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选择合适的ADC以最小化显示闪烁

设计人员需要尽量减少显示数量的闪烁,特别是对于用户期望获得稳定,无闪烁读数的医疗和仪器应用。由于显示闪烁的主要来源是模数转换器(ADC)产生的噪声,因此设计人员需要仔细选择该组件。
通过选择过多的delta-sigma ADC无噪声位进行过度设计将不必要地增加组件成本和功耗?;蛘?,如果设计不合理,噪点太少,则会产生不可接受的显示闪烁。
本文简要讨论如何使用波峰因数理论来确定合适的转换器。它将提供一个示例,并使用一个公式来准确估计可用数字位数,以达到预设的闪烁水平。

随机转换器噪声

自然界中的一切都会显示某种噪音?;钕鹗饔惺偻蚱蹲?,大致相同,但具有不同的细节。人们可以将叶子图案变化描述为噪音。由于噪音,物理量的每一次测量都是不确定的,但有一个预期的一般模式。Galton盒子说明了这种现象(图1)。
Galton Box创建正态或高斯分布的图像
图1:众多球分别通过高尔顿盒子落下,在盒子底部形成正?;蚋咚狗植?。(图片来源:Digi-Key Electronics)
在Galton盒子顶部投掷的球有50-50的机会向右或向左弹跳。这些统计数据是在几个球落在他们在盒子底部的最后安放位置时播放出来的。不可能确定任何一个特定球的休息场所,但随着时间的推移,多个球会产生明显的正态分布。
在生成输出数字采样时,ADC也会产生一定程度的不确定性。这种不确定性反映了转换器的内部硅噪声。虽然噪声看起来像是一个完全随机事件,但正态分布模式随时间描述了这个事件(图2)。
单输入电压随时间变化的ADC输出图像
图2:单输入电压随时间变化的ADC(a)的输出显示了由正态或高斯分布(b)界定的噪声。(图片来源:Digi-Key Electronics)
当定义转换器的均方根(RMS)或标准偏差(s)和峰峰值(pk-pk)质量时,供应商实际上是指噪声。统计上,ADC的输出代码噪声的描述可以用均值(h),均方根(RMS)或标准偏差(s)以及峰 - 峰值(pk-pk)来表示。等式1描述了h,等式2描述了s。
等式1等式2
其中x 1,x 2,x 3,x n是以伏特或比特为单位的ADC采样,并且n是ADC采样的总数。
转换器数据表有两种方法来描述单个值的随机输出噪声量。第一种方法使用噪声分布数据中的标准偏差或RMS。第二种方法描述了具有pk-pk值的转换器噪声。

使用波峰因子驯服噪音

理论上,人们需要等待无限的时间来确定设计系统是否会保持在一组峰 - 峰噪声边界内。实际上,需要更合理的方法
由于噪声遵循高斯分布模式,因此设计人员可以使用统计模型以较高的确定性预测峰间噪声。这种预测噪声峰值水平的技术使用波峰因数进行计算相对简单。噪声发生的波峰因数是一个统计估计值,用于确定发生嘈杂事件的概率将保持在定义的边界内。
预测数据显示中容许波动的技术相对简单。选择基于噪声事件百分比的峰值因子后,将选定的波峰因子(方程3和4)与两个标准偏差的值相乘。
Vpk-pk = 2×波峰因数×V RMS
pk-pk(比特)= RMS(比特) - 以比特为单位的波峰因数
这种技术决定了输出数据结果的百分比,这些结果将超出显示数字并且看不见。行业标准波峰因数为3.3,适用于三位数字显示。要保持5位数字显示屏无闪烁,4.4波峰因数值是合适的(图3)。
峰到峰限值表
图3.为了保持五位数字的显示器无闪烁,峰值因数为4.4是适当的。(图片来源:Digi-Key Electronics)
在图3中,峰 - 峰电压噪声等于等效输出电压噪声(RMS)2波峰因数。峰 - 峰噪声位等于噪声的位数(RMS) - 波峰因数(以位为单位)。根据选定的波峰因数,图3定义了一个事件发生的概率将超过定义的峰 - 峰值限制。

派生出正确的ADC解决方案

在医疗或仪表应用环境中,用户需要稳定,无闪烁的数字显示。由于闪烁的主要驱动因素是噪声,因此设计人员需要仔细选择其传感系统ADC。一个五位数显示压力表的例子使用压力传感器和Δ-ΣADC来检测原始压力。挑战在于为这种应用选择最佳的ADC(图4)。
压力表的前端仪器的图像
图4:压力计的前端仪器包括压力传感器,Δ-ΣADC和处理器或微控制器。(图片来源:Digi-Key Electronics和华新仪器)
可以放入5位显示器的位数等于99,999或10 5 - 1.公式5计算此系统ADC的正确分辨率(N)。
等式5
其中N = ADC的分辨率
根据公式5,5位显示器的正确Δ-ΣADC分辨率为16.6位?;痪浠八?,转换器的无噪声分辨率必须等于或大于16.6。
Delta-sigma转换器数据表(例如ADI公司的 AD7175-2BRUZ-RL7)具有噪声规格,允许设计人员确定转换器是否适合特定应用。AD7175-2的数据表指定了各种条件。一般来说,每种条件下可用的规格是RMS噪声,有效分辨率,峰峰值噪声和峰峰值分辨率(图5)。
使用Sinc3滤波器的AD7175-2的RMS噪声和峰 - 峰分辨率与输出数据速率的图像
图5:使用Sinc3滤波器的AD7175-2的RMS噪声和峰 - 峰分辨率与输出数据速率的关系。(图片来源:Analog Devices)
图5中唯一有用的值是RMS噪声和有效分辨率。峰峰值噪声和峰峰值分辨率通常代表峰值因数为3.3的噪声值。
将波峰因数应用于图3至图4中的3.14位,得出:
pk-pk(比特)= 20.9比特 - 3.14比特
pk-pk(比特)= 17.76比特
从图5中的表中读出,ADC7175-2的此应用的最大数据输出速率为每秒62,500个采样点(SPS)。较高的分辨率意味着较低的输出数据速率,因此唯一不会产生5位数字显示的数据速率是250,000 SPS。

结论

为了医疗或仪器显示的稳定性,设计者需要尽量减少显示闪烁。显示闪烁噪声的主要来源是内部ADC。本文介绍正确使用波峰因数理论来确定合适的转换器,并将此理论应用于ADI公司的AD7175-2BRUZ-RL7 ADC。

(责任编辑:ioter)

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