A Delta-Sigma ADC megértése

Sigma Delta ADC (Július 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

A Delta-Sigma ADC megértése


Tudjon meg többet a Delta-Sigma ADC (analóg-digitális átalakító), amely túlmintavételezésre és zajkialakításra támaszkodik a nagy felbontású konverziók elérése érdekében.

Az ADC-k Nyquist-sebességnek vagy túlfényképezett konverternek tekinthetők. Az előző cikkemben, a Megfejtés felbontása és a mintavételi ütemben elmagyaráztam, hogyan működik a mintavétel a konverterek Nyquist-aránycsaládjában, és ez az átalakító egyik alapfogalma, a Nyquist-kritérium.

A Delta-Sigma ADC kicsit másképp működik, mint a Nyquist-sebességű ADC. A nagy felbontású konverziók elérése érdekében a túlmintavételre és a zajalakításra támaszkodik.

Az ADC egymást követő közelítő nyilvántartásának megértése a Nyquist-fokozatú architektúra gyengeségét mutatja: pontosságát és linearitását, így maximálisan hatékony felbontását az analóg komponensek, például a DAC hiányosságai korlátozzák.

A konverterek túlméretezett családja, amelyhez tartozik a Delta-Sigma ADC, célja, hogy legyőzze a Nyquist-frekvenciaváltók korlátait. A Delta-Sigma ADC egy modulátorból, egy szűrőből és egy decimátorból áll, az alábbiak szerint. A Delta-Sigma ADC körülbelül 75% digitális.

Bonyolultabb digitális áramkörök bevezetésével és az adatok túlminősítésével megkísérlik csökkenteni a pontos analóg összetevőkre vonatkozó követelményeket, amelyek a többi ADC-architektúra korlátozó tényezőjének tekinthetők.

túlmintavételezésre

A túlmintavétel fogalmának megértése érdekében a frekvenciatartományban elemzésre van szükség.

Ha a szinuszhullám mintáját az adatátalakító bemenetére tekintjük, a Nyquist kritérium szerint a minimális mintavételi frekvencia a jel sávszélességének kétszerese.

Ez a zaj kvantálási zaj (PDF) néven ismert, és annak oka, hogy a folyamatos bemeneti szinuszhullám mintái csak az ADC felbontásával meghatározott véges számú diszkrét állapotot vehetnek fel. Ez a véletlenszerű kvantálási hiba az Fs / 2-ig terjedő Nyquist sávon belül létezik, és leírható:

Az SQNR 6 dB-vel javul, ha a mintavételi sebességet 4-szeresére növeljük. Más szóval, minden alkalommal, amikor megnégyszerezzük a mintavételezési sebességet, akkor kapjuk meg az egyenértéket, ha 1 bitet adunk az ADC felbontásához. A túlmintavétel önmagában, a 12 bites felbontás elérése érdekében a bemenetet 411-es faktorral kell túlmértékelni. Vagy, általánosabban, az N-bites felbontás növelése esetén, a 2 2N tényezőt túl kell tölteni.

Szerencsére egy másik technikát használnak, mint a zajalakítás, amely 6 dB-nél nagyobb nyereséget tesz lehetővé.

Zajformálás

Az elsőrendű Delta-Sigma modulátor blokkdiagramja az alábbiakban látható. Ez egy különbségerősítőből, egy integrátorból, egy összehasonlítóból és egy kapcsolóból áll. A kapcsoló vagy az 1 bites DAC negatív vagy pozitív referenciafeszültséget kapcsol az erősítő negatív bemenetére.

Ebben az architektúrában, ha a bemeneti jel növekedett, az 1 bites ADC, amely egyszerűen egy összehasonlító, egyet generál. Ha csökken, akkor nulla értéket generál. Mint ilyen, a Delta-Sigma modulátor továbbítja a bemeneti jel változtatásait vagy gradiensét.

Mint a túlmintavétel, a zajalakítás a legjobban magyarázható a frekvenciatartományban. A modulátor frekvencia tartománymodellje az alábbi:

Az architektúra integrálója a bemeneti jel aluláteresztő szűrőjeként működik. Az 1 bites konverziós folyamat miatt kvantálási zaj kerül a szűrő kimeneti jelére. A modulátor kimenete az alábbi egyenlettel ábrázolható.

A magasabb rendű Delta-Sigma ADC-k, amelyek a modulátor több integrációjával és összegzésével rendelkeznek, további zajtformálásra használhatók fel.

Digitális szűrés és dekompozíció

A Delta-Sigma modulátor a hangot nagyobb frekvenciákra tolja, hogy növelje az ADC felbontását és elvégezze az analóg bemenet átalakítását egy bitfolyamra. A digitális szűrési és dekódolási fokozatot a nagyfrekvenciájú zaj kiszűrésére és az adatsebesség felhasználható mennyiségre való csökkentésére használják.

Az alkalmazott szűrő leggyakrabban egy olyan típusú átlagolási szűrő, amelyet sinc szűrőnek neveznek. Mivel a zaj nagy frekvenciákra tolódott, az aluláteresztő szűrő válasz a kvantálási zaj enyhítésére szolgál. Így megszerezték az eredeti jel nagyfelbontású változatát.

A szűrő kimeneti adatsebessége megegyezik a mintavételi sebességgel (Fs). A szűrő csökkentette a jel frekvenciasávszélességét. Mint ilyen, és a Nyquist-kritérium szerint a legtöbb minta nem tartalmaz hasznos információt.

A dekimálás a felesleges minták eldobásának folyamata, és olyan mechanizmusként szolgál, amely csökkenti az adatsebességet felhasználható értékre, miközben az információkat a Nyquist-kritériumnak megfelelően tartja.

A Delta-Sigma ADC két mintavételi sebességgel, a bemeneti mintavételi sebességgel (Fs) és a kimeneti adatsebességgel (Fd) rendelkezik. Az Fs és az Fd aránya Decimation Ratio (DR) néven ismert. A szűrő átmeneti sávjának csökkentésével és a DR növelésével, ugyanazokkal az Fs-ekkel fenntartva, a Delta-Sigma ADC-re vonatkozó effektív bitszám (ENOB) növelhető. Hasonlóképpen, az ADC sávszélessége növelhető az ENOB rovására.

összefoglalás

A Delta-Sigma ADC erősségei

  • A felbontás kevésbé függ az analóg komponensektől
  • Rendkívül nagy felbontású

A Delta-Sigma ADC gyengeségei

  • Alacsony mintavételi arány magas felbontás esetén

A Delta-Sigma ADC alkalmazása

A Delta-Sigma ADC-k nagy felbontást kínálnak ENOB 20-24 bit-en. Ez jó választás a precíziós ipari mérési alkalmazásokhoz, a hőelem hőmérséklet méréséhez és a hangalapú alkalmazásokhoz.