|
本次在線座談主要介紹TI的高精度Delta-Sigma A/D轉換器的原理及其應用，Delta-Sigma轉換器的特點是將絕大多數的噪聲從動態轉移到阻態，通常Delta-Sigma轉換器被用于對成本與精度有要求的低頻場合。本文首先將對TI的高精度Delta-Sigma A/D轉換器進行綜述性介紹，而后將介紹噪聲的測量及芯片ADS1232等。 Delta-Sigma轉換器綜述 Delta-Sigma轉換器是采用超采樣的方法將模擬電壓轉換成數字量的1位轉換器，它由1位ADC、１位DＡC與一個積分器組成，見圖1。Delta-Sigma轉換器的優點表現在低成本與高分辨率，適合用于現在的低電壓半導體工業的生產。 Delta-Sigma轉換器組成 Delta-Sigma轉換器由差分放大器、積分器、比較器與１位的DAC組成，輸入信號減去來自1位DAC的信號將結果作為積分器的輸入，當系統得到穩定工作狀態時，積分器的輸出信號是全部誤差電壓之和，同時積分器可以看作是低通濾波器，對噪聲有-6dB的抑制能力。積分器的輸出用1位ADC來轉換，而后比較器將輸出數字1和0的位流。DAC將比較級的輸出轉換為數字波形，回饋給差分放大器。 Delta-Sigma轉換器原理詳述 積分器將量化噪聲伸展到整個頻帶寬度，從而使噪聲成型，而濾波器可以過濾掉絕大多數的成型噪聲。有幾個誤差源會降低整個系統的效果，為了滿足ADC的輸入范圍，很多信號要求一些放大電路和電平偏移電路，有時放大器在ADC的內部，有時使用外部放大器。無論是哪一種情況，放大器電壓、電壓漂移、輸入偏置電流或采樣噪聲將引入誤差信號。為了得到精確的ADC轉換結果，放大器的誤差應該通過調整來消除或減少。積分器對輸入低頻或直流信號內置一個低通濾波器，從而極大地降低了通道內的噪聲。 典型的半導體放大器的噪聲分為兩個部分，1/F噪聲和對地噪聲，Delta-Sigma ADC的主要應用是在低頻場合，因此1/F噪聲的影響占主要地位。選擇合適的放大器可以控制1/F噪聲。由噪聲頻譜圖可知（見圖2），器件的噪聲在高頻主要是背景噪聲，而在低頻主要是1/F噪聲，當越接近我們想要得到的直流信號時，1/F噪聲越大。人們通常把1/F噪聲想象成漂移，它是一個非常低頻率的現象，常用的解決方法是采用窄波輸入。 獲得窄波穩定輸入的方法如圖3所示，如果有一個1mV的射調電壓加在差分放大器的同向輸入端，1mV的信號出現在正的輸出端，而在下面的電路中，1mV的信號被輸出到負的輸出端。由于它被交替地加到正的和負的輸出端，因此最后的結果是經過平均后，這1mV的射調電壓不會出現在輸出端，而這在Delta-Sigma轉換器中有顯著效果。因為差分放大器的輸出正好被積分器平均，漂移隨著時間及射調變化，對窄波穩定電路來說，射調實際值是無關緊要的，因此隨著時間的漂移和射調不會影響轉換的結果。 圖4給出了一個4位ADC轉換為滿刻度正弦波時的時域變化情況。ADC采樣一個正弦信號的輸入，如果這一信號用一個DAC來呈現，那么采樣和量化的效果將很容易被注意到。采樣意味著在一個不連續的時間點輸出信號被捕捉，在這兩個點間輸出則保持不變，輸入被采樣的速率是大家熟知的采樣頻率，奈奎斯特原理規定采樣必須至少是輸入信號帶寬的兩倍，采樣高于這最小要求的速率即是超采樣，Delta-Sigma即是利用超采樣的方法完成信號轉換，而量化的作用是將連續的模擬信號的幅度，變換成不連續的電平。 利用超采樣可將量化噪聲分布到更寬的頻率范圍，從而降低了背景噪聲的電平。依靠1位ADC后的數字濾波器，Delta-Sigma轉換器限制了噪聲帶寬。由于大部分噪聲不能通過數字濾波器，帶寬的有效噪聲得到降低。將量化噪聲分布在更寬的頻率范圍內，而后用濾波器濾去大部分噪聲的技術，即是Delta-Sigma轉換器應用低分辨率的ADC的基礎。 噪聲的測量 不同的方法可用于測量系統的噪聲性能，同樣系統噪聲也可用不同的方法表達，它具有高斯分布的特征，信噪比SNR通常用于高速ADC系統，而ENOB通常用于低頻和直流系統。 