編者按：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(shí)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(shí)、各種 ADC 類型及其應(yīng)用。本系列中第 1 部分的模擬基礎(chǔ)知識(shí)討論了 SAR ADC。本文是第 2 部分，討論三角積分 (Δ?) 轉(zhuǎn)換器。第 3 部分將探討流水線 ADC。第 4 部分 將說(shuō)明三角積分 ADC 如何能夠產(chǎn)生超低噪音結(jié)果。第 5 部分 探討 SAR ADC 的輸入驅(qū)動(dòng)難題。
第 1 部分討論了逐次逼近寄存器 (SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，正如其中所述，模擬傳感器信號(hào)鏈面臨著高精度挑戰(zhàn)：多個(gè)增益、信號(hào)調(diào)節(jié)和復(fù)雜的模擬濾波級(jí)，全部都會(huì)饋送至 SAR-ADC；因此可能會(huì)導(dǎo)致模擬錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)人員也可能最終得到一個(gè)昂貴的元件密集型 PC 板解決方案。
此外，從超低傳感器信號(hào)開(kāi)始，信號(hào)鏈中每個(gè)模擬級(jí)的輸出都會(huì)產(chǎn)生誤差，進(jìn)而在轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出端表現(xiàn)為低信噪比 (SNR) 和高失真誤差。此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要退后一步，重新思考高精度傳感器 ADC 范式。
若要解決高精度傳感器系統(tǒng)的相關(guān)問(wèn)題，可選擇一種 ADC 拓?fù)洌瑢⑿鞲衅餍盘?hào)快速進(jìn)行數(shù)字化，并以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)增益和濾波等噪聲模擬功能。這就是三角積分 (Δ?) ADC 的作用。
本文以來(lái)自 Analog Devices 的 AD4110-1 通用輸入模數(shù)前端為例，簡(jiǎn)要介紹 Δ? ADC 的基本功能和內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，文中會(huì)深入探究周圍的信號(hào)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(hào)和計(jì)算過(guò)程開(kāi)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(guò) 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(shí)現(xiàn)的？最初是低壓模擬信號(hào)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(shí)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(gè)半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)而縮小。
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圖 1：一個(gè) 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(duì)小電阻溫度檢測(cè)器 (RTD) 電壓進(jìn)行感測(cè)并數(shù)字化。然后，它使用內(nèi)部數(shù)字信號(hào)增益和濾波來(lái)呈現(xiàn)一個(gè)低噪聲的 24 位數(shù)字結(jié)果。（圖片來(lái)源：A Baker’s Dozen）
在圖 1 中，24 位 Δ? ADC 系統(tǒng)由一個(gè)模擬輸入、一個(gè)中央數(shù)字引擎和一個(gè)數(shù)字 I/O 端子組成。轉(zhuǎn)換器獲取低壓 RTD 信號(hào)，并通過(guò)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(méi)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(gè)簡(jiǎn)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€(gè)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）。
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圖 2：就基本要素而言，每個(gè) Δ? ADC 都有 Δ? 調(diào)制器、數(shù)字濾波器和抽取器。（圖片來(lái)源：EDN）
在圖 2 中，輸入可以是正弦波或 DC；此處將重點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生高量化噪聲，但實(shí)際上信號(hào)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(huì)累加 Δ? 調(diào)制器的 1 位結(jié)果并執(zhí)行濾波器計(jì)算。數(shù)字濾波器輸出信號(hào)以數(shù)字方式反射模擬輸入信號(hào)，同時(shí)繼續(xù)采用輸出頻率 Fs。現(xiàn)在，該信號(hào)僅留在數(shù)字域中。數(shù)字低通濾波器或抽取濾波器會(huì)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(duì)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(gè)采樣率，但 Δ? 轉(zhuǎn)換器卻有兩個(gè)：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(gè)頻率變量的比值定義系統(tǒng)抽取率 (DR)：
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Δ? 調(diào)制器
Δ? 調(diào)制器通過(guò)產(chǎn)生 1 位代碼流來(lái)執(zhí)行實(shí)際的模數(shù)轉(zhuǎn)換。此過(guò)程從差分放大器開(kāi)始（圖 3）。
