/×16输出分辨率16位抽取后锁存时机BUSY下降沿1.2 OS引脚解码数字滤波器的过采样倍率由过采样引脚OS[2:0]控制。OS[2]为MSB控制位OS[0]则为LSB控制位。OS[2:0]过采样倍率说明000无过采样标准模式001×22倍过采样010×44倍过采样011×88倍过采样100×1616倍过采样101~111保留不使用OS引脚在BUSY的下降沿锁存从而设置下一个转换的过采样倍率。1.3 过采样工作原理如果OS引脚选择过采样倍率8则下一个CONVST上升沿采集各通道的第一个样点一个内部产生的采样信号采集所有通道的其余7个样点。然后对这些样点求平均值以改进SNR性能。过采样×8的工作流程: CONVST↑ → 采集第1个样点外部触发 ↓ 内部时钟 → 采集第2个样点 ↓ 内部时钟 → 采集第3个样点 ↓ ... (共8次) 内部时钟 → 采集第8个样点 ↓ 求平均 → 输出16位结果 ↓ BUSY↓ → 数据就绪二、SNR性能提升2.1 SNR与过采样倍率的关系表9显示了±10V范围和±5V范围的典型SNR性能。SNR性能随着过采样倍率提高而改善。过采样倍率±10V SNR±5V SNRSNR提升等效ENOB无×191.2dB88.6dB—14.8位×292.5dB90.5dB1.3~1.9dB15.0位×494.5dB92.5dB2.0~3.3dB15.4位×896.0dB94.0dB4.0~5.4dB15.6位×1697.5dB95.5dB5.5~6.9dB15.9位2.2 理论SNR提升N位ADC的理想SNR 6.02N 1.76 dB过采样率OSR带来的SNR提升ΔSNR 10 × log10(OSR) dB OSR2: ΔSNR 3.01dB OSR4: ΔSNR 6.02dB OSR8: ΔSNR 9.03dB OSR16: ΔSNR 12.04dB实际SNR提升小于理论值因为ADC本身存在非理想因素谐波失真、积分非线性等。2.3 3dB带宽降低随着过采样倍率提高3dB带宽降低容许的采样频率也降低。过采样倍率3dB带宽最大采样率适用场景无×122kHz200KSPS高速采集×211kHz100KSPS中速×45.5kHz50KSPS低速高精度×82.75kHz25KSPS精密测量×161.375kHz12.5KSPS超精密2.4 过采样对转换时间的影响开启过采样时BUSY保持高电平的时间会延长。过采样倍率越高则BUSY保持高电平的时间越长。过采样倍率BUSY高电平时间转换周期无4μs~9μs×2~7μs~19μs×4~14μs~9μs×8~25μs—×16~47μs—在初始采样或吞吐速率为200kSPS的应用中如果开启过采样则必须降低吞吐速率以满足较长的转换时间要求。三、D223软件过采样 vs AD7606硬件过采样3.1 两种过采样方式对比维度AD7606硬件过采样D223软件256点平均实现位置ADC芯片内部STM32固件触发方式OS[2:0]引脚连续采样256次过采样倍率2/4/8/16256输出位数16位抽取后24位累加和SNR提升3~12dB24dB理论有效位数~16位~20位带宽限制降低1.375~11kHz降低取决于采样率转换时间增加是否采样率不变灵活性固定4档任意点数3.2 为什么D223不用硬件过采样原因说明采样率限制硬件×16最大12.5KSPSD223需要500KSPS带宽限制硬件过采样降低带宽不适合高速采集倍率不够硬件最大×16软件可×256灵活性不足硬件只有4档软件可任意配置FIFO不兼容硬件过采样延长BUSY时间影响FPGA流水线3.3 两者可以结合使用// D223可以在低采样率时开启硬件过采样// 同时在固件中做256点软件平均// 设置AD7606硬件过采样×16HAL_GPIO_WritePin(AD_OS0_GPIO,AD_OS0_Pin,GPIO_PIN_SET);// OS01HAL_GPIO_WritePin(AD_OS1_GPIO,AD_OS1_Pin,GPIO_PIN_RESET);// OS10HAL_GPIO_WritePin(AD_OS2_GPIO,AD_OS2_Pin,GPIO_PIN_SET);// OS21// OS[2:0] 100 → ×16过采样// 同时在固件中做256点滑动平均getAdcFilter24[i]sumTotal;// 256点累加// 效果: 硬件×16 软件×256 等效×4096过采样// 理论SNR提升 10×log10(4096) 36dB// 实际ENOB可能达到22位以上四、Sinc滤波器原理4.1 一阶Sinc滤波器AD7606的数字滤波器是一阶sinc滤波器。Sinc滤波器的传递函数为H(f) |sin(πf/fs) / (πf/fs)| × (1/N) × |sin(Nπf/fs) / sin(πf/fs)|其中N为过采样倍率fs为原始采样率。4.2 Sinc滤波器的零点Sinc滤波器在f k×fs/Nk1,2,…处有零点N8, fs200kHz: 零点位置: 25kHz, 50kHz, 75kHz, ...