原创 利用24位Δ-Σ ADC实现模拟小信号的高精度测量

一个量程10千克的秤若能分辨出1克的重量变化，那么这个秤的主要组件通常是增量累加模数转换器(Δ-Σ ADC)。设计师需要温度测量的精确度达到0.01度时，Δ-Σ ADC也通常是首选方案。Δ-Σ ADC还能够取代那些前面加一个增益级的传统型逐次逼近寄存器ADC。由于这些数据转换器非常适用于量度真实世界的微小变化，所以温度传感器、天平、流量计等精密仪器以及很多其它类型的传感器都非常适合采用Δ-Σ ADC。

Δ-Σ ADC表面上看起来也许很复杂，但实际上它是由一系列简单的部件所构成的精确数据转换器。Δ-Σ ADC由两个主要构件组成：执行模数转换的Δ-Σ调制器和数字低通滤波器/抽取电路(decimating circuitry)。Δ-Σ调制器的基本构件(集成运算放大器、求和节点、比较器/1位ADC和1位DAC)如图1所示。调制器的电荷平衡电路强制比较器的数字输出位流来代表平均模拟输入信号。在把比较器输出回送至调制器的1位DAC的同时，还利用一个低通数字滤波器对其进行处理。这个滤波器实际上是计算0和1的数量，并去掉大量噪声，从而实现高达24位的数据转换器。

要实现更多位数的分辨率，其主要障碍是噪声。对于那些试图从热电偶、传感器或其他低电平信号源来辨别微伏级变化的设计师来说，噪声将会是一个主要的问题。背景噪声(noise floor)由所有的外部噪声和调制器周围的噪声源产生的噪声总和组成，而且背景噪声越高，检测你试图测试的模拟输入信号的真实变化就越难。

图1：Δ-Σ ADC由执行模数转换的Δ-Σ调制器及其后的数字滤波器和抽取器组成。

过采样、噪声修整、数字滤波和抽取是Δ-Σ转换器用来降低噪声并产生高分辨率输出数据的四种重要方法。假定以频率f_S对一个数据转换器的输入信号采样，根据奈奎斯特定理，f_S必须至少是输入频率的2倍(f_IN＝f_S/2)。过采样是以高于输入信号频率两倍的频率对输入信号采样。一个较大的过采样比(k)将产生一个更有效的数字位流描述。组成位流的"1"或"0"越多，输入信号的数字近似就越好。图2显示了以采样率k×f_S/2进行的过采样怎样让调制器将相同量的噪声扩展到更宽的频率范围上，这极大地缩小了在所关注频带中的背景噪声。过采样率每增加2倍，理想的信噪比(SNR)就提高3dB。较大的SNR意味着Δ-Σ转换器可以更好地分辨模拟输入中更小的变化。

通过用调制器控制环路中的积分器进行噪声修整，Δ-Σ转换器可以准确地测量模拟输入。积分器的噪声修整过程是将更多噪声强制推移到更高频率上，如图3所示。然后，数字低通滤波器去除噪声的高频部分，这样极大地改善了SNR。数字滤波器还可以用来极大地降低在50Hz、60Hz或其它不想要的频率上的噪声。

数字位流中总是会有一些输入信号带来的噪声。但是通过平均和滤波，Δ-Σ ADC极大地缩小了背景噪声。过采样率和内部Δ-Σ调制器的“阶数”决定噪声高低，阶数这个术语指的是积分器的数量。例如，一个3阶调制器含有3个积分器级。

尽管增加积分器级数和增大过采样率可以进一步降低噪声，但是稳定性是3阶或更高阶Δ-Σ转换器需要关注的大问题。一旦Δ-Σ调制器出现不稳定，那么除非重新开关电源，否则它们通常不会再次变至稳定状态。凌特公司的所有Δ-Σ转换器都采用3阶调制器，而且每次转换都对调制器和滤波器复位。即使调制器进入不稳定状态(这很可能发生在基准电压很低，输入信号又很大的情况下)，其Δ-Σ ADC也可以在不需要开关电源的情况下自己恢复到稳定状态。

图2：过采样降低了所关注频带中的背景噪声。

调制器环路稳定且噪声由积分器修整后，接下来对所产生的数字信号进行滤波和抽取。抽取就是舍弃一些采样，主要是去掉由过采样带来的冗余信号信息。如果过采样率为256，那么ADC求取256个采样的平均值，而抽取器则每256个采样产生1个数字输出。滤波和抽取后产生的数字信号再从ADC输出，一般采取串行格式。

Δ-Σ ADC的数字输出与基准源一样好，有噪声的基准源是任何数据转换器的主要误差来源。Δ-Σ调制器的1位DAC由正基准电压和负基准电压偏置。正(或高)基准电压一般是输入信号电平的上限，而负(或低)基准电压一般是下限。有些Δ-Σ ADC的正和负基准电压都连接到外部，某些则将低的基准连接到公共电压上，例如地，其它ADC可以选择使用内部带隙基准(bandgap reference)或外部基准。凌特公司的Δ-Σ转换器允许设计师改变基准和输入共模电压，变化范围在地到电源电压之间。

在选择Δ-Σ转换器时，转换时钟和数据延迟是两个需要考虑的重要因素。时钟控制数据处理的内部时序，并决定转换时间。转换时钟可以从内部提供，或者采用外部晶振或硅振荡器。不过，因为数字滤波器不抑制振荡器频率，因此采用内部振荡器具有优势。

图3：积分器将噪声强制推移到更高的频率上。

由于数据延迟，当前输出结果落后于输入一个采样周期。凌特公司所有无延迟Δ-Σ转换器都在一个周期内稳定，简化了多路复用应用。

Δ-Σ ADC虽然本质上很简单，但是配置这种ADC却常常是一个复杂的过程，如要写很多指令、平衡输入级的复杂性和选择外部振荡器。凌特公司的Δ-Σ转换器没有校准序列、配置寄存器、滤波器稳定时间和外部振荡器，降低了设计的复杂性。每个转换周期中都执行透明的偏移和满标度自动校准，以确保高准确度，而高准确度则保证能够分辨出1克或0.01度的差别。

作者：Steve Logan

产品行销工程师

凌特公司