Σ-ΔADC轉(zhuǎn)換器工作原理及相關(guān)概念介紹

1、越來越多的應(yīng)用，例如過程控制、稱重等，都需要高分辨率、高集成度和低價(jià)格的 ADC。新型 2-A 轉(zhuǎn)換技術(shù)恰好可以滿足這些要求。然而，很多設(shè)計(jì)者對(duì)于這種轉(zhuǎn)換技術(shù)并不十分了解，因而更愿意選用傳統(tǒng)的逐次比較 ADC。N-A 轉(zhuǎn)換器中的模擬部分非常簡單（類似于一個(gè)1bitADC）,而數(shù)字部分要復(fù)雜得多，按照功能可劃分為數(shù)字濾波和抽取單元。由于更接近于一個(gè)數(shù)字器件，S-AADC 的制造成本非常低廉。一、N-AADC 工作原理要理解 N-AADC 的工作原理，首先應(yīng)對(duì)以下概念有所了解：過采樣、噪聲成形、數(shù)字濾波和抽取。1 .過采樣首先， 考慮一個(gè)傳統(tǒng) ADC 的頻域傳輸特性。 輸入一個(gè)正弦信號(hào)， 然后以頻

2、率 fs 采樣-按照 Nyquist定理，采樣頻率至少兩倍于輸入信號(hào)。從 FFT 分析結(jié)果可以看到，一個(gè)單音和一系列頻率分布于 DC 到fs/2 間的隨機(jī)噪聲。這就是所謂的量化噪聲，主要是由于有限的 ADC 分辨率而造成的。單音信號(hào)的幅度和所有頻率噪聲的 RMS 幅度之和的比值就是信號(hào)噪聲比（SNR）。對(duì)于一個(gè) NbitADC,SNR 可由公式：SNR=6.02N+1.76dB 得到。為了改善 SNR 和更為精確地再現(xiàn)輸入信號(hào)，對(duì)于傳統(tǒng) ADC 來講，必須增加位數(shù)。如果將采樣頻率提高一個(gè)過采樣系數(shù) k,即采樣頻率為 kfs,再來討論同樣的問題。FFT分析顯示噪聲基線降低了，SNR 值未變，但噪

3、聲能量分散到一個(gè)更寬的頻率范圍。2-A 轉(zhuǎn)換器正是利用了這一原理，具體方法是緊接著 1bitADC 之后進(jìn)行數(shù)字濾波。大部分噪聲被數(shù)字濾波器濾掉，這樣，RMS 噪聲就降低了，從而一個(gè)低分辨率 ADC,2-A 轉(zhuǎn)換器也可獲得寬動(dòng)態(tài)范圍。那么， 簡單的過采樣和濾波是如何改善 SNR 的呢？一個(gè) 1bitADC 的 SNR 為 7.78dB （6.02+1.76） ,每 4 倍過采樣將使 SNR 增加 6dB,SNR 每增加 6dB 等效于分辨率增加 1bit。這樣，采用 1bitADC 進(jìn)彳T64 倍過采樣就能獲得 4bit 分辨率； 而要獲得 16bit 分辨率就必須進(jìn)行 415 倍過采樣， 這

4、是不切實(shí)際的。2-A 轉(zhuǎn)換器采用噪聲成形技術(shù)消除了這種局限，每 4 倍過采樣系數(shù)可增加高于 6dB 的信噪比。2 .噪聲成形通過圖 1 所示的一階 2-A 調(diào)制器的工作原理，可以理解噪聲成形的工作機(jī)制。輸入信號(hào)至楨字流,波案VLrii.riIbitAlXJ）(IbitDAC)宗分放大器積分器匚;2-A 調(diào)制器包含 1 個(gè)差分放大器、1 個(gè)積分器、1 個(gè)比較器以及 1 個(gè)由 1bitDAC（1 個(gè)簡單的開關(guān)，可以將差分放大器的反相輸入接到正或負(fù)參考電壓）構(gòu)成的反饋環(huán)。反饋 DAC的作用是使積分器的平均輸出電壓接近于比較器的參考電平。調(diào)制器輸出中1的密度將正比于輸入信號(hào)，如果輸入電壓上升，比較器必

5、須產(chǎn)生更多數(shù)量的1,反之亦然。積分器用來對(duì)誤差電壓求和，對(duì)于輸入信號(hào)表現(xiàn)為一個(gè)低通濾波器，而對(duì)于量化噪聲則表現(xiàn)為高通濾波。這樣，大部分量化噪聲就被推向更高的頻段。和前面的簡單過采樣相比，總的噪聲功率沒有改變，但噪聲的分布發(fā)生了變化?，F(xiàn)在，如果對(duì)噪聲成形后的 2-A 調(diào)制器輸出進(jìn)行數(shù)字濾波，將有可能移走比簡單過采樣中更多的噪聲。這種調(diào)制器（一階）在每兩倍的過采木率下可提供 9dB 的 SNR 改善。在 2-A 調(diào)制器中采用更多的積分與求和環(huán)節(jié)，可以提供更高階數(shù)的量化噪聲成形。例如，一個(gè)二階 2-A 調(diào)制器在每兩倍的過采樣率下可改善 SNR15dBo 圖 2 顯示了 2-A 調(diào)制器的階數(shù)、過采樣率

6、和能夠獲得的 SNR 三者之間的關(guān)系。8163264128256過采樣率圖 2SNR 與過采樣率的關(guān)系3 .數(shù)字濾波和抽取2-A 調(diào)制器以采樣速率輸出 1bit 數(shù)據(jù)流，頻率可高達(dá) MHz 量級(jí)。數(shù)字濾波和抽取的目的是從該數(shù)據(jù)流中提取出有用的信息，并將數(shù)據(jù)速率降低到可用的水平。S-AADC 中的數(shù)字濾波器對(duì) 1bit 數(shù)據(jù)流求平均，移去帶外量化噪聲并改善 ADC 的分辨率。數(shù)字濾波器決定了信號(hào)帶寬、建立時(shí)間和阻帶抑制。2-A 轉(zhuǎn)換器中廣泛采用的濾波器拓?fù)涫?SINC3,一種具有低通特性的濾波器。這種濾波器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是具有陷波特性，可以將陷波點(diǎn)設(shè)在和電力線相同的頻率，抑制其干擾。陷波點(diǎn)直接相關(guān)于輸出數(shù)據(jù)速率（轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)）。SINC3 濾波器的建立時(shí)間三倍于轉(zhuǎn)換時(shí)間。例如，陷波點(diǎn)設(shè)在 60Hz 時(shí)（60Hz 數(shù)據(jù)速率），建立時(shí)間為 3/60Hz=50ms。有些應(yīng)用要求更快的建立時(shí)間，而對(duì)分辨率的要求較低。對(duì)于這些應(yīng)用，新型 ADC 諸如 MAX1400 系列允許用戶選擇濾波器類型 SINC1 或 SINC3。SINC1 濾波器的建立時(shí)間只有一個(gè)數(shù)據(jù)周期，對(duì)于前面的舉例則為 1/60Hz=16.7mSo 由于帶寬被輸出數(shù)字濾波器降低，輸出數(shù)據(jù)速率可低于原始采樣速率，但仍滿足 Nyquist 定律。這可通過保留某些采樣而丟棄其余采樣來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過程就是