用梯度均值法提高LPC2138的A/D分辨率-电子工程世界

分享到: 微博; QQ; 微信; LinkedIn

在数据采集系统中，模／数转换器是其中至关重要的环节。模／数转换器的精度以及系统的成本直接影响到系统的实用性，因此，如何提高模／数转换器的精度和降低系统的成本，是衡量系统是否具有实际应用价值的标准。
现在很多微控制器内部集成了A／D芯片，但常常达不到应用的要求，于是不得不浪费内部的A／D资源，花费资金去外扩一枚精度更高的A／D芯片。本设计实现了一种提高了已有的ADC分辨率的方法，适用于已有ADC分辨率达不到要求和精度要求不是特别严格的情况。

1 梯度均值A／D方案

定义1 设x为实数，[x]表示不大于x的最大整数，则称f(x)=[x]为x的取整函数。

定义2 设x为实数，表示对小数部分四舍五入的取整运算，则称g(x)=为x的量化函数。

显然，令V通过量化单位为q的A／D系统，恰好等价于对x=V／q的量化运算(记为D=)，稳定的D输出才有意义。为此系统总的噪声水平应小于q／2，否则D只能稳定读出与此相适应的前N位有效数字，其后各位将被舍弃。由于噪声干扰是随机的，为了降低有效q值，提高系统容量，通常采取多次测量的均值滤波法进行处理。在此基础上提出的梯度均值A／D方案，利用了数论中的整数特性，其结构如图1所示。

不妨称其中的A／D转换部分为基本量化系统，阶梯形输入信号为Vis，其幅度值

以等梯度递增，总幅度为1个量化单位q，其中m为正整数。该系统的输入信号V和阶梯波信号Vis依次叠加后送入基本量化系统，其量化输出信号 Di输出到数据处理单元进行存储、处理。以基本量化系统的2m次Di的稳定量化输出的均值为系统输出，那么，有梯度均值A／D方案基本定理：设基本量化系统的量化单位为q，传递函数为

则图1所示A／D系统的等效量化单位为q／2m，传递函数为

即系统容量扩大为基本量化系统容量的2m倍。

梯度均值法与统计均值法的性能比较：

①统计均值法每次采样必须读出被噪声干扰的第O．1LSB位，然而它是不稳定的；而梯度均值法每次采样只需读出1LSB位，该位是稳定的。因此，单次采样所用的时间，后者比前者要短。

②利用统计均值法，欲得到稳定的0．1LSB位输出，则噪声水平要降为1／lO(根据σ(．x)∝1／n)，需采样100次；而梯度均值法只需采样 10次，就可达到同样的效果。

③采用统计均值法，响应长，效率低。对于实时性要求高、需要快速响应的场合，采用梯度均值法效果更好。

2 系统设计

使用周立功公司的EasyARM2131开发板，并设计简单的外围电路。EasyARM2131开发板采用NXP公司基于ARM7TDMl一S核、单电源供电、LQFP64封装的LPC2138芯片，具有JTAG仿真调试、ISP编程等功能，提供RS232接口电路、I2C存储器电路、键盘、LED、蜂鸣器等常用功能部件，极大地方便了用户进行32位ARM嵌入式系统的开发实验。LPC2138内A／D的分辨率为10位，可以将其扩展为12位，甚至更高。

系统的原理示意图如图2所示，外围电路的核心是阶梯波发生器和同相加法器。

2．1 阶梯波发生器

LPC2138内部的D／A转换器是单极性的，只能生成单极性阶梯波，而梯度均值法要求使用双极性阶梯波。为此采用了差动运放电路，不仅将单极性阶梯波转换为双极性，而且进行降压，使阶梯波总电压幅度为A／D转换器的一个量化单位。具体电路如图3右半部分所示。

根据运算放大器“虚短”、“虚断”原则和叠加原理，求得

其中RF为电位器，可以调节阻值并改变软件设置，提高A／D系统的精度。按照设计要求，阻值分别选择R1=R2=10 kΩ，R3=Rf=2．5kΩ，使Rf／R1=1／4。[page]

