Σ-Δ ADC工作原理详解：过采样与噪声成形

及一个1位数字输出。其工作过程如下：输入模拟信号经过差分放大器后，进入积分器。积分器的作用是将输入的模拟电压转换为斜坡电压，这个斜坡电压随着时间逐渐积累。当斜坡电压达到某个阈值时，比较器将其与1位DAC（数字到模拟转换器）产生的固定电压进行比较。如果输入电压高于DAC输出，比较器翻转，输出为1；否则，输出为0。这个1位数字输出就是所谓的“1bit ADC”。 1bit ADC的输出速率非常高，远超过奈奎斯特定理要求的最小采样率，这就是过采样。过采样的目的是将量化噪声分散到更宽的频带，而不是集中在低频部分。随后，这个高速1bit数字流会通过数字滤波器，数字滤波器可以是低通滤波器，其作用是去除高频噪声，并将1bit数据转换成多比特的离散值，这个过程被称为“噪声成形”。噪声成形将大部分量化噪声转移到远离信号的高频区域，使得在感兴趣的频带内噪声显著降低。 3．数字滤波与抽取 在过采样和噪声成形之后，数字滤波器（通常是IIR或FIR滤波器）对1bit数据流进行处理，以减少噪声并平滑输出。数字滤波器的设计至关重要，因为它决定了转换器的最终性能。滤波器通常设计为低通滤波器，以抑制高频噪声，同时保持低频信号的精度。 接下来是“抽取”步骤，即降低采样率。抽取是通过保留每M个采样中的一个采样来实现的，这个M被称为抽取因子。抽取不仅降低了输出数据速率，而且进一步减少了噪声。通过适当的数字滤波和抽取，Σ-Δ ADC能够实现高分辨率的转换效果，即使其内部ADC只有1位分辨率。 4．Σ-Δ ADC的优点与应用 Σ-Δ ADC由于其独特的过采样、噪声成形和数字滤波机制，具有以下优点： - 高动态范围：即使使用低分辨率的1bit ADC，也能实现高精度转换。 - 低成本：由于其主要的模拟部分相对简单，数字处理部分可以采用成熟的CMOS工艺，降低了制造成本。 - 良好的抗干扰能力：噪声被移至高频，远离有用信号，提高了系统的抗干扰性。 - 易于集成：由于其数字特性，Σ-Δ ADC容易与数字信号处理器（DSP）和其他数字电路集成。 因此，Σ-Δ ADC广泛应用于音频系统、医疗设备、工业自动化、通信和测量等领域，特别是在需要高分辨率、低噪声以及成本效益高的场合。 总结，Σ-Δ ADC的工作原理主要包括过采样、噪声成形、数字滤波和抽取四个关键步骤。通过这些技术，Σ-Δ ADC能够在不显著增加硬件复杂度和成本的情况下，提供高性能的模数转换解决方案。