Delta-Sigma转换器的原理和应用

TI的高精度Delta-Sigma A/D转换器的原理及其应用，Delta-Sigma转换器的特点是将绝大多数的噪声从动态转移到阻态，通常Delta-Sigma转换器被用于对成本与精度有要求的低频场合。本文首先将对TI的高精度Delta-Sigma A/D转换器进行综述性介绍，而后将介绍噪声的测量及芯片ADS1232等。

Delta-Sigma转换器综述
Delta-Sigma转换器是采用超采样的方法将模拟电压转换成数字量的1位转换器，它由1位ADC、１位DＡC与一个积分器组成，见图1。Delta-Sigma转换器的优点表现在低成本与高分辨率，适合用于现在的低电压半导体工业的生产。

Delta-Sigma转换器组成
Delta-Sigma转换器由差分放大器、积分器、比较器与１位的DAC组成，输入信号减去来自1位DAC的信号将结果作为积分器的输入，当系统得到稳定工作状态时，积分器的输出信号是全部误差电压之和，同时积分器可以看作是低通滤波器，对噪声有-6dB的抑制能力。积分器的输出用1位ADC来转换，而后比较器将输出数字1和0的位流。DAC将比较级的输出转换为数字波形，回馈给差分放大器。

Delta-Sigma转换器原理详述
积分器将量化噪声伸展到整个频带宽度，从而使噪声成型，而滤波器可以过滤掉绝大多数的成型噪声。有几个误差源会降低整个系统的效果，为了满足ADC的输入范围，很多信号要求一些放大电路和电平偏移电路，有时放大器在ADC的内部，有时使用外部放大器。无论是哪一种情况，放大器电压、电压漂移、输入偏置电流或采样噪声将引入误差信号。为了得到精确的ADC转换结果，放大器的误差应该通过调整来消除或减少。积分器对输入低频或直流信号内置一个低通滤波器，从而极大地降低了通道内的噪声。
典型的半导体放大器的噪声分为两个部分，1/F噪声和对地噪声，Delta-Sigma ADC的主要应用是在低频场合，因此1/F噪声的影响占主要地位。选择合适的放大器可以控制1/F噪声。由噪声频谱图可知（见图2），器件的噪声在高频主要是背景噪声，而在低频主要是1/F噪声，当越接近我们想要得到的直流信号时，1/F噪声越大。人们通常把1/F噪声想象成漂移，它是一个非常低频率的现象，常用的解决方法是采用窄波输入。

获得窄波稳定输入的方法如图3所示，如果有一个1mV的射调电压加在差分放大器的同相输入端，1mV的信号出现在正的输出端，而在下面的电路中，1mV的信号被输出到负的输出端。由于它被交替地加到正的和负的输出端，因此最后的结果是经过平均后，这1mV的射调电压不会出现在输出端，而这在Delta-Sigma转换器中有显著效果。因为差分放大器的输出正好被积分器平均，漂移随着时间及射调变化，对窄波稳定电路来说，射调实际值是无关紧要的，因此随着时间的漂移和射调不会影响转换的结果。

图4给出了一个4位ADC转换为满刻度正弦波时的时域变化情况。ADC采样一个正弦信号的输入，如果这一信号用一个DAC来呈现，那么采样和量化的效果将很容易被注意到。采样意味着在一个不连续的时间点输出信号被捕捉，在这两个点间输出则保持不变，输入被采样的速率是大家熟知的采样频率，奈奎斯特原理规定采样必须至少是输入信号带宽的两倍，采样高于这最小要求的速率即是超采样，Delta-Sigma即是利用超采样的方法完成信号转换，而量化的作用是将连续的模拟信号的幅度，变换成不连续的电平。
 

利用超采样可将量化噪声分布到更宽的频率范围，从而降低了背景噪声的电平。依靠1位ADC后的数字滤波器，Delta-Sigma转换器限制了噪声带宽。由于大部分噪声不能通过数字滤波器，带宽的有效噪声得到降低。将量化噪声分布在更宽的频率范围内，而后用滤波器滤去大部分噪声的技术，即是Delta-Sigma转换器应用低分辨率的ADC的基础。


噪声的测量
不同的方法可用于测量系统的噪声性能，同样系统噪声也可用不同的方法表达，它具有高斯分布的特征，信噪比SNR通常用于高速ADC系统，而ENOB通常用于低频和直流系统。

