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高精度Delta-Sigma A/D转换器的原理及其应用
德州仪器
本次在线座谈主要介绍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。
中电网在线座谈网址:
http://seminar.chinaecnet.com/051125/jchf.asp
本文摘自《世界电子元器件》
http://www.chinaecnet.com/xsj06/xsj062252.asp
附:关于ENOB的概念
Glossary Term: ENOB
http://www.maxim-ic.com/glossary/index.cfm/Ac/V/ID/109/Tm/ENOB
以下给出了计算器中的术语注释。
分贝(dB):按照对数标度定义的一个幅度单位。对于电压值,dB以20 log Va/Vb给出;对于功率值,以10 log Pa/Pb给出。dBc是相对于一个载波信号的dB值;dBm是相对于1mW的dB值。对于dBm而言,规格中的负载电阻必须是已知的(如:1mW提供给50),以确定等效的电压或电流值。
有效位数(ENOB):模数转换器(ADC)与输入频率fIN相关的测试指标(位)。随着fIN的增大,整体噪声(特别是失真成分)将会增大,因而降低了ENOB和SINAD性能。另请参考:信号与噪声 + 失真比(SINAD)。ENOB与SINAD的关系式为:
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[/BLOCKQUOTE]分辨率:模拟信号被量化时,它是以有限的离散电压电平表示的,分辨率是用来表示信号的离散电平个数。为了更精确地恢复模拟信号,必须提高分辨率。分辨率通常定义为位数,利用更高的分辨率进行转换可以降低量化噪声。
RMS:参考有关均方根(RMS)的注释。
均方根(RMS):表示交流信号的有效值或有效直流值。对于正弦波,RMS是峰值的0.707倍,或者是峰-峰值的0.354倍。
SFDR:参考有关无杂散动态范围(SFDR)的注释。
信号与噪声 + 失真比(SINAD):直流到奈奎斯特频段内,正弦波f(IN) (对于ADC指的是输入正弦波,对于ADC/DAC指的是重建的输出正弦波)的RMS值与转换器噪声的RMS值之比,包括谐波成分。典型值以分贝表示,另请参考关于均方根(RMS)和总谐波失真的注释。
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[/BLOCKQUOTE]信噪比(SNR):直流到奈奎斯特频段内,正弦波f(IN) (对于ADC指的是输入正弦波,对于ADC/DAC指的是重建的输出正弦波)的RMS值与转换器噪声的RMS值之比,直流噪声和谐波失真除外。典型值以分贝表示,另请参考关于均方根(RMS)的注释。
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[/BLOCKQUOTE]
理想状况下,最小转换噪声的理论值只包括量化噪声,可直接由数据转换分辨率计算得到:(N): SNR=(6.02 X N +1.76)dB
无杂散动态范围(SFDR):正弦波f(IN) (对于ADC指的是输入正弦波,对于ADC/DAC指的是重建的输出正弦波)的RMS值与在频域观察到的杂散信号的RMS值之比,典型值以分贝表示。SFDR在一些需要最大转换器动态范围的通信系统中非常重要。
总谐波失真(THD):出现在输入(DAC为输出)频率整数倍频点(谐波)的失真的RMS值与输入(或输出)正弦波的RMS值之比。测量中仅包括奈奎斯特频限内的谐波,典型值以分贝表示。
[BLOCKQUOTE]
[/BLOCKQUOTE]式中,V2 至Vx是基波V1的谐波。
http://www.maxim-ic.com.cn/tools/calculators/index.cfm/calc_id/maxim_sinad
(hardware) | effective number of bits - (ENOB) An indication of the quality of an analog to digital converter. The measurement is related to the test frequency and the signal-to-noise ratio. |
http://computing-dictionary.thefreedictionary.com/effective%20number%20of%20bits
ENOB
