解析信號(hào)第3部分：Delta-Sigma adc中的噪聲介紹

本系列文章共12篇，主要討論delta-sigma-adc中噪聲的影響。第3部分將第1部分和第2部分中提供的理論信息引入到實(shí)際設(shè)計(jì)示例中。

解析信號(hào)第 1 部分：Δ-Σ ADC 中的噪聲簡(jiǎn)介
解析信號(hào)第2部分：Delta-Sigma adc中的噪聲介紹

兩者兼而有之第一部分和第二部分在本系列文章中，我詳細(xì)探討了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的噪聲性能，從其特性和來源到如何測(cè)量和指定。在本系列的第3部分中，我將把第1部分和第2部分中的理論理解應(yīng)用到實(shí)際的設(shè)計(jì)示例中。最終，我們的目標(biāo)是為您提供回答“我真正需要什么樣的噪聲性能？”這一問題所需的知識(shí)，使您能夠輕松自信地為下一個(gè)應(yīng)用程序選擇ADC。

我將從定義應(yīng)用程序的系統(tǒng)規(guī)范開始，將這些規(guī)范轉(zhuǎn)換為目標(biāo)噪聲性能參數(shù)，并使用這些信息來比較潛在的adc。作為一個(gè)例子，讓我們分析一個(gè)使用四線電阻電橋的稱重應(yīng)用程序，如圖1所示。

圖1典型的四線電阻電橋

對(duì)于系統(tǒng)規(guī)格，假設(shè)一個(gè)靈敏度為2mV/V、激勵(lì)電壓為2.5V的電橋，您希望以每秒5個(gè)采樣（SPS）的速度采樣。這提供了5mV的最大輸出電壓，對(duì)應(yīng)于1kg的最大施加重量。我們還假設(shè)您希望能夠解析最小應(yīng)用重量50mg。表1總結(jié)了這些參數(shù)。

現(xiàn)在您已經(jīng)有了系統(tǒng)規(guī)范，讓我們將它們轉(zhuǎn)換成常見的噪聲參數(shù)，以幫助選擇最佳的ADC。

在本系列的第2部分中，我強(qiáng)烈建議使用輸入?yún)⒖荚肼晛矶x系統(tǒng)噪聲參數(shù)并選擇ADC。但是讓我們從使用無噪聲計(jì)數(shù)和無噪聲分辨率的更常見的方法開始。然后您可以將此方法與直接使用輸入?yún)⒖荚肼曔M(jìn)行比較。方程1和2計(jì)算初始噪聲參數(shù)：

方程式1

方程式2

由于所需的無噪聲分辨率為14.3位，您可能會(huì)很快得出結(jié)論，您只需要16位ADC。然而，正如我在第2部分中所解釋的，高分辨率delta-sigma ADC實(shí)際上可以提供的無噪聲分辨率取決于ADC全刻度范圍的利用率百分比。在本例中，系統(tǒng)使用2.5V參考電壓，最大輸入信號(hào)是勵(lì)磁電壓（2.5V）和電橋靈敏度（2mV/V）的乘積。方程3使用第2部分中的方程式2顯示了預(yù)期的分辨率損失：

方程式3

這是一個(gè)戲劇性的結(jié)果。因?yàn)槟阒皇褂?.1%的可用滿標(biāo)度范圍，你將失去幾乎10位的分辨率。在這個(gè)級(jí)別上，即使是24位ADC也不足以滿足系統(tǒng)要求。要解決這個(gè)問題，您需要通過更改系統(tǒng)規(guī)格或放大輸入信號(hào)來提高利用率百分比。假設(shè)你幾乎無法控制系統(tǒng)所需的東西，你就只能獲得輸入，這個(gè)動(dòng)作絕對(duì)改變了信號(hào)鏈的噪聲性能。

幸運(yùn)的是，您可以繼續(xù)分析，而不需要詳細(xì)了解放大器噪聲如何影響系統(tǒng)性能。相反，您可以使用現(xiàn)有的知識(shí)來分析帶有集成可編程增益放大器（PGA）的ADC的數(shù)據(jù)表噪聲表，以確定它是否滿足系統(tǒng)要求。

例如，圖2顯示了24位的有效和無噪聲分辨率表ADS124S08最多50SPS，目標(biāo)數(shù)據(jù)速率突出顯示。請(qǐng)注意，ADS124S08包括從1V/V到128V/V的增益。

