MSP430單片機(jī)A/D過(guò)采樣率的問(wèn)題

對(duì)于MSP430單片機(jī)中的A/D過(guò)采樣率的理解一直比較模糊，今天認(rèn)真的研究了一下，終于弄清楚了，

現(xiàn)在寫(xiě)出來(lái)，歡迎大家前來(lái)拍磚。

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MSP430單片機(jī)中有很多A/D采樣模塊使用的是具有∑-△結(jié)構(gòu)的SD16或者SD16_A模塊，該模塊中具有過(guò)

采樣率(OSR，Oversampling ratio)的設(shè)置寄存器。這個(gè)寄存器不同的設(shè)置值在A/D采樣的過(guò)程中到

底會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響呢?

在TI的手冊(cè)中我們可以知道，OSR是SINC3梳狀濾波器的一個(gè)參數(shù)，首先，來(lái)學(xué)習(xí)一下梳狀濾波器。

1、 梳狀濾波器的定義：是由許多按一定頻率間隔相同排列的通帶和阻帶，只讓某些特定頻率范圍的

信號(hào)通過(guò)。梳狀濾波器其特性曲線像梳子一樣，故稱(chēng)為梳狀濾波器。

2、 梳狀濾波器是一種最簡(jiǎn)單的FIR濾波器，其單位脈沖響應(yīng)h(n)全為1，

h(n)=1 ，0≤n≤N-1;0 其它

傳輸函數(shù)的Z變換形式： H(z)=∑z^-n=(1-z^-N)/(1-z^-1) ,n=0...N-1

上式中，N為濾波器的節(jié)數(shù)。

這樣得到的濾波器阻帶衰減較小，不能滿足實(shí)際的需要。為了提高濾波器的阻帶衰減，可采用修正的

梳狀濾波器形式： H(z)=((1-z^-N)/(N*(1-z^-1)))^k

上式中，N為濾波器的節(jié)數(shù)，K為濾波器的階數(shù)。引入K以后，其阻帶衰減特性成K倍增大，而且阻帶邊

緣變得更為陡峭，使濾波器的特性變得更好。

3、 在∑-△A/D轉(zhuǎn)換器中，∑-△調(diào)制器的輸出經(jīng)梳狀濾波器濾波抽取后量化噪聲的頻譜密度保持了

沒(méi)有抽取前的形式，即保持了∑-△調(diào)制器噪聲成型的頻譜特性。但采樣間隔增大的N倍(即數(shù)據(jù)率減

少了N倍)，等效量化臺(tái)階減少了NK倍。若N為2的整數(shù)冪N=2m,則相當(dāng)于經(jīng)過(guò)濾波抽取后，其分辨率由

輸入的1bit變成了mK bit。

4、 梳狀濾波器的設(shè)計(jì)：梳狀濾波器是一種固定形式的濾波器，它包括以下三個(gè)參數(shù)的選擇：1)單

級(jí)濾波器的節(jié)數(shù)N;2)濾波器的階數(shù)K;3)濾波器系數(shù)及運(yùn)算的有限字長(zhǎng)。

單級(jí)濾波器的節(jié)數(shù)N：等于∑-△A/D中的第一級(jí)的抽取率。

濾波器的階數(shù)K：等于∑-△調(diào)制器的回路數(shù)。

濾波器系數(shù)及運(yùn)算的有限字長(zhǎng)：若不計(jì)歸一化因子N-K，則濾波器系數(shù)均為正整數(shù)，且∑h(n)=N^K

,n=0...N-1

因此可用

b=K*log2N=Km

位的二進(jìn)制碼來(lái)表示濾波器的系數(shù)。同時(shí)，若∑-△調(diào)制器的輸出為1bit數(shù)(僅0，1兩個(gè)狀態(tài))，則

濾波器輸出 y(n)=∑h(m)x(n-m) ,m=0...N-1

顯示有 0≤y(n)≤N^K

因此上式的濾波器運(yùn)算亦可用mK位的二進(jìn)制進(jìn)行，不會(huì)出現(xiàn)截尾誤差和溢出。

綜上，可以選擇濾波器的有效字長(zhǎng)為mK。實(shí)際這也就是梳狀濾波器輸出的有效分辨率。

現(xiàn)在我們言歸正傳。

在TI的手冊(cè)中我們可以知道，從∑-△調(diào)制器的1bit數(shù)據(jù)流通過(guò)SINC3梳狀濾波器進(jìn)行濾波。OSR是

SINC3梳狀濾波器的一個(gè)參數(shù)，該濾波器的Z變換形式為： H(z)=( (1-z^-OSR)/(OSR*(1-z^-1)) )^3

對(duì)比上面的公式易知，OSR=N=2^m，K=3。

當(dāng)OSR=256=28時(shí)，梳狀濾波器輸出的有效分辨率長(zhǎng)度為： b=Klog2N=Km=3*8=24

當(dāng)OSR=1024=210時(shí)，梳狀濾波器輸出的有效分辨率長(zhǎng)度為b=3*10=30bit。

由此可見(jiàn)，OSR的值影響A/D采樣后的輸出結(jié)果的有效分辨率長(zhǎng)度，即精度。因此，可以在不增加A/D

前端復(fù)雜程度的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加OSR的值達(dá)到提高輸出精度的目的。

在SD16中，OSR的取值為{32，64，128，256}，所以SD16的濾波器輸出精度最高為24bit，最低為

15bit。

在SD16_A中，OSR的值為{32，64，128，256，512，1024}，所以SD16_A的濾波器輸出精度最高為

30bit。

由于SD16和SD16_A的輸出寄存器均為16bit，對(duì)于濾波器輸出精度高于16bit的，根據(jù)寄存器的設(shè)置，

截取濾波器輸出結(jié)果的16bit;濾波器輸出精度不足16bit的，根據(jù)寄存器的設(shè)置，對(duì)不足的位補(bǔ)0。

綜上，過(guò)采樣率OSR在SD16或SD16_A的A/D采樣模塊中，能夠影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度，OSR值越大，輸出

結(jié)果精度越高，反之，精度越低。

(由于原文是在word中編排，有很多公式復(fù)制后不能正常顯示)

參考文獻(xiàn)：梳狀濾波器在∑-△ A/D中的應(yīng)用

擴(kuò)展閱讀：MSP430-AD12的個(gè)人深入了解