話說ADC之一丨高精度模數(shù)轉(zhuǎn)化，Δ??ADC是如何做到的？
[導(dǎo)讀]編者寄語：模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬世界連接到數(shù)字世界，因此是連接到現(xiàn)實世界的任何電子系統(tǒng)的基本部件。它們也是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。本系列文章探討ADC的基礎(chǔ)知識、各種ADC類型及其應(yīng)用。本文以來自AnalogDevices的AD4110-1通用輸入模數(shù)前端為例，簡要介紹Δ...
編者寄語：
模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 將模擬世界連接到數(shù)字世界，因此是連接到現(xiàn)實世界的任何電子系統(tǒng)的基本部件。它們也是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。本系列文章探討 ADC 的基礎(chǔ)知識、各種 ADC 類型及其應(yīng)用。
本文以來自Analog Devices的AD4110-1通用輸入模數(shù)前端為例，簡要介紹Δ? ADC的基本功能和內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換機制。在此基礎(chǔ)上，文中會深入探究周圍的信號鏈，并為合適的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供一些關(guān)鍵規(guī)格。
Δ? ADC的結(jié)構(gòu)
就在世紀(jì)之交之前，Δ? ADC搶走了模擬技術(shù)的主導(dǎo)地位。隨著Δ?先進(jìn)技術(shù)的廣泛普及，主要的模擬信號和計算過程開始扎根于數(shù)字領(lǐng)域。Δ? ADC集成電路 (IC) 檢查發(fā)現(xiàn)，超過80%的硅片空間用于執(zhí)行數(shù)字功能。以數(shù)字電路為主的附帶收獲是穩(wěn)健性和小尺寸。?這是怎么可能實現(xiàn)的？最初是低壓模擬信號的直接數(shù)字化。進(jìn)入數(shù)字領(lǐng)域后，數(shù)字電路幾乎可以完全取代模擬濾波，同時還可以執(zhí)行任何需要的增益功能（圖1）。數(shù)字電路也隨著每個半導(dǎo)體工藝節(jié)點而縮小。
圖1：一個Δ?幾乎包含所有用于濾波和增益的必要電路。在此示例中，Δ? ADC對小電阻溫度檢測器 (RTD) 電壓進(jìn)行感測并數(shù)字化。然后，它使用內(nèi)部數(shù)字信號增益和濾波來呈現(xiàn)一個低噪聲的24位數(shù)字結(jié)果。（圖片來源：A Baker’s Dozen）
在圖1中，24位Δ? ADC系統(tǒng)由一個模擬輸入、一個中央數(shù)字引擎和一個數(shù)字I/O端子組成。轉(zhuǎn)換器獲取低壓RTD信號，并通過數(shù)字濾波產(chǎn)生模擬輸入的完整24位數(shù)字表示。這里沒有通常在SAR-ADC電路中占主導(dǎo)地位的模擬增益模塊，唯一的模擬濾波器是R1和C1的組合。是的，這是一個簡單、便宜的一階濾波器！?
Δ? ADC的工作原理
?
Δ? ADC的基本拓?fù)渚哂幸粋€與數(shù)字濾波器串聯(lián)的Δ?調(diào)制器。除了這種基本拓?fù)渫猓蠖鄶?shù)Δ? ADC還具有各種其他功能。但是，所有Δ?轉(zhuǎn)換器都具有這種基本核心（圖2）。?