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圖 3：Δ? ADC 調(diào)制器輸入級(jí)檢測(cè)模擬輸入與反饋 DAC 之間的增量。第二級(jí)在模擬信號(hào)上實(shí)現(xiàn)積分器功能（或積分）。（圖片來(lái)源：EDN）
在圖 3 中，差分放大器（三角）將模擬信號(hào)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(huì)將 1 位流提供給 1 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)。然后，調(diào)制器會(huì)測(cè)量模擬輸入信號(hào)與反饋 DAC 的模擬輸出之間的差值。
Δ? >調(diào)制器通過(guò)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(guò)量化噪聲 (ei) 將輸入信號(hào) (Xi) 數(shù)字化為 1 位輸出代碼 (Yi)。具體來(lái)說(shuō)，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）。
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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(lái)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(shí)鐘確定延遲時(shí)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(lái)通過(guò) DR 降低數(shù)字信號(hào)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）。
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圖 5：抽取過(guò)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(lái)系統(tǒng)地減少數(shù)字 24 位輸出的數(shù)量。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
根據(jù)公式 1，圖 5 中的抽取過(guò)程按 DR 抽取輸出數(shù)據(jù)速率 (1/Fd)。
通過(guò)數(shù)字和抽取濾波器的事件可有效降低 Δ? ADC 噪聲（圖 6）。
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圖 6：此處顯示的是時(shí)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(shí)域中的抽取器輸出信號(hào) (c)。（圖片來(lái)源：EDN）
圖 6 顯示了通過(guò)數(shù)字/抽取濾波器時(shí)的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字濾波器 24 位輸出（圖 6(a)）的運(yùn)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(huì)捕獲輸出信號(hào)的低頻部分。抽取濾波器（圖 6(c)）輸出產(chǎn)生原始模擬信號(hào)的低頻數(shù)字表示。
數(shù)字?jǐn)U展
Δ? ADC 主要存在于數(shù)字域。現(xiàn)在，可以輕松添加數(shù)字可編程增益級(jí)、電流源、短路或開(kāi)路輸入信號(hào)指示器，以及各種串行輸出接口（圖 7）。
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圖 7：Analog Devices 的 AD4110-1 為工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)提供多種模擬前端功能。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
如圖 7 所示，Analog Devices 的 AD4110-1 Δ? ADC 具有許多數(shù)字增強(qiáng)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)?lái)自熱電偶、RTD 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(lì)電路，但 AD4110-1 已將它們集成在電路板上。
例如，RTD 需要一個(gè)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）。
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圖 8：四線 RTD 和 AD4110-1 Δ? ADC 的適當(dāng)線路連接。RTD 激勵(lì)電流可在 0.1 mA 和 1 mA 之間的六個(gè)級(jí)別上進(jìn)行編程。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
在圖 8 中，AD4110-1 包含一個(gè)激勵(lì)電流，該電流可以使用轉(zhuǎn)換器的 PGA_RTD_CTRL 寄存器，在 0.1 mA 和 1 mA 之間的六個(gè)級(jí)別上進(jìn)行編程。RTD 電阻的激勵(lì)電流來(lái)自引腳 35。轉(zhuǎn)換器通過(guò)引腳 34 與 31 高阻抗輸入感測(cè) RTD 兩端的電壓降。AD4110-1 可編程增益放大器 (PGA) 提供 0.2 至 24 V/V 的 16 個(gè)可編程增益。利用此功能，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)一步將輸入傳感器補(bǔ)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(cè)裸線的存在（對(duì)熱電偶有用），以及增益校準(zhǔn)和校正系數(shù)。
總結(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(guò)數(shù)字平均的高分辨率、低噪聲數(shù)字輸出信號(hào)。由于大部分電路均采用數(shù)字形式，因此可以通過(guò)先進(jìn)的數(shù)字工藝節(jié)點(diǎn)輕松擴(kuò)展，在保持較小的占位空間和低電路板復(fù)雜度的同時(shí)，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。
來(lái)源：Digi-Key
關(guān)鍵詞： 數(shù)字濾波器 輸出數(shù)據(jù) 模擬輸入 模擬信號(hào) 輸出信號(hào)
