Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)

National Instruments設(shè)計(jì)了24位delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）用于許多高性能的數(shù)據(jù)采集（DAQ）設(shè)備，其中就包括NI SC Express系列產(chǎn)品，它集成了信號(hào)調(diào)理功能可以直接測量傳感器。同時(shí)，基于Delta-sigma ADC采用的噪聲整形和濾波技術(shù)，可以為高分辨率測量提供最高的測試精度。本文將介紹delta-sigma ADC的體系結(jié)構(gòu)和SC Express用軟件對(duì)濾波延遲進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/P>

Delta-Sigma ADC體系結(jié)構(gòu)

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圖1： delta-sigma (Δ -∑ ) ADC由積分器、比較器和1位DAC組成。

Delta-sigma ADC（也稱為sigma-delta）的硬件體系結(jié)構(gòu)包含積分器、比較器和1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），如圖1所示按序排列在一個(gè)負(fù)反饋循環(huán)中。將輸入信號(hào)和取反的DAC輸出相加饋入積分器電路。積分器的輸出是一個(gè)斜坡信號(hào)，該信號(hào)的斜率與積分器的輸入信號(hào)幅度成正比。積分器輸出與比較器參考信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生0或1。比較器的二進(jìn)制輸出基于ADC過采樣時(shí)鐘F_oversamp送入數(shù)字抽取濾波器。每個(gè)位代表積分的斜坡輸出相對(duì)于比較器參考的方向，多次循環(huán)之后，位流代表輸入信號(hào)的量化數(shù)值。實(shí)際上，反饋循環(huán)讓DAC的平均輸出匹配輸入信號(hào)。數(shù)字抽取濾波器將位流進(jìn)行平均，輸出期望采樣速率F_s下的n位采樣。

Delta-Sigma與其他轉(zhuǎn)換器技術(shù)有什么區(qū)別？

Delta-sigma ADC與眾不同之處在于它將過采樣、抽取濾波以及量化噪聲整形三項(xiàng)技術(shù)結(jié)合在一起使用。

過采樣

Delta-sigma ADC使用了更高的采樣速率，這個(gè)采樣率是給定信號(hào)所需采樣速率的許多倍，比如128倍。例如，要對(duì)25 kHz信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣速率要求高于奈奎斯特速率（即> 50 KHz）。但是，delta-sigma ADC使用128作為過采樣系數(shù)，對(duì)信號(hào)以6 MHz進(jìn)行采樣。這種技術(shù)具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如具有更好的抗混疊性能和更高的分辨率。

頻域上，對(duì)信號(hào)采樣實(shí)際上是使用采樣頻率F_s倍數(shù)的載波頻率對(duì)輸入信號(hào)譜進(jìn)行調(diào)制（即0、F_s、2F_s、3 F_s等等）。為了確保這些經(jīng)調(diào)制的輸入信號(hào)譜之間不互相重疊，導(dǎo)致混疊，采樣速率必須大于信號(hào)包含最高頻率的兩倍（即2F_max），這就是奈奎斯特速率。相反，如果輸入信號(hào)具有高于F_s /2（也稱為奈奎斯特頻率）的頻率成分，這些成分將進(jìn)入欠奈奎斯特頻率區(qū)域，在混疊部分檢測出感興趣的信號(hào)尤為困難?；殳B效應(yīng)表現(xiàn)為噪聲和信號(hào)失真。

為了抗混疊，在ADC采樣之前，需要對(duì)高于奈奎斯特頻率的成分進(jìn)行衰減，數(shù)據(jù)采集設(shè)備的模擬前端通常使用模擬低通濾波器。對(duì)這些濾波器往往有嚴(yán)格的要求，比如具備磚墻特性，包括快速衰減、平穩(wěn)通帶等。由于這些嚴(yán)格的要求以及必須用模擬電路實(shí)現(xiàn)，濾波器設(shè)計(jì)相當(dāng)困難，并且制造成本高昂。