高斯分布
随机噪声一般具有高斯分布的特征，绝大多数的采样值将分布在相关的区域内，如果一个测量系统要求一个峰峰的限制，那么99.9％的采样应该分布在这个区域内，如图5所示。
 

峰峰噪声
有效的噪声告诉我们采样值是随机的，因而不能清楚地知道显示的结果将是什么，如果一个显示的位数是不能变化的，我们就叫做无噪声码。峰峰的噪声是大量数据的统计测量，它不能被直接计算，它是有效噪声的6.6倍。
标准方差
标准方差的标准定义要求计算每一个测量值与全部测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样后才能计算其平均值，所以在实际的数据采集系统中，其标准定义并不经常使用。一个简易的方法是计算标准方差，它仅要求两个数字即所有值的和及所有数字的平方和（如公式2所示）。
 

ENOB的计算方法
ENOB有两种计算方法，第一种SNR=6.02N+1.76dB，ENOB=（SNR-1.76dB）/6.02；第二种方法是2ENOB= 满刻度值/RMS噪声值=224/ 。（其中信噪比是指信号的有效值与噪声有效值的比值）。

ADS1232特点及应用
ADS1232简介
ADS1232是一个精密的24位AD转换器，它内部带有低噪声的可编程精密放大器，精密的Delta-Sigma AD转换器和内置的振荡器。ADS1232为桥路传感器的应用及报告称重仪器提供一个完全的前端解决方案，它具有非常低的噪声，当PGA=128倍时， 20mV的输入范围内仅有17nVrms的有效噪声，采样速率为10Hz及80Hz，对于50Hz与60Hz具有大于100dB的抑制能力。
对于称重仪器的应用，ADS1232是最容易使用的。
第一：它具有完整的前端，不需要外置放大电路。
第二它没有外部时钟的要求。
第三所有的功能均由管脚来控制，没有寄存器需要编程。
另外称重仪器的参考设计可通过ADS1232的EDM板进行评估。
ADS1232提供一个低漂移、低噪声的可编程增益仪表放大器，包含2个运放和3个精密匹配的电阻R1、RF1和RF2。它可选的增益是1倍、2倍、64倍和128倍。
在称重仪器中，大量采用比例测量方法，在这里桥路的接地电压同时为AD转换器的参考电压，因为桥路的输出正比于桥路的接地电压，而AD转换器的结果也正比于参考电压，因此采用比例方法测量时，AD转换器的输出结果只与桥路阻抗的变化有关，因此可以大大地提高测量精度。
图6给出了ADS1232在称重仪器中的应用，这里ADS1232的放大倍数为128倍，数据速率为10次/秒。

其他相关器件

ADS1100：16位低功耗转换器
ADS1100是最小的16位ADC转换器，采用SOT 23-6封装，内置增益可在1倍、2倍、4倍或8倍间进行选择，其数据速率为8~128次/秒，典型应用包括：手持式设备与监视器、电池管理、消费产品与工业加工控制等。

ADS1112：多通道16位ADC
ADS1112是一款16位精密的带有自动校正的模数转换器，有两个差分输入通道或三个单端输入。内置2.078V电压基准，其电源电压为2.7~5.5V。它的主要特性表现在具有完整的小型数据获取系统、输入复用器、PGA及振荡器。它支持I2C接口，典型应用包括手持式设备、便携式监控器及功率管理等。

ADS1222：24位低功耗转换器
ADS1222是TI的最低成本的24位工业用的Delta-Sigma转换器和业内最小的两通道差分输入转换器，它具有很高的输入阻抗、内置温度传感器、两线串行输入接口和自校准电路。其数据速率为240SPS，典型应用包括：手持式设备与工业加工控制。

ADS1271：24位高性能转换器
ADS1271是一款独特的将直流精度与交流性能组合在一起的高性能24位Delta-Sigma转换器，通常工业上的Delta-Sigma转换器利用高阶低通滤波器得到好的直流精度，但是限制了信号带宽，因此仅适合直流测量。而音频应用的高分辨率的ADC需要大的可用带宽，但直流精度会因此变坏，而ADS1271却将优异的直流精度与交流性能组合在一起。其典型应用包括：压力传感器、测试与测量等。