高精度Delta-Sigma A/D轉(zhuǎn)換器的原理及其應(yīng)用

本次在線座談主要介紹ti的高精度delta-sigma a/d轉(zhuǎn)換器的原理及其應(yīng)用，delta-sigma轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是將絕大多數(shù)的噪聲從動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移到阻態(tài)，通常delta-sigma轉(zhuǎn)換器被用于對(duì)成本與精度有要求的低頻場(chǎng)合。本文首先將對(duì)ti的高精度delta-sigma a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)行綜述性介紹，而后將介紹噪聲的測(cè)量及芯片ads1232等。

delta-sigma轉(zhuǎn)換器綜述

delta-sigma轉(zhuǎn)換器是采用超采樣的方法將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的1位轉(zhuǎn)換器，它由1位adc、１位dａc與一個(gè)積分器組成，見(jiàn)圖1。delta-sigma轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在低成本與高分辨率，適合用于現(xiàn)在的低電壓半導(dǎo)體工業(yè)的生產(chǎn)。

delta-sigma轉(zhuǎn)換器由差分放大器、積分器、比較器與１位的dac組成，輸入信號(hào)減去來(lái)自1位dac的信號(hào)將結(jié)果作為積分器的輸入，當(dāng)系統(tǒng)得到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，積分器的輸出信號(hào)是全部誤差電壓之和，同時(shí)積分器可以看作是低通濾波器，對(duì)噪聲有-6db的抑制能力。積分器的輸出用1位adc來(lái)轉(zhuǎn)換，而后比較器將輸出數(shù)字1和0的位流。dac將比較級(jí)的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字波形，回饋給差分放大器。

delta-sigma轉(zhuǎn)換器原理詳述

積分器將量化噪聲伸展到整個(gè)頻帶寬度，從而使噪聲成型，而濾波器可以過(guò)濾掉絕大多數(shù)的成型噪聲。有幾個(gè)誤差源會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的效果，為了滿足adc的輸入范圍，很多信號(hào)要求一些放大電路和電平偏移電路，有時(shí)放大器在adc的內(nèi)部，有時(shí)使用外部放大器。無(wú)論是哪一種情況，放大器電壓、電壓漂移、輸入偏置電流或采樣噪聲將引入誤差信號(hào)。為了得到精確的adc轉(zhuǎn)換結(jié)果，放大器的誤差應(yīng)該通過(guò)調(diào)整來(lái)消除或減少。積分器對(duì)輸入低頻或直流信號(hào)內(nèi)置一個(gè)低通濾波器，從而極大地降低了通道內(nèi)的噪聲。

典型的半導(dǎo)體放大器的噪聲分為兩個(gè)部分，1/f噪聲和對(duì)地噪聲，delta-sigma adc的主要應(yīng)用是在低頻場(chǎng)合，因此1/f噪聲的影響占主要地位。選擇合適的放大器可以控制1/f噪聲。由噪聲頻譜圖可知（見(jiàn)圖2），器件的噪聲在高頻主要是背景噪聲，而在低頻主要是1/f噪聲，當(dāng)越接近我們想要得到的直流信號(hào)時(shí)，1/f噪聲越大。人們通常把1/f噪聲想象成漂移，它是一個(gè)非常低頻率的現(xiàn)象，常用的解決方法是采用窄波輸入。

利用超采樣可將量化噪聲分布到更寬的頻率范圍，從而降低了背景噪聲的電平。依靠1位adc后的數(shù)字濾波器，delta-sigma轉(zhuǎn)換器限制了噪聲帶寬。由于大部分噪聲不能通過(guò)數(shù)字濾波器，帶寬的有效噪聲得到降低。將量化噪聲分布在更寬的頻率范圍內(nèi)，而后用濾波器濾去大部分噪聲的技術(shù)，即是delta-sigma轉(zhuǎn)換器應(yīng)用低分辨率的adc的基礎(chǔ)。

噪聲的測(cè)量

不同的方法可用于測(cè)量系統(tǒng)的噪聲性能，同樣系統(tǒng)噪聲也可用不同的方法表達(dá)，它具有高斯分布的特征，信噪比snr通常用于高速adc系統(tǒng)，而enob通常用于低頻和直流系統(tǒng)。

高斯分布

隨機(jī)噪聲一般具有高斯分布的特征，絕大多數(shù)的采樣值將分布在相關(guān)的區(qū)域內(nèi)，如果一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)要求一個(gè)峰峰的限制，那么99.9％的采樣應(yīng)該分布在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，如圖5所示。

有效的噪聲告訴我們采樣值是隨機(jī)的，因而不能清楚地知道顯示的結(jié)果將是什么，如果一個(gè)顯示的位數(shù)是不能變化的，我們就叫做無(wú)噪聲碼。峰峰的噪聲是大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)測(cè)量，它不能被直接計(jì)算，它是有效噪聲的6.6倍。

