噪聲中的小信號(hào)高分辨率測(cè)量 - 全文

　　一個(gè)量程10千克的秤若能分辨出1克的重量變化，那么這個(gè)秤的主要組件常常是增量累加模數(shù)轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)師需要溫度測(cè)量的精確度達(dá)到0.01度時(shí)，增量累加ADC也常常成為首選方案。增量累加ADC還能夠取代那些前面加有一個(gè)增益級(jí)的傳統(tǒng)型逐次逼近寄存器ADC。由于這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器非常適用于量度真實(shí)世界的微小變化，所以溫度傳感器、天平、換能器、流量計(jì)等精密儀器以及無數(shù)其他類型的傳感器都非常適合采用增量累加ADC。

　　增量累加ADC表面上看起來也許很復(fù)雜，但實(shí)際上它是由一系列簡(jiǎn)單的部件所構(gòu)成的精確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。增量累加ADC由兩個(gè)主要構(gòu)件組成：執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的增量累加調(diào)制器和數(shù)字低通濾波器/抽取電路。增量累加調(diào)制器的基本構(gòu)件（集成運(yùn)算放大器、求和節(jié)點(diǎn)、比較器/1 位ADC和1位DAC）如圖1所示。調(diào)制器的充電平衡電路強(qiáng)制比較器的數(shù)字輸出位流來代表平均模擬輸入信號(hào)。在把比較器輸出回送至調(diào)制器的1位DAC的同時(shí)，還利用一個(gè)低通數(shù)字濾波器對(duì)其進(jìn)行處理。這個(gè)濾波器主要計(jì)算0和1的數(shù)量，并去掉大量噪聲，從而實(shí)現(xiàn)高達(dá)24位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

　　圖 1：增量累加 ADC 由執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的增量累加調(diào)制器及其后的數(shù)字濾波器和抽取器組成

　　analog：模擬

　　integrator：積分器

　　comparator：比較器

　　1-bit ADC：1 位 ADC

　　digital filter：數(shù)字濾波器

　　decimator：抽取器

　　digital output：數(shù)字輸出

　　1-bit DAC：1 位 DAC

　　1-bit data stream：1位數(shù)據(jù)流

　　delta sigma modulator：增量累加調(diào)制器

　　實(shí)現(xiàn)更多位數(shù)分辨率的一個(gè)主要障礙是噪聲。對(duì)于那些試圖從熱電偶、傳感器或其他低電平信號(hào)源來辨別微伏（μV）級(jí)變化的設(shè)計(jì)師來說，噪聲將會(huì)是一個(gè)主要的問題。噪聲層由所有不想要的外部和調(diào)制器周圍的噪聲源產(chǎn)生的噪聲總和組成。而且噪聲層越厚，檢測(cè)你試圖測(cè)試的模擬輸入信號(hào)的真實(shí)變化就越難。

　　過采樣、噪聲成形、數(shù)字濾波和抽取是增量累加轉(zhuǎn)換器用來降低噪聲并產(chǎn)生高分辨率輸出數(shù)據(jù)的4種重要方法。假定以頻率fS對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)采樣，根據(jù)數(shù)據(jù)的奈奎斯特定理 （Nyquist theorem），fS 必須至少是輸入頻率的2倍（fIN＝fS/2）。過采樣是以高于輸入信號(hào)頻率兩倍的頻率對(duì)輸入信號(hào)采樣。一個(gè)較大的過采樣比（k）將產(chǎn)生一個(gè)更加充分的數(shù)字位流表示。組成位流的 “1” 或 “0” 越多，輸入信號(hào)的數(shù)字近似就越好。圖2顯示了以采樣率k x fS/2進(jìn)行的過采樣怎樣讓調(diào)制器將相同數(shù)量的噪聲擴(kuò)展到更寬的頻率范圍上。這極大地縮小了在所關(guān)注頻帶中的噪聲層。過采樣率每增加2倍，理想的信噪比（SNR）就提高3dB。較大的SNR意味著增量累加轉(zhuǎn)換器可以更好地分辨模擬輸入中更小的變化。

　　圖 2：過采樣縮小了所關(guān)注頻帶中的噪聲層

　　Power：功率

　　noise floor after oversampling：過采樣后的噪聲層

　　orignal noise floor：最初的噪聲層

　　frequency：頻率

　　oversampling ratio：過采樣率

　　通過用調(diào)制器控制環(huán)路中的積分器進(jìn)行噪聲成形，增量累加轉(zhuǎn)換器可以準(zhǔn)確地測(cè)量模擬輸入。積分器的噪聲成形過程是，將更多噪聲強(qiáng)制推移到更高頻率上，如圖3所示。然后，數(shù)字低通濾波器去除噪聲的高頻部分，這極大地改善了SNR。數(shù)字濾波器還可以用來極大地降低在50Hz、60Hz或其它不想要的頻率噪聲。