圖2.ADS124S08有效分辨率（無噪聲分辨率）

AVDD=3.3V、AVSS=0V、PGA啟用、全局?jǐn)夭ń煤蛢?nèi)部2.5V參考電壓下的Sinc3濾波器。

要確定此ADC是否滿足您的要求，您需要分別重新計(jì)算每個(gè)增益設(shè)置的預(yù)期分辨率損失，因?yàn)槊糠N設(shè)置都會(huì)產(chǎn)生不同的利用率百分比。然后，您需要將其添加到圖2中報(bào)告的每個(gè)對(duì)應(yīng)的無噪聲分辨率值中，以查看它是否符合系統(tǒng)規(guī)范。表2列出了以5SPS數(shù)據(jù)速率使用ADS124S08計(jì)算的系統(tǒng)無噪聲分辨率。

表2告訴您，使用5SPS的32、64或128V/V的增益，您只能達(dá)到所需的14.3位系統(tǒng)無噪聲分辨率。圖3在數(shù)據(jù)表噪聲表的上下文中突出顯示了這些值。

圖3.以5SPS數(shù)據(jù)速率使用ADS124S08時(shí)，增益設(shè)置滿足系統(tǒng)要求

圖3的一個(gè)要點(diǎn)是，沒有簡(jiǎn)單的方法可以將數(shù)據(jù)表中的值與系統(tǒng)噪聲參數(shù)關(guān)聯(lián)起來，而不需要多次計(jì)算。雖然在計(jì)算結(jié)果后這可能與現(xiàn)在無關(guān)，但是如果系統(tǒng)規(guī)格突然改變了呢？

假設(shè)您決定將勵(lì)磁（參考）電壓從2.5V增加到5V。你還將把電橋靈敏度提高到20mV/V（這意味著你不能使用最高增益設(shè)置，因?yàn)檫@會(huì)超過ADC的范圍）。你正在探索以20ps采樣而不是5SPS采樣。這些變化如何影響您的ADC噪聲分析？

要確定答案，您必須計(jì)算在新的數(shù)據(jù)速率和參考電壓下每個(gè)增益設(shè)置的新分辨率損失。此外，您必須根據(jù)5V參考電壓重新創(chuàng)建圖2中的表，因?yàn)樵摫淼挠?jì)算使用的是2.5V的參考電壓。最后，您必須重新創(chuàng)建表2，從使用5V參考電壓創(chuàng)建的無噪聲分辨率表中減去計(jì)算的分辨率損耗。

誠(chéng)然，這是大量的工作，是無噪聲分辨率作為一個(gè)相對(duì)參數(shù)的直接結(jié)果。現(xiàn)在讓我們切換到使用絕對(duì)噪聲參數(shù)，如第2部分中所建議的，看看分析是如何變化的。

方程式4

使用輸入引用噪聲的好處之一是您不必?fù)?dān)心計(jì)算分辨率損失。相反，您可以直接將計(jì)算值與ADC的輸入?yún)⒖荚肼暠磉M(jìn)行比較，以確定哪種設(shè)置組合提供的噪聲性能相等或更低。

圖4是ADS124S08輸入?yún)⒖荚肼暠淼墓?jié)略版本。我已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了增益和數(shù)據(jù)速率設(shè)置的任何組合≤輸入?yún)⒖荚肼暈?50nVPP。

提供數(shù)據(jù)速率和增益組合≤使用ADS124S08的250nVPP

注：表中的值以“噪聲μVRMS（μVPP）”的形式給出，使用2.5V參考電壓）

如果將圖4中的結(jié)果與圖3中使用無噪聲分辨率的分析進(jìn)行比較，您將看到圖4提供了滿足系統(tǒng)要求的整個(gè)ADS124S08設(shè)置范圍。圖3只提供了所選數(shù)據(jù)速率下的值，并且要求您針對(duì)不同的數(shù)據(jù)速率執(zhí)行新的計(jì)算，這使得這種方法對(duì)系統(tǒng)規(guī)范更改的適應(yīng)性降低。

