小模擬信號的高24位的精確度測量

2020-12-07 電子產品世界

一個量程10千克的秤若能分辨出1克的重量變化，那麼這個秤的主要組件常常是增量累加模數轉換器。設計師需要溫度測量的精確度達到0.01度時，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增益級的傳統型逐次逼近寄存器ADC。由於這些數據轉換器非常適用於量度真實世界的微小變化，所以溫度傳感器、天平、換能器、流量計等精密儀器以及無數其他類型的傳感器都非常適合採用增量累加ADC。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/187099.htm

　　增量累加ADC表面上看起來也許很複雜，但實際上它是由一系列簡單的部件所構成的精確數據轉換器。增量累加ADC由兩個主要構件組成：執行模數轉換的增量累加調製器和數字低通濾波器/抽取電路。增量累加調製器的基本構件（集成運算放大器、求和節點、比較器/1 位ADC和1位DAC）如圖1所示。調製器的充電平衡電路強制比較器的數字輸出位流來代表平均模擬輸入信號。在把比較器輸出回送至調製器的1位DAC的同時，還利用一個低通數字濾波器對其進行處理。這個濾波器主要計算0和1的數量，並去掉大量噪聲，從而實現高達24位的數據轉換器。

圖 1：增量累加 ADC 由執行模數轉換的增量累加調製器及其後的數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：數字濾波器
decimator：抽取器
digital output：數字輸出
1-bit DAC：1 位 DAC
1-bit data stream：1位數據流
delta sigma modulator：增量累加調製器
　　實現更多位數解析度的一個主要障礙是噪聲。對於那些試圖從熱電偶、傳感器或其他低電平信號源來辨別微伏（μV）級變化的設計師來說，噪聲將會是一個主要的問題。噪聲層由所有不想要的外部和調製器周圍的噪聲源產生的噪聲總和組成。而且噪聲層越厚，檢測你試圖測試的模擬輸入信號的真實變化就越難。

　　過採樣、噪聲成形、數字濾波和抽取是增量累加轉換器用來降低噪聲並產生高解析度輸出數據的4種重要方法。假定以頻率fS對一個數據轉換器的輸入信號採樣，根據數據的奈奎斯特定理 (Nyquist theorem)，fS 必須至少是輸入頻率的2倍（fIN＝fS/2）。過採樣是以高於輸入信號頻率兩倍的頻率對輸入信號採樣。一個較大的過採樣比（k）將產生一個更加充分的數字位流表示。組成位流的 「1」 或 「0」 越多，輸入信號的數字近似就越好。圖2顯示了以採樣率k x fS/2進行的過採樣怎樣讓調製器將相同數量的噪聲擴展到更寬的頻率範圍上。這極大地縮小了在所關注頻帶中的噪聲層。過採樣率每增加2倍，理想的信噪比（SNR）就提高3dB。較大的SNR意味著增量累加轉換器可以更好地分辨模擬輸入中更小的變化。

圖 2：過採樣縮小了所關注頻帶中的噪聲層

Power：功率
noise floor after oversampling：過採樣後的噪聲層
orignal noise floor：最初的噪聲層
frequency：頻率
oversampling ratio：過採樣率
　　通過用調製器控制環路中的積分器進行噪聲成形，增量累加轉換器可以準確地測量模擬輸入。積分器的噪聲成形過程是，將更多噪聲強制推移到更高頻率上，如圖3所示。然後，數字低通濾波器去除噪聲的高頻部分，這極大地改善了SNR。數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：積分器將噪聲強制推移到更高的頻率上

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