Σ-Δ型ADC工作原理及應(yīng)用

Σ-Δ型ADC

Σ-Δ轉(zhuǎn)換器又稱為過采樣轉(zhuǎn)換器，其中Δ表示增量，∑表示積分或求和。與其他ADC不同的是，Σ-Δ型ADC不是直接對抽樣數(shù)據(jù)的數(shù)值做量化編碼，而是根據(jù)前后數(shù)值的差值（增量）做量化編碼。由于不是對大的絕對幅值做編碼，而是對增量編碼，因此使用低分辨率的一位量化器就能滿足要求。

組成：

Σ-Δ型ADC由兩部分組成：簡單的模擬電路（Σ-Δ調(diào)制器）和復(fù)雜的數(shù)字信號處理電路（數(shù)字濾波和采樣抽取器）。以一階Σ-Δ型ADC為例，它是由一個(gè)積分器，比較器，加法電路，時(shí)鐘和開關(guān)等組成的模擬電路和數(shù)字信號處理電路組成?？梢哉f，Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的數(shù)字特性多于模擬特性。示意圖如下：

圖1 Σ-Δ轉(zhuǎn)換器原理圖

工作原理：

1》 Σ-Δ轉(zhuǎn)換器是利用低分辨率的ADC（通常為1位）以及高采樣速率（過采樣）對模擬信號抽樣并對增量進(jìn)行量化，即得到數(shù)字Σ-Δ碼。

2》 送入數(shù)字抽取濾波器進(jìn)行噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)，提高數(shù)字信號分辨率。

3》 最后，通過采樣抽取過程降低輸出端的有效采樣速率，去除多余信息。

與其他ADC相比，Σ-Δ型ADC本質(zhì)上是一種以高速抽樣率來換取高位量化，即以速率來換取分辨率的方案。

Σ-ΔADC的原理涉及到的三個(gè)概念：過采樣（over sampling），噪聲整形（noise shaping），數(shù)字濾波和采樣抽取。

過采樣：

根據(jù)奈奎斯特采樣定律，我們知道當(dāng)采樣頻率≥2輸入信號頻率時(shí)，才能保留原始數(shù)據(jù)的信息。當(dāng)采樣頻率kfs》》2時(shí)，被稱為過采樣。

從頻域上看，采樣實(shí)際上是采樣信號與輸入信號和量化噪聲做卷積，而采樣頻率越高，則頻帶越寬。因此當(dāng)過采樣時(shí)候，實(shí)際上是把輸入信號和量化噪聲進(jìn)行了展頻處理，而噪聲的總功率不變的情況下，頻譜擴(kuò)展后，頻譜密度就降低了。我們看圖2，在奈奎斯特頻率下采樣，其中陰影部分為量化噪聲，這時(shí)候加一個(gè)低通濾波器，則可把部分噪聲濾除，但效果并不明顯。圖3則是過采樣后加低通，長方形的量化噪聲被展頻了，但是密度低了，經(jīng)過了低通后，濾除的噪聲就會變多了。

圖2 奈奎斯特頻率采樣

圖3 過采樣

同時(shí)，過采樣會降低后端模擬抗混疊濾波器的滾降要求。依據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，要求傳輸無失真，就要求滾降系數(shù)α越趨近于0越好，而越小則濾波器的設(shè)計(jì)難度越高。而過采樣則會在前期就讓數(shù)字濾波器將f/2到kf/2之間的量化噪聲消除（k為過采樣比），這樣就把總信噪比提高了10log10（k）數(shù)字濾波器將fS/2和k*fS/2之間的量化噪聲從輸出中消除，其結(jié)果是總信噪比提高了相當(dāng)于10log10（k）。即大概信噪比提高6dB（1位），過采樣比高4倍，因此需要合理設(shè)計(jì)過采樣比。

噪聲整形：

噪聲整形技術(shù)通常是指用差分電路（Δ）和累加器（Σ）設(shè)計(jì)電路，使量化噪聲的頻譜密度從原先的均勻分布轉(zhuǎn)變成向高頻段分布，如圖3。經(jīng)過整形后的噪聲功率不變，但低頻功率譜密度要比整形之前降很多。噪聲譜經(jīng)過調(diào)制器的整形之后，數(shù)字濾波器就可以消除大部分量化噪聲能量，從而大幅提高總信噪比（以及相應(yīng)的動態(tài)范圍）。

圖4 Σ-Δ調(diào)制后量化噪聲

數(shù)字濾波和采樣抽?。?/p>

這一部分是通過數(shù)字低通濾波器來完成的，經(jīng)過Σ-Δ調(diào)制器后，噪聲在f/2以內(nèi)的幾乎沒有，這時(shí)候通過數(shù)字濾波器，則量化噪聲中的高頻部分就被消除了，只剩下了少部分的低頻量化噪聲。由于之前的過采樣，使得頻率提高，所以濾波后對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取，將高速率低精度的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成低速率高精度的數(shù)字信號輸出。

優(yōu)點(diǎn)：精度高，線性度好，對輸入信號幅值變化不敏感，轉(zhuǎn)換速率高于積分型和壓頻變換型ADC；由于過采樣技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)。

缺點(diǎn)：高速Σ-Δ型ADC的價(jià)格相對較高；在轉(zhuǎn)換速率相同的條件下，比積分型和逐次逼近型ADC的功耗高

應(yīng)用：

由于過采樣技術(shù)的應(yīng)用，Σ-Δ型ADC對輸入頻率有要求，輸入信號頻率過高則會超過器件的極限頻率。也因此，Σ-Δ型ADC主要用于高分辨率的中、低頻測量和音頻電路。

溫度檢測電路，由于精度高、采樣率低的特點(diǎn)，Σ-Δ型ADC被廣泛應(yīng)用。

而由于Σ-Δ型ADC的動態(tài)范圍較高，也廣泛應(yīng)用于數(shù)字音頻電路中。

至此，ADC的四種經(jīng)典類型原理及其應(yīng)用已經(jīng)介紹完畢，被人忽略的ADC系列也完結(jié)了。實(shí)際使用中還會碰到一些其他種類的，這里不再提及了。以后在實(shí)際工作中，碰到硬件調(diào)試的情況并不多見。但起碼應(yīng)該做到，見到應(yīng)用場景，能反應(yīng)出來是哪種ADC，有哪些需要注意的點(diǎn)。