高斯分布 隨機噪聲一般具有高斯分布的特征，絕大多數的采樣值將分布在相關的區域內，如果一個測量系統要求一個峰峰的限制，那么99.9％的采樣應該分布在這個區域內，如圖5所示。 峰峰噪聲 有效的噪聲告訴我們采樣值是隨機的，因而不能清楚地知道顯示的結果將是什么，如果一個顯示的位數是不能變化的，我們就叫做無噪聲碼。峰峰的噪聲是大量數據的統計測量，它不能被直接計算，它是有效噪聲的6.6倍。 標準方差 標準方差的標準定義要求計算每一個測量值與全部測量值的平均值的差值的均方根（如公式1所示），由于要在所有值被采樣后才能計算其平均值，所以在實際的數據采集系統中，其標準定義并不經常使用。一個簡易的方法是計算標準方差，它僅要求兩個數字即所有值的和及所有數字的平方和（如公式2所示）。 ENOB的計算方法 ENOB有兩種計算方法，第一種SNR=6.02N+1.76dB，ENOB=（SNR-1.76dB）/6.02；第二種方法是2ENOB= 滿刻度值/RMS噪聲值=224/ 。（其中信噪比是指信號的有效值與噪聲有效值的比值）。 ADS1232特點及應用 ADS1232簡介 ADS1232是一個精密的24位AD轉換器，它內部帶有低噪聲的可編程精密放大器，精密的Delta-Sigma AD轉換器和內置的振蕩器。ADS1232為橋路傳感器的應用及報告稱重儀器提供一個完全的前端解決方案，它具有非常低的噪聲，當PGA=128倍時， 20mV的輸入范圍內僅有17nVrms的有效噪聲，采樣速率為10Hz及80Hz，對于50Hz與60Hz具有大于100dB的抑制能力。 對于稱重儀器的應用，ADS1232是最容易使用的。 第一：它具有完整的前端，不需要外置放大電路。 第二它沒有外部時鐘的要求。 第三所有的功能均由管腳來控制，沒有寄存器需要編程。 另外稱重儀器的參考設計可通過ADS1232的EDM板進行評估。 ADS1232提供一個低漂移、低噪聲的可編程增益儀表放大器，包含2個運放和3個精密匹配的電阻R1、RF1和RF2。它可選的增益是1倍、2倍、64倍和128倍。 在稱重儀器中，大量采用比例測量方法，在這里橋路的接地電壓同時為AD轉換器的參考電壓，因為橋路的輸出正比于橋路的接地電壓，而AD轉換器的結果也正比于參考電壓，因此采用比例方法測量時，AD轉換器的輸出結果只與橋路阻抗的變化有關，因此可以大大地提高測量精度。 圖6給出了ADS1232在稱重儀器中的應用，這里ADS1232的放大倍數為128倍，數據速率為10次/秒。 其他相關器件 ADS1100：16位低功耗轉換器 ADS1100是最小的16位ADC轉換器，采用SOT 23-6封裝，內置增益可在1倍、2倍、4倍或8倍間進行選擇，其數據速率為8~128次/秒，典型應用包括：手持式設備與監視器、電池管理、消費產品與工業加工控制等。 ADS1112：多通道16位ADC ADS1112是一款16位精密的帶有自動校正的模數轉換器，有兩個差分輸入通道或三個單端輸入。內置2.078V電壓基準，其電源電壓為2.7~5.5V。它的主要特性表現在具有完整的小型數據獲取系統、輸入復用器、PGA及振蕩器。它支持I2C接口，典型應用包括手持式設備、便攜式監控器及功率管理等。 ADS1222：24位低功耗轉換器 ADS1222是TI的最低成本的24位工業用的Delta-Sigma轉換器和業內最小的兩通道差分輸入轉換器，它具有很高的輸入阻抗、內置溫度傳感器、兩線串行輸入接口和自校準電路。其數據速率為240SPS，典型應用包括：手持式設備與工業加工控制。 ADS1271：24位高性能轉換器 ADS1271是一款獨特的將直流精度與交流性能組合在一起的高性能24位Delta-Sigma轉換器，通常工業上的Delta-Sigma轉換器利用高階低通濾波器得到好的直流精度，但是限制了信號帶寬，因此僅適合直流測量。而音頻應用的高分辨率的ADC需要大的可用帶寬，但直流精度會因此變壞，而ADS1271卻將優異的直流精度與交流性能組合在一起。其典型應用包括：壓力傳感器、測試與測量等。 |
