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，那麼這個秤的主要組件常常是增量累加模數轉換器。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型逐次逼近寄存器ADC。由於這些數據轉換器非常適用於量度真實世界的微小變化，所以溫度感測器、天平、換能器、流量計等精密儀器以及無數其他類型的感測器都非常適合採用增量累加ADC。
    增量累加ADC表面上看起來也許很複雜，但實際上它是由一系列簡單的部件所構成的精確數據轉換器。增量累加ADC由兩個主要構件組成：執行模數轉換的增量累加調製器和數字低通濾波器/抽取電路。增量累加調製器的基本構件（集成運算放大器、求和節點、比較器/1 位ADC和1位DAC）如圖1所示。調製器的充電平衡電路強制比較器的數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製器的1位DAC的同時，還利用一個低通數字濾波器對其進行處理。這個濾波器主要計算0和1的數量，並去掉大量雜訊，從而實現高達24位的數據轉換器。
 
圖 1：增量累加 ADC 由執行模數轉換的增量累加調製器及其後的數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：數字濾波器
decimator：抽取器
digital output：數字輸出
1-bit DAC：1 位 DAC
1-bit data stream：1位數據流
delta sigma modulator：增量累加調製器 
    實現更多位數解析度的一個主要障礙是雜訊。對於那些試圖從熱電偶、感測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，雜訊將會是一個主要的問題。雜訊層由所有不想要的外部和調製器周圍的雜訊源產生的雜訊總和組成。而且雜訊層越厚，檢測你試圖測試的模擬輸入信號的真實變化就越難。
    過採樣、雜訊成形、數字濾波和抽取是增量累加轉換器用來降低雜訊併產生高解析度輸出數據的4種重要方法。假定以頻率fS對一個數據轉換器的輸入信號採樣，根據數據的奈奎斯特定理 (Nyquist theorem)，fS 必須至少是輸入頻率的2倍（fIN＝fS/2）。過採樣是以高於輸入信號頻率兩倍的頻率對輸入信號採樣。一個較大的過採樣比（k）將產生一個更加充分的數字位流表示。組成位流的 “1” 或 “0” 越多，輸入信號的數字近似就越好。圖2顯示了以採樣率k x fS/2進行的過採樣怎樣讓調製器將相同數量的雜訊擴展到更寬的頻率範圍上。這極大地縮小了在所關注頻帶中的雜訊層。過採樣率每增加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：過採樣縮小了所關注頻帶中的雜訊層
power：功率
noise floor after oversampling：過採樣后的雜訊層
orignal noise floor：最初的雜訊層
frequency：頻率
oversampling ratio：過採樣率 
    通過用調製器控制環路中的積分器進行雜訊成形，增量累加轉換器可以準確地測量模擬輸入。積分器的雜訊成形過程是，將更多雜訊強制推移到更高頻率上，如圖3所示。然後，數字低通濾波器去除雜訊的高頻部分，這極大地改善了SNR。數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雜訊。
 
圖 3：積分器將雜訊強制推移到更高的頻率上
Signal Amplitude : 信號幅度
Digital Filter Rsponse : 數字濾波器響應
power：功率
1.積分器將雜訊強制推移到所關注的頻帶之外；
2.數字濾波器濾除高頻雜訊
frequency：頻率
oversampling ratio：過採樣率
    數字位流中總是會有一些輸入信號帶來的雜訊。但是通過平均和濾波，增量累加ADC極大地縮小了雜訊層。過採樣率和內部增量累加調製器的“階數”決定雜訊高低。階數這個術語指的是積分器的數量。例如，一個3階調製器含有3積分器級。
    儘管增加積分器級數和增大過採樣率可以進一步降低雜訊，但是穩定性是3階或更高階增量累加轉換器需要關注的大問題。一旦增量累加調製器出現不穩定，那麼除非進行功率循環，否則它們常常不會再次變至穩定狀態。凌力爾特公司的所有增量累加轉換器都採用3階調製器，而且每次轉換都對調製器和濾波器複位。即使調製器進入不穩定狀態（這很可能發生在基準電壓很低、輸入信號又很大的情況下），凌力爾特公司的增量累加ADC也可以無需周期性地開關電源而自己恢復到穩定狀態，其它ADC產品也許做不到這一點。
    調製器環路穩定且雜訊由積分器成形后，接下來要對所產生的數字信號進行濾波和抽取。抽取就是捨棄一些採樣，主要是去掉由過採樣帶來的冗餘信號信息。如果過採樣率為256，那麼ADC求取256個採樣的平均值，而抽取器則每256個採樣產生1個數字輸出。濾波和抽取后產生的數字信號再從ADC輸出，一採取串列格式。
    增量累加ADC的數字輸出與基準源一樣好。有雜訊的基準是任何數據轉換器的主要誤差源。增量累加調製器的1位DAC由正基準電壓和負基準電壓偏置。正（或高）基準電壓一般是輸入範圍的上限，而負（或低）基準電壓一般是下限。有些增量累加ADC的正和負基準都連接到外部，另一些則將低的基準連接到共用電壓上，如地電壓。其它ADC可以選擇使用內部帶隙基準或外部基準。凌力爾特公司的增量累加轉換器允許設計師改變基準和輸入共模電壓，變化範圍從地一直到電源電壓。
    在選擇增量累加轉換器時，轉換時鐘和數據延遲是兩個需要考慮的重要因素。時鐘控制數據處理的內部時序，並決定轉換時間。轉換時鐘可以從內部提供，或者採用外部晶體或硅振蕩器。不過，既然數字濾波器不抑制振蕩器頻率，那麼採用內部振蕩器是有優勢的。
    由於數據延遲，當前輸出結果落後於輸入一個採樣周期。凌力爾特公司所有無延遲增量累加（No Latency Delta SigmaTM）轉換器都在一個周期內穩定，簡化了多路復用應用。
    增量累加ADC雖然本質上很簡單，但是配置這種ADC卻常常是一個複雜的過程，如要寫很多指令、平衡輸入級的複雜性和選擇外部振蕩器。凌力爾特公司的增量累加轉換器沒有校準序列、配置寄存器、濾波器穩定時間和外部振蕩器，降低了設計的複雜性。每個轉換周期中都執行透明的偏移和滿標度自動校準，以確保高準確度，而高準確度則保證能夠分辨出1克或0.01度的差別。

作者：
凌力爾特公司
產品市場工程師
Steve Logan