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圖2：過采樣技術(shù)放寬了對(duì)模擬抗混疊濾波器的要求。

Delta-sigma ADC通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行過采樣，放寬了對(duì)模擬抗混疊濾波器的要求，如圖2所示。通過過采樣，輸入信號(hào)譜的調(diào)制部分在頻域中被進(jìn)一步分離，允許濾波器具有較緩慢的截止特性，從而降低了模擬抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)難度。Delta-sigma ADC主要由數(shù)字電路組成，從而可以用硅實(shí)現(xiàn)，極大地發(fā)揮超大規(guī)模集成電路VLSI技術(shù)的優(yōu)勢。

數(shù)字抽取濾波

來自delta-sigma調(diào)制器的位流輸出被送入數(shù)字抽取濾波器，進(jìn)行平均和降采樣，從而生成所需采樣速率Fs下的n位采樣。其實(shí)，平均過程等效于低通濾波，可以衰減量化噪聲，并從感興趣的頻帶中去除混疊成分。這種數(shù)字抽取濾波器不僅可構(gòu)建出十分平坦的帶通響應(yīng)，不引入任何相位誤差，而且能夠在截止頻率具有陡峭的截止特性（約為采樣頻率Fs的0.49倍），極佳地抑制無用頻率成分。在抗混疊中發(fā)揮了重要作用。數(shù)字抽取濾波器通常為有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器，如梳濾波器，具有極高的性價(jià)比。

量化噪聲整形

模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，會(huì)引入噪聲，這種噪聲稱為量化噪聲。對(duì)于單個(gè)數(shù)字采樣，噪聲為± 1/2 LSB。LSB越小，ADC分辨率越高。更高的分辨率意味著更低的量化噪聲或更高的信噪比（SNR）。ADC分辨率與SNR之間的經(jīng)典關(guān)系等式見等式1，其中N是ADC分辨率的有效位數(shù)。

SNR = 6.02N + 1.76 dB??? (方程 1)

但是，我們并未就此止步。Delta-sigma調(diào)制器的作用類似于輸入信號(hào)的低通濾波器和量化噪聲的高通濾波器，正如圖3所示將噪聲推向更高的頻率區(qū)域。這一現(xiàn)象稱為量化噪聲整形，通過利用數(shù)字抽取，有效地對(duì)調(diào)制器輸出進(jìn)行低通濾波并移除量化噪聲。在感興趣的頻帶上大大降低了噪底意味著ADC具有更高的SNR和更寬的動(dòng)態(tài)范圍。

過采樣帶來了更高的SNR，見等式2，其中F_s是采樣速率，K是過采樣系數(shù)，BW是輸入信號(hào)的帶寬。更高的SNR帶來了更多的ADC分辨率有效位數(shù)。

SNR = 6.02N + 1.76 + 10log (KF_s /2BW) dB (方程 2)

圖3舉例說明了量化噪聲整形的原理，它是delta-sigma ADC的主要優(yōu)點(diǎn)之一。

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圖3：過采樣實(shí)現(xiàn)量化噪聲整形

基于Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器的NI數(shù)據(jù)采集硬件

National Instruments為其許多高性能的數(shù)據(jù)采集設(shè)備設(shè)計(jì)了24位delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），這些數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括SC Express、PXI動(dòng)態(tài)信號(hào)采集（DSA）設(shè)備以及NI C系列產(chǎn)品等，它們集成了信號(hào)調(diào)理功能可以直接測量傳感器。同時(shí)，基于Delta-sigma ADC采用的噪聲整形和濾波技術(shù)，可以為高分辨率測量提供最高的測試精度。

