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Σ-Δ模/数转换器(ADC)的工作原理

2017-01-13 12:02:08      点击次数:
上一篇:怎样用最小的代价降低MOS的失效率? 贴片电感本文深入介绍Σ-Δ模/数转换器(ADC)的工作原理,重点关注难以理解的数字概念:过采样、噪声整形和抽样滤波等。同时包括Σ-Δ转换器的多种应用。

最新的Σ-Δ转换器通常具有较高分辨率、高度集成、低功耗以及较低成本,使其成为过程控制、高精度温度测量以及电子称等应用的上佳ADC选择。但由于设计者往往不太了解Σ-Δ类型的转换器,而选择传统的SAR ADC。

Σ-Δ转换器(1位ADC)的模拟侧非常简单;数字侧执行滤波和抽样,比较复杂,这部分使得Σ-Δ ADC的生产成本较低。为理解转换器工作原理,您必须熟悉过采样、噪声整形、数字滤波以及抽样等概念。

本应用笔记涵盖了上述主题。

过采样

首先,考虑输入信号为正弦波时传统多位ADC的频域传递函数。以频率Fs对该输入进行采样。根据奈奎斯特定理,Fs必须至少为输入信号带宽的两倍。

观察数字输出的FFT分析结果,我们可看到一个单音和大量随机噪声,从直流延伸至Fs/2 (图1)。这些噪声称为量化噪声,对该结果可以按照以下考虑:ADC输入为连续信号,具有无限可能的状态,但数字输出为离散函数,其不同状态的数量取决于转换器的分辨率。所以,从模拟到数字的转换损失了某些信息,在信号中引入了一定程度的失真。该误差的幅值是随机的,最大为±LSB。

多位ADC的FFT谱图,采样频率为FS
图1. 多位ADC的FFT谱图,采样频率为FS

如果我们将基频幅值除以所有噪声频率的RMS和,则得到信噪比(SNR)。对于N位的ADC,SNR = 6.02N + 1.76dB。为提高传统ADC的SNR(并进而提高信号复现的精度),就必须提高位数。

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