設(shè)計(jì)人員需要盡量減少顯示數(shù)量的閃爍，特別是對于用戶期望穩(wěn)定，無閃爍讀數(shù)的醫(yī)療和儀器應(yīng)用。由于顯示閃爍的主要來源是來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的噪聲，設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)選擇此組件。

選擇太多delta-sigma ADC無噪聲位進(jìn)行過度設(shè)計(jì)會不必要地增加元件成本和功耗。或者，具有太少無噪聲位的設(shè)計(jì)不足將產(chǎn)生不可接受的顯示閃爍。

隨機(jī)轉(zhuǎn)換器噪聲

自然界中的一切都顯示噪聲某種。活橡樹有數(shù)百萬片葉子，它們通常是相同的，但具有不同的細(xì)節(jié)。人們可以將葉子圖案變化描述為噪聲。由于噪聲，物理量的每次測量都是不確定的，但是存在預(yù)期的一般模式。 Galton盒子說明了這種現(xiàn)象（圖1）。

圖1：許多球分別通過Galton Box落入盒子的底部，形成正態(tài)或高斯分布。 （圖片來源：Digi-Key Electronics）

在Galton盒子頂部掉落的球有50％的機(jī)會向右或向左彈跳。這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是在幾個(gè)球落到盒子底部的最后安息位置時(shí)播放的。不可能確定任何一個(gè)特定球的靜止位置，但是，隨著時(shí)間的推移，多個(gè)球會產(chǎn)生明顯的正態(tài)分布。

ADC在產(chǎn)生輸出數(shù)字樣本時(shí)也會出現(xiàn)一定程度的不確定性。這種不確定性反映了轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部硅噪聲。雖然噪聲似乎是一個(gè)完全隨機(jī)的事件，但正態(tài)分布模式會隨著時(shí)間的推移描述這個(gè)事件（圖2）。

圖2：輸出具有單個(gè)輸入電壓隨時(shí)間變化的ADC（a）顯示由正常或高斯分布（b）限制的噪聲。 （圖像來源：Digi-Key Electronics）

在定義轉(zhuǎn)換器的均方根（RMS）或標(biāo)準(zhǔn)偏差（s）和峰峰值（pk-pk）質(zhì)量時(shí)，供應(yīng)商實(shí)際上指的是噪音。統(tǒng)計(jì)上，ADC的輸出代碼噪聲的描述可以是平均值（h），均方根（RMS）或標(biāo)準(zhǔn)偏差（s）以及峰峰值（pk-pk）。等式1描述了h，等式2描述了s。

其中x1，x2，x3，xn是以伏特或位為單位的ADC樣本，n是ADC樣本的總數(shù)。

轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表有用單個(gè)值描述隨機(jī)輸出噪聲量的兩種方法。第一種方法使用來自嘈雜的數(shù)據(jù)分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差或RMS。第二種方法用pk-pk值描述轉(zhuǎn)換器的噪聲。

使用波峰因數(shù)馴服噪聲

理論上，人們必須等待無限的時(shí)間才能確定設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否會保持在一組峰峰值噪聲邊界內(nèi)。在實(shí)踐中，需要更合理的方法

由于噪聲遵循高斯分布模式，設(shè)計(jì)人員可以使用統(tǒng)計(jì)模型以高度確定性來預(yù)測峰峰值噪聲。使用波峰因數(shù)計(jì)算這種預(yù)測噪聲峰值水平的技術(shù)相對簡單。噪聲發(fā)生的波峰因數(shù)是一種統(tǒng)計(jì)估計(jì)，它確定噪聲事件發(fā)生的概率將保持在定義的邊界內(nèi)。

預(yù)測數(shù)據(jù)顯示中允許波動的技術(shù)相對簡單。在選擇峰值因子（基于將保持在定義的限制內(nèi)的噪聲事件的百分比）之后，將兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差的值乘以所選的波峰因數(shù)（等式3和4）。

Vpk- pk = 2×波峰因數(shù)×VRMS

pk-pk（位）= RMS（位） - 波峰因數(shù)（

此技術(shù)確定輸出數(shù)據(jù)結(jié)果的百分比超出顯示數(shù)字并且看不見。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)波峰因數(shù)為3.3，適用于三位數(shù)顯示。為了使五位數(shù)顯示無閃爍，4.4波峰因數(shù)值是合適的（圖3）。

圖3.為保持五位數(shù)顯示器無閃爍，峰值因數(shù)為4.4是合適的。 （圖像來源：Digi-Key Electronics）

在圖3中，峰峰值電壓噪聲等于等效輸出電壓噪聲（RMS）2波峰因數(shù)。峰峰值噪聲比特等于比特噪聲（RMS） - 波峰因數(shù)，以比特為單位。根據(jù)選定的波峰因數(shù)，圖3定義了超出定義的峰峰值限制的發(fā)生概率。

推導(dǎo)出正確的ADC解決方案

在醫(yī)療或儀器應(yīng)用中環(huán)境，用戶期望穩(wěn)定，無閃爍的數(shù)字顯示。由于閃爍的主要驅(qū)動因素是噪聲，設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)選擇其感應(yīng)系統(tǒng)ADC。五位數(shù)顯示壓力表的一個(gè)例子是使用壓力傳感器和Δ-ΣADC來檢測原始壓力。挑戰(zhàn)在于為此應(yīng)用選擇最佳ADC（圖4）。

圖4：壓力表的前端儀表包括壓力傳感器，delta-sigma ADC和處理器或微控制器。 （圖像來源：Digi-Key Electronics和華新儀器）

5位數(shù)顯示的位數(shù)等于99，999，或10 5 - 1。公式5計(jì)算該系統(tǒng)的ADC的正確分辨率（N）。

其中N = ADC的分辨率

根據(jù)公式5，5位的正確delta-sigma ADC分辨率顯示為16.6位。換句話說，轉(zhuǎn)換器的無噪聲分辨率必須等于或大于16.6。

Delta-sigma轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表，例如ADI公司的AD7175-2BRUZ-RL7，具有噪聲允許設(shè)計(jì)人員確定轉(zhuǎn)換器對特定應(yīng)用的適用性的規(guī)范。 AD7175-2的數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了各種條件。通常，每種條件的可用規(guī)格是RMS噪聲，有效分辨率，峰峰值噪聲和峰峰值分辨率（圖5）。

圖5：使用Sinc3濾波器的AD7175-2的RMS噪聲和峰峰值分辨率與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系。 （圖像來源：ADI公司）

圖5中唯一非常有用的值是RMS噪聲和有效分辨率。峰峰值噪聲和峰峰值分辨率通常表示峰值因數(shù)為3.3的噪聲值。

將峰值因子應(yīng)用于圖3中的3.14位到公式4，得出：

pk-pk（位）= 20.9bits - 3.14bits

pk-pk（位）= 17.76bits

讀取圖5中的表格，ADC7175 -2此應(yīng)用程序的最大數(shù)據(jù)輸出速率為每秒62，500個(gè)樣本（SPS）。更高的分辨率意味著更低的輸出數(shù)據(jù)速率，因此唯一不會產(chǎn)生5位數(shù)顯示的數(shù)據(jù)速率是250，000 SPS。

結(jié)論

對于醫(yī)療或儀器顯示穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)師需要最小化顯示閃爍。顯示器閃爍噪聲的主要來源是內(nèi)部ADC。本文介紹正確使用波峰因數(shù)理論確定適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器，并將此理論應(yīng)用于ADI公司的AD7175-2BRUZ-RL7 ADC。