本次在線座談主要介紹TI的高精度Delta-Sigma A/D轉(zhuǎn)換器的原理及其應(yīng)用，Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是將絕大多數(shù)的噪聲從動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移到阻態(tài)，通常Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器被用于對(duì)成本與精度有要求的低頻場(chǎng)合。本文首先將對(duì)TI的高精度Delta-Sigma A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行綜述性介紹，而后將介紹噪聲的測(cè)量及芯片ADS1232等。

Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器綜述

Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器是采用超采樣的方法將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的1位轉(zhuǎn)換器，它由1位ADC、１位DＡC與一個(gè)積分器組成，見(jiàn)圖1。Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在低成本與高分辨率，適合用于現(xiàn)在的低電壓半導(dǎo)體工業(yè)的生產(chǎn)。

Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器組成

Delta-Sigma轉(zhuǎn)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(hào)減去來(lái)自1位DAC的信號(hào)將結(jié)果作為積分器的輸入，當(dāng)系統(tǒng)得到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，積分器的輸出信號(hào)是全部誤差電壓之和，同時(shí)積分器可以看作是低通濾波器，對(duì)噪聲有-6dB的抑制能力。積分器的輸出用1位ADC來(lái)轉(zhuǎn)換，而后比較器將輸出數(shù)字1和0的位流。DAC將比較級(jí)的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字波形，回饋給差分放大器。

Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器原理詳述

積分器將量化噪聲伸展到整個(gè)頻帶寬度，從而使噪聲成型，而濾波器可以過(guò)濾掉絕大多數(shù)的成型噪聲。有幾個(gè)誤差源會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的效果，為了滿足ADC的輸入范圍，很多信號(hào)要求一些放大電路和電平偏移電路，有時(shí)放大器在ADC的內(nèi)部，有時(shí)使用外部放大器。無(wú)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(hào)。為了得到精確的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，放大器的誤差應(yīng)該通過(guò)調(diào)整來(lái)消除或減少。積分器對(duì)輸入低頻或直流信號(hào)內(nèi)置一個(gè)低通濾波器，從而極大地降低了通道內(nèi)的噪聲。

典型的半導(dǎo)體放大器的噪聲分為兩個(gè)部分，1/F噪聲和對(duì)地噪聲，Delta-Sigma ADC的主要應(yīng)用是在低頻場(chǎng)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(jiàn)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(dāng)越接近我們想要得到的直流信號(hào)時(shí)，1/F噪聲越大。人們通常把1/F噪聲想象成漂移，它是一個(gè)非常低頻率的現(xiàn)象，常用的解決方法是采用窄波輸入。

獲得窄波穩(wěn)定輸入的方法如圖3所示，如果有一個(gè)1mV的射調(diào)電壓加在差分放大器的同向輸入端，1mV的信號(hào)出現(xiàn)在正的輸出端，而在下面的電路中，1mV的信號(hào)被輸出到負(fù)的輸出端。由于它被交替地加到正的和負(fù)的輸出端，因此最后的結(jié)果是經(jīng)過(guò)平均后，這1mV的射調(diào)電壓不會(huì)出現(xiàn)在輸出端，而這在Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器中有顯著效果。因?yàn)椴罘址糯笃鞯妮敵稣帽环e分器平均，漂移隨著時(shí)間及射調(diào)變化，對(duì)窄波穩(wěn)定電路來(lái)說(shuō)，射調(diào)實(shí)際值是無(wú)關(guān)緊要的，因此隨著時(shí)間的漂移和射調(diào)不會(huì)影響轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

圖4給出了一個(gè)4位ADC轉(zhuǎn)換為滿刻度正弦波時(shí)的時(shí)域變化情況。ADC采樣一個(gè)正弦信號(hào)的輸入，如果這一信號(hào)用一個(gè)DAC來(lái)呈現(xiàn)，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(gè)不連續(xù)的時(shí)間點(diǎn)輸出信號(hào)被捕捉，在這兩個(gè)點(diǎn)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(guī)定采樣必須至少是輸入信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換，而量化的作用是將連續(xù)的模擬信號(hào)的幅度，變換成不連續(xù)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(shù)字濾波器，Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器限制了噪聲帶寬。由于大部分噪聲不能通過(guò)數(shù)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(nèi)，而后用濾波器濾去大部分噪聲的技術(shù)，即是Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器應(yīng)用低分辨率的ADC的基礎(chǔ)。

噪聲的測(cè)量

不同的方法可用于測(cè)量系統(tǒng)的噪聲性能，同樣系統(tǒng)噪聲也可用不同的方法表達(dá)，它具有高斯分布的特征，信噪比SNR通常用于高速ADC系統(tǒng)，而ENOB通常用于低頻和直流系統(tǒng)。

高斯分布

隨機(jī)噪聲一般具有高斯分布的特征，絕大多數(shù)的采樣值將分布在相關(guān)的區(qū)域內(nèi)，如果一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)要求一個(gè)峰峰的限制，那么99.9％的采樣應(yīng)該分布在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，如圖5所示。