幅度极性变换电路要用到(1／2)Vref，所以要由基准电压源分压得到。为了防止电压被拉低，增加一个电压跟随电路，如图3左半部分所示。其中，参数选择R8=R9=10 kΩ，运放使用OP07。

2．2 同相加法电路

同相加法电路如图4所示。参数选择R4=R5=1ckΩ，R6=R7=10 kΩ，所以V1=Vin+V0，其中Vin为输入电压，V0为阶梯波电压，V1输入到ARM内部处理。

外围电路原理总图如图5所示。

3 系统软件设计

软件部分采用C语言编写，使用ADSl．2开发环境，并移植了μC／OS—II操作系统。细节见参考文献。

程序主要由以下几部分组成：主程序，负责初始化操作系统和创建任务；任务1，负责初始化目标板；任务2，负责目标板与上位机的串口通信；中断服务程序，负责采样和计算电压。各部分流程如图6～图9所示。

4 结论

经过测试，该A／D系统测得电压比直接测量的电压更准确；A/D系统分辨率越高，测量的电压越准确。由于器件和工艺等原因，本系统有一定的误差，但基本达到设计要求，证明采用梯度均值法的A／D系统是完全可以实现的。而且如果采用更好的工艺和精密的元器件，还能提高本A/D系统的准确度。

参考文献

1. 朱威同.陈涤.罗远秋一种提高 A/D系统分辨率的通用方法的研究 [期刊论文] -山东大学学报(理学版)2001(01)
2. 周立功.张华深入浅出ARM7--LPC213x/214x 2006
3. 李道真模拟集成电路基础 1997
4. 谭浩强 C 程序设计 1999

关键字：梯度均值法 LPC2138 分辨率引用地址：用梯度均值法提高LPC2138的A/D分辨率

上一篇：双层AMBA总线设计及其在SoC芯片设计中的应用
下一篇：基于Si4432散射式大气低能见度仪电路设计

推荐阅读最新更新时间：2024-03-16 13:58

三星独立VR头盔配有超高分辨率OLED显示屏

一直以来，网络中都有传闻称三星正在研发一种独立的虚拟现实头盔，无需智能手机配合使用，它的所有内部配件都被封装在头盔内部。今天，一份最新的报告称，三星独立的Gear VR头盔将会配备一个像素密度为2000ppi的高分辨率显示屏。下面就随电源管理小编一起来了解一下相关内容吧。三星独立VR头盔配有超高分辨率OLED显示屏也许，你对于像素密度2000ppi的显示屏没有一个非常具体的概念，那么你可以将它与Oculus Rift的显示屏的对比来讲，Oculus Rift采用像素密度为460ppi的显示屏。有些人可能会担心，在虚拟现实头盔中使用这种高分辨率显示屏可能引发灾难，因为增加分辨率可能会引发恶心、眩晕等症状。报告称，三星

[电源管理]

安森美：推出可扩展图像传感器系列，满足不同摄像机系统的分辨率需求

汽车行业正从SAE L2(车辆在人类监督下控制加速、刹车和转向)向完全自主的L5(车辆无需与人互动)发展，因此对强大图像传感器的需求日益增长，以支持先进驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶的各种摄像机系统。汽车车身周围的摄像机系统有很多不同的要求。汽车制造商通常要求前置摄像机具备最高分辨率，以能在需要看得很远的高速公路驾驶;下一代紧急刹车系统要有中等分辨率和宽视野;而对于侧面摄像机，中低分辨率即可，以提供360度机器视觉，用于辅助停车、变道，或在城市驾驶中实现先进自主性。不断发展的ADAS解决方案需要更高功能的传感器来满足日益提高的汽车安全标准。随着汽车联网程度和自主性的提高，汽车系统的安全性和完整性对汽车制造商而言至关

[汽车电子]

安森美：推出可扩展图像传感器系列，满足不同摄像机系统的<font color='red'>分辨率</font>需求

八大Tips助你正确选择红外热像仪

　　红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。下面简单整理了八大要素供朋友们参考。　　一、像素　　首先要确定购买红外热像仪的像素级别，大多红外热像仪的级别和像素有关。民用红外热像仪中相对高端的产品像素为640*480=307，200，此高端红外热像仪拍摄的红外图片清晰细腻，在12米处测量的最小尺寸是0.5*0.5cm;中端红外热像仪的像素为320*240=76，800，在12米处测量的最小尺寸是1*1cm;低端红外热像仪的像素为160*120

