σ-δ转换方法在智能仪表上的应用

《σ-δ转换方法在智能仪表上的应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、Σ/Δ转换方法在智能仪表上的应用

2、第1摘　要：主要介绍了目前比较流行的Σ/ΔAD转换技术，并对其中主要技术过采样、量化噪声整形、数字滤波和采样抽取做了简单说明。最后，举一具体实例分析该转换方法在智能仪表上的应用和要注意的问题。关键词：Σ/Δ转换技术；智能仪表；单片机；A/D　　近年来一种新型的AD转换技术---Σ-Δ换技术颇受重视，由于他在现代大规模集成电路中克服了模拟器件内在的固有限制，且成本低分辨率高使得该技术得到了广泛的应用。如美国AD公司的AD7705，AD7706，AD7714，AD7716等均

3、是采用该技术的ADC。Σ/ΔADC之所以能实现高分辨率，主要在于他使用了过采样、量化噪声整形、数字滤波、采样抽取等几项技术。这些技术令他具有易与数字信号处理系统单片集成，无需采样保持电路，对输入抗混迭滤波器要求很低等优点，所以要了解Σ/ΔADC的工作过程首先应了解这几项技术。1Σ-Δ工作原理　　Σ/ΔADC的工作过程为：首先以很低的采样分辨率(1位)和很高的采样速率将模拟信号数字化，通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率，然后对ADC输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率，实现AD转换。1

4、．1　过采样　　众所周知，对于一理想的3位单极性ADC，转换时第一位的变迁发生在相当于1/2LSB的模拟电压值上，以后每隔1LSB都发生一次变迁，由于ADC模拟量输入可以是任何值，但数字输出是量化的，所以实际的模拟输入与数字输出之间存在着±1/2LSB的量化误差。在交流采样中，这种量化误差会产生量化噪声。　　若对理想ADC加一恒定直流输入电压，则多次采样得到的数字输出值总是相同的，且分辨率受量化误差的限制。那么在这个直流输入信号上叠加一个交流信号，并用比这交流信号频率高得多的采样频率进行采样，此时得到的数

5、字输出值将是变化的，用这些采样结果的平均值表示ADC的转换结果便能得到比同样ADC高得多的采样分辨率，这种方法称做过采样(oversampling)。若模拟输入电压本身就是交流信号，则不必另叠加一个交流信号。采用过采样方法(采样频率远高于输入信号频率)也同样可以提高ADC的分辨率。1．2　Σ/ΔADC的调制器和量化噪声整形　　图1给出了一阶Σ/ΔADC的原理框图。虚线框内是Σ/Δ调制器，他以kfs采样速率将输入信号转换为由1和0构成的连续串行位流。1位DAC由串行输出数据流驱动，1位DAC的输出以负反馈形

6、式与输入信号求和。根据反馈控制理论可知，如果反馈环路的增益足够大，DAC输出的平均值(串行位流)接近输入信号的平均值。500)this.style.ouseg(this)">　　由于积分器可以在频域内用一个幅度响应与1/f成正比的滤波器加以表示(f是积分器输入信号频率)。又由于带时钟的锁存比较器具有类似斩波器的作用，他将输入信号转换为高频交流信号，在输入信号平均值附近变化，因而低频下的量化噪声大大减少。这种情况下产生的噪声频谱严格地依赖于采样速率、积分时间常数及电压反馈误差。　　实际上，模拟滤波器对输入信

7、号具有低通滤波作用，滤波器的作用看作一种噪声整形滤波器。正如一般的模拟滤波器，滤波器的阶数越高其滤波性能越好。1．3　数字滤波和采样抽取　　Σ/Δ调制器对量化噪声整形以后，将量化噪声移到所关心的频带以外，然后对整形的量化噪声进行数字滤波。数字滤波器的作用有两个：一是相对于最终采样速率fs，他必须起到抗混叠滤波器的作用；二是他必须滤除Σ/Δ调制器在噪声整形过程中产生的高频噪声。　　因为数字滤波器降低了带宽，所以输出数据速率要低于原始采样频率，直至满足奈奎斯特定理。降低输出数据速率的方法是通过对每输出M个数据

8、抽取1个的数字重采样方法实现的，这种方法称作输出速率降为1/M的采样抽取(decimation)。这种采样抽取方法不会使信号产生任何损失，他实际上是去除过采样过程中产生的多余信号的一种方法。2Σ-Δ应用举例　　Σ/ΔADC由于受到带宽和有效采样速率的限制，其采样速率不会太高，不适于图像视频等高频场合，但是因为他体积小、成本低，转换值可串行输出，不会占用过多处理器的位空间，所以特别适用于制作智能仪器仪表的信号采集模块。下面以AD公司AD7705为例，介绍Σ/ΔADC在智能仪器仪表上的应用。2．1　AD770

9、5简介　　AD7705是应用于低频测量的2/3通道的模拟前端。该器件可以接受直接来自传感器的低电平信号，然后产生串行的数字输出。利用Σ/Δ转换技术实现了16位无丢失代码性能。选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端。片内数字滤波器处理调制器的输出信号。通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新率，从而对数字滤波器的第一个陷波进行编程。AD7705特别适用于智能系统、微控制器系统，其串行接口可配置为三线接