Den Delta-Sigma-ADC verstehen

The Future of Robocraft (Juli 2019).

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Anonim

Den Delta-Sigma-ADC verstehen


Erfahren Sie mehr über den Delta-Sigma ADC (Analog-Digital-Wandler), der auf Oversampling und Rauschformung basiert, um hochauflösende Konvertierungen zu erzielen.

ADCs können entweder als Nyquist-Rate- oder als überabgetastete Konverter bezeichnet werden. In meinem vorherigen Artikel Entschlüsselungsauflösung und Abtastrate habe ich erklärt, wie Sampling in der Nyquist-Rate-Familie von Konvertern funktioniert und eines der Schlüsselkonzepte, auf die sich dieser Konvertertyp stützt, das Nyquist-Kriterium.

Der Delta-Sigma-ADC funktioniert etwas anders als der Nyquist-Rate-ADC. Es beruht auf Oversampling und Noise Shaping, um Konvertierungen mit hoher Auflösung zu erreichen.

Mein vorheriger Artikel, Das ADC mit dem sukzessiven Approximationsregister verstehen, demonstriert eine Schwäche dieser Nyquist-Rate-Architektur: Ihre Genauigkeit und Linearität und damit ihre maximale effektive Auflösung sind durch die Unzulänglichkeiten analoger Komponenten wie dem DAC begrenzt.

Die überabgetastete Wandlerfamilie, zu der der Delta-Sigma-ADC gehört, zielt darauf ab, die Beschränkungen von Nyquist-Ratenwandlern zu überwinden. Der Delta-Sigma-ADC besteht aus einem Modulator, einem Filter und einem Dezimator, wie unten gezeigt. Delta-Sigma-ADCs sind zu etwa 75% digital.

Durch das Einführen komplexerer digitaler Schaltungen und das Überabtasten der Daten versuchen sie, die Anforderungen an genaue analoge Komponenten zu reduzieren, die als limitierender Faktor in anderen ADC-Architekturen angesehen werden können.

Überabtastung

Um das Konzept des Oversampling zu verstehen, ist eine Analyse im Frequenzbereich erforderlich.

Wenn wir das Beispiel einer Sinuswelle am Eingang des Datenkonverters betrachten, wird gemäß dem Nyquist-Kriterium die minimale Abtastfrequenz als die doppelte Bandbreite des Signals definiert.

Dieses Rauschen ist als Quantisierungsrauschen (PDF) bekannt und beruht auf der Tatsache, dass die Abtastwerte der kontinuierlichen Sinuswelle nur eine endliche Anzahl von diskreten Zuständen annehmen können, die durch die Auflösung des ADC bestimmt wird. Dieser zufällige Quantisierungsfehler existiert innerhalb des Nyquist-Bandes, das bis zu Fs / 2 reicht und kann beschrieben werden als:

Der SQNR verbessert sich um 6 dB, wenn wir die Abtastrate um einen Faktor 4 erhöhen. Mit anderen Worten, jedes Mal, wenn wir die Abtastrate vervierfachen, erhalten wir das Äquivalent, 1 Bit zur Auflösung des ADC hinzuzufügen. Um eine 12-Bit-Auflösung zu erreichen, muss die Eingabe mit Oversampling allein um den Faktor 4 überabgetastet werden . Oder, allgemeiner gesagt, für eine N-Bit-Zunahme der Auflösung müssen wir einen Faktor 2 2N überabtasten .

Glücklicherweise wird eine andere Technik verwendet, die als Rauschformung bekannt ist, um eine Verstärkung von mehr als 6 dB zu ermöglichen.

Geräuschgestaltung

Das Blockdiagramm eines Delta-Sigma-Modulators erster Ordnung ist unten gezeigt. Dieser besteht aus einem Differenzverstärker, einem Integrator, einem Komparator und einem Schalter. Der Schalter oder 1-Bit-DAC schaltet eine negative oder positive Referenzspannung in den negativen Eingang des Verstärkers.

Wenn bei dieser Architektur das Eingangssignal zugenommen hat, erzeugt der 1-Bit-ADC, der einfach ein Komparator ist, eine Eins. Wenn es abgenommen hat, erzeugt es eine Null. Somit überträgt der Delta-Sigma-Modulator die Änderungen oder den Gradienten eines Eingangssignals.

Wie beim Oversampling wird die Rauschformung am besten im Frequenzbereich erläutert. Ein Frequenzbereichmodell des Modulators ist nachstehend gezeigt:

Der Integrator in dieser Architektur wirkt als ein Tiefpassfilter für das Eingangssignal. Quantisierungsrauschen wird dem Signalausgang dieses Filters aufgrund des 1-Bit-Umwandlungsprozesses hinzugefügt. Der Ausgang des Modulators kann unter Verwendung der nachstehenden Gleichung dargestellt werden.

Delta-Sigma-ADCs höherer Ordnung mit mehr als einer Stufe der Integration und Summierung in dem Modulator können verwendet werden, um eine weitere Rauschformung zu erreichen.

Digitale Filterung und Dezimierung

Der Delta-Sigma-Modulator drückt das Rauschen zu höheren Frequenzen, um die Auflösung des ADC zu erhöhen, und führt die Umwandlung der analogen Eingabe in einen Bitstrom durch. Die digitale Filter- und Dezimationsstufe dient dazu, das hochfrequente Rauschen herauszufiltern und die Datenrate auf eine nutzbare Menge zu reduzieren.

Der verwendete Filter ist meistens eine Art von Mittelungsfilter, der als Sinc-Filter bekannt ist. Da das Rauschen auf hohe Frequenzen gedrückt wurde, wirkt die Tiefpassfilterantwort so, dass das Quantisierungsrauschen gedämpft wird. Somit wurde eine hochauflösende Version des ursprünglichen Signals erhalten.

Die Ausgangsdatenrate des Filters ist dieselbe wie die Abtastrate (Fs). Der Filter hat die Frequenzbandbreite des Signals reduziert. Als solche und gemäß dem Nyquist-Kriterium enthalten die meisten Proben keine nützliche Information.

Dezimierung ist der Prozess des Verwerfens der unnötigen Abtastwerte und wird als ein Mechanismus zum Reduzieren der Datenrate auf einen nutzbaren Wert verwendet, während die Information gemäß dem Nyquist-Kriterium beibehalten wird.

Der Delta-Sigma-ADC hat zwei Abtastraten, die Eingangsabtastrate (Fs) und die Ausgangsdatenrate (Fd). Das Verhältnis von Fs zu Fd ist als Dezimierungsverhältnis (DR) bekannt. Durch Verringern des Durchlassbereichs des Filters und Erhöhen des DR, während dasselbe Fs beibehalten wird, kann die effektive Anzahl von Bits (ENOB) für einen Delta-Sigma-ADC erhöht werden. Ebenso kann die Bandbreite des ADC auf Kosten von ENOB erhöht werden.

Zusammenfassung

Stärken des Delta-Sigma-ADC

  • Auflösung weniger abhängig von analogen Komponenten
  • Extrem hohe Auflösung erreichbar

Schwächen des Delta-Sigma-ADC

  • Niedrige Abtastraten für hohe Auflösungen

Anwendungen des Delta-Sigma-ADC

Delta-Sigma ADCs bieten eine sehr hohe Auflösung mit einem ENOB von 20-24 Bit. Dies macht sie zu einer guten Wahl für präzise industrielle Messanwendungen, Thermoelement-Temperaturmessung und Sprachbandanwendungen.