解析信號第3部分：Delta-Sigma adc中的噪聲介紹

本系列文章共12篇，主要討論delta-sigma-adc中噪聲的影響。第3部分將第1部分和第2部分中提供的理論信息引入到實(shí)際設計示例中。

解析信號第 1 部分：Δ-Σ ADC 中的噪聲簡(jiǎn)介
解析信號第2部分：Delta-Sigma adc中的噪聲介紹

兩者兼而有之第一部分和第二部分在本系列文章中，我詳細探討了模數轉換器（ADC）的噪聲性能，從其特性和來(lái)源到如何測量和指定。在本系列的第3部分中，我將把第1部分和第2部分中的理論理解應用到實(shí)際的設計示例中。最終，我們的目標是為您提供回答“我真正需要什么樣的噪聲性能？”這一問(wèn)題所需的知識，使您能夠輕松自信地為下一個(gè)應用程序選擇ADC。

我將從定義應用程序的系統規范開(kāi)始，將這些規范轉換為目標噪聲性能參數，并使用這些信息來(lái)比較潛在的adc。作為一個(gè)例子，讓我們分析一個(gè)使用四線(xiàn)電阻電橋的稱(chēng)重應用程序，如圖1所示。

圖1典型的四線(xiàn)電阻電橋

對于系統規格，假設一個(gè)靈敏度為2mV/V、激勵電壓為2.5V的電橋，您希望以每秒5個(gè)采樣（SPS）的速度采樣。這提供了5mV的最大輸出電壓，對應于1kg的最大施加重量。我們還假設您希望能夠解析最小應用重量50mg。表1總結了這些參數。

現在您已經(jīng)有了系統規范，讓我們將它們轉換成常見(jiàn)的噪聲參數，以幫助選擇最佳的ADC。

在本系列的第2部分中，我強烈建議使用輸入參考噪聲來(lái)定義系統噪聲參數并選擇ADC。但是讓我們從使用無(wú)噪聲計數和無(wú)噪聲分辨率的更常見(jiàn)的方法開(kāi)始。然后您可以將此方法與直接使用輸入參考噪聲進(jìn)行比較。方程1和2計算初始噪聲參數：

方程式1

方程式2

由于所需的無(wú)噪聲分辨率為14.3位，您可能會(huì )很快得出結論，您只需要16位ADC。然而，正如我在第2部分中所解釋的，高分辨率delta-sigma ADC實(shí)際上可以提供的無(wú)噪聲分辨率取決于A(yíng)DC全刻度范圍的利用率百分比。在本例中，系統使用2.5V參考電壓，最大輸入信號是勵磁電壓（2.5V）和電橋靈敏度（2mV/V）的乘積。方程3使用第2部分中的方程式2顯示了預期的分辨率損失：

方程式3

這是一個(gè)戲劇性的結果。因為你只使用0.1%的可用滿(mǎn)標度范圍，你將失去幾乎10位的分辨率。在這個(gè)級別上，即使是24位ADC也不足以滿(mǎn)足系統要求。要解決這個(gè)問(wèn)題，您需要通過(guò)更改系統規格或放大輸入信號來(lái)提高利用率百分比。假設你幾乎無(wú)法控制系統所需的東西，你就只能獲得輸入，這個(gè)動(dòng)作絕對改變了信號鏈的噪聲性能。

幸運的是，您可以繼續分析，而不需要詳細了解放大器噪聲如何影響系統性能。相反，您可以使用現有的知識來(lái)分析帶有集成可編程增益放大器（PGA）的ADC的數據表噪聲表，以確定它是否滿(mǎn)足系統要求。

例如，圖2顯示了24位的有效和無(wú)噪聲分辨率表ADS124S08最多50SPS，目標數據速率突出顯示。請注意，ADS124S08包括從1V/V到128V/V的增益。

圖2.ADS124S08有效分辨率（無(wú)噪聲分辨率）

AVDD=3.3V、AVSS=0V、PGA啟用、全局斬波禁用和內部2.5V參考電壓下的Sinc3濾波器。

要確定此ADC是否滿(mǎn)足您的要求，您需要分別重新計算每個(gè)增益設置的預期分辨率損失，因為每種設置都會(huì )產(chǎn)生不同的利用率百分比。然后，您需要將其添加到圖2中報告的每個(gè)對應的無(wú)噪聲分辨率值中，以查看它是否符合系統規范。表2列出了以5SPS數據速率使用ADS124S08計算的系統無(wú)噪聲分辨率。

表2告訴您，使用5SPS的32、64或128V/V的增益，您只能達到所需的14.3位系統無(wú)噪聲分辨率。圖3在數據表噪聲表的上下文中突出顯示了這些值。

圖3.以5SPS數據速率使用ADS124S08時(shí)，增益設置滿(mǎn)足系統要求

圖3的一個(gè)要點(diǎn)是，沒(méi)有簡(jiǎn)單的方法可以將數據表中的值與系統噪聲參數關(guān)聯(lián)起來(lái)，而不需要多次計算。雖然在計算結果后這可能與現在無(wú)關(guān)，但是如果系統規格突然改變了呢？

假設您決定將勵磁（參考）電壓從2.5V增加到5V。你還將把電橋靈敏度提高到20mV/V（這意味著(zhù)你不能使用最高增益設置，因為這會(huì )超過(guò)ADC的范圍）。你正在探索以20ps采樣而不是5SPS采樣。這些變化如何影響您的ADC噪聲分析？

要確定答案，您必須計算在新的數據速率和參考電壓下每個(gè)增益設置的新分辨率損失。此外，您必須根據5V參考電壓重新創(chuàng )建圖2中的表，因為該表的計算使用的是2.5V的參考電壓。最后，您必須重新創(chuàng )建表2，從使用5V參考電壓創(chuàng )建的無(wú)噪聲分辨率表中減去計算的分辨率損耗。

