Σ-Δ型ADC拓扑结构基本原理:第二部分
数倍处,陷波内的信号会被衰减。
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图6.不同阶数sinc滤波器的频域比较:sinc5与sinc3.
图6比较了AD7175的三阶和五阶sinc滤波器,二者均以32倍抽取率运行。这种情况下,两个滤波器均以250 kHz的输出速率提供转换数据。滤波器的阶数决定滚降速率和−3 dB频率。sincP滤波器位于–P × 20 dB/十倍频程的频率响应包络之下。滚降越陡,−3 dB频率越低。不同阶数滤波器之间的主要区别在于滤波器建立时间,根据情况不同,其对终端测量应用的影响也不同。
滤波器建立时间
当数字滤波器处理来自Σ-Δ调制器的数据流的移动平均值时,存在一个相关的建立时间。该延迟对所有FIR滤波器是固定的,但对不同阶数的sinc滤波器,该延迟是不同的。通常用两项来描述该延迟:群延迟和建立时间。群延迟描述从输入端存在模拟信号到在数字输出端看到它的延迟时间。例如,对于单音正弦波,群延迟就是从模拟输入端存在该正弦波电压峰值到该峰值出现在数字输出端的时间差。
建立时间是指数字滤波器的全部均值时间。如果模拟输入端有一个阶跃,那么需要经过滤波器的完全建立时间,ADC的数据输出才与输入端的前一阶跃之前的输入无关。还可能存在其他延迟,如滤波器的计算时间等。对于AD7175系列,第一次转换会有较长的建立时间;由于初始计算周期为1/ODR,离开待机状态后的建立也可能引起延迟。除滤波器建立时间之外的延迟可能依选择的转换器不同而异,因此,阅读ADC数据手册时应留心。
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图8.多路复用ADC、sinc3滤波器和三个转换周期—完全建立的数据。
通过比较单一Σ-Δ ADC与多路复用Σ-Δ ADC,可以更好地说明滤波器建立时间影响。数字滤波器的建立时间会严重影响多个输入通道循环转换的速率,因为要保持各通道的结果独立。
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图7.单一ADC输入、sinc5和五个转换输出周期。
为什么要等待完全建立时间之后才能给出独立结果?让我们看看采用单一输入源的单通道ADC的数字滤波。来自Σ-Δ ADC调制器的数据以FMOD的速率传送到数字滤波器(如图5所示),每个样本都通过移动平均滤波器。根据阶数和类型样式不同,滤波器在转换期间(由滤波器抽取率设置)内以不同方式衡量各样本,如图7所示。输入样本0和随后的样本是由调制器时钟单一周期分开的调制器在其每个时钟周期的离散输出结果。y轴表示数字滤波器衡量各样本而给出的权重比例。此权重的形状就是低通数字滤波器的时域表示。这种情况下的输出数据速率为250 kHz (8 MHz/32 = FMOD/抽取率)。数据就绪信号(各种颜色的竖直虚线)之间的时间为4 μs。ADC采用sinc5 + sinc1滤波器和32倍抽取率运行。在定义滤波器输出为的调制器的模拟输入时中,所有五个转换输出都有一定的重叠,因此,没有输出是各自独立的。对于单一ADC输入,各转换结果共享调制器模拟输入,但滤波器以不同方式权重衡量各调制器输出。
对于多路复用输入情况,用来产生各转换输出的调制器产生的每个转换数据对各通道必须是独立的。必须经过滤波器的完全建立时间之后,多路复用器才能从一个模拟输入通道切换到另一个模拟输入通道。以sinc3型滤波器为例,使用32倍抽取率,一次转换的滤波器建立时间如图8(a)所示。一旦滤波器完全建立,数据输出便是先前96个调制器输出的加权平均值。这相当于12 μs或三个周期的ADC输出数据速率。
图8(b)显示了多路复用情况的前三个样本,ADC输出的各样本均已完全建立。在任何样本之间,调制器输出都没有重叠。DRDY(竖直线)之间的时间所指示的复用速率由滤波器的建立时间决定。此速率在数据手册和性能曲线中常常是作为完全建立数据速率来描述。
对于sincP滤波器,滤波器的建立时间为滤波器阶数P乘以1/ODR。对于以250 kHz ODR运行的sinc3滤波器,其建立时间为3 × 1/250 kHz = 12 μs。作为比较,若使用sinc5滤波器,ODR同为250 kHz,则建立时间为5 × (1/2 50 kHz) = 20 μs。
合适近似的通道切换速率为ODR除以滤波器阶数,也就是ODR/3(对于sinc3滤波器)或ODR/5(对于sinc5滤波器)。对于直接sinc滤波器,这是很显然的。对于sinc5 + sinc1型滤波器,需要增加一个步骤。AD7175系列ADC允许选择不同样式类型的滤波器。下一部分将介绍不同类型滤波器之间的区别,并提供一个例子来说明如何计算各种情况下的建立时间。
现在看看多路复用情况下的建立时间。在过程控制和工厂自动化中,的典型的模拟输入模块会有一个前端级调理,用以将±10 V输入调整到AD7175-8的输入范围内。然后,
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