Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它是如何工作的？

Δ-Σ ADC由Δ-Σ調(diào)制器和數(shù)字濾波器構(gòu)成。調(diào)制器將模擬輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字比特流，而數(shù)字濾波器將比特流轉(zhuǎn)換為表示模擬輸入幅度的數(shù)據(jù)字。

讓我們來(lái)看看調(diào)制器是如何工作的，首先從一階Δ-Σ調(diào)制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本分析開始，如圖1所示。

圖1：Δ-Σ調(diào)制器內(nèi)部框圖

調(diào)制器根據(jù)調(diào)制器時(shí)鐘運(yùn)行，決定了輸入的采樣間隔。調(diào)制循環(huán)通過(guò)對(duì)輸入采樣和1位DAC之間的差分進(jìn)行積分而開始。

比較器根據(jù)積分器值確定下一個(gè)調(diào)制器輸出。根據(jù)比較器的輸出狀態(tài)，1位DAC產(chǎn)生與ADC的正或負(fù)基準(zhǔn)電壓相等的電壓。如果調(diào)制器輸出為1，則從輸入中減去基準(zhǔn)電壓。如果調(diào)制器輸出為0，則在輸入中加上基準(zhǔn)電壓。在每個(gè)調(diào)制器時(shí)鐘脈沖，調(diào)制器完成一個(gè)完整的周期并產(chǎn)生一個(gè)新的輸出。

當(dāng)調(diào)制器時(shí)鐘繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，每個(gè)調(diào)制器時(shí)鐘脈沖將產(chǎn)生另一個(gè)調(diào)制器輸出脈沖。所得到的輸出比特流成為與基準(zhǔn)電壓成比例的輸入電壓的另一種表示。圖2顯示了輸入正弦波和得到的調(diào)制器輸出比特流，假設(shè)基準(zhǔn)電壓為1V。

圖2：正弦波輸入（上圖）和調(diào)制輸出比特流（下圖）

當(dāng)輸入接近1V時(shí)，調(diào)制器的比特流的1s密度接近100％。相反，當(dāng)輸入接近-1V時(shí)，比特流1s密度接近0％。當(dāng)輸入為0V時(shí)，1s密度為50％。因此，可以在不超出調(diào)制器范圍的情況下測(cè)量基準(zhǔn)電壓和負(fù)基準(zhǔn)電壓之間的輸入電壓。

那么通過(guò)將輸入轉(zhuǎn)換為比特流調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了什么？觀察調(diào)制器的頻譜內(nèi)，輸入電壓和采樣數(shù)字信號(hào)之間的誤差被建模為量化噪聲，如圖3a所示。采用二了簡(jiǎn)單的量化，誤差頻譜密度是從DC到采樣頻率（fS）的白噪聲除以2。

通過(guò)使用Δ-Σ調(diào)制，量化誤差頻譜密度被調(diào)至更高的頻率，如圖3b所示。低通數(shù)字濾波器保留具有較高分辨率的輸入信號(hào)，因?yàn)榱炕肼曇呀?jīng)移動(dòng)到數(shù)字濾波器的通帶之外。使用Δ-Σ調(diào)制，我們減少了量化噪聲，實(shí)現(xiàn)了更高的分辨率。

具有額外前饋和反饋路徑的多階的不同調(diào)制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以提供比上述基本示例更好的噪聲整形。不同的數(shù)字濾波器提取原始信號(hào)，以更高的測(cè)量分辨率加速ADC。

通過(guò)將這種復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分解到基本水平，您可以看到Δ-Σ調(diào)制器的工作原理：調(diào)制器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，將其與基準(zhǔn)進(jìn)行比較，輸出與基準(zhǔn)相比與輸入信號(hào)的幅度成比例的1s的比特流。請(qǐng)留意下個(gè)月的Precision Hub模擬精密技術(shù)雜談，屆時(shí)我將討論如何結(jié)合調(diào)制器和數(shù)字濾波器以獲得更大的測(cè)量分辨率。