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

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过采样： N型ADC 单频交流信号
N位ADC的信噪比为： SNRQ = 6.02N+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）
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过采样： N型ADC 单频交流信号
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”？！
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Hale Waihona Puke Baidu
过采样： N型ADC “纯净”的直流信
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2
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。
因此需要把模拟量转化为数字量 －－采用模拟/数字转换器
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3
电子诊断仪器的一般结构
传 感 器
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5
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
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百变金刚的电子诊断仪器
李刚
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
20医0学8p.p9t
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序言
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……
且慢！ADC前端必定有什么电路？
成型信号
抗混叠滤波器和采样保持电路
有“抗混叠滤波器和采样保持电路”，高频扰动如何能够
加入到ADC中？
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过采样： N型ADC
成型信号成为一个载波 信号或运载工具：将 ADC不能“分辩”的直 流变成可以分辨的信号， 然后再从ADC的变换结 果中除去成型信号。
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
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7
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
－－存在利用“过采样技术” 提高分辨率（精度）的可能性！
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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 直流＋合适幅值的白噪声 纯净直流信号
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过采样： N型ADC 单频交流信号
总量化噪声功率 σ2 =(LSB value)/12
功率频谱密度
PSDnoise =[(LSB value)2/12](1/fs) =(LSB value)2/12fs
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过采样： 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 = 6.02N+4.77＋6.02K
（dB） （dB）
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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。
传感器 接口 电路
放大 滤波
ADC
显示
P 或C
DAC
信号传输 模拟指示
电源与 参考信号
信号存储 与记录
键盘或其它 人机对话输入
输出控制
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1V的信号。
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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，一定幅值的它是实现过 采样效益的条件。
平时避之莫及却又回避无门的白噪声（热噪声）这时成了趋 之若鹜的宝贝！
因而，在过采样中“有人”加入“高频扰动”－－伪随机噪 声。
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过采样： N型ADC
4
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＝0.3V
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！……
成型信号
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过采样： N型ADC
成型信号带来的“附加值”： 降低ADC的微分非线性
（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
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过采样
过采样
型ADC
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
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过采样： N型ADC
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
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）。
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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：
1
4k
4k
x
2 i
i1
＝1 2k
4k
xi2
i 1
因此，信噪比提高了
SNR =20log10(2k ) =6.02k
与前面单频正弦波得到了类似的效果
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过采样： N型ADC “纯净”的直流信