Σ-Δ型ADC拓扑结构基本原理：第二部分

AD717x是ADI公司最新系列的精密Σ-Δ型ADC。该ADC系列是市场上第一个提供真正24位无噪声输出的转换器系列。AD717x器件可使对噪声异常敏感的仪器仪表电路的动态范围最大化，支持降低或消除信号调理级中的前置放大器增益。这些器件还能高速运行，提供比以前更短的建立时间。由此可缩短器件对控制环路对输入激励信号的响应时间，或通过更快的每通道吞吐速率来提高转换通道密度。

AD717x页面(analog.com )提供了完整系列的详细信息，包括有关AD7172-2、AD7175-2、AD7172-4、AD7173-8和AD7175-8的信息。这些精密ADC具有完全集成的模拟信号链，包括真轨到轨模拟输入和基准输入缓冲器。该系列提供多种输入通道数，不同器件可通过引脚对应方式升级为其他转换速度或更低噪声/功耗的器件。AD7175-2和AD7175-8提供最快的吞吐速率和最低的噪声。AD7177-2提供32位分辨率输出。AD7172和AD7173提供最低功耗选项。

AD7175-2具有一个非常有用的软件工具来帮助评估。Eval+是一个单一软件，可从ADI网站下载，用来在有或没有硬件的情况下配置、分析、选择ADC。该软件与硬件一起运行时，会像标准评估板那样工作。无硬件时，ADC的功能模型在后台运行，支持用户为其终端应用建立最佳工作配置。

图2.AD7175-2 Eval+软件在功能模型评估模式下的配置选项卡。

　　表1.AD717x系列概览，显示了可用的通道数选项和系列成员的引脚对应情况

消除Σ-Δ ADC量化噪声：噪声和带宽考虑因素

使用AD7175 ADC来说明如何利用数字滤波消除Σ-Δ型ADC的量化噪声。关键在于噪声/输入带宽和建立时间的权衡分析。

图4显示了调制器原始噪声来源与AD7175器件从DC到FMOD/2(或4 MHz)的频率对数的关系。AD7175调制器以8 MHz (FMOD)的有效速率采样。调制器为MASH型，对调制器噪声提供80 dB/十倍频程的衰减速率斜率。电路的热噪声决定设置了带内噪底，其后便是调制器噪声开始以斜坡变化的频率点之前频带内的噪底。从显示低噪底的曲线可以看出该ADC对低带宽信号的高动态范围能力。此动态范围以及AD7175下推降低噪底的能力可用来改善应用的灵敏度，这在采集低幅度信号时特别有用。

ADC的最低过采样比、数字滤波器阶数和转折频率都有助于确保量化噪声不是ADC噪声的限制因素。为了滤除噪声，滤波器的包络必须能够以足够大的滚降速率进行衰减，从而应对幅度量化噪声的增速。

AD7175的最低过采样比为×32，在8 MHz FMOD条件下，最大输出数据速率为250 kHz。

AD7175提供了多种不同类型的滤波器，可供用户可视需要选择。数字滤波器的工作原理是通过比较不同情况下的sinc5 + sinc1和sinc3滤波器来说明的。

在250 kHz ODR时，AD7175 sinc5 + sinc1可直接配置为sinc5路径，其−3 dB频率为~0.2 × ODR (50 kHz)。sinc5滤波器的衰减包络为−100 dB/十倍频程。这意味着sinc5滤波器的衰减和滚降速率足以消除调制器噪声，如图3所示。

相比之下，若更改为250 kHz ODR的sinc3，衰减和滚降速率将不足以消除调制器噪声。数据手册中的250 kHz和125 kHz ODR时的噪声数值说明了这一情况。只有将数据速率设置为62.5 kHz或更低，sinc3响应才能完全滤除ADC结果中的量化噪声。

除了滤除量化噪声以外，数字滤波器还能通过调整输入带宽来降低噪声。这是通过提高抽取率实现的。对于sinc5 + sinc1滤波器，提高过采样比意味着初始五阶sinc滤波器要进行均值计算。利用初始结果的均值，用户可以选择不同的输出数据速率、速度和带宽来改善噪声性能(如图5所示)，即先由sinc5再由sinc5 + sinc1求均值来改善噪声性能。对sinc5结果求均值会引入频率为输出数据速率及其倍数的一阶陷波，这些陷波会与sinc5总包络复合。sinc型滤波器中的陷波频率传统上是用来抑制已知频率的干扰信号，即通过把数据速率策略性地设置为与干扰频率重合。一个经典例子是50 Hz和60 Hz的电线频率工频抑制。

　　图3.AD7175调制器输出频谱DC至FMOD/2，采用sinc5 + sinc1和32倍抽取(产生sinc5直流响应)。

　　图4.AD7175-2 sinc5 + sinc1滤波器：通过更改ADC抽取率来调整输入带宽。

　　图5.AD7175-2 sinc5 + sinc1滤波器 – 噪声与ODR的关系。

sinc型滤波器是具有sin(x)/x剖面的移动平均滤波器，因此一般称其为sinc滤波器。该滤波器由一系列积分器、一个用作抽取率的开关和一系列微分器组成。它是一种有限脉冲响应(FIR)型滤波器。对于输入的阶跃变化，它表现出已知且有限的线性相位响应。深陷波发生在输出数据速率及其整