三角積分(Δ?) ADC及其數(shù)字功能的利用方式

第 1 部分討論了逐次逼近寄存器 (SAR) 模數(shù)轉換器 (ADC)，正如其中所述，模擬傳感器信號鏈面臨著高精度挑戰(zhàn)：多個增益、信號調(diào)節(jié)和復雜的模擬濾波級，全部都會饋送至 SAR-ADC；因此可能會導致模擬錯誤。設計人員也可能最終得到一個昂貴的元件密集型 PC 板解決方案。

此外，從超低傳感器信號開始，信號鏈中每個模擬級的輸出都會產(chǎn)生誤差，進而在轉換器的數(shù)字輸出端表現(xiàn)為低信噪比 (SNR) 和高失真誤差。此類系統(tǒng)的設計人員需要退后一步，重新思考高精度傳感器 ADC 范式。 若要解決高精度傳感器系統(tǒng)的相關問題，可選擇一種 ADC 拓撲，將小傳感器信號快速進行數(shù)字化，并以數(shù)字方式實現(xiàn)增益和濾波等噪聲模擬功能。這就是三角積分 (Δ?) ADC 的作用。 本文以來自 Analog Devices 的AD4110-1通用輸入模數(shù)前端為例，簡要介紹 Δ? ADC 的基本功能和內(nèi)部模數(shù)轉換機制。在此基礎上，文中會深入探究周圍的信號鏈，并為合適的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供一些關鍵規(guī)格。

Δ? ADC 的結構

就在世紀之交之前，Δ? ADC 搶走了模擬技術的主導地位。隨著 Δ? 先進技術的廣泛普及，主要的模擬信號和計算過程開始扎根于數(shù)字領域。Δ? ADC 集成電路 (IC) 檢查發(fā)現(xiàn)，超過 80% 的硅片空間用于執(zhí)行數(shù)字功能。以數(shù)字電路為主的附帶收獲是穩(wěn)健性和小尺寸。 這是怎么可能實現(xiàn)的？最初是低壓模擬信號的直接數(shù)字化。進入數(shù)字領域后，數(shù)字電路幾乎可以完全取代模擬濾波，同時還可以執(zhí)行任何需要的增益功能（圖 1）。數(shù)字電路也隨著每個半導體工藝節(jié)點而縮小。

在圖 1 中，24 位 Δ? ADC 系統(tǒng)由一個模擬輸入、一個中央數(shù)字引擎和一個數(shù)字 I/O 端子組成。轉換器獲取低壓 RTD 信號，并通過數(shù)字濾波產(chǎn)生模擬輸入的完整 24 位數(shù)字表示。這里沒有通常在 SAR-ADC 電路中占主導地位的模擬增益模塊，唯一的模擬濾波器是 R1和 C1的組合。是的，這是一個簡單、便宜的一階濾波器！

Δ? ADC 的工作原理

Δ? ADC 的基本拓撲具有一個與數(shù)字濾波器串聯(lián)的 Δ? 調(diào)制器。除了這種基本拓撲外，大多數(shù) Δ? ADC 還具有各種其他功能。但是，所有 Δ? 轉換器都具有這種基本核心（圖 2）。

在圖 2 中，輸入可以是正弦波或 DC；此處將重點討論正弦波輸入。Δ? 調(diào)制器將單周期正弦波數(shù)字化為 1 位流。Δ? 調(diào)制器輸出采樣頻率為 Fs。盡管 1 位調(diào)制器轉換似乎會產(chǎn)生高量化噪聲，但實際上信號噪聲已“整形”為較高的頻率。這樣便為數(shù)字濾波器輸出端的低噪聲、高分辨率轉換鋪平了道路。

在調(diào)制器的輸出端，數(shù)字濾波器會累加 Δ? 調(diào)制器的 1 位結果并執(zhí)行濾波器計算。數(shù)字濾波器輸出信號以數(shù)字方式反射模擬輸入信號，同時繼續(xù)采用輸出頻率 Fs?，F(xiàn)在，該信號僅留在數(shù)字域中。數(shù)字低通濾波器或抽取濾波器會衰減高頻噪聲并減慢輸出數(shù)據(jù)速率 1/Fd。數(shù)字/抽取濾波器對調(diào)制器的 1 位代碼流進行采樣和濾波，使其成為較慢的多位代碼。 雖然多數(shù)轉換器只有一個采樣率，但 Δ? 轉換器卻有兩個：輸入采樣頻率 (Fs) 和輸出數(shù)據(jù)頻率 (Fd)。根據(jù)公式 1，這兩個頻率變量的比值定義系統(tǒng)抽取率 (DR)：

Δ? 調(diào)制器

Δ? 調(diào)制器通過產(chǎn)生 1 位代碼流來執(zhí)行實際的模數(shù)轉換。此過程從差分放大器開始（圖 3）。

在圖 3 中，差分放大器（三角）將模擬信號傳輸?shù)椒e分器（積分）。在積分器的輸出端，比較器以極高的采樣率 (1/Fs) 區(qū)分積分器的輸出與電壓基準 (VREF)。此外，比較器會將 1 位流提供給 1 位數(shù)模轉換器 (DAC)。然后，調(diào)制器會測量模擬輸入信號與反饋 DAC 的模擬輸出之間的差值。