[测试测量]

德州仪器全新的高分辨率DLP技术革新车前大灯系统

近日，德州仪器在国际消费类电子产品展览会(CES)上展示了用于高分辨率车前大灯系统的DLP®技术。该技术使用的新型DLP芯片是市场上唯一一款同时集成可编程性和高分辨率特性的产品，可为每个车前大灯提供超过100万个可寻址像素点，分辨率是现有自适应远光技术的一万多倍。汽车制造商和一级供应商可使用该新型可编程自适应远光系统(ADB)解决方案设计车前大灯系统，从而最大限度地提高驾驶员的车前灯亮度，并减小对迎面车辆的眩光和来自交通标志的反光。该技术可应用于包括LED和激光照明在内的任何光源系统。工程师也可以利用其定制波束模式，更精确地控制道路上的光束分布。利用灵活的DLP技术，汽车制造商和一级供应商可以开发与可编程软件和小型

[汽车电子]

8K UHD 分辨率正逐渐应用于电视行业

8K 面板普及进行时：2022 年出货量有望突破 500 万块。最新公布的统计数据，2020 年全球 8K LCD 面板的出货量有望达到 500000 块，占全球 LCD 面板出货量的 0.2%。中国台湾面板业内人士表示，目前 8K 面板的生产成本依然很高，这也限制了它在消费级市场的渗透率。该业内人士表示，当前生产一块 8K 面板的成本是 4K 面板的两倍以上。而只有当 8K 和 4K 型号之间的价格差距缩小到 1.3 倍时，8K 面板的渗透率将得到提高。报道称，目前行业的主要面板厂商三星显示、友达光电、夏普和京东方都已经推出了 8K 面板，而在 2020 年还有一家中国企业 -- 华星光电（China Star

[嵌入式]

8K UHD <font color='red'>分辨率</font>正逐渐应用于电视行业

Teledyne高分辨率ToF传感器问市，短中远程均有出色时域精度

Teledyne e2v ， Teledyne Technologies 旗下的全球成像解决方案创新公司，宣布推出专为 3D 检测和距离测量定制的新型 Hydra3D ™ 飞行时间 (ToF) CMOS 图像传感器。它支持最新的工业应用，包括视觉引导机器人技术、物流以及自动导引车。 Hydra3D 的高分辨率和灵活配置，再搭配片上 HDR 的设计，使其成为监控、 ITS 、建筑和无人机等户外应用的最佳选择。该传感器由高价值模拟半导体铸造解决方案的领导者 Tower Semiconductor 制造，它拥有尖端的 10 µm 三内存节点像素并且融入了 Teledyne e2v 的独家 CMOS 技术。

[传感器]

iPhone 8 屏幕玻璃面板高分辨率照片曝光

泄密达人Benjamin Geskin 23 日透过 Twitter分享几张据称是 iPhone 8 正面玻璃盖板的照片。与以往照片不同的是，这次是顶部的「浏海」位置的正、反面特写，非常清晰。

[手机便携]

ADI的模数转换器AD7190有卓越的分辨率与速度

ADI 最新推出一款模数转换器（ ADC ）—— AD7190 ，实现了数据速率和无噪声分辨率的最佳组合，使工业设备制造商能够提高精密测量仪器仪表的工作速度和精度。同类竞争器件的分辨率在速度超过 1 kHz 时会迅速下降，而 ADI 公司的 24-bit AD7190 S-D ADC 在 40mV~5V 的整个输入电压范围内，当速率高达 2.4 kHz 时仍可实现优于真 16-bit 的无噪声分辨率。这种性能使得设计人员能够以更高的精度和速度测量微弱的信号，大幅改善精密仪器仪表的系统性能，如称重计、过程测量与控制模块、科学仪器以及医疗监控设备。此外，设计人员可以实现业界领先的、 21-bit 无噪声分辨率的高精

[模拟电子]