侵权投诉

搜索
更多>> 热门搜索:
订阅
纠错
加入自媒体

连续时间Σ-Δ ADC:如何通过简化信号链来有效解决采样问题?

简介

模数转换器(ADC)中的采样会产生混叠和电容反冲问题,为此设计人员使用滤波器和驱动放大器来解决,但这又带来了一系列相关挑战。尤其是在中等带宽应用中,实现精密直流和交流性能面临挑战,设计人员最终不得不降低系统目标。

本文介绍连续时间Σ-Δ ADC,通过简化信号链来有效解决采样问题。采用这种方法无需使用抗混叠滤波器和缓冲器,并可解决与额外组件相关的信号链失调误差和漂移问题。进而可缩小解决方案尺寸,简化设计,并改善系统的相位匹配和整体延迟。

本文还将连续时间转换器与离散时间转换器进行了比较,并着重介绍使用连续时间Σ-Δ ADC的系统优势和存在的限制。

采样基本原理

数据数字化包含采样和量化两个基本过程,如图1所示。采样是第一步,其中使用采样频率fS将连续时间可变模拟信号x(t)转换为离散时间信号x(n)。最终得到以 1/TS (fS = 1/TS)间隔的信号。

图1.数据采样

第二步是量化,将这些离散时间样本值估算为一个有限可能值,并用数字代码表示,如图1所示。这种量化为一组有限值的操作会导致数字化误差,称为量化噪声。

采样过程也会导致混叠,可以看到有输入信号折返以及采样保持时钟频率周围出现谐波。奈奎斯特准则要求采样频率必须至少是最高信号频率的两倍。如果采样频率小于最大模拟信号频率的两倍,将会出现一种称为"混叠"的现象。

为了理解混叠在时域和频域中的含义,首先来看图2所示的单信号音正弦波采样信号的时域表示。在本例中,采样频率 fS不是 fa的至少2倍,只是稍微高于模拟输入频率 fa,因此不符合奈奎斯特准则。注意,实际样本图案会产生较低频率 fS – fa的混叠正弦波。

图2.混叠:时域表示

图3.混叠:频域表示

这种情况的相应频域表示如图3所示。

奈奎斯特带宽定义为从DC到 fS/2的频谱。该频谱可细分为无数个奈奎斯特区,每个区的宽度为 0.5fS。在实际应用中,可以将理想采样器用ADC后接FFT处理器来代替。FFT处理器仅提供DC到 fS/2范围内的输出;即第一奈奎斯特区出现的信号或混叠。

如果采用理想的脉冲采样器,在 fS 频率下对 fa 频率的单频正弦波进行采样(见图1)。另外假定 fS > 2fa。采样器的频域输出显示,每个 fS倍数频率附近均会出现原始信号的混叠或镜像;即 |± KfS ± fa| 频率处,K = 1,2,3,4等。

接下来,我们考虑第一奈奎斯特区之外的信号(图3)。信号频率仅略小于采样频率,就是图2中时域表示的情形。注意,即使信号位于第一奈奎斯特区之外,其镜像(或混叠) fS – fa仍位于该区内。回到图3。很明显,如果任何镜像频率 fa处出现干扰信号,那么也将会出现在 fa,因而会在第一奈奎斯特区内产生杂散频率成分。

解决挑战,实现精密性能

对于高性能应用,系统设计人员需要解决采样过程导致的量化噪声、混叠和开关电容输入采样问题。两种类型的精密ADC都采用基于开关电容的采样技术构建,这两种ADC分别是行业中常见的逐次逼近寄存器(SAR)和Σ-Δ ADC。

量化噪声

在理想的奈奎斯特ADC中,ADC的LSB大小将决定进行模数转换时带到输入中的量化噪声。这些量化噪声都分布在 fS/2带宽范围内。为了解决量化噪声问题,首先需要采用过采样技术,即以大幅高于奈奎斯特频率的速率对输入信号进行采样,以提高信噪比(SNR)和分辨率(ENOB)。过采样期间,选择使用的采样频率为奈奎斯特频率的N倍 (2 × fIN),因此必须让相同的量化噪声分布在N倍奈奎斯特频率范围内。这也会放宽对抗混叠滤波器的要求。过采样率(OSR)定义为 fS/2fIN,其中 fIN 是目标信号带宽。一般来说,对ADC进行4倍过采样可额外提供1位分辨率,或增加6 dB的动态范围。提升过采样率可降低整体噪声并增加动态范围(DR),因为过采样为ΔDR = 10log10 OSR,单位dB。

过采样可以与集成数字滤波器和抽取功能一起使用和实现。Δ-Σ型ADC基本过采样调制器对量化噪声进行整形,使其大部分出现在目标带宽以外,从而增加低频下的整体动态范围,如图4所示。然后,数字低通滤波器(LPF)滤除目标带宽以外的量化噪声,抽取器降低输出数据速率,使其回落至奈奎斯特速率。

图4.过采样示例

噪声整形是另一种用于降低量化噪声的技术。在Σ-Δ ADC中,在环路滤波器之后的环路内使用低分辨率(一位至五位)量化器。DAC用作反馈,用于提取输入中的量化信号,如图5所示。

图5.噪声整形

积分器将累加量化误差,将量化噪声整形至更高频率,然后使用数字滤波器进行滤波。图6所示为典型的Σ-Δ ADC输出x[n]的功率谱密度(PSD)。噪声整形斜率取决于环路滤波器的阶数H(z)(见图11),每十倍频程为(20 × n) dB,其中n表示环路滤波器的阶数。Σ-Δ ADC通过结合使用噪声整形和过采样,可实现带内高分辨率。带内带宽等于 fODR/2 (ODR表示输出数据速率)。通过提高环路滤波器的阶数或提高过采样率,可以获得更高的分辨率。

图6.过采样和噪声整形图

1  2  下一页>  
声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号