Δ? >調(diào)制器通過積分器和 DAC 反饋回路的作用將噪聲整形為更高的頻率。圖 3 中的公式（右下方）顯示了傳遞方程：Yi= Xi-1+ (ei– ei-1)。調(diào)制器通過量化噪聲 (ei) 將輸入信號 (Xi) 數(shù)字化為 1 位輸出代碼 (Yi)。具體來說，調(diào)制器的輸出 (Yi) 等于輸入 (Xi-1) 加上量化噪聲 (ei– ei-1)。該公式將量化噪聲顯示為當前誤差 (ei) 減去調(diào)制器先前誤差 (ei-1) 的差值。

數(shù)字和抽取濾波器

平均化是一種數(shù)字濾波形式，常用于低速工業(yè) Δ? ADC 中。幾乎所有工業(yè) Δ? ADC 都包含一類稱為 sinc濾波器的平均濾波器，它們使用線性相位有限沖激響應 (FIR)，后者是一種數(shù)字低通濾波器（圖 4）。

在圖 4 中，調(diào)制器輸出位流是此數(shù)字濾波器的輸入，而調(diào)制器的采樣時鐘確定延遲時間。圖 4 的 FIR 濾波器系數(shù) (bx) 均等于 1。利用這種平均算法，F(xiàn)IR 數(shù)字濾波器可生成圖 3 中模擬輸入的低噪聲、24 位數(shù)字表示，并且以調(diào)制器的采樣率 (1/Fs) 進行采樣。然后，抽取濾波器使用 DR 降低輸出數(shù)據(jù)速率。 在文獻中，“抽取”一詞是指系統(tǒng)性清除不需要士兵的軍事行為。在數(shù)字電子器件中，抽取使用相同的概念來通過 DR 降低數(shù)字信號的輸出數(shù)據(jù)速率 (1/Fd)。為此，快速而數(shù)字化的方法是系統(tǒng)性丟棄一些數(shù)字濾波器的輸出樣本（圖 5）。

根據(jù)公式 1，圖 5 中的抽取過程按 DR 抽取輸出數(shù)據(jù)速率 (1/Fd)。 通過數(shù)字和抽取濾波器的事件可有效降低 Δ? ADC 噪聲（圖 6）。

圖 6 顯示了通過數(shù)字/抽取濾波器時的數(shù)字信號。數(shù)字濾波器 24 位輸出（圖 6(a)）的運行速率與調(diào)制器采樣率 (1/Fs) 相同。調(diào)制器已經(jīng)將量化噪聲整形為較高的頻率（圖 6(b)），因此數(shù)字/抽取濾波器會捕獲輸出信號的低頻部分。抽取濾波器（圖 6(c)）輸出產(chǎn)生原始模擬信號的低頻數(shù)字表示。

數(shù)字擴展

Δ? ADC 主要存在于數(shù)字域?，F(xiàn)在，可以輕松添加數(shù)字可編程增益級、電流源、短路或開路輸入信號指示器，以及各種串行輸出接口（圖 7）。

如圖 7 所示，Analog Devices的 AD4110-1 Δ? ADC 具有許多數(shù)字增強功能，包括可編程輸入端子、診斷功能和靈活的數(shù)據(jù)速率。輸入就緒型傳感器接口包括 RTD 和熱電偶溫度傳感器。 AD4110-1 具有 Δ? ADC 的基本核心，但該器件的數(shù)字加重功能支持一系列數(shù)字使能功能，從而讓 AD4110-1 現(xiàn)已成為通用模擬前端 (AFE)。 與標準 Δ? ADC 一樣，AD4110-1 能夠將來自熱電偶、RTD 和電橋的極低電壓進行數(shù)字化。雖然這些功能通常需要額外的激勵電路，但 AD4110-1 已將它們集成在電路板上。 例如，RTD 需要一個精密電流源，并且該電流源與轉換器的電壓基準成比例（圖 8）。

在圖 8 中，AD4110-1 包含一個激勵電流，該電流可以使用轉換器的 PGA_RTD_CTRL 寄存器，在 0.1 mA 和 1 mA 之間的六個級別上進行編程。RTD 電阻的激勵電流來自引腳 35。轉換器通過引腳 34 與 31 高阻抗輸入感測 RTD 兩端的電壓降。AD4110-1 可編程增益放大器 (PGA) 提供 0.2 至 24 V/V 的 16 個可編程增益。利用此功能，設計人員可以進一步將輸入傳感器補充到 AD4110-1 輸入范圍。其他輔助功能包括上拉/下拉電流以感測裸線的存在（對熱電偶有用），以及增益校準和校正系數(shù)。

總結

Δ? ADC 采用了前端調(diào)制器、FIR 數(shù)字濾波器和抽取濾波器，可消除復雜的模擬前端電路，并能提供經(jīng)過數(shù)字平均的高分辨率、低噪聲數(shù)字輸出信號。由于大部分電路均采用數(shù)字形式，因此可以通過先進的數(shù)字工藝節(jié)點輕松擴展，在保持較小的占位空間和低電路板復雜度的同時，增加更多的功能。 Analog Devices 的 AD4110-1 Δ? ADC 充分利用了這種 ADC 架構的特性。AD4110-1 具有 Δ? ADC 的基本核心，但該器件的數(shù)字加重功能支持一系列數(shù)字使能功能，從而讓 AD4110-1 現(xiàn)已成為通用 AFE，并且能真正直接用于 RTD 和熱電偶。 來源：Digi-Key

責任編輯：xj

原文標題：模擬基礎知識：三角積分 (Δ?) ADC 及其數(shù)字功能的利用方式

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