Σ-Δ ADC數字濾波器類(lèi)型

您有沒(méi)有想過(guò)Σ-Δ模數轉換器(ADC)如何才能在不同帶寬下獲得如此高的分辨率?秘訣就在于數字濾波器。Σ-Δ ADC之所以與其他類(lèi)型的數據轉換器不同，是因為它們通常集成數字濾波器。本系列博文分為三部分，我將在此第一部分中討論數字濾波器的用途，以及常用于Σ-Δ ADC的一些數字濾波器。

要想理解數字濾波器在Σ-Δ模數轉換中如此重要的原因，關(guān)鍵的一點(diǎn)是需要對Σ-Δ調制器有一個(gè)基本了解。Joseph Wu寫(xiě)了一篇非常有用的博文：模擬精密技術(shù)雜談，文中解釋了模擬輸入信號轉變成數字比特流的過(guò)程。

當您在Σ-Δ調制器中繪制量化噪聲的頻譜時(shí)，您將發(fā)現頻率越高時(shí)量化噪聲越密集。這是Σ-Δ ADC為眾人所知的臭名昭著(zhù)的噪聲整形。為了降低量化噪聲，您可以將調制器輸出至低通濾波器。

圖1所示為在被稱(chēng)為sinc濾波器的Σ-Δ模數轉換器中發(fā)現的，通過(guò)常見(jiàn)的低通數字濾波器響應繪制的量化噪聲圖(它的名字源于其sin(x)/ x頻率響應)。

圖1：Σ-Δ量化噪聲和Sinc低通濾波器的頻譜

雖然Sinc濾波器極為常見(jiàn)，但它并非Σ-Δ ADC相關(guān)的唯一一種數字低通濾波器。例如，有些ADC(如ADS1220)會(huì )增加一個(gè)額外的50Hz / 60Hz陷波濾波器，用于具有大量電力線(xiàn)干擾的應用。從另一方面講，ADS127L01具有用于更高頻率應用的寬帶帶通數字濾波器。

正如我的同事Ryan Andrews在其關(guān)于抗混疊濾波器的博文中解釋道，Σ-Δ ADC中的數字濾波器還具有另外一項抽取功能。這些濾波器以相對低很多的速率(fDR)通過(guò)采樣率(OSR)因子，抽取調制器采樣頻率和輸出數據。確定數字濾波器的輸出帶寬需要綜合OSR和濾波器類(lèi)型。較大的過(guò)采樣率會(huì )產(chǎn)生較小的濾波器帶寬，從而轉化為極好的隔音性能，簡(jiǎn)化抗混疊前端，并降低主機控制器的接口速度。

大多數數字濾波器具有有限脈沖響應(FIR)。這些濾波器本質(zhì)上是穩定的，并且易于通過(guò)線(xiàn)性相位響應進(jìn)行設計。讓我們來(lái)對比Σ-Δ ADC中的兩種FIR濾波器。第一種是ADS127L01中的寬帶濾波器。第二種是一個(gè)典型的三階正弦響應濾波器，或sinc3。圖2和圖3并排繪制這些響應。

圖2：寬帶濾波器的頻率響應

圖3：Sinc3的頻率響應

您很快就可以清楚地了解在交流(AC)測量應用中使用寬帶濾波器的優(yōu)點(diǎn)。數據率(fDR/2)的奈奎斯特帶寬之前的、近0 dB的增益確保了在通帶頻率上不會(huì )出現信號功率損耗。急劇升降的過(guò)渡帶限制了混疊。另一方面，sinc3濾波器通過(guò)0.262 x fDR及fDR/2之后的緩慢過(guò)渡，將信號衰減至-3dB，這樣會(huì )將更多的帶外噪聲疊入相關(guān)的帶寬。表面上看，寬帶FIR濾波器將是任何應用的理想選擇;然而，要想獲得這一出色的頻域性能需要付出代價(jià)。

寬帶濾波器和sinc濾波器之間的權衡在于時(shí)域。寬帶濾波器是一個(gè)非常高階的濾波器，這意味著(zhù)它在收到一個(gè)階躍輸入后，需要花費很長(cháng)時(shí)間才能得出一個(gè)最終值。在A(yíng)DS127L01的寬帶濾波器中，您將不得不等待84次轉換才能收到一個(gè)固定輸出。輸入處出現一次階躍后，sinc3濾波器會(huì )通過(guò)三次轉換固定下來(lái)，讓您通過(guò)多個(gè)傳感器進(jìn)行循環(huán)。所有FIR濾波器都需要在頻率響應和延遲之間進(jìn)行權衡。

在我的下一篇博文中(將在幾周內推出)，我將揭秘sinc濾波器的幕后故事，包括決定sinc濾波器中穩定時(shí)間的因素，以及如何更改其中一些內容，以拒絕其它相關(guān)的頻率。與此同時(shí)，您可訂閱模擬精密技術(shù)雜談，當我的下面兩篇文章發(fā)表之后，您就可以接收到通知了。