誠然，這是大量的工作，是無(wú)噪聲分辨率作為一個(gè)相對參數的直接結果?，F在讓我們切換到使用絕對噪聲參數，如第2部分中所建議的，看看分析是如何變化的。

與無(wú)噪聲分辨率一樣，您只需知道一些系統規范即可確定橋所需的輸入參考噪聲。你需要知道它的最大輸出信號，5毫伏。你還需要知道這個(gè)最大信號對應的重量，也就是1kg。最后，你需要知道你的最小應用重量，50毫克。利用這幾位信息，您可以使用方程式4來(lái)確定您的ADC需要能夠解析250nV的峰間信號：

方程式4

使用輸入引用噪聲的好處之一是您不必擔心計算分辨率損失。相反，您可以直接將計算值與ADC的輸入參考噪聲表進(jìn)行比較，以確定哪種設置組合提供的噪聲性能相等或更低。

圖4是ADS124S08輸入參考噪聲表的節略版本。我已經(jīng)強調了增益和數據速率設置的任何組合≤輸入參考噪聲為250nVPP。

提供數據速率和增益組合≤使用ADS124S08的250nVPP

注：表中的值以“噪聲μVRMS（μVPP）”的形式給出，使用2.5V參考電壓）

如果將圖4中的結果與圖3中使用無(wú)噪聲分辨率的分析進(jìn)行比較，您將看到圖4提供了滿(mǎn)足系統要求的整個(gè)ADS124S08設置范圍。圖3只提供了所選數據速率下的值，并且要求您針對不同的數據速率執行新的計算，這使得這種方法對系統規范更改的適應性降低。

現在假設您已將最大施加重量增加至5kg，最小施加重量增加至500mg，并將電橋的最大輸出信號保持在5mV，如等式5所示：

式5

通過(guò)快速計算，您可以確定您的系統噪聲要求已放寬到500nVPP，這使您可以使用更多的數據速率和增益組合。圖5演示了這些寬松的系統規范允許您更快地采樣（最高20SPS）或降低增益（降低到4V/V），同時(shí)仍然達到必要的噪聲性能。

圖5.數據速率和增益組合提供≤使用ADS124S08的500nVPP

注：使用2.5V參考電壓，表值以“噪聲μVRMS（μVPP）”表示）

如果你的體重秤需要更高的分辨率呢？例如，您保留了5kg的最大應用重量要求，但從第一個(gè)示例返回到50mg最小重量。保持你的最大電橋輸出相同（5mV），你現在需要50nVPP的輸入參考噪聲，這是極低的?？纯磮D4或圖5，很明顯ADS124S08數據速率和增益設置的組合都不能提供這樣的性能水平。但是，由于您可以輕松地對任何ADC執行相同的分析，所以只需選擇一個(gè)噪聲性能更好的ADC。

圖6顯示了ADS1262，一個(gè)32位ADC，其功能類(lèi)似于A(yíng)DS124S08，但提供了更好的噪聲性能。綠色陰影表示提供的數據速率和噪波組合≤50nVPP輸入參考噪聲，并確認ADS1262可以滿(mǎn)足您系統新的分辨率要求。

圖6.數據速率和增益組合提供≤50內華達第頁(yè)使用ADS1262

注：表中的值表示為“噪聲μV有效值（微伏）第頁(yè))“使用2.5V參考電壓

為了便于討論，讓我們將輸入引用的噪聲結果與相對參數進(jìn)行比較。圖7突出顯示了ADS1262在相同的數據速率和增益配置下的無(wú)噪聲分辨率性能，如圖6所示。

與有效噪聲相關(guān)的自由分辨率（7）≤50內華達第頁(yè)使用AD12626和5V參考電壓

在第2部分中，我指出許多工程師不必要地關(guān)注最大化他們的無(wú)噪聲分辨率（動(dòng)態(tài)范圍）。讓我們通過(guò)計算系統所需5SPS數據速率下最大高亮顯示值計算系統的無(wú)噪聲分辨率來(lái)檢查這一點(diǎn)。在圖7中，該值為23.5位，使用Sinc4濾波器可獲得16V/V的增益。

請記住，在圖7的標題中，表計算使用的是5V參考電壓，而不是系統指定的2.5V參考電壓。為了補償這種差異，圖6中給出的每個(gè)分辨率值必須減少一位。這意味著(zhù)，在給定的條件下，您最多只能期望22.5位的無(wú)噪聲分辨率?，F在，您可以在這些設置下計算ADS1262的預期分辨率損失。

使用等式6的結果，使用32位ADC時(shí)，系統無(wú)噪聲分辨率僅為16.5位。

式6

對許多人來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)令人沮喪的結果，似乎證實(shí)了你是在為ADC實(shí)際上無(wú)法提供的性能付費。但是，如果您查看圖6中的相同設置，您將看到您實(shí)際上在給定條件下利用了48nVPP噪聲。這是一個(gè)難以置信的小值，沒(méi)有16位ADC和極少數24位ADC可以提供。

歸根結底，這就是我要說(shuō)的。您需要這樣一個(gè)高分辨率的ADC來(lái)實(shí)現16.5位的無(wú)噪聲分辨率（動(dòng)態(tài)范圍），因為系統要求極低的噪聲性能。這就是為什么定義系統性能和使用輸入參考噪聲選擇adc是有意義的。

在“解析信號”系列的下一期中，我將詳細討論有效的噪聲帶寬，并深入研究一些主題，包括如何確定進(jìn)入系統的噪聲量以及限制噪聲帶寬的方法。