National Instruments設計了24位delta-sigma模數轉換器（ADC）用于許多高性能的數據采集（DAQ）設備，其中就包括NI SC Express系列產品，它集成了信號調理功能可以直接測量傳感器。同時，基于Delta-sigma ADC采用的噪聲整形和濾波技術，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的體系結構和SC Express用軟件對濾波延遲進行自動補償的方法。

Delta-Sigma ADC體系結構

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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）的硬件體系結構包含積分器、比較器和1位數模轉換器（DAC），如圖1所示按序排列在一個負反饋循環中。將輸入信號和取反的DAC輸出相加饋入積分器電路。積分器的輸出是一個斜坡信號，該信號的斜率與積分器的輸入信號幅度成正比。積分器輸出與比較器參考信號進行比較，產生0或1。比較器的二進制輸出基于ADC過采樣時鐘F_oversamp送入數字抽取濾波器。每個位代表積分的斜坡輸出相對于比較器參考的方向，多次循環之后，位流代表輸入信號的量化數值。實際上，反饋循環讓DAC的平均輸出匹配輸入信號。數字抽取濾波器將位流進行平均，輸出期望采樣速率F_s下的n位采樣。

Delta-Sigma與其他轉換器技術有什么區別？

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技術結合在一起使用。

過采樣

Delta-sigma ADC使用了更高的采樣速率，這個采樣率是給定信號所需采樣速率的許多倍，比如128倍。例如，要對25 kHz信號進行采樣，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，對信號以6 MHz進行采樣。這種技術具有多個優點，例如具有更好的抗混疊性能和更高的分辨率。

頻域上，對信號采樣實際上是使用采樣頻率F_s倍數的載波頻率對輸入信號譜進行調制（即0、F_s、2F_s、3 F_s等等）。為了確保這些經調制的輸入信號譜之間不互相重疊，導致混疊，采樣速率必須大于信號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，這些成分將進入欠奈奎斯特頻率區域，在混疊部分檢測出感興趣的信號尤為困難。混疊效應表現為噪聲和信號失真。

為了抗混疊，在ADC采樣之前，需要對高于奈奎斯特頻率的成分進行衰減，數據采集設備的模擬前端通常使用模擬低通濾波器。對這些濾波器往往有嚴格的要求，比如具備磚墻特性，包括快速衰減、平穩通帶等。由于這些嚴格的要求以及必須用模擬電路實現，濾波器設計相當困難，并且制造成本高昂。

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圖2：過采樣技術放寬了對模擬抗混疊濾波器的要求。

Delta-sigma ADC通過對信號進行過采樣，放寬了對模擬抗混疊濾波器的要求，如圖2所示。通過過采樣，輸入信號譜的調制部分在頻域中被進一步分離，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計難度。Delta-sigma ADC主要由數字電路組成，從而可以用硅實現，極大地發揮超大規模集成電路VLSI技術的優勢。

數字抽取濾波

來自delta-sigma調制器的位流輸出被送入數字抽取濾波器，進行平均和降采樣，從而生成所需采樣速率Fs下的n位采樣。其實，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。這種數字抽取濾波器不僅可構建出十分平坦的帶通響應，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。在抗混疊中發揮了重要作用。數字抽取濾波器通常為有限脈沖響應（FIR）濾波器，如梳濾波器，具有極高的性價比。

量化噪聲整形

模擬信號轉換為數字信號，會引入噪聲，這種噪聲稱為量化噪聲。對于單個數字采樣，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之間的經典關系等式見等式1，其中N是ADC分辨率的有效位數。

SNR = 6.02N + 1.76 dB??? (方程 1)

但是，我們并未就此止步。Delta-sigma調制器的作用類似于輸入信號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域。這一現象稱為量化噪聲整形，通過利用數字抽取，有效地對調制器輸出進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和更寬的動態范圍。

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，BW是輸入信號的帶寬。更高的SNR帶來了更多的ADC分辨率有效位數。

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的主要優點之一。

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圖3：過采樣實現量化噪聲整形

基于Delta-Sigma轉換器的NI數據采集硬件

National Instruments為其許多高性能的數據采集設備設計了24位delta-sigma模數轉換器（ADC），這些數據采集設備包括SC Express、PXI動態信號采集（DSA）設備以及NI C系列產品等，它們集成了信號調理功能可以直接測量傳感器。同時，基于Delta-sigma ADC采用的噪聲整形和濾波技術，可以為高分辨率測量提供最高的測試精度。

在SC Express系列產品中，NI PXIe-4330使用了24位delta-sigma ADC完成同步采樣、高精度應變測量和基于惠斯通電橋的測量。這些設備通常用于結構測試應用中的應變、負荷和壓力測量。NI PXIe-4353利用24位delta-sigma ADC進行多路復用的精確熱電偶測量。此種熱電偶模塊適用于不同測試規模的應用，尤其是高通道數字采集系統，例如溫度室監視。

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

許多C系列模塊也使用了24位delta-sigma ADC為一系列應用提供高精度測量，應用包括熱電偶（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補償數字濾波器延遲

與其他轉換器技術不同，delta-sigma ADC是自由運行的，也就是說在觸發器條件滿足之前，ADC的輸入信號也持續被采樣。此外，由于數字抽取濾波過程，在輸入信號轉換為數字采樣之前有一個延遲。這個延遲定義為在收到有效觸發信號之前采樣到的輸入信號點數。這個延遲可能需要，也可能不需要補償，取決于你使用模擬或是數字觸發方式。

為了簡化從NI PXIe-4330模塊采集數據的過程，并且將數據與從其他模塊采集到的數據進行關聯，NI PXIe-4330采用多種方式對此群延遲進行補償。

• 當輸入信號在ADC輸入引腳被識別為有效時，NI PXIe-4330才即刻輸出采樣鐘。采集數據時，NI PXIe-4330生成采樣時鐘，然后等待與采樣時鐘關聯的數據完成采集后，再返回數據。因此，任何其他使用這個采樣時鐘的采集都將等待數據從NI PXIe-4330返回。
• NI PXIe-4330產生或接收到的任何觸發，會基于它們與生成的采樣時鐘的關系被響應。例如，開始觸發啟動采集時，下一個采集到的有效樣值會作為第一個采樣數據返回。
• 對于軟件定時采集，NI PXIe-4330直到群延遲結束后才返回采樣值。因此，返回的數據與要求的數據在時間上緊密對齊。但是，您必須等待群延遲結束后才可以獲得采樣值。

這些軟件設計讓您在無需額外編程的情況下，更輕松地實現NI PXIe-4330與其他設備的同步。

Delta-Sigma ADC提高測量性能

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

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