ADC 的一个优点是把噪声表示为满程 (FS) 信号与真有效值噪声的比率,其表示为有效位数(ENOB)。对于 24 位转换器,我们采用输出代码数量的标准偏差 (s) 可产生以下公式:(公式略)
求解 ENOB:(公式略)
ENOB = 24 - log2(s)
或者,如果以dB为单位测量信噪比 (SNR) 的话,我们可以采用以下公式:
ENOB = (SNRmeasdB - 1.76dB)/6.02dB
ΔΣ 转换器中常用的滤波器类型是 sinc 滤波器。它们在输出数据速率具有较深的衰减凹槽和多倍该数据速率处,这意味着,60Hz 的数据速率可从测量中有效消除任何 60Hz 的信号,10Hz 的数据速率可同时消除 50Hz 和 60Hz 的信号。
可以调整输入采样率的频率与输出数据速率的比率。此抽样率直接影响有效位数量 (ENOB)。随着输入采样和输出结果比率的增加,可提高 ENOB,同时有效提高 ADC 分辨率。
图 3:MSC1210 ENOB 与调制抽取率比较
http://www.ednchina.com/Article/html/2006-06/200662052055.htm
不要忽视信噪比
作者:Bill McGovern,Dataforth 公司项目经理 -- Control Engineering China 2006-07-19 点击:153
无论是自动过程控制系统还是太空飞行器,信噪比(SNR)都是信息通信上衡量系统质量的一个度量,也是系统设计中的一个参数。显而易见的是:SNR值越大,系统或器件的性能就越好,但是维持高的信号水平通常是不现实,所以解决方案一般都是抑制电子噪声。
提高信噪比绝不是一项简单的任务,因为系统中存在有大量噪声源,常见的包括传感器噪声、信号调节电子噪声、模数转换误差(可建模为噪声)、以及从信号中提取数据的软件算法错误(可建模为噪声)。
旅行者二号宇宙飞船是SNR管理的一个极端例子。这艘飞船于27年前发射,已经飞出了我们的太阳系70多亿英里,预计还将继续传送数据直到2020年为止(飞行43年)。它向NASA发送了数万亿比特的数据,其信号发射器功率仅与地球上的广播和电视基站相当,但NASA仍然可以从几十亿英里外接收到这些信息,而它使用的还是1977年制造的古老的宇宙飞船电子设备。由于距离遥远,这些以接近光速(18.6万英里每秒)传播的无线电波信号的延迟有10个小时之多。
图:SNR通常被表示为电压比值,这是从最初的功率比值定义转换而来
的,关系为:功率= V2/R。电阻项是多余的可以去掉,因为测量时信号
和噪声电压通过的电阻值通常是相等的,所以有Log10(1)= 0。 旅行者二号还要抵抗其它噪声源的干扰,例如发射器内部产生的噪声、空间电磁波、天线和接收器电子噪声等。从“嘈杂”的通信系统信号中提取信息需要大量的滤波处理和精密复杂的软件算法。
数学运算
计算总的系统SNR的算法是很复杂的,但是以分贝(dB)表示的基本定义还是非常直观的(请参见所附方程式)。SNR的这个原始定义一般和音频、广播或电视通信信号相关。如今的自动过程控制系统需要现代的SNR定义,以表征使用高速模数转换器(ADC)拓扑结构的数据采集系统。
通常,过程控制系统里的ADC决定了采集传感器数据的精度和速度。典型的规格参数,比如分辨率、精度、线性度、转换时间、采样速率、单调响应、元件噪声,等等,对于系统设计者来说仍然非常重要。但是,如今N位分辨率的高速ADC的SNR规格更准确表征了过程控制数据采集模块的动态行为,为比较数据采集系统的行为提供了有效的工具。
一个转换误差为±LSB/2(“量化”噪声)的理想N位ADC模块的信噪比可以由SNR的电压形式推导得到,即SNR=6.02×N+1.76 dB。现在,通过使用快速傅立叶变换(FFT)算法来计算离散傅立叶变换(DFT),制造商可以测量ADC模块的SINAD——信号(SI)与噪声及失真(NAD)的dB电压比。测量的SINAD(直流除外)值被用来计算有效位数(ENOB),这是更真实表征ADC模块总体性能的规格参数,ENOB=(SINAD-1.76)/6.02。
例如,考虑一个包含前置放大器、多路复用器、采样保持、ADC和输出缓冲的16位ADC模块,其测量的SINAD值为86.3dB。使用上面的公式可以算得ENOB=14,意味着该16位模块的性能在这种SINAD条件下相当于一个理想的14位ADC。SINAD的FFT测量受信号频率、幅度、以及采样速率的影响,ENOB值因此也当然会受到影响,所以过程控制设计者应该向制造商进行咨询,再决定SINAD和ENOB的测量方法。 http://www.cechinamag.com/Article/html/2006-07/2006718125258.htm
SINAD ENOB SNR THD THD+N SFDR的详细比较] | |
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