在SC Express系列產(chǎn)品中，NI PXIe-4330使用了24位delta-sigma ADC完成同步采樣、高精度應(yīng)變測量和基于惠斯通電橋的測量。這些設(shè)備通常用于結(jié)構(gòu)測試應(yīng)用中的應(yīng)變、負(fù)荷和壓力測量。NI PXIe-4353利用24位delta-sigma ADC進(jìn)行多路復(fù)用的精確熱電偶測量。此種熱電偶模塊適用于不同測試規(guī)模的應(yīng)用，尤其是高通道數(shù)字采集系統(tǒng)，例如溫度室監(jiān)視。

DSA產(chǎn)品系列，即NI PXI-446x、PXI-447x、PXI/PXIe-449x和USB-443x，也使用了高性能24位delta-sigma ADC。涉及的應(yīng)用包括音頻信號(hào)分析，聲學(xué)、振動(dòng)和模態(tài)分析以及任何需要同步采樣、寬動(dòng)態(tài)范圍（約110 dB）和寬無混疊帶寬（直流至大約采樣速率Fs 的0.45倍）的應(yīng)用。

許多C系列模塊也使用了24位delta-sigma ADC為一系列應(yīng)用提供高精度測量，應(yīng)用包括熱電偶（NI 9211、9123）、RTD（NI 9217）、高電壓和電流（NI 9225、9227、9229、9239）、DSA（NI 9233、9234）、橋式測量（NI 9235、9236、9237）和通用（NI 9219）。

SC Express補(bǔ)償數(shù)字濾波器延遲

與其他轉(zhuǎn)換器技術(shù)不同，delta-sigma ADC是自由運(yùn)行的，也就是說在觸發(fā)器條件滿足之前，ADC的輸入信號(hào)也持續(xù)被采樣。此外，由于數(shù)字抽取濾波過程，在輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字采樣之前有一個(gè)延遲。這個(gè)延遲定義為在收到有效觸發(fā)信號(hào)之前采樣到的輸入信號(hào)點(diǎn)數(shù)。這個(gè)延遲可能需要，也可能不需要補(bǔ)償，取決于你使用模擬或是數(shù)字觸發(fā)方式。

為了簡化從NI PXIe-4330模塊采集數(shù)據(jù)的過程，并且將數(shù)據(jù)與從其他模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，NI PXIe-4330采用多種方式對(duì)此群延遲進(jìn)行補(bǔ)償。

• 當(dāng)輸入信號(hào)在ADC輸入引腳被識(shí)別為有效時(shí)，NI PXIe-4330才即刻輸出采樣鐘。采集數(shù)據(jù)時(shí)，NI PXIe-4330生成采樣時(shí)鐘，然后等待與采樣時(shí)鐘關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)完成采集后，再返回?cái)?shù)據(jù)。因此，任何其他使用這個(gè)采樣時(shí)鐘的采集都將等待數(shù)據(jù)從NI PXIe-4330返回。
• NI PXIe-4330產(chǎn)生或接收到的任何觸發(fā)，會(huì)基于它們與生成的采樣時(shí)鐘的關(guān)系被響應(yīng)。例如，開始觸發(fā)啟動(dòng)采集時(shí)，下一個(gè)采集到的有效樣值會(huì)作為第一個(gè)采樣數(shù)據(jù)返回。
• 對(duì)于軟件定時(shí)采集，NI PXIe-4330直到群延遲結(jié)束后才返回采樣值。因此，返回的數(shù)據(jù)與要求的數(shù)據(jù)在時(shí)間上緊密對(duì)齊。但是，您必須等待群延遲結(jié)束后才可以獲得采樣值。

這些軟件設(shè)計(jì)讓您在無需額外編程的情況下，更輕松地實(shí)現(xiàn)NI PXIe-4330與其他設(shè)備的同步。

Delta-Sigma ADC提高測量性能

Delta-sigma ADC實(shí)現(xiàn)了過采樣、抽取濾波和量化噪聲整形，實(shí)現(xiàn)了高分辨率和優(yōu)秀的抗混疊濾波性能。許多來自NI的SC Express、DSA和C系列傳感器測量設(shè)備利用24位delta-sigma ADC實(shí)現(xiàn)了高性能測量。

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