標(biāo)準(zhǔn)方差

標(biāo)準(zhǔn)方差的標(biāo)準(zhǔn)定義要求計(jì)算每一個(gè)測(cè)量值與全部測(cè)量值的平均值的差值的均方根（如公式1所示），由于要在所有值被采樣后才能計(jì)算其平均值，所以在實(shí)際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，其標(biāo)準(zhǔn)定義并不經(jīng)常使用。一個(gè)簡(jiǎn)易的方法是計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方差，它僅要求兩個(gè)數(shù)字即所有值的和及所有數(shù)字的平方和（如公式2所示）。

enob有兩種計(jì)算方法，第一種snr=6.02n+1.76db，enob=（snr-1.76db）/6.02；第二種方法是2enob= 滿刻度值/rms噪聲值=224/ 。（其中信噪比是指信號(hào)的有效值與噪聲有效值的比值）。

ads1232特點(diǎn)及應(yīng)用

ads1232簡(jiǎn)介

ads1232是一個(gè)精密的24位ad轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)部帶有低噪聲的可編程精密放大器，精密的delta-sigma ad轉(zhuǎn)換器和內(nèi)置的振蕩器。ads1232為橋路傳感器的應(yīng)用及報(bào)告稱重儀器提供一個(gè)完全的前端解決方案，它具有非常低的噪聲，當(dāng)pga=128倍時(shí)， 20mv的輸入范圍內(nèi)僅有17nvrms的有效噪聲，采樣速率為10hz及80hz，對(duì)于50hz與60hz具有大于100db的抑制能力。

對(duì)于稱重儀器的應(yīng)用，ads1232是最容易使用的。

第一：它具有完整的前端，不需要外置放大電路。

第二它沒(méi)有外部時(shí)鐘的要求。

第三所有的功能均由管腳來(lái)控制，沒(méi)有寄存器需要編程。

另外稱重儀器的參考設(shè)計(jì)可通過(guò)ads1232的edm板進(jìn)行評(píng)估。
ads1232提供一個(gè)低漂移、低噪聲的可編程增益儀表放大器，包含2個(gè)運(yùn)放和3個(gè)精密匹配的電阻r1、rf1和rf2。它可選的增益是1倍、2倍、64倍和128倍。

在稱重儀器中，大量采用比例測(cè)量方法，在這里橋路的接地電壓同時(shí)為ad轉(zhuǎn)換器的參考電壓，因?yàn)闃蚵返妮敵稣扔跇蚵返慕拥仉妷海鴄d轉(zhuǎn)換器的結(jié)果也正比于參考電壓，因此采用比例方法測(cè)量時(shí)，ad轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果只與橋路阻抗的變化有關(guān)，因此可以大大地提高測(cè)量精度。
圖6給出了ads1232在稱重儀器中的應(yīng)用，這里ads1232的放大倍數(shù)為128倍，數(shù)據(jù)速率為10次/秒。

ads1100：16位低功耗轉(zhuǎn)換器

ads1100是最小的16位adc轉(zhuǎn)換器，采用sot 23-6封裝，內(nèi)置增益可在1倍、2倍、4倍或8倍間進(jìn)行選擇，其數(shù)據(jù)速率為8~128次/秒，典型應(yīng)用包括：手持式設(shè)備與監(jiān)視器、電池管理、消費(fèi)產(chǎn)品與工業(yè)加工控制等。

ads1112：多通道16位adc

ads1112是一款16位精密的帶有自動(dòng)校正的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有兩個(gè)差分輸入通道或三個(gè)單端輸入。內(nèi)置2.078v電壓基準(zhǔn)，其電源電壓為2.7~5.5v。它的主要特性表現(xiàn)在具有完整的小型數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、輸入復(fù)用器、pga及振蕩器。它支持i2c接口，典型應(yīng)用包括手持式設(shè)備、便攜式監(jiān)控器及功率管理等。

ads1222：24位低功耗轉(zhuǎn)換器

ads1222是ti的最低成本的24位工業(yè)用的delta-sigma轉(zhuǎn)換器和業(yè)內(nèi)最小的兩通道差分輸入轉(zhuǎn)換器，它具有很高的輸入阻抗、內(nèi)置溫度傳感器、兩線串行輸入接口和自校準(zhǔn)電路。其數(shù)據(jù)速率為240sps，典型應(yīng)用包括：手持式設(shè)備與工業(yè)加工控制。

ads1271：24位高性能轉(zhuǎn)換器

ads1271是一款獨(dú)特的將直流精度與交流性能組合在一起的高性能24位delta-sigma轉(zhuǎn)換器，通常工業(yè)上的delta-sigma轉(zhuǎn)換器利用高階低通濾波器得到好的直流精度，但是限制了信號(hào)帶寬，因此僅適合直流測(cè)量。而音頻應(yīng)用的高分辨率的adc需要大的可用帶寬，但直流精度會(huì)因此變壞，而ads1271卻將優(yōu)異的直流精度與交流性能組合在一起。其典型應(yīng)用包括：壓力傳感器、測(cè)試與測(cè)量等。

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