Delta-Sigma ADC工作原理详解：从调制器到噪声整形

Delta-Sigma ADC工作原理详解：从调制器到噪声整形

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/gilbertjuly/article/details/144044657

Delta-Sigma ADC（ΔΣ ADC）是一种在低频、高分辨率信号处理场景中广泛应用的模数转换器。从音频处理到环境监测，这种ADC以其独特的过采样和噪声整形技术，在众多领域展现出卓越性能。本文将深入解析Delta-Sigma ADC的核心工作原理，特别是其关键组件ΔΣ调制器的运作机制。

Delta-Sigma ADC 框图

Delta-Sigma ADC主要由两大部分组成：ΔΣ调制器和数字/抽取滤波器。

图1 Delta-Sigma ADC 框图

• ΔΣ 调制器：将模拟信号调制成高频的1位数字信号，实现过采样和噪声整形。
• 数字/抽取滤波器：去除目标信号以外的频谱成分，并将输出数据速率降低到合适水平。

ΔΣ 调制器详解

以1位一阶ΔΣ调制器为例，其核心组件包括差分放大器、积分器、比较器和DAC。

图2 一阶 ΔΣ 调制器

• 量化结果：每次量化输出1位二进制码（"1"或"0"）。
• DAC反馈：量化结果通过1位DAC反馈到输入端，与输入信号相减，产生量化误差。
• 积分器：累积量化误差，体现"Sigma"部分。
• 比较器：作为1位ADC，根据量化误差输出"1"或"0"。

时域表示

通过ADI在线教程的单步演示，可以观察到输入信号Vin为1.0V时的量化过程。前30个量化结果为：1、0、1、1、1、0、1、1、0、1、1、0、1、1、1、0、1、1、0、1、1、0、1、1、1、0、1、1、0、1。

图4 Excel 模拟 ΔΣ 调制器过程，输入为直流信号

这些量化结果通过密度表示输入信号的幅度。在上述30个结果中，"1"占21个，表示输入信号是满量程的70%。

当输入信号为正弦波时，量化结果呈现出脉冲密度调制（PDM）的特点：

图5 Excel 模拟 ΔΣ 调制器过程，输入为正弦信号

频域特性

Delta-Sigma ADC的核心优势在于其噪声整形能力。通过不同阶数的调制器，可以将量化噪声推向高频区域：

图6 ΔΣ 调制器的频谱特性

随着阶数的增加，量化噪声越来越集中在高频区域，有利于后续滤波处理，提高目标信号频谱区域内的信噪比。

总结

本文详细介绍了Delta-Sigma ADC中ΔΣ调制器的工作原理，通过在线演示和Excel模拟，展示了其量化过程与PDM的相似性。对于深入了解这种广泛应用的ADC技术，本文提供了一个清晰且深入的视角。