增量累加ADC以高24位的精確度測量小模擬信號

　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(tǒng)型逐次逼近寄存器ADC。由于這些數(shù)據(jù)轉換器非常適用于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(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雜，但實際上它是由一系列簡單的部件所構成的精確數(shù)據(jù)轉換器。增量累加ADC由兩個主要構件組成：執(zhí)行模數(shù)轉換的增量累加調制器和數(shù)字低通濾波器/抽取電路。增量累加調制器的基本構件（集成運算放大器、求和節(jié)點、比較器/1 位ADC和1位DAC）如圖1所示。調制器的充電平衡電路強制比較器的數(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)字濾波器對其進行處理。這個濾波器主要計算0和1的數(shù)量，并去掉大量噪聲，從而實現(xiàn)高達24位的數(shù)據(jù)轉換器。

圖 1：增量累加 ADC 由執(zhí)行模數(shù)轉換的增量累加調制器及其后的數(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：增量累加調制器
　　實現(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進行的過采樣怎樣讓調制器將相同數(shù)量的噪聲擴展到更寬的頻率范圍上。這極大地縮小了在所關注頻帶中的噪聲層。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
　　通過用調制器控制環(huán)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。