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編者按：模數轉換器 (ADC) 將模擬世界連接到數字世界，因此是連接到現實世界的任何電子系統的基本部件。它們也是決定系統性能的關鍵因素之一。本系列文章探討 ADC 的基礎知識、各種 ADC 類型及其應用。本系列中第 1 部分的模擬基礎知識討論了 SAR ADC。本文是第 2 部分，討論三角積分 (ΔƩ) 轉換器。第 3 部分將探討流水線 ADC。第 4 部分 將說明三角積分 ADC 如何能夠產生超低噪音結果。第 5 部分 探討 SAR ADC 的輸入驅動難題。 第 1 部分討論了逐次逼近寄存器 (SAR) 模數轉換器 (ADC)，正如其中所述，模擬傳感器信號鏈面臨著高精度挑戰：多個增益、信號調節和復雜的模擬濾波級，全部都會饋送至 SAR-ADC；因此可能會導致模擬錯誤。設計人員也可能最終得到一個昂貴的元件密集型 PC 板解決方案。 此外，從超低傳感器信號開始，信號鏈中每個模擬級的輸出都會產生誤差，進而在轉換器的數字輸出端表現為低信噪比 (SNR) 和高失真誤差。此類系統的設計人員需要退后一步，重新思考高精度傳感器 ADC 范式。 若要解決高精度傳感器系統的相關問題，可選擇一種 ADC 拓撲，將小傳感器信號快速進行數字化，并以數字方式實現增益和濾波等噪聲模擬功能。這就是三角積分 (ΔƩ) ADC 的作用。 本文以來自 Analog Devices 的 AD4110-1 通用輸入模數前端為例，簡要介紹 ΔƩ ADC 的基本功能和內部模數轉換機制。在此基礎上，文中會深入探究周圍的信號鏈，并為合適的數據采集系統提供一些關鍵規格。 ΔƩ ADC 的結構 就在世紀之交之前，ΔƩ ADC 搶走了模擬技術的主導地位。隨著 ΔƩ 先進技術的廣泛普及，主要的模擬信號和計算過程開始扎根于數字領域。ΔƩ ADC 集成電路 (IC) 檢查發現，超過 80% 的硅片空間用于執行數字功能。以數字電路為主的附帶收獲是穩健性和小尺寸。 這是怎么可能實現的？最初是低壓模擬信號的直接數字化。進入數字領域后，數字電路幾乎可以完全取代模擬濾波，同時還可以執行任何需要的增益功能（圖 1）。數字電路也隨著每個半導體工藝節點而縮小。 
圖 1：一個 ΔƩ 幾乎包含所有用于濾波和增益的必要電路。在此示例中，ΔƩ ADC 對小電阻溫度檢測器 (RTD) 電壓進行感測并數字化。然后，它使用內部數字信號增益和濾波來呈現一個低噪聲的 24 位數字結果。（圖片來源：A Baker’s Dozen） 在圖 1 中，24 位 ΔƩ ADC 系統由一個模擬輸入、一個中央數字引擎和一個數字 I/O 端子組成。轉換器獲取低壓 RTD 信號，并通過數字濾波產生模擬輸入的完整 24 位數字表示。這里沒有通常在 SAR-ADC 電路中占主導地位的模擬增益模塊，唯一的模擬濾波器是 R1 和 C1 的組合。是的，這是一個簡單、便宜的一階濾波器！ ΔƩ ADC 的工作原理 ΔƩ ADC 的基本拓撲具有一個與數字濾波器串聯的 ΔƩ 調制器。除了這種基本拓撲外，大多數 ΔƩ ADC 還具有各種其他功能。但是，所有 ΔƩ 轉換器都具有這種基本核心（圖 2）。
