理解ADC：Delta-Sigma ADC 如何工作？
理解ADC：Delta-Sigma ADC 如何工作？
Delta-Sigma ADC（也称为Sigma-Delta ADC、ΔΣ ADC、ΣΔ ADC）在低频、高分辨率信号处理场景中应用广泛，如音频Codec、生理监测、环境/过程控制等。本文将详细介绍Delta-Sigma ADC的工作原理，重点解释其核心组件ΔΣ调制器的运作机制。
Delta-Sigma ADC 框图
Delta-Sigma ADC主要由两部分组成：ΔΣ调制器和数字/抽取滤波器。
图1 Delta-Sigma ADC 框图，来源 [1]
- ΔΣ 调制器：将模拟信号调制成频率很高的1 bit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，并将输出数据降低到合适的速率。
ΔΣ 调制器详解
一阶ΔΣ调制器由微分器、积分器、比较器和DAC组成。
图2 一阶 ΔΣ 调制器，来源 [1]
- 1 bit量化：每次量化结果只有二进制“1”或“0”。
- DAC反馈：量化结果经1 bit DAC反馈到输入端，与输入信号相减，差值即量化误差。
- 积分器：累积量化误差，只记录过去1个延时单位。
- 比较器：相当于1 bit ADC，量化误差大于参考值时输出“1”，反之输出“0”。
这套系统以高频时钟运作，输出一连串的二进制码流。
时域表示
通过ADI在线教程和Excel模拟，可以观察ΔΣ调制器的工作过程。
图3 ΔΣ 调制器 单步骤演示，来源 [2]
对于直流输入Vin = 1.0V，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。其中21个“1”表示输入信号是满量程的70%。
对于正弦波输入，Excel模拟显示：
图4 Excel 模拟 ΔΣ 调制器过程，输入为直流信号
可以看出，这种1 bit一阶ΔΣ调制器类似于脉冲密度调制PDM，在输入信号接近+Vref时用更多“1”表示，在接近-Vref时用更多“0”表示。
频域表示
TI文章详细阐述了ΔΣ调制器的频谱特性，它能将量化噪声推向高频区域。
图5 ΔΣ 调制器的频谱特性，来源 [1]
不同阶数的调制器具有不同的噪声整形效果：
图6 ΔΣ 调制器不同阶数的频谱特性，来源 [1]
阶数越大，量化噪声越集中于高频区域，有利于后续滤波提高信噪比。
总结
本文介绍了Delta-Sigma ADC中ΔΣ调制器的工作原理，通过在线演示和Excel模拟展示了其运作过程。这种调制器的量化结果类似于PDM脉冲密度调制。对于更详细的原理，可参考TI的slyt423a和slyt438文档。
本文原文来自CSDN
参考资料
- slyt423a: How delta-sigma ADCs work, Part 1
- https://www.analog.com/en/resources/interactive-design-tools/sigma-delta-adc-tutorial.html
- https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-density_modulation
- slyt438: How delta-sigma ADCs work, Part 2