软件定义仪器与过采样技术

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1、天津大学精密仪器与光电子工程学院天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室2008.9李刚与过采样技术软件定义仪器有人告诉您：有一台仪器是真正万能的，可以测量心电、脑电、肌电、血压、血氧……他还告诉您：即使您不懂任何仪器的设计和原理，但您可以像打开电视选台遥控器一样把手中的仪器变为任何您想要的仪器……序言？！？！仪器既是人的感官的延伸也是一个“测量”工具何为“测量”？把被测量与标准量相比较的过程现代仪器都采用微处理器（微计算机）作为核心计算机只能处理数字信号（量），而被测信号都是模拟量。因此需要把模

2、拟量转化为数字量－－采用模拟/数字转换器电子诊断仪器的一般结构传感器传感器接口电路DACP或CADC放大滤波键盘或其它人机对话输入显示模拟指示输出控制信号传输信号存储与记录电源与参考信号以心电图为例心电信号幅值为1mV，假定ADC（模数转换器）的分辨率为10位（210＝1024），输入范围为5V，因此需要5000倍的放大，可以分辨1V的信号。电子诊断仪器的基本原理以心电图为例换一个思路：如果我们采用24位的ADC，其输入范围仍然是5V，且不加任何放大器，信号的分辨率＝5V/224＝0.3V

3、推理：只要ADC的精度足够高，可以不要“放大器”，依然可以测量到所需的信号。带来不可比拟的优点：电路简单！成本低！免调试！抗干扰能力强！功耗低！……电子诊断仪器的基本原理量变到质变！！只要ADC的精度足够高，可以测量任何信号！只需更换传感器。只要ADC的精度足够高，可以采用数字信号处理来替代模拟信号处理。只要有足够大的程序存储器，可以在仪器中驻留任何可能用到的程序－－用户只要选择所需的程序（仪器功能）即可百变金刚的电子诊断仪器用户选择所需的仪器功能－－软件定义仪器？！肯定有人会问：ADC有这么高的

4、分辨率吗？现在ADI、TI、Silicon等公司有很多款高分辨率（24位）的型ADC？！也肯定有人会问：高分辨率的型ADC的速度够吗？－－这是下面我们要回答的问题软件定义仪器前面我们介绍了实现软件定义仪器的两个基本条件：（1）用ADC的分辨率换取放大器的放大倍数（2）大容量的存储器为回答ADC的速度问题，下面向大家汇报在“过采样”方面的研究进展过采样型ADC过采样有很多成熟的产品，价格便宜，速度较低N型ADC利用普通的中等分辨率、中、高速度ADC实现过采样：N型ADC

5、中等分辨率ADC的速度从几百kHz～几百MHz而一般的生理信号多在数百Hz以下－－存在利用“过采样技术”提高分辨率（精度）的可能性！过采样：N型ADC我们把信号分成几种理想的情况：单频交流信号纯净直流信号直流＋合适幅值的白噪声过采样：N型ADC单频交流信号总量化噪声功率σ2=(LSBvalue)/12PSDnoise=[(LSBvalue)2/12](1/fs)=(LSBvalue)2/12fs功率频谱密度过采样：N型ADC单频交流信号N位ADC的信噪比为：SNRQ=6.02N+

6、4.77+20log10(LF)（dB）输入的满量程单音正弦波时：SNRQ-max=6.02N+4.77－3=6.02N+1.77（dB）过采样：N型ADC单频交流信号通过过采样得到改进的信号与量化噪声比为（以dB为单位）SNRQ-gain=10log10(fs,new/fs,old)令M=fs,new/fs,old=4K当K＝1时，SNRQ-gain=6.02（dB）对比N位ADC的信噪比为：SNRQ=6.02N+1.77（dB）说明每过4倍的采样率，可以得到1位的分辨率（精度）。过采样：

7、N型ADC单频交流信号考虑过采样得到的“精度增益”后N位ADC的分别率：SNRQ=6.02N+1.77+10log10M（dB）=6.02N+4.77＋6.02K（dB）过采样：N型ADC我们用12位，200kSPS的ADC采样心电信号，并利用过采样技术，相当于17位、200SPS的ADC采样。这时只需要放大器的增益为20倍。过采样：N型ADC直流信号＋白噪声对直流信号叠加合适幅值白噪声，4K次叠加的均方差为：因此，信噪比提高了SNR=20log10(2k)=6.02k与前面单频

8、正弦波得到了类似的效果过采样：N型ADC“纯净”的直流信号信噪比的提高＝精度的提高＝有效分辨率的提高？有一个纯净的直流信号，假定它为相当于2.4LSB的电平，请问：“过采样”如何能够提高分别率？如何能够提高精度？这时：“过采样”如何能够提高分别率？！如何能够提高精度？！也即如何用ADC得到准确2.4LSB的“数字”？！过采样：N型ADC“纯净”的直流信号此时，我们可以先回答先前一个隐含的问题：有益的噪声是什么？为什么有益？在过采样中：有益的噪声是白噪声，一定幅值的它是实