怎樣讓熱噪聲“變廢為寶”

　　模擬設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中最重要的因素，但用戶總能在模擬系統中找到一定量的 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。當信號從模擬轉為數字時會產生量化噪聲。

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

　　圖1

　　當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形式。

　　所有 ADC 都會對連接至其輸入端的電壓執行這種操作。它們會進行信號檢測并將實際電壓近似為有限數量的步長。ADC 中所用到的步長數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，熱噪聲遠遠小于因信號近似而產生的誤差。

　　在此類 ADC 中，大家會發現在低數據速率下數字代碼幾乎沒有發生變化。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用而言已經足夠了。但是，我們可以改進量化噪聲，這樣盡管只有 16 位 ADC 也能實現比 16 位更高的分辨率。

　　如何實現?添加噪聲嗎，是的!

　　通過向 ADC 輸入端添加統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，結果會更加接近實際值。

　　實現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 給出了一個相關實例。更高噪聲會讓平均值計算獲得更準確的結果，同時還能提供相同的吞吐能力。

　　圖2

　　計算平均值非常簡單。例如，使用 16 位ADS1118時設定采樣率為 8 個樣本每秒，此時大部分系統都會產生無數字代碼變化的穩定結果。在這種情況下，絕大多數誤差都是量化噪聲。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字代碼的變化。

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