小模擬信號的高24位的精確度測量

一個(gè)量程10千克的秤若能分辨出1克的重量變化，那么這個(gè)秤的主要組件常常是增量累加模數轉換器。設計師需要溫度測量的精確度達到0.01度時(shí)，增量累加ADC也常常成為首選方案。增量累加ADC還能夠取代那些前面加有一個(gè)增益級的傳統型逐次逼近寄存器ADC。由于這些數據轉換器非常適用于量度真實(shí)世界的微小變化，所以溫度傳感器、天平、換能器、流量計等精密儀器以及無(wú)數其他類(lèi)型的傳感器都非常適合采用增量累加ADC。

　　增量累加ADC表面上看起來(lái)也許很復雜，但實(shí)際上它是由一系列簡(jiǎn)單的部件所構成的精確數據轉換器。增量累加ADC由兩個(gè)主要構件組成：執行模數轉換的增量累加調制器和數字低通濾波器/抽取電路。增量累加調制器的基本構件（集成運算放大器、求和節點(diǎn)、比較器/1 位ADC和1位DAC）如圖1所示。調制器的充電平衡電路強制比較器的數字輸出位流來(lái)代表平均模擬輸入信號。在把比較器輸出回送至調制器的1位DAC的同時(shí)，還利用一個(gè)低通數字濾波器對其進(jìn)行處理。這個(gè)濾波器主要計算0和1的數量，并去掉大量噪聲，從而實(shí)現高達24位的數據轉換器。

圖 1：增量累加 ADC 由執行模數轉換的增量累加調制器及其后的數字濾波器和抽取器組成

analog：模擬
integrator：積分器
comparator：比較器
1-bit ADC：1 位 ADC
digital filter：數字濾波器
decimator：抽取器
digital output：數字輸出
1-bit DAC：1 位 DAC
1-bit data stream：1位數據流
delta sigma modulator：增量累加調制器
　　實(shí)現更多位數分辨率的一個(gè)主要障礙是噪聲。對于那些試圖從熱電偶、傳感器或其他低電平信號源來(lái)辨別微伏（μV）級變化的設計師來(lái)說(shuō)，噪聲將會(huì )是一個(gè)主要的問(wèn)題。噪聲層由所有不想要的外部和調制器周?chē)脑肼曉串a(chǎn)生的噪聲總和組成。而且噪聲層越厚，檢測你試圖測試的模擬輸入信號的真實(shí)變化就越難。

　　過(guò)采樣、噪聲成形、數字濾波和抽取是增量累加轉換器用來(lái)降低噪聲并產(chǎn)生高分辨率輸出數據的4種重要方法。假定以頻率fS對一個(gè)數據轉換器的輸入信號采樣，根據數據的奈奎斯特定理 (Nyquist theorem)，fS 必須至少是輸入頻率的2倍（fIN＝fS/2）。過(guò)采樣是以高于輸入信號頻率兩倍的頻率對輸入信號采樣。一個(gè)較大的過(guò)采樣比（k）將產(chǎn)生一個(gè)更加充分的數字位流表示。組成位流的 “1” 或 “0” 越多，輸入信號的數字近似就越好。圖2顯示了以采樣率k x fS/2進(jìn)行的過(guò)采樣怎樣讓調制器將相同數量的噪聲擴展到更寬的頻率范圍上。這極大地縮小了在所關(guān)注頻帶中的噪聲層。過(guò)采樣率每增加2倍，理想的信噪比（SNR）就提高3dB。較大的SNR意味著(zhù)增量累加轉換器可以更好地分辨模擬輸入中更小的變化。

圖 2：過(guò)采樣縮小了所關(guān)注頻帶中的噪聲層

Power：功率
noise floor after oversampling：過(guò)采樣后的噪聲層
orignal noise floor：最初的噪聲層
frequency：頻率
oversampling ratio：過(guò)采樣率
　　通過(guò)用調制器控制環(huán)路中的積分器進(jìn)行噪聲成形，增量累加轉換器可以準確地測量模擬輸入。積分器的噪聲成形過(guò)程是，將更多噪聲強制推移到更高頻率上，如圖3所示。然后，數字低通濾波器去除噪聲的高頻部分，這極大地改善了SNR。數字濾波器還可以用來(lái)極大地降低在50Hz、60Hz或其它不想要的頻率噪聲。

圖 3：積分器將噪聲強制推移到更高的頻率上