【E課堂】Σ-Δ型ADC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本原理

　　Σ-Δ型ADC是當(dāng)今信號(hào)采集和處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的工具箱中必不可少的基本器件。本文的目的是讓讀者對(duì)Σ-Δ型號(hào)ADC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)背后的根本原理有一個(gè)基本了解。本文探討了與ADC子系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的噪聲、帶寬、建立時(shí)間和所有其他關(guān)鍵參數(shù)之間的權(quán)衡分析示例，以便為精密數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)人員提供背景信息。

　　它通常包括兩個(gè)模塊：Σ-Δ調(diào)制器和數(shù)字信號(hào)處理模塊，后者通常是數(shù)字濾波器。Σ-Δ型ADC的簡(jiǎn)要框圖和主要概念如圖1所示。

　　圖1.Σ-Δ型ADC的關(guān)鍵概念。

　　Σ-Δ調(diào)制器是一種過(guò)采樣架構(gòu)，因此，我們從奈奎斯特采樣理論和方案以及過(guò)采樣ADC操作開(kāi)始討論。

　　圖2比較了ADC的奈奎斯特操作、過(guò)采樣方案和Σ-Δ調(diào)制(也是過(guò)采樣)方案。

　　圖2a顯示了ADC以標(biāo)準(zhǔn)奈奎斯特方式運(yùn)行時(shí)的量化噪聲。這種情況下，量化噪聲由ADC的LSB大小決定。FS為ADC的采樣速率，F(xiàn)S/2為奈奎斯特頻率。圖2b顯示的是同一轉(zhuǎn)換器，不過(guò)現(xiàn)在它以過(guò)采樣方式運(yùn)行，采樣速率更快。采樣速率提高K倍，量化噪聲擴(kuò)展到K × FS/2的帶寬上。低通數(shù)字濾波器(通常帶抽取功能)可消除藍(lán)色區(qū)域之外的量化噪聲。

　　圖2a.奈奎斯特方案。采樣速率為FS ，奈奎斯特帶寬為FS /2。

　　圖2b.過(guò)采樣方案。采樣速率為K × FS。

　　圖2c.Σ-Δ型ADC方案。過(guò)采樣和噪聲整形，采樣速率為FMOD = K × FODR。

　　Σ-Δ調(diào)制器多了一個(gè)特性，那就是噪聲整形，如圖2c所示。模數(shù)轉(zhuǎn)換的量化噪聲被調(diào)制整形，從低頻移動(dòng)到較高頻率(通常如此)，低通數(shù)字濾波器可將其從轉(zhuǎn)換結(jié)果中消除。Σ-Δ型ADC的噪底由熱噪聲決定，而不受量化噪聲的限制。

　　采樣、調(diào)制、濾波

　　Σ-Δ型ADC使用內(nèi)部或外部采樣時(shí)鐘。ADC的主時(shí)鐘(MCLK)常常要先分頻，再交由調(diào)制器使用;閱讀ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)時(shí)應(yīng)注意這點(diǎn)，并了解調(diào)制器頻率。傳送到調(diào)制器的時(shí)鐘設(shè)置采樣頻率FMOD。調(diào)制器以該速率將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)字濾波器，進(jìn)而數(shù)字濾波器(通常為低通，帶抽取功能)以輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)提供數(shù)據(jù)。圖3顯示了這一過(guò)程。