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Δ-Σ ADC:利用过采样实现精确模数转换

Δ-Σ(Delta-Sigma)模数转换器(ADC)是一类精密器件,将连续电压信号转换为高分辨率数字数据。数学物理中,希腊大写 Δ 代表差分或变化,Σ 表示求和。Δ-Σ 架构利用此关系:持续测量积分器输出与零伏的差值,再对所得二进制样本求和以恢复原始模拟值。

Δ-Σ 转换器核心是接收模拟输入电压的积分器。输入变化时,积分器输出线性斜升,斜率与输入幅度成正比。高速比较器判断该斜坡高于或低于地,产生单比特(1-bit ADC)的“高”或“低”判决。

比较器输出每个时钟脉冲由 D 型触发器锁存。该存储位通过第二比较器反馈至积分器,将 0V/5V 逻辑电平转换为双极性 ±V 信号。若积分器电压为正,反馈将其推向零;若为负,反向推动。环路不断寻找积分器输出等于零伏的平衡点,使积分器保持平衡状态。

原理图

Δ-Σ ADC:利用过采样实现精确模数转换

图示左侧为求和积分器,随后为比较器(1-bit ADC)、锁存比特的 D 触发器,最后为将逻辑电平转回 ±V 驱动积分器的反馈比较器。

输出波形

输入电压为零时,积分器无净驱动向任一方向斜升。反馈环路迫使触发器在高低间振荡,实质上在“搜寻”零伏。振荡波形如下:

Δ-Σ ADC:利用过采样实现精确模数转换

引入负模拟输入使积分器斜坡倾向正侧。反馈环路通过增加输出流中高位比例补偿,如图:

Δ-Σ ADC:利用过采样实现精确模数转换

更大负输入导致积分器斜升更陡,高位密度更高:

Δ-Σ ADC:利用过采样实现精确模数转换

完整采样区间内,高位比率随输入电压幅度上升:

Δ-Σ ADC:利用过采样实现精确模数转换

为获得常规并行二进制输出,对串行比特流平均——常用计数器在固定时钟脉冲数内统计高位数。所得计数直接反映模拟输入幅度。

Δ-Σ 转换器常采用多级积分器或多比特比较器,但核心原理不变:过采样。以远超奈奎斯特频率的速率采样输入,平均大量 1-bit 判决,获得媲美或超越单次 8-bit ADC 的有效分辨率——代价是较低吞吐率。

总之,Δ-Σ ADC 架构结合简单积分器-比较器环路与巧妙过采样,以紧凑鲁棒设计提供模拟信号的高分辨率数字表征,极适合现代嵌入式系统。

相关工作表:


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