現(xiàn)在假設(shè)您已將最大施加重量增加至5kg，最小施加重量增加至500mg，并將電橋的最大輸出信號(hào)保持在5mV，如等式5所示：

式5

通過快速計(jì)算，您可以確定您的系統(tǒng)噪聲要求已放寬到500nVPP，這使您可以使用更多的數(shù)據(jù)速率和增益組合。圖5演示了這些寬松的系統(tǒng)規(guī)范允許您更快地采樣（最高20SPS）或降低增益（降低到4V/V），同時(shí)仍然達(dá)到必要的噪聲性能。

圖5.數(shù)據(jù)速率和增益組合提供≤使用ADS124S08的500nVPP

注：使用2.5V參考電壓，表值以“噪聲μVRMS（μVPP）”表示）

如果你的體重秤需要更高的分辨率呢？例如，您保留了5kg的最大應(yīng)用重量要求，但從第一個(gè)示例返回到50mg最小重量。保持你的最大電橋輸出相同（5mV），你現(xiàn)在需要50nVPP的輸入?yún)⒖荚肼?，這是極低的?？纯磮D4或圖5，很明顯ADS124S08數(shù)據(jù)速率和增益設(shè)置的組合都不能提供這樣的性能水平。但是，由于您可以輕松地對(duì)任何ADC執(zhí)行相同的分析，所以只需選擇一個(gè)噪聲性能更好的ADC。

圖6顯示了ADS1262，一個(gè)32位ADC，其功能類似于ADS124S08，但提供了更好的噪聲性能。綠色陰影表示提供的數(shù)據(jù)速率和噪波組合≤50nVPP輸入?yún)⒖荚肼暎⒋_認(rèn)ADS1262可以滿足您系統(tǒng)新的分辨率要求。

圖6.數(shù)據(jù)速率和增益組合提供≤50內(nèi)華達(dá)第頁使用ADS1262

注：表中的值表示為“噪聲μV有效值（微伏）第頁)“使用2.5V參考電壓

為了便于討論，讓我們將輸入引用的噪聲結(jié)果與相對(duì)參數(shù)進(jìn)行比較。圖7突出顯示了ADS1262在相同的數(shù)據(jù)速率和增益配置下的無噪聲分辨率性能，如圖6所示。

與有效噪聲相關(guān)的自由分辨率（7）≤50內(nèi)華達(dá)第頁使用AD12626和5V參考電壓

在第2部分中，我指出許多工程師不必要地關(guān)注最大化他們的無噪聲分辨率（動(dòng)態(tài)范圍）。讓我們通過計(jì)算系統(tǒng)所需5SPS數(shù)據(jù)速率下最大高亮顯示值計(jì)算系統(tǒng)的無噪聲分辨率來檢查這一點(diǎn)。在圖7中，該值為23.5位，使用Sinc4濾波器可獲得16V/V的增益。

請(qǐng)記住，在圖7的標(biāo)題中，表計(jì)算使用的是5V參考電壓，而不是系統(tǒng)指定的2.5V參考電壓。為了補(bǔ)償這種差異，圖6中給出的每個(gè)分辨率值必須減少一位。這意味著，在給定的條件下，您最多只能期望22.5位的無噪聲分辨率?，F(xiàn)在，您可以在這些設(shè)置下計(jì)算ADS1262的預(yù)期分辨率損失。

使用等式6的結(jié)果，使用32位ADC時(shí)，系統(tǒng)無噪聲分辨率僅為16.5位。

式6

對(duì)許多人來說，這是一個(gè)令人沮喪的結(jié)果，似乎證實(shí)了你是在為ADC實(shí)際上無法提供的性能付費(fèi)。但是，如果您查看圖6中的相同設(shè)置，您將看到您實(shí)際上在給定條件下利用了48nVPP噪聲。這是一個(gè)難以置信的小值，沒有16位ADC和極少數(shù)24位ADC可以提供。

歸根結(jié)底，這就是我要說的。您需要這樣一個(gè)高分辨率的ADC來實(shí)現(xiàn)16.5位的無噪聲分辨率（動(dòng)態(tài)范圍），因?yàn)橄到y(tǒng)要求極低的噪聲性能。這就是為什么定義系統(tǒng)性能和使用輸入?yún)⒖荚肼曔x擇adc是有意義的。

在“解析信號(hào)”系列的下一期中，我將詳細(xì)討論有效的噪聲帶寬，并深入研究一些主題，包括如何確定進(jìn)入系統(tǒng)的噪聲量以及限制噪聲帶寬的方法。