Delta-Sigma ADC

一种更先进的 ADC 技术是所谓的 delta-sigma 或 ΔΣ（使用正确的希腊字母表示法）。在数学和物理中，大写的希腊字母 delta (Δ) 代表差异 或改变 , 而大写字母 sigma (Σ) 代表求和 :将多个术语加在一起。有时，该转换器以相反的顺序用相同的希腊字母表示：sigma-delta 或 ΣΔ。

在 ΔΣ 转换器中，模拟输入电压信号连接到积分器的输入端，在对应于输入幅度的输出端产生电压变化率或斜率。然后通过比较器将此斜坡电压与地电位（0 伏）进行比较。

比较器充当一种 1 位 ADC，根据积分器输出是正还是负产生 1 位输出（“高”或“低”）。然后比较器的输出通过一个高频时钟的 D 型触发器锁存，并反馈 到积分器上的另一个输入通道，以在 0 伏输出方向上驱动积分器。基本电路如下所示：

示意图

最左边的运算放大器是（求和）积分器。积分器输入的下一个运算放大器是比较器或 1 位 ADC。接下来是 D 型触发器，它在每个时钟脉冲锁存比较器的输出，向电路顶部的下一个比较器发送“高”或“低”信号。

这个最后的比较器是将触发器的单极性0V/5V逻辑电平输出电压转换成+V/-V电压信号反馈给积分器所必需的。如果积分器输出为正，第一个比较器将输出一个“高”信号到触发器的D输入端。

在下一个时钟脉冲，这个“高”信号将从 Q 线输出到最后一个比较器的同相输入端。最后一个比较器看到输入电压大于 1/2 +V 的阈值电压，在正向饱和，向积分器的另一个输入发送一个完整的 +V 信号。

该 +V 反馈信号趋向于在负方向上驱动积分器输出。如果该输出电压变为负值，则反馈回路会将校正信号 (-V) 发送回积分器的顶部输入端，以将其驱动为正方向。

这是实际中的 delta-sigma 概念：第一个比较器感知差异 (Δ) 积分器输出和零伏之间。积分器求和 (Σ) 比较器的输出与模拟输入信号。

从功能上讲，这会导致触发器输出串行位流。如果模拟输入为零伏，积分器将不会有斜坡上升趋势，除非响应反馈电压。

在这种情况下，触发器输出将不断在“高”和“低”之间振荡，因为反馈系统来回“搜索”，试图将积分器输出保持在零伏：

输出波形

但是，如果我们施加负模拟输入电压，积分器将倾向于将其输出斜向正方向。反馈只能在固定时间内通过固定电压增加积分器的斜坡，因此触发器输出的比特流将不会完全相同：

通过向积分器施加更大的（负）模拟输入信号，我们迫使其输出在正方向上更陡峭地斜坡。因此，反馈系统必须输出比以前更多的 1 才能使积分器输出回到零伏：

随着模拟输入信号幅度的增加，触发器的数字输出中 1 的出现也随之增加：

通过将串行位流平均在一起，从该电路获得并行二进制数输出。例如，可以设计一个计数器电路来收集触发器在给定数量的时钟脉冲中输出 1 的总数。然后，该计数将指示模拟输入电压。

这个主题存在变化，采用多个积分器级和/或输出超过 1 位的比较器电路，但所有 ΔΣ 转换器共有的一个概念是过采样 .过采样是指 ADC（在本例中为 1 位 ADC）采集模拟信号的多个样本，然后对这些数字化样本进行平均。

最终结果是从信号解析的位数有效增加。换句话说，过采样的 1 位 ADC 可以完成与具有一次性采样的 8 位 ADC 相同的工作，尽管速率较慢。

相关工作表：

• 模数转换工作表