高精度Sigma-Delta ADC：设计与性能分析

这篇文档主要介绍了信号降采样与降采样滤波器在NI-XNET数据配置中的应用，以及Σ-Δ模数转换器（Σ-Δ ADC）在高精度模数转换系统中的研究与设计。 在信号处理领域，降采样是一种减少数据量的技术，用于处理大量冗余的数字信号。当模拟信号x(t)按照奈奎斯特定理以采样率￡被采样后，得到数字信号x(n)，若需要进一步降低采样率至M:1，即使用M倍的降采样率，新的采样频率变为￡l=￡／M。为避免混叠失真，原始信号x(t)必须是带限的，其数字频谱x(ω)需满足频率限制条件。在降采样过程中，使用数字低通滤波器滤除高频分量，以确保信号的频谱限制在允许范围内。滤波器的单位脉冲响应h(n)与输入信号x(n)的卷积生成输出w(n)，然后每隔M个点取一个样点形成最终的y(m)。 Σ-Δ ADC是一种广泛应用于高精度和低功耗模数转换器的架构。它通过过采样、噪声整形和数字滤波技术，降低了对模拟电路的复杂度要求，能够实现高精度和低功耗。然而，这种ADC通常难以实现高速性能。吴笑峰的博士学位论文探讨了如何克服这一挑战，提出了包括系统指标分析、模拟调制器设计和数字滤波器在内的综合设计方法。 在Σ-Δ ADC系统中，关键性能指标包括信噪比、动态范围、积分非线性和微分非线性等。论文详细阐述了这些指标，并使用Matlab软件进行建模和仿真，以确定调制器的阶数、前馈因子、反馈因子和积分器增益因子。在模拟调制器设计阶段，考虑了各种非理想因素的影响，如运放的有限直流增益、带宽和摆率限制、输出摆幅限制等，并提出了解决方案。 论文设计的Σ-Δ ADC采用2阶单环多位结构，通过优化前馈和反馈系数提高精度。为了降低量化噪声，选择了4位量化器。此外，通过采用新型时钟馈通补偿技术和自举开关，降低了采样开关非线性引起的失真，增强了系统的动态性能。运放的高增益对于实现高精度Σ-Δ ADC至关重要，因此设计采用了两级运算放大器结构，以确保足够的增益和良好的共模反馈电路。 本文档涵盖了信号降采样技术及其滤波器设计，以及Σ-Δ ADC的理论和实现方法，为理解和优化这类系统提供了深入的见解。