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)換器的特點是將絕大多數(shù)的噪聲從動態(tài)轉(zhuǎn)移到阻態(tài)，通常delta-sigma轉(zhuǎn)換器被用于對成本與精度有要求的低頻場合。本文首先將對ti的高精度delta-sigma a/d轉(zhuǎn)換器進行綜述性介紹，而后將介紹噪聲的測量及芯片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與一個積分器組成，見圖1。delta-sigma轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點表現(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，輸入信號減去來自1位dac的信號將結(jié)果作為積分器的輸入，當系統(tǒng)得到穩(wěn)定工作狀態(tài)時，積分器的輸出信號是全部誤差電壓之和，同時積分器可以看作是低通濾波器，對噪聲有-6db的抑制能力。積分器的輸出用1位adc來轉(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頻帶寬度，從而使噪聲成型，而濾波器可以過濾掉絕大多數(shù)的成型噪聲。有幾個誤差源會降低整個系統(tǒng)的效果，為了滿足adc的輸入范圍，很多信號要求一些放大電路和電平偏移電路，有時放大器在adc的內(nèi)部，有時使用外部放大器。無論是哪一種情況，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。為了得到精確的adc轉(zhuǎn)換結(jié)果，放大器的誤差應(yīng)該通過調(diào)整來消除或減少。積分器對輸入低頻或直流信號內(nèi)置一個低通濾波器，從而極大地降低了通道內(nèi)的噪聲。

典型的半導體放大器的噪聲分為兩個部分，1/f噪聲和對地噪聲，delta-sigma adc的主要應(yīng)用是在低頻場合，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，當越接近我們想要得到的直流信號時，1/f噪聲越大。人們通常把1/f噪聲想象成漂移，它是一個非常低頻率的現(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)。

噪聲的測量

不同的方法可用于測量系統(tǒng)的噪聲性能，同樣系統(tǒng)噪聲也可用不同的方法表達，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)，如果一個測量系統(tǒng)要求一個峰峰的限制，那么99.9％的采樣應(yīng)該分布在這個區(qū)域內(nèi)，如圖5所示。

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

標準方差

標準方差的標準定義要求計算每一個測量值與全部測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算其平均值，所以在實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，其標準定義并不經(jīng)常使用。一個簡易的方法是計算標準方差，它僅要求兩個數(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的有效值與噪聲有效值的比值）。

ads1232特點及應(yīng)用

ads1232簡介

ads1232是一個精密的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)用及報告稱重儀器提供一個完全的前端解決方案，它具有非常低的噪聲，當pga=128倍時， 20mv的輸入范圍內(nèi)僅有17nvrms的有效噪聲，采樣速率為10hz及80hz，對于50hz與60hz具有大于100db的抑制能力。

對于稱重儀器的應(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。

第二它沒有外部時鐘的要求。

第三所有的功能均由管腳來控制，沒有寄存器需要編程。

另外稱重儀器的參考設(shè)計可通過ads1232的edm板進行評估。
ads1232提供一個低漂移、低噪聲的可編程增益儀表放大器，包含2個運放和3個精密匹配的電阻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，大量采用比例測量方法，在這里橋路的接地電壓同時為ad轉(zhuǎn)換器的參考電壓，因為橋路的輸出正比于橋路的接地電壓，而ad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量時，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位精密的帶有自動校正的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有兩個差分輸入通道或三個單端輸入。內(nèi)置2.078v電壓基準，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，但是限制了信號帶寬，因此僅適合直流測量。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、測試與測量等。

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