圖2：就基本要素而言，每個Δ? ADC都有Δ?調(diào)制器、數(shù)字濾波器和抽取器。（圖片來源：EDN）?在圖2中，輸入可以是正弦波或DC；此處將重點討論正弦波輸入。Δ?調(diào)制器將單周期正弦波數(shù)字化為1位流。Δ?調(diào)制器輸出采樣頻率為Fs。盡管1位調(diào)制器轉(zhuǎn)換似乎會產(chǎn)生高量化噪聲，但實際上信號噪聲已“整形”為較高的頻率。這樣便為數(shù)字濾波器輸出端的低噪聲、高分辨率轉(zhuǎn)換鋪平了道路。?在調(diào)制器的輸出端，數(shù)字濾波器會累加Δ?調(diào)制器的1位結(jié)果并執(zhí)行濾波器計算。數(shù)字濾波器輸出信號以數(shù)字方式反射模擬輸入信號，同時繼續(xù)采用輸出頻率Fs?，F(xiàn)在，該信號僅留在數(shù)字域中。數(shù)字低通濾波器或抽取濾波器會衰減高頻噪聲并減慢輸出數(shù)據(jù)速率1/Fd。數(shù)字/抽取濾波器對調(diào)制器的1位代碼流進(jìn)行采樣和濾波，使其成為較慢的多位代碼。?雖然多數(shù)轉(zhuǎn)換器只有一個采樣率，但Δ?轉(zhuǎn)換器卻有兩個：輸入采樣頻率 (Fs) 和輸出數(shù)據(jù)頻率 (Fd)。根據(jù)公式1，這兩個頻率變量的比值定義系統(tǒng)抽取率 (DR)：?公式 1
Δ?調(diào)制器
Δ?調(diào)制器通過產(chǎn)生1位代碼流來執(zhí)行實際的模數(shù)轉(zhuǎn)換。此過程從差分放大器開始（圖3）。
圖3：Δ? ADC調(diào)制器輸入級檢測模擬輸入與反饋DAC之間的增量。第二級在模擬信號上實現(xiàn)積分器功能（或積分）。（圖片來源：EDN）
?在圖3中，差分放大器（三角）將模擬信號傳輸?shù)椒e分器（積分）。在積分器的輸出端，比較器以極高的采樣率 (1/Fs) 區(qū)分積分器的輸出與電壓基準(zhǔn) (VREF)。此外，比較器會將1位流提供給1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)。然后，調(diào)制器會測量模擬輸入信號與反饋DAC的模擬輸出之間的差值。?Δ? >調(diào)制器通過積分器和DAC反饋回路的作用將噪聲整形為更高的頻率。圖3中的公式（右下方）顯示了傳遞方程：Yi = Xi-1 (ei – ei-1)。調(diào)制器通過量化噪聲 (ei)將輸入信號 (Xi) 數(shù)字化為1位輸出代碼 (Yi)。具體來說，調(diào)制器的輸出 (Yi)等于輸入 (Xi-1) 加上量化噪聲(ei – ei-1)。該公式將量化噪聲顯示為當(dāng)前誤差 (ei)減去調(diào)制器先前誤差 (ei-1) 的差值。?
數(shù)字和抽取濾波器
平均化是一種數(shù)字濾波形式，常用于低速工業(yè)Δ? ADC中。幾乎所有工業(yè)Δ? ADC都包含一類稱為sinc濾波器的平均濾波器，它們使用線性相位有限沖激響應(yīng) (FIR)，后者是一種數(shù)字低通濾波器（圖4）。?圖4：此平均FIR數(shù)字濾波器中的系數(shù) (bx) 均等于1。（圖片來源：Digi-Key Electronics）?在圖4中，調(diào)制器輸出位流是此數(shù)字濾波器的輸入，而調(diào)制器的采樣時鐘確定延遲時間。圖4的FIR濾波器系數(shù) (bx)均等于1。利用這種平均算法，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器可生成圖3中模擬輸入的低噪聲、24位數(shù)字表示，并且以調(diào)制器的采樣率 (1/Fs) 進(jìn)行采樣。然后，抽取濾波器使用DR降低輸出數(shù)據(jù)速率。?在文獻(xiàn)中，“抽取”一詞是指系統(tǒng)性清除不需要士兵的軍事行為。在數(shù)字電子器件中，抽取使用相同的概念來通過DR降低數(shù)字信號的輸出數(shù)據(jù)速率 (1/Fd)。為此，快速而數(shù)字化的方法是系統(tǒng)性丟棄一些數(shù)字濾波器的輸出樣本（圖5）。
