性能最大化ΔΣ 转换器

数据转换器分辨率和速度一直处于不断改进中。我仍然记得大概25年前在Tektronix参加的一个会议上，集体讨论了数据转换器的未来发展方向。我甚至不敢想象分辨率能够从 16 位提高到 24 位。但是，ΔΣ 转换器的架构却能够实现如此激动人心的分辨率突破。

ΔΣ 转换器能够实现 24 位的转换结果。虽然这听起来让人振奋，但是为了达到最佳效果，我们仍然需要正确选择许多参数。随着抽样、调制时钟和 PGA 的调整，相同数据速率在性能方面会有所不同。在优化数据转换结果时，对于这些方方面面做到完全了解并非易事。另外一些问题还包括输入阻抗、滤波器响应、抗混淆，以及长期漂移。

ΔΣ 转换器介绍

ΔΣ 转换器的优势就在于它把大部分转换过程转移到了数字域。这使得它能够把高性能模拟与数字处理融合在一起。模拟元件采用单个比较器、积分器和1位的DAC。由于1位DAC只有两个输出，因此它在整个电压范围内均是线性化的。这种高水平的线性化是 ΔΣ 转换器实现高精确度的原因之一。最终的绝对精度主要取决于基准电压的精度。

ΔΣ 调制器



图1 ΔΣ调制器

让我们看一个简单的 ΔΣ 调制器中的波形（参见图1）。其中输入信号X1比例为1/4。输入信号减去DAC输出信号 (X5) 是一个脉冲串，其一个周期为低电平，三个周期为高电平 (X2)。闩锁比较器输出 (X4) 是反馈到数字滤波器的连续位流，其 1:0 的比率与输入电压和满程输入范围的比率直接相关。

每条垂直线表示闩锁比较器输出由调制时钟控制。为了分析其操作，最好先从输出入手，把它看作驱动信号，然后闭环。输入电压为1/4Vmax。DAC 由数字输出控制，因此，它从输出Vmax开始。Vmax 与输入 (1/4Vmax) 的差为 -3/4Vmax，输入到积分器。如我们所见，此负值电压导致积分器产生一条陡的负值曲线。

下个时钟时，由于 X3 为负值，则 X4 位置的输出为 0。其被闩锁，导致 DAC 现在输出 0 电压，而且 X2 位置的压差仅为 +1/4Vmax。正如我们所见，在超出比较器阈值之前，此较小的正曲线需要经过多个周期。正积分一直保持正曲线，直到下一个时钟周期，才把一个 1 闩锁到输出，同时我们回到原来开始之处。

如果我们查看 ΔΣ 调制器的频率响应，就会看到响应的特性可归纳为以下的公式：（公式略）

由此可见，在低频时，输出等于输入 (x)，而在高频时，输出等于产生如图 2 噪声频谱的量化噪声。

ΔΣ 转换器采用过采样在多个频率段分散量化噪声，它与 ΔΣ 调制器一起整形噪声，使大部分噪声不被包含在信号测量频带中。燥声整形功能使低通数字滤波器能够消除大部分噪声并产生高精度的电压测量。



图 2 噪声频谱

调制器的输出进入数字滤波器，在其中根据滤波器类型或抽样数量对响应进行调整。最终的输出数据速率由以下公式确定：数据速率 = 调制时钟 ÷ 抽样率。

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

某些 ΔΣ 转换器具有固定数据输出速率，其只可以在很小范围内调整，而在另外一些此类转换器中，却允许通过调整调制器时钟速率灵活调整抽样率。在结合使用 8051 微处理器（TI 的 MSC1210 中）情况下，可更灵活控制这些参数的调整，我们可在各种调制时钟和抽样率轻松调整并评估转换器的性能。每条线（参见图 3）代表不同的时钟速率，而线上的点代表抽样率 2020、500、255、50、20 与 10。请注意，ENOB的测量主要由抽取率决定，通过调整调制时钟可改变特定性能水平。正如所料，在最高调制时钟速率时，最高抽样率的ENOB 性能有所降低。

那么这就产生了这样的问题，如果在不同时钟速率情况下性能差别不大，为什么我们不一直使用最高速率、获得更快的数据转换结果呢？一个原因是，随着时钟速率增加，CMOS电路的功耗会急剧上升。

如果功耗不成问题的话，就可在较快输出速率时求采样数量的平均值，从而进一步提高性能水平。这在带有 32 位累加器的 MSC1210 中很容易实现，它可在无需处理器干预下设置求 256 个采样的平均值。