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如何實現(xiàn)添加噪聲

電子設(shè)計 ? 來源:網(wǎng)友電子設(shè)計發(fā)布 ? 作者:網(wǎng)友電子設(shè)計發(fā)布 ? 2021-11-22 18:14 ? 次閱讀
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模擬設(shè)計中的熱噪聲幾乎總屬于寄生特性,需要不惜一切代價加以避免。輸入濾波、PCB 板面布局和接地連接都是良好模擬系統(tǒng)中最重要的因素,但用戶總能在模擬系統(tǒng)中找到一定量的 Johnson-Nyquist 熱噪聲和閃爍噪聲。

另一種噪聲源,即量化噪聲比熱噪聲和其他噪聲源更重要。當(dāng)信號從模擬轉(zhuǎn)為數(shù)字時會產(chǎn)生量化噪聲。

圖 1 顯示了 4 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC) 數(shù)字化正弦波這一極端實例中獲得的量化噪聲

當(dāng)您用尺子測量物體時,需要實際讀取尺子的刻度來測量物體的大小,對吧?但如果物體的尺寸介于兩個刻度之間會怎么樣呢?如果必須在量尺刻度的兩個點之間進行選擇,那么您會選擇最接近物體實際尺寸的刻度。兩點之前最近刻度的舍入誤差就是量化噪聲的物理表現(xiàn)形式。

所有 ADC 都會對連接至其輸入端的電壓執(zhí)行這種操作。它們會進行信號檢測并將實際電壓近似為有限數(shù)量的步長。ADC 中所用到的步長數(shù)量決定分辨率的大小。

高精度 Δ-Σ ADC 的噪聲成形特性通常會最大限度地降低熱噪聲和閃爍噪聲。對于 16 位或 16 位以下的器件而言,熱噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于因信號近似而產(chǎn)生的誤差。

在此類 ADC 中,大家會發(fā)現(xiàn)在低數(shù)據(jù)速率下數(shù)字代碼幾乎沒有發(fā)生變化。我們差不多只能在器件讀取實際信號時看到量化誤差。

這樣的性能對很多應(yīng)用而言已經(jīng)足夠了。但是,我們可以改進量化噪聲,這樣盡管只有 16 位 ADC 也能實現(xiàn)比 16 位更高的分辨率。

如何實現(xiàn)?添加噪聲嗎,是的!

通過向 ADC 輸入端添加統(tǒng)計隨機噪聲或高斯噪聲,就可讓 LSB 開始閃爍,這就是通常所說的抖動。如果我們對多個讀入的閃爍進行平均值計算,那么與不會造成代碼變化的較低噪聲前端相比,結(jié)果會更加接近實際值。

實現(xiàn)這種效果的極佳方法就是增大 16 位 ADC 的采樣率,直到 LSB 開始閃爍為止。圖 2 給出了一個相關(guān)實例。更高噪聲會讓平均值計算獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果,同時還能提供相同的吞吐能力。

計算平均值非常簡單。例如,使用 16 位 ADS1118時設(shè)定采樣率為 8 個樣本每秒,此時大部分系統(tǒng)都會產(chǎn)生無數(shù)字代碼變化的穩(wěn)定結(jié)果。在這種情況下,絕大多數(shù)誤差都是量化噪聲。然而,如果該器件運行在 128 個樣本每秒的采樣速率下,噪聲就會提高到足以引起數(shù)字代碼的變化。

為了對 MCU 中的 16 個樣本求平均數(shù),需要先累加所有輸入結(jié)果。隨后的除法計算也比較簡單,因為樣本數(shù)是 2 的冪。只需將結(jié)果向右移四位即可。這額外的 4 位就是可用的分辨率。只需一點點噪聲,在相同數(shù)據(jù)速率下就能獲得更高的分辨率。

責(zé)任編輯:haq

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