峰峰噪聲

有效的噪聲告訴我們采樣值是隨機(jī)的，因而不能清楚地知道顯示的結(jié)果將是什么，如果一個(gè)顯示的位數(shù)是不能變化的，我們就叫做無(wú)噪聲碼。峰峰的噪聲是大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)測(cè)量，它不能被直接計(jì)算，它是有效噪聲的6.6倍。

標(biāo)準(zhǔn)方差

標(biāo)準(zhǔn)方差的標(biāo)準(zhǔn)定義要求計(jì)算每一個(gè)測(cè)量值與全部測(cè)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(jì)算其平均值，所以在實(shí)際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，其標(biāo)準(zhǔn)定義并不經(jīng)常使用。一個(gè)簡(jiǎn)易的方法是計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方差，它僅要求兩個(gè)數(shù)字即所有值的和及所有數(shù)字的平方和（如公式2所示）。

ENOB的計(jì)算方法

ENOB有兩種計(jì)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(hào)的有效值與噪聲有效值的比值）。

ADS1232特點(diǎn)及應(yīng)用

ADS1232簡(jiǎn)介

ADS1232是一個(gè)精密的24位AD轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)部帶有低噪聲的可編程精密放大器，精密的Delta-Sigma AD轉(zhuǎn)換器和內(nèi)置的振蕩器。ADS1232為橋路傳感器的應(yīng)用及報(bào)告稱重儀器提供一個(gè)完全的前端解決方案，它具有非常低的噪聲，當(dāng)PGA=128倍時(shí)， 20mV的輸入范圍內(nèi)僅有17nVrms的有效噪聲，采樣速率為10Hz及80Hz，對(duì)于50Hz與60Hz具有大于100dB的抑制能力。

對(duì)于稱重儀器的應(yīng)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(méi)有外部時(shí)鐘的要求。

第三所有的功能均由管腳來(lái)控制，沒(méi)有寄存器需要編程。

另外稱重儀器的參考設(shè)計(jì)可通過(guò)ADS1232的EDM板進(jìn)行評(píng)估。

ADS1232提供一個(gè)低漂移、低噪聲的可編程增益儀表放大器，包含2個(gè)運(yùn)放和3個(gè)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(cè)量方法，在這里橋路的接地電壓同時(shí)為AD轉(zhuǎn)換器的參考電壓，因?yàn)闃蚵返妮敵稣扔跇蚵返慕拥仉妷?，而AD轉(zhuǎn)換器的結(jié)果也正比于參考電壓，因此采用比例方法測(cè)量時(shí)，AD轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果只與橋路阻抗的變化有關(guān)，因此可以大大地提高測(cè)量精度。

圖6給出了ADS1232在稱重儀器中的應(yīng)用，這里ADS1232的放大倍數(shù)為128倍，數(shù)據(jù)速率為10次/秒。

其他相關(guān)器件

ADS1100：16位低功耗轉(zhuǎn)換器

ADS1100是最小的16位ADC轉(zhuǎn)換器，采用SOT 23-6封裝，內(nèi)置增益可在1倍、2倍、4倍或8倍間進(jìn)行選擇，其數(shù)據(jù)速率為8~128次/秒，典型應(yīng)用包括：手持式設(shè)備與監(jiān)視器、電池管理、消費(fèi)產(chǎn)品與工業(yè)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(dòng)校正的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有兩個(gè)差分輸入通道或三個(gè)單端輸入。內(nèi)置2.078V電壓基準(zhǔn)，其電源電壓為2.7~5.5V。它的主要特性表現(xiàn)在具有完整的小型數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、輸入復(fù)用器、PGA及振蕩器。它支持I2C接口，典型應(yīng)用包括手持式設(shè)備、便攜式監(jiān)控器及功率管理等。

ADS1222：24位低功耗轉(zhuǎn)換器

ADS1222是TI的最低成本的24位工業(yè)用的Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器和業(yè)內(nèi)最小的兩通道差分輸入轉(zhuǎn)換器，它具有很高的輸入阻抗、內(nèi)置溫度傳感器、兩線串行輸入接口和自校準(zhǔn)電路。其數(shù)據(jù)速率為240SPS，典型應(yīng)用包括：手持式設(shè)備與工業(yè)加工控制。

ADS1271：24位高性能轉(zhuǎn)換器

ADS1271是一款獨(dú)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(zhuǎn)換器，通常工業(yè)上的Delta-Sigma轉(zhuǎn)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(hào)帶寬，因此僅適合直流測(cè)量。而音頻應(yīng)用的高分辨率的ADC需要大的可用帶寬，但直流精度會(huì)因此變壞，而ADS1271卻將優(yōu)異的直流精度與交流性能組合在一起。其典型應(yīng)用包括：壓力傳感器、測(cè)試與測(cè)量等。

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