　　圖 3：積分器將噪聲強(qiáng)制推移到更高的頻率上

　　Signal Amplitude ： 信號(hào)幅度

　　Digital Filter Rsponse ： 數(shù)字濾波器響應(yīng)

　　power：功率

　　1.積分器將噪聲強(qiáng)制推移到所關(guān)注的頻帶之外；

　　2.數(shù)字濾波器濾除高頻噪聲

　　frequency：頻率

　　oversampling ratio：過采樣率

　　數(shù)字位流中總是會(huì)有一些輸入信號(hào)帶來的噪聲。但是通過平均和濾波，增量累加ADC極大地縮小了噪聲層。過采樣率和內(nèi)部增量累加調(diào)制器的“階數(shù)”決定噪聲高低。階數(shù)這個(gè)術(shù)語指的是積分器的數(shù)量。例如，一個(gè)3階調(diào)制器含有3積分器級(jí)。

　　盡管增加積分器級(jí)數(shù)和增大過采樣率可以進(jìn)一步降低噪聲，但是穩(wěn)定性是3階或更高階增量累加轉(zhuǎn)換器需要關(guān)注的大問題。一旦增量累加調(diào)制器出現(xiàn)不穩(wěn)定，那么除非進(jìn)行功率循環(huán)，否則它們常常不會(huì)再次變至穩(wěn)定狀態(tài)。凌力爾特公司的所有增量累加轉(zhuǎn)換器都采用3階調(diào)制器，而且每次轉(zhuǎn)換都對(duì)調(diào)制器和濾波器復(fù)位。即使調(diào)制器進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)（這很可能發(fā)生在基準(zhǔn)電壓很低、輸入信號(hào)又很大的情況下），凌力爾特公司的增量累加ADC也可以無需周期性地開關(guān)電源而自己恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，其它ADC產(chǎn)品也許做不到這一點(diǎn)。

　　調(diào)制器環(huán)路穩(wěn)定且噪聲由積分器成形后，接下來要對(duì)所產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波和抽取。抽取就是舍棄一些采樣，主要是去掉由過采樣帶來的冗余信號(hào)信息。如果過采樣率為256，那么ADC求取256個(gè)采樣的平均值，而抽取器則每256個(gè)采樣產(chǎn)生1個(gè)數(shù)字輸出。濾波和抽取后產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)再?gòu)腁DC輸出，一采取串行格式。

　　增量累加ADC的數(shù)字輸出與基準(zhǔn)源一樣好。有噪聲的基準(zhǔn)是任何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的主要誤差源。增量累加調(diào)制器的1位DAC由正基準(zhǔn)電壓和負(fù)基準(zhǔn)電壓偏置。正（或高）基準(zhǔn)電壓一般是輸入范圍的上限，而負(fù)（或低）基準(zhǔn)電壓一般是下限。有些增量累加ADC的正和負(fù)基準(zhǔn)都連接到外部，另一些則將低的基準(zhǔn)連接到共用電壓上，如地電壓。其它ADC可以選擇使用內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)或外部基準(zhǔn)。凌力爾特公司的增量累加轉(zhuǎn)換器允許設(shè)計(jì)師改變基準(zhǔn)和輸入共模電壓，變化范圍從地一直到電源電壓。

　　在選擇增量累加轉(zhuǎn)換器時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和數(shù)據(jù)延遲是兩個(gè)需要考慮的重要因素。時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)處理的內(nèi)部時(shí)序，并決定轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)鐘可以從內(nèi)部提供，或者采用外部晶體或硅振蕩器。不過，既然數(shù)字濾波器不抑制振蕩器頻率，那么采用內(nèi)部振蕩器是有優(yōu)勢(shì)的。

　　由于數(shù)據(jù)延遲，當(dāng)前輸出結(jié)果落后于輸入一個(gè)采樣周期。凌力爾特公司所有無延遲增量累加（No Latency Delta SigmaTM）轉(zhuǎn)換器都在一個(gè)周期內(nèi)穩(wěn)定，簡(jiǎn)化了多路復(fù)用應(yīng)用。

　　增量累加ADC雖然本質(zhì)上很簡(jiǎn)單，但是配置這種ADC卻常常是一個(gè)復(fù)雜的過程，如要寫很多指令、平衡輸入級(jí)的復(fù)雜性和選擇外部振蕩器。凌力爾特公司的增量累加轉(zhuǎn)換器沒有校準(zhǔn)序列、配置寄存器、濾波器穩(wěn)定時(shí)間和外部振蕩器，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。每個(gè)轉(zhuǎn)換周期中都執(zhí)行透明的偏移和滿標(biāo)度自動(dòng)校準(zhǔn)，以確保高準(zhǔn)確度，而高準(zhǔn)確度則保證能夠分辨出1克或0.01度的差別。