圖5：抽取過程按輸出數(shù)據(jù)速率（1/Fd，圖像底部）除以采樣率 (1/Fs) 的系數(shù)來系統(tǒng)地減少數(shù)字24位輸出的數(shù)量。（圖片來源：Digi-Key Electronics）?根據(jù)公式1，圖5中的抽取過程按DR抽取輸出數(shù)據(jù)速率 (1/Fd)。
通過數(shù)字和抽取濾波器的事件可有效降低Δ? ADC噪聲（圖6）。?圖6：此處顯示的是時域中的數(shù)字濾波器輸出 (a)；疊加在抽取濾波器低通函數(shù)上的調(diào)制器噪聲整形輸出 (b)；以及時域中的抽取器輸出信號 (c)。（圖片來源：EDN）?圖6顯示了通過數(shù)字/抽取濾波器時的數(shù)字信號。數(shù)字濾波器24位輸出（圖6(a)）的運行速率與調(diào)制器采樣率 (1/Fs) 相同。調(diào)制器已經(jīng)將量化噪聲整形為較高的頻率（圖6(b)），因此數(shù)字/抽取濾波器會捕獲輸出信號的低頻部分。抽取濾波器（圖6(c)）輸出產(chǎn)生原始模擬信號的低頻數(shù)字表示。
數(shù)字拓展
Δ? ADC主要存在于數(shù)字域?，F(xiàn)在，可以輕松添加數(shù)字可編程增益級、電流源、短路或開路輸入信號指示器，以及各種串行輸出接口（圖7）
圖7：Analog Devices的AD4110-1為工業(yè)過程控制系統(tǒng)提供多種模擬前端功能。（圖片來源：AnalogDevices）?如圖7所示，Analog Devices的AD4110-1 Δ? ADC具有許多數(shù)字增強功能，包括可編程輸入端子、診斷功能和靈活的數(shù)據(jù)速率。輸入就緒型傳感器接口包括RTD和熱電偶溫度傳感器。?AD4110-1具有Δ? ADC的基本核心，但該器件的數(shù)字加重功能支持一系列數(shù)字使能功能，從而讓AD4110-1現(xiàn)已成為通用模擬前端 (AFE)。?與標(biāo)準(zhǔn)Δ? ADC一樣，AD4110-1能夠?qū)碜詿犭娕肌TD和電橋的極低電壓進(jìn)行數(shù)字化。雖然這些功能通常需要額外的激勵電路，但AD4110-1已將它們集成在電路板上。?例如，RTD需要一個精密電流源，并且該電流源與轉(zhuǎn)換器的電壓基準(zhǔn)成比例（圖8）。?圖8：四線RTD和AD4110-1 Δ? ADC的適當(dāng)線路連接。RTD激勵電流可在0.1mA和1mA之間的六個級別上進(jìn)行編程。（圖片來源：Analog Devices）?在圖8中，AD4110-1包含一個激勵電流，該電流可以使用轉(zhuǎn)換器的PGA_RTD_CTRL寄存器，在0.1mA和1mA之間的六個級別上進(jìn)行編程。RTD電阻的激勵電流來自引腳35。轉(zhuǎn)換器通過引腳34與31高阻抗輸入感測RTD兩端的電壓降。AD4110-1可編程增益放大器 (PGA) 提供0.2至24V/V的16個可編程增益。利用此功能，設(shè)計人員可以進(jìn)一步將輸入傳感器補充到AD4110-1輸入范圍。其他輔助功能包括上拉/下拉電流以感測裸線的存在（對熱電偶有用），以及增益校準(zhǔn)和校正系數(shù)。
本文小結(jié)
