了解Delta-Sigma ADC

了解有关Delta-Sigma ADC（模数转换器）的更多信息，依赖于过采样和噪声整形以实现高分辨率转换。

adc可以描述为奈奎斯特速率或过采样转换器。在我之前的文章中，解析和采样率，我解释了如何在奈奎斯特速率的转换器系列中的采样工作和这种类型转换器的关键概念之一依赖于奈奎斯特标准。

Delta-Sigma ADC与奈奎斯特率ADC不同。它依靠过采样和噪声整形来实现高分辨率转换。

我之前的文章，理解逐次逼近寄存器ADC，展示了这种奈奎斯特速率架构的弱点：其精度和线性度，因此其最大有效分辨率受到模拟成分如DAC的缺陷的限制。

过采样系列转换器，其中Delta-Sigma ADC属于，旨在克服nyquist速率转换器的局限性。Delta-Sigma ADC由一个调制器、一个滤波器和一个抽取器组成，如下图所示。δ - σ adc大约75%是数字的。

通过引入更复杂的数字电路和数据过采样，他们试图减少对精确模拟元件的要求，这些元件在其他ADC架构中可能被视为限制因素。

过度采样

为了了解过采样的概念，需要在频域中进行分析。

如果我们考虑到数据转换器的输入的正弦波的示例，则根据奈奎斯特标准，最小采样频率定义为信号带宽的两倍。

对于我们的正弦波示例，我们看到兴趣频率但很多噪音的峰值，也如下所示：

这种噪音被称为量化噪声（PDF）并且是由于连续输入正弦波的样本只能采用通过ADC的分辨率确定的有限数量的离散状态。在延伸到FS / 2的奈奎斯特频带内，此随机量化误差存在，并且可以描述为：

由此，我们可以确定量化噪声比的信号，如：

因此，在Nyquist-rate ADC中，我们通过增加ADC的分辨率(用N表示)来提高SQNR(信号-量化-噪声比)。要更深入地解释这些公式，请参阅我的上一篇文章，解析和采样率。

如果我们现在将过采样频率从FS增加到KFS，如下所示，区域FS / 2中的量化噪声减小。SQNR实际上是一样的。

然而，量化噪声在较大的频率范围内铺展。通过将滤波器结合到Delta-Sigma ADC中，可以去除一些这些量化噪声。因此，对频率范围内的量化噪声的降低使得低分辨率Δ-sigma架构能够执行高分辨率的模数转换。

如果我们将采样率提高4倍，则SQNR将提高6 dB。换句话说，每次我们将采样率提高四倍，就相当于增加了1位ADC的分辨率。仅用过采样，为了达到12位的分辨率，输入端必须进行4倍的过采样¹¹。或者，更一般地说，对于分辨率的n位增加，我们必须采样倍数为2^{2 n}。

幸运的是，另一种技术被称为噪声整形，使增益超过6分贝。

噪音整形

下面示出了第一阶Delta-Sigma调制器的框图。这包括差分放大器，积分器，比较器和开关。开关或1位DAC，将负或正参考电压切换到放大器的负输入中。

在该架构中，如果输入信号增加，则仅为比较器的1位ADC生成一个。如果它已经减少，它会产生零。这样，Delta-Sigma调制器发送输入信号的变化或梯度。

与过采样一样，频域最好解释噪声整形。调制器的频域模型如下所示：

该体系结构中的积分器用作输入信号的低通滤波器。由于1位转换过程，量化噪声被添加到该滤波器的信号输出。可以使用下面的等式表示调制器的输出。

这个方程的第一项可以被认为是信号项，第二项可以被认为是噪声项。当频率趋于零时，可以看出噪声项趋于零，调制器的输出趋于S_我。随着频率的增加，噪声项趋于q，信号项趋于零。因此，积分器充当量化噪声的高通滤波器。

高阶δ - σ adc，在调制器中有一个以上的积分和求和阶段，可以用来实现进一步的噪声整形。

数字滤波和抽取

σ - δ调制器将噪声推向更高的频率，以提高ADC的分辨率，并将模拟输入转换为比特流。数字滤波和抽取级用于滤除高频噪声，并将数据率降低到可用的数量。

所使用的过滤器通常是一种称为SINC过滤器的平均滤波器。由于噪声被推到高频，因此低通滤波器响应作用以衰减量化噪声。因此，已经获得了原始信号的高分辨率版本。

滤波器的输出数据率与采样率(Fs)相同。滤波器减小了信号的频带宽度。因此，根据奈奎斯特标准，大多数样本不包含任何有用的信息。

抽取是丢弃不必要的样本的过程，并作为一种机制来减少数据率到一个有用的值，同时根据奈奎斯特标准维护信息。

δ - σ ADC有两个采样率，输入采样率(Fs)和输出数据率(Fd)。Fs与Fd的比值称为抽取比(DR)。通过减少滤波器通带和增加DR，同时保持相同的Fs，可以增加Delta-Sigma ADC的有效比特数(ENOB)。同样，ADC的带宽可以以ENOB为代价而增加。

概括

Delta-Sigma ADC的优势

• 分辨率较易于依赖于模拟组件
• 极高的分辨率

δ - σ ADC的弱点

• 低采样率高分辨率

δ - σ ADC的应用

Delta-Sigma adc提供非常高的分辨率，ENOB为20-24位。这使得它们成为精密工业测量应用、热电偶温度测量和语音波段应用的良好选择。