这些零点可以抑制特定频率的噪声如50Hz工频。4.3 Sinc vs FIR滤波器类型AD7606 SincD223软件平均数学模型一阶sinc矩形窗平均等效滤波器一阶一阶N点矩形窗零点频率fs/N的整数倍fs/N的整数倍计算复杂度硬件N次加法1次除法延迟固定N个采样周期256点滑动平均本质上也是一个sinc滤波器只是N256远大于AD7606硬件的N16。五、过采样与量化噪声5.1 量化噪声模型N位ADC的量化噪声功率P_q (Δ²) / 12 (V_ref / 2^N)² / 12其中Δ 1 LSB V_ref / 2^N5.2 过采样降低量化噪声过采样率OSR将量化噪声功率降低P_q_os P_q / OSR (Δ²) / (12 × OSR)SNR提升ΔSNR 10 × log10(OSR)5.3 D223的噪声分析16位ADC, ±5V量程: Δ 10V / 65536 152.6μV P_q (152.6μV)² / 12 1.94μV² 256点过采样后: P_q_os 1.94μV² / 256 0.0076μV² √P_q_os 87.2μV → ENOB提升约4位 理论ENOB 16 4 20位 实际ENOB ≈ 20位受其他噪声限制六、过采样对工频干扰的抑制6.1 工频干扰50Hz工频干扰是数据采集系统的常见噪声源。通过合理设置过采样参数可以将工频干扰置于滤波器零点。6.2 软件平均的零点抑制256点滑动平均的零点频率f_zero k × fs / 256 要抑制50Hz: fs / 256 50Hz → fs 12800Hz 要抑制50Hz: k × fs / 256 50Hz → fs 50 × 256 / k k1: fs 12800Hz k2: fs 6400Hz k4: fs 3200Hz k8: fs 1600Hz如果将D223采样率设为12800Hz或其整数分频256点平均可以完美抑制50Hz工频干扰。6.3 硬件过采样的零点抑制AD7606硬件过采样×8的零点频率f_zero k × fs / 8 fs 200kHz: 零点在25kHz, 50kHz, ... fs 400Hz: 零点在50Hz, 100Hz, ...将采样率设为400Hz并开启×8硬件过采样可以精确抑制50Hz工频。七、过采样在D223中的应用策略7.1 根据应用场景选择策略应用场景采样率过采样策略有效位数高速瞬态捕获500K无过采样14.8位电源纹波分析100K无过采样14.8位电机振动监测10K软件256点18~20位温度精密测量100Hz软件256点20位工频抑制测量12.8K软件256点(零点50Hz)18~20位超精密测量12.5K硬件×16 软件25622位7.2 D223固件中的过采样选择// D223默认使用软件256点平均// 用户可以通过降低采样率获得更高精度// 高速模式500KSPS, 14.8位有效samplingRate500000;// 256点平均带宽: 977Hz但数据更新率500K// 高精度模式10KSPS, 20位有效samplingRate10000;// 256点平均带宽: 19.5Hz数据更新率10K// 超精密模式400SPS, 硬件×8软件256samplingRate400;// 硬件OS×8, 软件N256// 等效过采样: 8×256 2048倍// 理论ENOB 16 log2(2048)/2 16 5.5 21.5位八、过采样的限制8.1 白噪声假设过采样提升精度的前提是噪声为白噪声均匀分布在所有频率。如果噪声是相关噪声如谐波过采样效果会降低。8.2 积分非线性限制ADC的积分非线性INL是确定性误差过采样无法消除AD7606的INL ±1 LSB 过采样无法降低INL → 16位以下的非线性误差固定8.3 基准噪声限制REF5050噪声 3μV 16位1 LSB 152.6μV 基准噪声 1 LSB → 不限制过采样效果 如果基准噪声 100μV: 过采样后噪声 √(100²/256) 6.25μV 仍小于1 LSB → 可以继续过采样 如果基准噪声 10mV: 过采样后噪声 √(10000²/256) 625μV 1 LSB → 过采样无效D223的REF5050噪声仅3μV不会限制过采样效果。九、总结AD7606数字滤波器与过采样实现了维度AD7606硬件过采样D223软件256点倍率×2/×4/×8/×16×256SNR提升3~12dB24dB有效位数14.8→16位16→20位带宽降低22→1.375kHz取决于采样率转换时间增加是否零点抑制fs/N整数倍fs/256整数倍工频抑制需特定采样率需特定采样率灵活性4档固定任意点数可组合与软件平均组合与硬件过采样组合从AD7606的硬件×2~×16过采样到D223的软件256点平均两种过采样方式各有优势。D223选择软件256点平均在保持500KSPS高速采样的同时实现20位有效精度——这是AD7606硬件过采样无法实现的。下篇预告《D223 BUCK变换器TPS5430深度解析》