Δ? ADC采用了前端調(diào)制器、FIR數(shù)字濾波器和抽取濾波器，可消除復(fù)雜的模擬前端電路，并能提供經(jīng)過數(shù)字平均的高分辨率、低噪聲數(shù)字輸出信號。由于大部分電路均采用數(shù)字形式，因此可以通過先進(jìn)的數(shù)字工藝節(jié)點輕松擴展，在保持較小的占位空間和低電路板復(fù)雜度的同時，增加更多的功能。?Analog Devices的AD4110-1 Δ? ADC充分利用了這種ADC架構(gòu)的特性。AD4110-1具有Δ? ADC的基本核心，但該器件的數(shù)字加重功能支持一系列數(shù)字使能功能，從而讓AD4110-1現(xiàn)已成為通用AFE，并且能真正直接用于RTD和熱電偶。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 將模擬世界連接到數(shù)字世界，因此是連接到現(xiàn)實世界的任何電子系統(tǒng)的基本部件。它們也是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。本系列文章探討 ADC 的基礎(chǔ)知識、各種 ADC 類型及其應(yīng)用。
本文以來自Analog Devices的AD4110-1通用輸入模數(shù)前端為例，簡要介紹Δ? ADC的基本功能和內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換機制。在此基礎(chǔ)上，文中會深入探究周圍的信號鏈，并為合適的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供一些關(guān)鍵規(guī)格。
Δ? ADC的結(jié)構(gòu)
就在世紀(jì)之交之前，Δ? ADC搶走了模擬技術(shù)的主導(dǎo)地位。隨著Δ?先進(jìn)技術(shù)的廣泛普及，主要的模擬信號和計算過程開始扎根于數(shù)字領(lǐng)域。Δ? ADC集成電路 (IC) 檢查發(fā)現(xiàn)，超過80%的硅片空間用于執(zhí)行數(shù)字功能。以數(shù)字電路為主的附帶收獲是穩(wěn)健性和小尺寸。?這是怎么可能實現(xiàn)的？最初是低壓模擬信號的直接數(shù)字化。進(jìn)入數(shù)字領(lǐng)域后，數(shù)字電路幾乎可以完全取代模擬濾波，同時還可以執(zhí)行任何需要的增益功能（圖1）。數(shù)字電路也隨著每個半導(dǎo)體工藝節(jié)點而縮小。
圖1：一個Δ?幾乎包含所有用于濾波和增益的必要電路。在此示例中，Δ? ADC對小電阻溫度檢測器 (RTD) 電壓進(jìn)行感測并數(shù)字化。然后，它使用內(nèi)部數(shù)字信號增益和濾波來呈現(xiàn)一個低噪聲的24位數(shù)字結(jié)果。（圖片來源：A Baker’s Dozen）
在圖1中，24位Δ? ADC系統(tǒng)由一個模擬輸入、一個中央數(shù)字引擎和一個數(shù)字I/O端子組成。轉(zhuǎn)換器獲取低壓RTD信號，并通過數(shù)字濾波產(chǎn)生模擬輸入的完整24位數(shù)字表示。這里沒有通常在SAR-ADC電路中占主導(dǎo)地位的模擬增益模塊，唯一的模擬濾波器是R1和C1的組合。是的，這是一個簡單、便宜的一階濾波器！?
Δ? ADC的工作原理
?
Δ? ADC的基本拓?fù)渚哂幸粋€與數(shù)字濾波器串聯(lián)的Δ?調(diào)制器。除了這種基本拓?fù)渫猓蠖鄶?shù)Δ? ADC還具有各種其他功能。但是，所有Δ?轉(zhuǎn)換器都具有這種基本核心（圖2）。?
