Понимание АЦП Delta-Sigma

ТКИ: Лекции - Тема 2 (Часть 2. Формирование цифровых сообщений)-3 (June 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Понимание АЦП Delta-Sigma


Узнайте больше о АЦП Delta-Sigma (аналого-цифровой преобразователь), который опирается на избыточную выборку и формирование шума для достижения конверсий с высоким разрешением.

АЦП можно охарактеризовать как преобразователи с коэффициентом Nyquist или с передискретизацией. В моей предыдущей статье «Разрешение на декодирование и скорость дискретизации» я объяснил, как работает выборка в семействе преобразователей Nyquist-rate, и одна из ключевых концепций, на которую опирается этот тип конвертера, критерий Найквиста.

АЦП Delta-Sigma работает немного иначе, чем АЦП с коэффициентом Nyquist. Он использует избыточную выборку и формирование шума для достижения конверсий с высоким разрешением.

В моей предыдущей статье «Понимание регистра последовательного приближения» ADC демонстрирует слабость этой архитектуры Nyquist-rate: ее точность и линейность и, следовательно, ее максимальное эффективное разрешение ограничены несовершенствами аналоговых компонентов, таких как ЦАП.

Передискретизированное семейство преобразователей, к которому принадлежит ADC Delta-Sigma, нацелено на преодоление ограничений конвертеров Nyquist-rate. АЦП Delta-Sigma состоит из модулятора, фильтра и дециматора, как показано ниже. АЦП Delta-Sigma являются приблизительно 75% цифровыми.

Путем введения более сложных цифровых схем и избыточной выборки данных они пытаются уменьшить требования к точным аналоговым компонентам, которые можно считать ограничивающим фактором в других архитектурах АЦП.

передискретизации

Чтобы понять концепцию передискретизации, необходим анализ в частотной области.

Если мы рассмотрим пример синусоидальной волны на входе в преобразователь данных, согласно Критерию Найквиста, минимальная частота дискретизации определяется как удвоенная ширина полосы сигнала.

Этот шум известен как шум квантования (PDF) и связан с тем, что образцы непрерывной входной синусоидальной волны могут принимать только конечное число дискретных состояний, определяемых разрешением АЦП. Эта случайная ошибка квантования существует в пределах полосы Найквиста, простирающейся до Fs / 2 и может быть описана как:

SQNR улучшается на 6 дБ, если мы увеличим частоту дискретизации в 4 раза. Другими словами, каждый раз, когда мы умножаем частоту дискретизации, мы получаем эквивалент добавления 1 бит к разрешению АЦП. При избыточной дискретизации, чтобы достичь 12-битного разрешения, вход должен быть передискретизирован в 4 раза. Или, в более общем плане, для N-разрядного увеличения разрешения, мы должны перевыполнять коэффициент в 2 2N .

К счастью, используется другой метод, известный как формирование шума, чтобы получить коэффициент усиления более 6 дБ.

Шумовое формование

Ниже показана блок-схема модуля дельта-сигма первого порядка. Это состоит из разностного усилителя, интегратора, компаратора и коммутатора. Переключатель, или 1-битовый ЦАП, переключает отрицательное или положительное опорное напряжение в отрицательный вход усилителя.

В этой архитектуре, если входной сигнал увеличился, 1-битный АЦП, который является просто компаратором, генерирует один. Если он уменьшился, он генерирует нуль. Таким образом, модулятор Delta-Sigma передает изменения входного сигнала или градиент входного сигнала.

Как и при передискретизации, шумоподавление лучше всего объясняется в частотной области. Ниже показана модель частотной области модулятора:

Интегратор в этой архитектуре действует как фильтр нижних частот для входного сигнала. К выходному сигналу этого фильтра добавляется шум квантования из-за процесса 1-битного преобразования. Выходной сигнал модулятора может быть представлен с использованием приведенного ниже уравнения.

Адаптеры Delta-Sigma более высокого порядка, с более чем одной стадией интеграции и суммирования в модуляторах, могут быть использованы для достижения дальнейшего формирования шума.

Цифровая фильтрация и децимация

Модулятор Delta-Sigma подает шум на более высокие частоты для увеличения разрешения АЦП и выполняет преобразование аналогового входа в бит-поток. Этап цифровой фильтрации и децимации используется для фильтрации высокочастотного шума и снижения скорости передачи данных до полезной величины.

Используемый фильтр чаще всего является типом усредняющего фильтра, известного как фильтр sinc. Поскольку шум подавался на высокие частоты, реакция фильтра нижних частот воздействует на ослабление шума квантования. Таким образом, была получена версия исходного сигнала с высоким разрешением.

Скорость выходных данных фильтра совпадает с частотой дискретизации (Fs). Фильтр уменьшил частотную полосу сигнала. Таким образом, и согласно Критерию Найквиста, большинство образцов не содержат никакой полезной информации.

Децимация - это процесс отбрасывания ненужных выборок и используется как механизм для снижения скорости передачи данных до полезного значения при сохранении информации в соответствии с Критерием Найквиста.

АЦП Delta-Sigma имеет две частоты дискретизации, входную частоту дискретизации (Fs) и скорость выходных данных (Fd). Отношение Fs к Fd известно как коэффициент децимации (DR). Уменьшая полосу пропускания фильтра и увеличивая DR, сохраняя при этом одни и те же Fs, эффективное количество бит (ENOB) для ADC Delta-Sigma может быть увеличено. Аналогично, пропускная способность АЦП может быть увеличена за счет ENOB.

Резюме

Сильные стороны АЦП Delta-Sigma

  • Разрешение меньше зависит от аналоговых компонентов
  • Чрезвычайно высокое разрешение

Слабые стороны АЦП Delta-Sigma

  • Низкие частоты дискретизации для высоких разрешений

Применение АЦП Delta-Sigma

АЦП Delta-Sigma предлагают очень высокое разрешение с ENOB 20-24 бит. Это делает их отличным выбором для прецизионных промышленных измерительных приложений, измерения температуры термопары и приложений с голосовым диапазоном.