圖 2：就基本要素而言，每個 ΔƩ ADC 都有 ΔƩ 調制器、數字濾波器和抽取器。（圖片來源：EDN） 在圖 2 中，輸入可以是正弦波或 DC；此處將重點討論正弦波輸入。ΔƩ 調制器將單周期正弦波數字化為 1 位流。ΔƩ 調制器輸出采樣頻率為 Fs。盡管 1 位調制器轉換似乎會產生高量化噪聲，但實際上信號噪聲已“整形”為較高的頻率。這樣便為數字濾波器輸出端的低噪聲、高分辨率轉換鋪平了道路。 在調制器的輸出端，數字濾波器會累加 ΔƩ 調制器的 1 位結果并執行濾波器計算。數字濾波器輸出信號以數字方式反射模擬輸入信號，同時繼續采用輸出頻率 Fs。現在，該信號僅留在數字域中。數字低通濾波器或抽取濾波器會衰減高頻噪聲并減慢輸出數據速率 1/Fd。數字/抽取濾波器對調制器的 1 位代碼流進行采樣和濾波，使其成為較慢的多位代碼。 雖然多數轉換器只有一個采樣率，但 ΔƩ 轉換器卻有兩個：輸入采樣頻率 (Fs) 和輸出數據頻率 (Fd)。根據公式 1，這兩個頻率變量的比值定義系統抽取率 (DR)：
ΔƩ 調制器 ΔƩ 調制器通過產生 1 位代碼流來執行實際的模數轉換。此過程從差分放大器開始（圖 3）。
圖 3：ΔƩ ADC 調制器輸入級檢測模擬輸入與反饋 DAC 之間的增量。第二級在模擬信號上實現積分器功能（或積分）。（圖片來源：EDN） 在圖 3 中，差分放大器（三角）將模擬信號傳輸到積分器（積分）。在積分器的輸出端，比較器以極高的采樣率 (1/Fs) 區分積分器的輸出與電壓基準 (VREF)。此外，比較器會將 1 位流提供給 1 位數模轉換器 (DAC)。然后，調制器會測量模擬輸入信號與反饋 DAC 的模擬輸出之間的差值。 ΔƩ >調制器通過積分器和 DAC 反饋回路的作用將噪聲整形為更高的頻率。圖 3 中的公式（右下方）顯示了傳遞方程：Yi = Xi-1 + (ei – ei-1)。調制器通過量化噪聲 (ei) 將輸入信號 (Xi) 數字化為 1 位輸出代碼 (Yi)。具體來說，調制器的輸出 (Yi) 等于輸入 (Xi-1) 加上量化噪聲 (ei – ei-1)。該公式將量化噪聲顯示為當前誤差 (ei) 減去調制器先前誤差 (ei-1) 的差值。 數字和抽取濾波器 平均化是一種數字濾波形式，常用于低速工業 ΔƩ ADC 中。幾乎所有工業 ΔƩ ADC 都包含一類稱為 sinc 濾波器的平均濾波器，它們使用線性相位有限沖激響應 (FIR)，后者是一種數字低通濾波器（圖 4）。
圖 4：此平均 FIR 數字濾波器中的系數 (bx) 均等于 1。（圖片來源：Digi-Key Electronics） 在圖 4 中，調制器輸出位流是此數字濾波器的輸入，而調制器的采樣時鐘確定延遲時間。圖 4 的 FIR 濾波器系數 (bx) 均等于 1。利用這種平均算法，FIR 數字濾波器可生成圖 3 中模擬輸入的低噪聲、24 位數字表示，并且以調制器的采樣率 (1/Fs) 進行采樣。然后，抽取濾波器使用 DR 降低輸出數據速率。 在文獻中，“抽取”一詞是指系統性清除不需要士兵的軍事行為。在數字電子器件中，抽取使用相同的概念來通過 DR 降低數字信號的輸出數據速率 (1/Fd)。為此，快速而數字化的方法是系統性丟棄一些數字濾波器的輸出樣本（圖 5）。
圖 5：抽取過程按輸出數據速率（1/Fd，圖像底部）除以采樣率 (1/Fs) 的系數來系統地減少數字 24 位輸出的數量。（圖片來源：Digi-Key Electronics） 根據公式 1，圖 5 中的抽取過程按 DR 抽取輸出數據速率 (1/Fd)。 通過數字和抽取濾波器的事件可有效降低 ΔƩ ADC 噪聲（圖 6）。