圖2：就基本要素而言，每個Δ? ADC都有Δ?調(diào)制器、數(shù)字濾波器和抽取器。（圖片來源：EDN）?在圖2中，輸入可以是正弦波或DC；此處將重點討論正弦波輸入。Δ?調(diào)制器將單周期正弦波數(shù)字化為1位流。Δ?調(diào)制器輸出采樣頻率為Fs。盡管1位調(diào)制器轉(zhuǎn)換似乎會產(chǎn)生高量化噪聲，但實際上信號噪聲已“整形”為較高的頻率。這樣便為數(shù)字濾波器輸出端的低噪聲、高分辨率轉(zhuǎn)換鋪平了道路。?在調(diào)制器的輸出端，數(shù)字濾波器會累加Δ?調(diào)制器的1位結(jié)果并執(zhí)行濾波器計算。數(shù)字濾波器輸出信號以數(shù)字方式反射模擬輸入信號，同時繼續(xù)采用輸出頻率Fs?，F(xiàn)在，該信號僅留在數(shù)字域中。數(shù)字低通濾波器或抽取濾波器會衰減高頻噪聲并減慢輸出數(shù)據(jù)速率1/Fd。數(shù)字/抽取濾波器對調(diào)制器的1位代碼流進(jìn)行采樣和濾波，使其成為較慢的多位代碼。?雖然多數(shù)轉(zhuǎn)換器只有一個采樣率，但Δ?轉(zhuǎn)換器卻有兩個：輸入采樣頻率 (Fs) 和輸出數(shù)據(jù)頻率 (Fd)。根據(jù)公式1，這兩個頻率變量的比值定義系統(tǒng)抽取率 (DR)：?公式 1Δ?調(diào)制器
Δ?調(diào)制器通過產(chǎn)生1位代碼流來執(zhí)行實際的模數(shù)轉(zhuǎn)換。此過程從差分放大器開始（圖3）。
圖3：Δ? ADC調(diào)制器輸入級檢測模擬輸入與反饋DAC之間的增量。第二級在模擬信號上實現(xiàn)積分器功能（或積分）。（圖片來源：EDN）?在圖3中，差分放大器（三角）將模擬信號傳輸?shù)椒e分器（積分）。在積分器的輸出端，比較器以極高的采樣率 (1/Fs) 區(qū)分積分器的輸出與電壓基準(zhǔn) (VREF)。此外，比較器會將1位流提供給1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)。然后，調(diào)制器會測量模擬輸入信號與反饋DAC的模擬輸出之間的差值。?Δ? >調(diào)制器通過積分器和DAC反饋回路的作用將噪聲整形為更高的頻率。圖3中的公式（右下方）顯示了傳遞方程：Yi = Xi-1 (ei – ei-1)。調(diào)制器通過量化噪聲 (ei)將輸入信號 (Xi) 數(shù)字化為1位輸出代碼 (Yi)。具體來說，調(diào)制器的輸出 (Yi)等于輸入 (Xi-1) 加上量化噪聲(ei – ei-1)。該公式將量化噪聲顯示為當(dāng)前誤差 (ei)減去調(diào)制器先前誤差 (ei-1) 的差值。?
數(shù)字和抽取濾波器
平均化是一種數(shù)字濾波形式，常用于低速工業(yè)Δ? ADC中。幾乎所有工業(yè)Δ? ADC都包含一類稱為sinc濾波器的平均濾波器，它們使用線性相位有限沖激響應(yīng) (FIR)，后者是一種數(shù)字低通濾波器（圖4）。?
圖4：此平均FIR數(shù)字濾波器中的系數(shù) (bx) 均等于1。（圖片來源：Digi-Key Electronics）?在圖4中，調(diào)制器輸出位流是此數(shù)字濾波器的輸入，而調(diào)制器的采樣時鐘確定延遲時間。圖4的FIR濾波器系數(shù) (bx)均等于1。利用這種平均算法，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器可生成圖3中模擬輸入的低噪聲、24位數(shù)字表示，并且以調(diào)制器的采樣率 (1/Fs) 進(jìn)行采樣。然后，抽取濾波器使用DR降低輸出數(shù)據(jù)速率。?在文獻(xiàn)中，“抽取”一詞是指系統(tǒng)性清除不需要士兵的軍事行為。在數(shù)字電子器件中，抽取使用相同的概念來通過DR降低數(shù)字信號的輸出數(shù)據(jù)速率 (1/Fd)。為此，快速而數(shù)字化的方法是系統(tǒng)性丟棄一些數(shù)字濾波器的輸出樣本（圖5）。圖5：抽取過程按輸出數(shù)據(jù)速率（1/Fd，圖像底部）除以采樣率 (1/Fs) 的系數(shù)來系統(tǒng)地減少數(shù)字24位輸出的數(shù)量。（圖片來源：Digi-Key Electronics）?根據(jù)公式1，圖5中的抽取過程按DR抽取輸出數(shù)據(jù)速率 (1/Fd)。通過數(shù)字和抽取濾波器的事件可有效降低Δ? ADC噪聲（圖6）。?
