Sigma-Delta ADC原理

《Sigma-Delta ADC原理》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、-型ADC原理与接口技术-型ADC原理与接口技术理论基础:信号采样量化理论与几种传统ADC相比，过采样Σ-ΔA/D变换器由于采用了过采样技术和Σ-Δ调制技术，增加了系统中数字电路的比例，减少了模拟电路的比例，并且易于与数字系统实现单片集成，因而能够以较低的成本实现高精度的A/D变换器，适应了VLSI(VeryLargeScaleIntegratedcircuites）技术发展的要求。一、过采样技术首先，考虑一个传统ADC的频域传输特性。输入一个正弦信号，然后以频率fs采样，按照Nyquist定理，采样频率至少两倍于输入信号。通过FFT分析可知，其结果是一个单音和一系列频

2、率分布于直流（DC）到fs／2间的随机噪声。这就是所谓的量化噪声，主要是由于有限的ADC分辨率而造成的。单音信号的幅度和所有频率噪声的有效值（RMS）幅度之和的比值就是信号噪声比(SNR)。对于一个NbitADC，SNR可由公式：SNR=6.02N+1.76dB得到。为了改善SNR和更为精确地再现输入信号，对于传统ADC来讲，必须增加位数。过采样技术原理图功率密度如果将采样频率提高一个过采样系数k，即采样频率为Kfs，再来讨论同样的问题。经FFT分析可得，噪声基线降低了，SNR值未变，但噪声能量分散到一个更宽的频率范围。如果理想ADC输入为直流电压，那么多次采样得到的数字输出值

3、总是相同的，而且分辨率受量化误差的限制。如果在这个直流输入信号上叠加一个交流信号（如果模拟输入电压本身是交流信号，则不必另叠加交流信号），并用比该交流信号频率高得多的采样频率进行采样，此时得到的数字输出值将是变化的，用这些采样结果的平均值表示ADC的转换结果能得到高得多的采样分辨率，这种采样频率远高于输入信号频率的技术称为过采样技术，过采样技术可提高ADC的分辨率。∑-△调制器包含1个积分器、1个比较器以及1个由1bitDAC(1个简单的开关)构成的反馈环。反馈DAC的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。调制器输出中“1”的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升

4、，比较器必须产生更多数量的“1”，反之亦然。积分器用来对误差电压求和，对于输入信号表现为一个低通滤波器，而对于量化噪声则表现为高通滤波。这样，大部分量化噪声就被推向更高的频段。和前面的简单过采样相比，总的噪声功率没有改变，但噪声的分布发生了变化。二、Σ-ΔADC基本调制原理现在，如果对噪声成型后的∑-△调制器输出进行数字滤波，将有可能移走比简单过采样中更多的噪声。这种调制器(一阶)在每两倍的过采样率下可提供9dB的SNR改善。在∑-△调制器中采用更多的积分与求和环节，可以提供更高阶数的量化噪声成形。例如，一个二阶∑-△调制器在每两倍的过采样率可改善SNR15dB。ADC输入的模

5、拟量是连续的，而输出的数字量是离散的，用离散的数字量表示连续的模拟量，需要经过量化和编码，由于数字量只能取有限位，故量化过程会引入误差，量化误差也称量化噪声。1、量化误差定义三、量化噪声整形数字量用N位二进制数表示时最多可有个不同编码。在输入模拟信号归一化为0～1之间数值的情况下，对应输出码的一个最低有效位(LSB)发生变化的最小输入模拟量的变化量为：若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯Q,量化噪声的总功率是一个常数,与采样频率fs无关,功率密度谱在0~fs/2的频带范围内均匀分布。量化噪声电平与采样频率成反比,提高采样频率,可以降低量化噪声电平,而基带是固定不变的,因而减

6、少了基带范围内的噪声功率,提高了信噪比。2、量化噪声功率设量化噪声是白噪声，用e(n)表示，其在以±q/2量化单位所划分的各量化电平内的分布是一样的，量化噪声功率用方差表示为3、量化噪声的功率谱密度由于量化噪声均等地散布于整个采样频率（fS）范围内，所以量化噪声的功率谱密度可表示为：由上面两式可见，N增大，q减小，量化噪声功率减小；采样频率越高，分布在直流至基带fB（fs/2）范围内的量化噪声功率越少。过采样的使用为使采样速率不超过一个合理的界限，在Σ-ΔADC中采用Σ-Δ调制器，利用反馈来改变量化噪声在0～fs/2之间的平坦分布，使之成为增函数形式。如果用Kfs的采样频率对输

7、入信号进行采样(K称为过采样倍率)，整个量化噪声将位于直流至之间，使量化噪声的有效值降为原来的。如果直接使用过采样方法使分辨率提高N位，必须进行倍过采样。设Q为量化噪声，H(S)为模拟滤波器的传递函数，输入信号为X，输出信号为Y，有Σ-Δ调制器的频域线性化模型整理得可见，当频率接近0时，（S→0），输出Y趋于X，且无噪声分量，当频率增高时，X/(S+1)项的值减小，而噪声分量QS/(S+1)增加，即Σ-△调制器对输入信号具有低通作用，对内部量化器产生的量化噪声具有高通作用。换言之，Σ-△调制