圖 6：此處顯示的是時域中的數字濾波器輸出 (a)；疊加在抽取濾波器低通函數上的調制器噪聲整形輸出 (b)；以及時域中的抽取器輸出信號 (c)。（圖片來源：EDN） 圖 6 顯示了通過數字/抽取濾波器時的數字信號。數字濾波器 24 位輸出（圖 6(a)）的運行速率與調制器采樣率 (1/Fs) 相同。調制器已經將量化噪聲整形為較高的頻率（圖 6(b)），因此數字/抽取濾波器會捕獲輸出信號的低頻部分。抽取濾波器（圖 6(c)）輸出產生原始模擬信號的低頻數字表示。 數字擴展 ΔƩ ADC 主要存在于數字域。現在，可以輕松添加數字可編程增益級、電流源、短路或開路輸入信號指示器，以及各種串行輸出接口（圖 7）。
圖 7：Analog Devices 的 AD4110-1 為工業過程控制系統提供多種模擬前端功能。（圖片來源：Analog Devices） 如圖 7 所示，Analog Devices 的 AD4110-1 ΔƩ ADC 具有許多數字增強功能，包括可編程輸入端子、診斷功能和靈活的數據速率。輸入就緒型傳感器接口包括 RTD 和熱電偶溫度傳感器。 AD4110-1 具有 ΔƩ ADC 的基本核心，但該器件的數字加重功能支持一系列數字使能功能，從而讓 AD4110-1 現已成為通用模擬前端 (AFE)。 與標準 ΔƩ ADC 一樣，AD4110-1 能夠將來自熱電偶、RTD 和電橋的極低電壓進行數字化。雖然這些功能通常需要額外的激勵電路，但 AD4110-1 已將它們集成在電路板上。 例如，RTD 需要一個精密電流源，并且該電流源與轉換器的電壓基準成比例（圖 8）。
圖 8：四線 RTD 和 AD4110-1 ΔƩ ADC 的適當線路連接。RTD 激勵電流可在 0.1 mA 和 1 mA 之間的六個級別上進行編程。（圖片來源：Analog Devices） 在圖 8 中，AD4110-1 包含一個激勵電流，該電流可以使用轉換器的 PGA_RTD_CTRL 寄存器，在 0.1 mA 和 1 mA 之間的六個級別上進行編程。RTD 電阻的激勵電流來自引腳 35。轉換器通過引腳 34 與 31 高阻抗輸入感測 RTD 兩端的電壓降。AD4110-1 可編程增益放大器 (PGA) 提供 0.2 至 24 V/V 的 16 個可編程增益。利用此功能，設計人員可以進一步將輸入傳感器補充到 AD4110-1 輸入范圍。其他輔助功能包括上拉/下拉電流以感測裸線的存在（對熱電偶有用），以及增益校準和校正系數。 總結 ΔƩ ADC 采用了前端調制器、FIR 數字濾波器和抽取濾波器，可消除復雜的模擬前端電路，并能提供經過數字平均的高分辨率、低噪聲數字輸出信號。由于大部分電路均采用數字形式，因此可以通過先進的數字工藝節點輕松擴展，在保持較小的占位空間和低電路板復雜度的同時，增加更多的功能。 Analog Devices 的 AD4110-1 ΔƩ ADC 充分利用了這種 ADC 架構的特性。AD4110-1 具有 ΔƩ ADC 的基本核心，但該器件的數字加重功能支持一系列數字使能功能，從而讓 AD4110-1 現已成為通用 AFE，并且能真正直接用于 RTD 和熱電偶。 來源：Digi-Key |
