小模擬信號的精確度測量的設(shè)計(jì)解析

一個量程10千克的秤若能分辨出1克的重量變化，那么這個秤的主要組件常常是增量累加模數(shù)轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)師需要溫度測量的精確度達(dá)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(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。在把比較器輸出回送至調(diào)制器的1位DAC的同時，還利用一個低通數(shù)字濾波器對其進(jìn)行處理。這個濾波器主要計(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)分辨率的一個主要障礙是噪聲。對于那些試圖從熱電偶、傳感器或其他低電平信號源來辨別微伏(μV)級變化的設(shè)計(jì)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(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，檢測你試圖測試的模擬輸入信號的真實(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對一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的輸入信號采樣，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頻率兩倍的頻率對輸入信號采樣。一個較大的過采樣比(k)將產(chǎn)生一個更加充分的數(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