過(guò)采樣Σ-Δ ADC的原理及單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方法

引言

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是連接模擬世界與數(shù)字世界的橋梁，其性能直接影響著系統(tǒng)的整體表現(xiàn)。在眾多ADC類型中，Σ-Δ(Sigma-Delta)ADC以其高精度、低噪聲和優(yōu)異的線性度特性，在音頻處理、傳感器測(cè)量、溫度檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文將深入探討過(guò)采樣Σ-Δ ADC的原理，并介紹其在單片機(jī)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方法。

過(guò)采樣Σ-Δ ADC的原理

基本概念

Σ-Δ ADC，又稱過(guò)采樣轉(zhuǎn)換器，其核心思想在于利用過(guò)采樣技術(shù)和噪聲整形技術(shù)，通過(guò)低分辨率的量化器(通常為1位)實(shí)現(xiàn)高分辨率的轉(zhuǎn)換結(jié)果。其中，“Σ”表示積分或求和，“Δ”表示增量，即ADC不是直接對(duì)模擬信號(hào)的絕對(duì)幅值進(jìn)行量化編碼，而是對(duì)相鄰采樣值之間的增量進(jìn)行編碼。

工作原理

Σ-Δ ADC的工作原理可以分為三個(gè)主要步驟：過(guò)采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波。

過(guò)采樣：

根據(jù)奈奎斯特采樣定律，采樣頻率應(yīng)至少為信號(hào)最高頻率的兩倍才能無(wú)失真地重建信號(hào)。然而，Σ-Δ ADC采用遠(yuǎn)高于此要求的采樣頻率，即過(guò)采樣。過(guò)采樣的主要目的是將量化噪聲分布到更寬的頻率范圍內(nèi)，從而降低信號(hào)帶寬內(nèi)的噪聲功率。具體來(lái)說(shuō)，過(guò)采樣使得量化噪聲在頻域內(nèi)被“展頻”，雖然總噪聲功率不變，但單位帶寬內(nèi)的噪聲功率顯著降低。

噪聲整形：

噪聲整形技術(shù)通過(guò)Σ-Δ調(diào)制器將量化噪聲的頻譜密度從均勻分布轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚋哳l段集中。這通常通過(guò)差分電路(Δ)和累加器(Σ)實(shí)現(xiàn)，使得低頻段的噪聲被抑制，高頻段的噪聲則被放大。隨后，通過(guò)數(shù)字濾波器濾除高頻噪聲，從而進(jìn)一步提升信號(hào)帶寬內(nèi)的信噪比(SNR)。

數(shù)字濾波和抽?。?

經(jīng)過(guò)Σ-Δ調(diào)制器后，輸出的是高速、低分辨率的數(shù)字信號(hào)(Σ-Δ碼)。為了降低輸出速率并提升分辨率，需要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波和抽取。數(shù)字濾波器濾除高頻噪聲，保留有用的信號(hào)信息，并通過(guò)抽取過(guò)程降低采樣率，從而得到低速率、高精度的數(shù)字信號(hào)輸出。

Σ-Δ調(diào)制器結(jié)構(gòu)

Σ-Δ調(diào)制器通常由積分器、比較器、加法電路、時(shí)鐘和開關(guān)等組成。其工作過(guò)程可以簡(jiǎn)述為：模擬輸入信號(hào)首先經(jīng)過(guò)差分放大器得到前后樣本的差值，然后該差值被送入積分器進(jìn)行積分。積分器的輸出與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，產(chǎn)生一位數(shù)字輸出(通常為1或0)。這個(gè)數(shù)字輸出再經(jīng)過(guò)反饋回路與輸入信號(hào)相加，形成閉環(huán)控制。通過(guò)不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程，Σ-Δ調(diào)制器將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速脈沖數(shù)字信號(hào)，其脈沖占空比反映了模擬輸入電壓的大小。

單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方法

在單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)Σ-Δ ADC，通常需要結(jié)合外部Σ-Δ調(diào)制器芯片和單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)字處理單元。以下是一個(gè)基本的實(shí)現(xiàn)步驟：

選擇合適的Σ-Δ調(diào)制器芯片：

根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的Σ-Δ調(diào)制器芯片，考慮其分辨率、噪聲性能、功耗等因素。市場(chǎng)上有多款商用Σ-Δ調(diào)制器芯片可供選擇，如TI公司的ADS系列、ADI公司的AD77系列等。

硬件連接：

將Σ-Δ調(diào)制器芯片的輸入端連接到待測(cè)量的模擬信號(hào)源，輸出端連接到單片機(jī)的數(shù)字輸入端口。同時(shí)，根據(jù)芯片手冊(cè)配置好時(shí)鐘、電源等外部電路。

軟件編程：

在單片機(jī)中編寫程序，以控制Σ-Δ調(diào)制器的工作，并處理其輸出的數(shù)字信號(hào)。程序的主要任務(wù)包括：

初始化單片機(jī)和Σ-Δ調(diào)制器芯片。

讀取Σ-Δ調(diào)制器輸出的數(shù)字信號(hào)。

對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波和抽取處理，以得到高精度的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在內(nèi)存或通過(guò)通信接口輸出。

調(diào)試與優(yōu)化：

在實(shí)際應(yīng)用中，可能需要對(duì)Σ-Δ ADC的性能進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化。這包括調(diào)整過(guò)采樣率、濾波器參數(shù)等，以達(dá)到最佳的轉(zhuǎn)換精度和穩(wěn)定性。

結(jié)論

過(guò)采樣Σ-Δ ADC以其高精度、低噪聲和優(yōu)異的線性度特性，在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。通過(guò)過(guò)采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)，Σ-Δ ADC能夠用低分辨率的量化器實(shí)現(xiàn)高分辨率的轉(zhuǎn)換結(jié)果。在單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)Σ-Δ ADC，需要選擇合適的Σ-Δ調(diào)制器芯片，并結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)字處理單元進(jìn)行編程和調(diào)試。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，Σ-Δ ADC將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。