圖6：此處顯示的是時域中的數(shù)字濾波器輸出 (a)；疊加在抽取濾波器低通函數(shù)上的調(diào)制器噪聲整形輸出 (b)；以及時域中的抽取器輸出信號 (c)。（圖片來源：EDN）?圖6顯示了通過數(shù)字/抽取濾波器時的數(shù)字信號。數(shù)字濾波器24位輸出（圖6(a)）的運行速率與調(diào)制器采樣率 (1/Fs) 相同。調(diào)制器已經(jīng)將量化噪聲整形為較高的頻率（圖6(b)），因此數(shù)字/抽取濾波器會捕獲輸出信號的低頻部分。抽取濾波器（圖6(c)）輸出產(chǎn)生原始模擬信號的低頻數(shù)字表示。數(shù)字拓展
Δ? ADC主要存在于數(shù)字域?，F(xiàn)在，可以輕松添加數(shù)字可編程增益級、電流源、短路或開路輸入信號指示器，以及各種串行輸出接口（圖7）
圖7：Analog Devices的AD4110-1為工業(yè)過程控制系統(tǒng)提供多種模擬前端功能。（圖片來源：AnalogDevices）?如圖7所示，Analog Devices的AD4110-1 Δ? ADC具有許多數(shù)字增強功能，包括可編程輸入端子、診斷功能和靈活的數(shù)據(jù)速率。輸入就緒型傳感器接口包括RTD和熱電偶溫度傳感器。?AD4110-1具有Δ? ADC的基本核心，但該器件的數(shù)字加重功能支持一系列數(shù)字使能功能，從而讓AD4110-1現(xiàn)已成為通用模擬前端 (AFE)。?與標(biāo)準(zhǔn)Δ? ADC一樣，AD4110-1能夠?qū)碜詿犭娕肌TD和電橋的極低電壓進(jìn)行數(shù)字化。雖然這些功能通常需要額外的激勵電路，但AD4110-1已將它們集成在電路板上。?例如，RTD需要一個精密電流源，并且該電流源與轉(zhuǎn)換器的電壓基準(zhǔn)成比例（圖8）。?圖8：四線RTD和AD4110-1 Δ? ADC的適當(dāng)線路連接。RTD激勵電流可在0.1mA和1mA之間的六個級別上進(jìn)行編程。（圖片來源：Analog Devices）?在圖8中，AD4110-1包含一個激勵電流，該電流可以使用轉(zhuǎn)換器的PGA_RTD_CTRL寄存器，在0.1mA和1mA之間的六個級別上進(jìn)行編程。RTD電阻的激勵電流來自引腳35。轉(zhuǎn)換器通過引腳34與31高阻抗輸入感測RTD兩端的電壓降。AD4110-1可編程增益放大器 (PGA) 提供0.2至24V/V的16個可編程增益。利用此功能，設(shè)計人員可以進(jìn)一步將輸入傳感器補充到AD4110-1輸入范圍。其他輔助功能包括上拉/下拉電流以感測裸線的存在（對熱電偶有用），以及增益校準(zhǔn)和校正系數(shù)。本文小結(jié)
Δ? ADC采用了前端調(diào)制器、FIR數(shù)字濾波器和抽取濾波器，可消除復(fù)雜的模擬前端電路，并能提供經(jīng)過數(shù)字平均的高分辨率、低噪聲數(shù)字輸出信號。由于大部分電路均采用數(shù)字形式，因此可以通過先進(jìn)的數(shù)字工藝節(jié)點輕松擴展，在保持較小的占位空間和低電路板復(fù)雜度的同時，增加更多的功能。?Analog Devices的AD4110-1 Δ? ADC充分利用了這種ADC架構(gòu)的特性。AD4110-1具有Δ? ADC的基本核心，但該器件的數(shù)字加重功能支持一系列數(shù)字使能功能，從而讓AD4110-1現(xiàn)已成為通用AFE，并且能真正直接用于RTD和熱電偶。
下載文檔
