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本次在線(xiàn)座談主要介紹TI的高精度Delta-Sigma A/D轉換器的原理及其應用，Delta-Sigma轉換器的特點(diǎn)是將絕大多數的噪聲從動(dòng)態(tài)轉移到阻態(tài)，通常Delta-Sigma轉換器被用于對成本與精度有要求的低頻場(chǎng)合。本文首先將對TI的高精度Delta-Sigma A/D轉換器進(jìn)行綜述性介紹，而后將介紹噪聲的測量及芯片ADS1232等。 Delta-Sigma轉換器綜述 Delta-Sigma轉換器是采用超采樣的方法將模擬電壓轉換成數字量的1位轉換器，它由1位ADC、１位DＡC與一個(gè)積分器組成，見(jiàn)圖1。Delta-Sigma轉換器的優(yōu)點(diǎn)表現在低成本與高分辨率，適合用于現在的低電壓半導體工業(yè)的生產(chǎn)。 Delta-Sigma轉換器組成 Delta-Sigma轉換器由差分放大器、積分器、比較器與１位的DAC組成，輸入信號減去來(lái)自1位DAC的信號將結果作為積分器的輸入，當系統得到穩定工作狀態(tài)時(shí)，積分器的輸出信號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，對噪聲有-6dB的抑制能力。積分器的輸出用1位ADC來(lái)轉換，而后比較器將輸出數字1和0的位流。DAC將比較級的輸出轉換為數字波形，回饋給差分放大器。 Delta-Sigma轉換器原理詳述 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)濾掉絕大多數的成型噪聲。有幾個(gè)誤差源會(huì )降低整個(gè)系統的效果，為了滿(mǎn)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(shí)放大器在A(yíng)DC的內部，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。為了得到精確的ADC轉換結果，放大器的誤差應該通過(guò)調整來(lái)消除或減少。積分器對輸入低頻或直流信號內置一個(gè)低通濾波器，從而極大地降低了通道內的噪聲。 典型的半導體放大器的噪聲分為兩個(gè)部分，1/F噪聲和對地噪聲，Delta-Sigma ADC的主要應用是在低頻場(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，當越接近我們想要得到的直流信號時(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)非常低頻率的現象，常用的解決方法是采用窄波輸入。 獲得窄波穩定輸入的方法如圖3所示，如果有一個(gè)1mV的射調電壓加在差分放大器的同向輸入端，1mV的信號出現在正的輸出端，而在下面的電路中，1mV的信號被輸出到負的輸出端。由于它被交替地加到正的和負的輸出端，因此最后的結果是經(jīng)過(guò)平均后，這1mV的射調電壓不會(huì )出現在輸出端，而這在Delta-Sigma轉換器中有顯著(zhù)效果。因為差分放大器的輸出正好被積分器平均，漂移隨著(zhù)時(shí)間及射調變化，對窄波穩定電路來(lái)說(shuō)，射調實(shí)際值是無(wú)關(guān)緊要的，因此隨著(zhù)時(shí)間的漂移和射調不會(huì )影響轉換的結果。 圖4給出了一個(gè)4位ADC轉換為滿(mǎn)刻度正弦波時(shí)的時(shí)域變化情況。ADC采樣一個(gè)正弦信號的輸入，如果這一信號用一個(gè)DAC來(lái)呈現，那么采樣和量化的效果將很容易被注意到。采樣意味著(zhù)在一個(gè)不連續的時(shí)間點(diǎn)輸出信號被捕捉，在這兩個(gè)點(diǎn)間輸出則保持不變，輸入被采樣的速率是大家熟知的采樣頻率，奈奎斯特原理規定采樣必須至少是輸入信號帶寬的兩倍，采樣高于這最小要求的速率即是超采樣，Delta-Sigma即是利用超采樣的方法完成信號轉換，而量化的作用是將連續的模擬信號的幅度，變換成不連續的電平。 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后的數字濾波器，Delta-Sigma轉換器限制了噪聲帶寬。由于大部分噪聲不能通過(guò)數字濾波器，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，而后用濾波器濾去大部分噪聲的技術(shù)，即是Delta-Sigma轉換器應用低分辨率的ADC的基礎。 噪聲的測量 不同的方法可用于測量系統的噪聲性能，同樣系統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，而ENOB通常用于低頻和直流系統。 高斯分布 隨機噪聲一般具有高斯分布的特征，絕大多數的采樣值將分布在相關(guān)的區域內，如果一個(gè)測量系統要求一個(gè)峰峰的限制，那么99.9％的采樣應該分布在這個(gè)區域內，如圖5所示。 峰峰噪聲 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果將是什么，如果一個(gè)顯示的位數是不能變化的，我們就叫做無(wú)噪聲碼。峰峰的噪聲是大量數據的統計測量，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(gè)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(shí)際的數據采集系統中，其標準定義并不經(jīng)常使用。一個(gè)簡(jiǎn)易的方法是計算標準方差，它僅要求兩個(gè)數字即所有值的和及所有數字的平方和（如公式2所示）。 ENOB的計算方法 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(mǎn)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(diǎn)及應用 ADS1232簡(jiǎn)介 ADS1232是一個(gè)精密的24位AD轉換器，它內部帶有低噪聲的可編程精密放大器，精密的Delta-Sigma AD轉換器和內置的振蕩器。ADS1232為橋路傳感器的應用及報告稱(chēng)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PGA=128倍時(shí)， 20mV的輸入范圍內僅有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(chēng)重儀器的應用，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(chēng)重儀器的參考設計可通過(guò)ADS1232的EDM板進(jìn)行評估。 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(chēng)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(shí)為AD轉換器的參考電壓，因為橋路的輸出正比于橋路的接地電壓，而AD轉換器的結果也正比于參考電壓，因此采用比例方法測量時(shí)，AD轉換器的輸出結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(chēng)重儀器中的應用，這里ADS1232的放大倍數為128倍，數據速率為10次/秒。 其他相關(guān)器件 ADS1100：16位低功耗轉換器 ADS1100是最小的16位ADC轉換器，采用SOT 23-6封裝，內置增益可在1倍、2倍、4倍或8倍間進(jìn)行選擇，其數據速率為8~128次/秒，典型應用包括：手持式設備與監視器、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(dòng)校正的模數轉換器，有兩個(gè)差分輸入通道或三個(gè)單端輸入。內置2.078V電壓基準，其電源電壓為2.7~5.5V。它的主要特性表現在具有完整的小型數據獲取系統、輸入復用器、PGA及振蕩器。它支持I2C接口，典型應用包括手持式設備、便攜式監控器及功率管理等。 ADS1222：24位低功耗轉換器 ADS1222是TI的最低成本的24位工業(yè)用的Delta-Sigma轉換器和業(yè)內最小的兩通道差分輸入轉換器，它具有很高的輸入阻抗、內置溫度傳感器、兩線(xiàn)串行輸入接口和自校準電路。其數據速率為240SPS，典型應用包括：手持式設備與工業(yè)加工控制。 ADS1271：24位高性能轉換器 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轉換器，通常工業(yè)上的Delta-Sigma轉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。其典型應用包括：壓力傳感器、測試與測量等。 |
