Delta-Sigma模数转换器的优点

NaTIonal Instruments设计了24位delta-sigma模数转换器（ADC）用于许多高性能的数据采集（DAQ）设备，其中就包括NI SC Express系列产品，它集成了信号调理功能可以直接测量传感器。同时，基于Delta-sigma ADC采用的噪声整形和滤波技术，可以为高分辨率测量提供最高的测试精度。本文将介绍delta-sigma ADC的体系结构和SC Express用软件对滤波延迟进行自动补偿的方法。

Delta-Sigma ADC体系结构

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图1： delta-sigma (Δ -∑ ) ADC由积分器、比较器和1位DAC组成。

Delta-sigma ADC（也称为sigma-delta）的硬件体系结构包含积分器、比较器和1位数模转换器（DAC），如图1所示按序排列在一个负反馈循环中。将输入信号和取反的DAC输出相加馈入积分器电路。积分器的输出是一个斜坡信号，该信号的斜率与积分器的输入信号幅度成正比。积分器输出与比较器参考信号进行比较，产生0或1。比较器的二进制输出基于ADC过采样时钟Foversamp送入数字抽取滤波器。每个位代表积分的斜坡输出相对于比较器参考的方向，多次循环之后，位流代表输入信号的量化数值。实际上，反馈循环让DAC的平均输出匹配输入信号。数字抽取滤波器将位流进行平均，输出期望采样速率Fs下的n位采样。

Delta-Sigma与其他转换器技术有什么区别？

Delta-sigma ADC与众不同之处在于它将过采样、抽取滤波以及量化噪声整形三项技术结合在一起使用。

过采样

Delta-sigma ADC使用了更高的采样速率，这个采样率是给定信号所需采样速率的许多倍，比如128倍。例如，要对25 kHz信号进行采样，采样速率要求高于奈奎斯特速率（即> 50 KHz）。但是，delta-sigma ADC使用128作为过采样系数，对信号以6 MHz进行采样。这种技术具有多个优点，例如具有更好的抗混叠性能和更高的分辨率。

频域上，对信号采样实际上是使用采样频率Fs倍数的载波频率对输入信号谱进行调制（即0、Fs、2Fs、3 Fs等等）。为了确保这些经调制的输入信号谱之间不互相重叠，导致混叠，采样速率必须大于信号包含最高频率的两倍（即2Fmax），这就是奈奎斯特速率。相反，如果输入信号具有高于Fs /2（也称为奈奎斯特频率）的频率成分，这些成分将进入欠奈奎斯特频率区域，在混叠部分检测出感兴趣的信号尤为困难。混叠效应表现为噪声和信号失真。

为了抗混叠，在ADC采样之前，需要对高于奈奎斯特频率的成分进行衰减，数据采集设备的模拟前端通常使用模拟低通滤波器。对这些滤波器往往有严格的要求，比如具备砖墙特性，包括快速衰减、平稳通带等。由于这些严格的要求以及必须用模拟电路实现，滤波器设计相当困难，并且制造成本高昂。

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图2：过采样技术放宽了对模拟抗混叠滤波器的要求。

Delta-sigma ADC通过对信号进行过采样，放宽了对模拟抗混叠滤波器的要求，如图2所示。通过过采样，输入信号谱的调制部分在频域中被进一步分离，允许滤波器具有较缓慢的截止特性，从而降低了模拟抗混叠滤波器的设计难度。Delta-sigma ADC主要由数字电路组成，从而可以用硅实现，极大地发挥超大规模集成电路VLSI技术的优势。

数字抽取滤波

来自delta-sigma调制器的位流输出被送入数字抽取滤波器，进行平均和降采样，从而生成所需采样速率Fs下的n位采样。其实，平均过程等效于低通滤波，可以衰减量化噪声，并从感兴趣的频带中去除混叠成分。这种数字抽取滤波器不仅可构建出十分平坦的带通响应，不引入任何相位误差，而且能够在截止频率具有陡峭的截止特性（约为采样频率Fs的0.49倍），极佳地抑制无用频率成分。在抗混叠中发挥了重要作用。数字抽取滤波器通常为有限脉冲响应（FIR）滤波器，如梳滤波器，具有极高的性价比。

量化噪声整形

模拟信号转换为数字信号，会引入噪声，这种噪声称为量化噪声。对于单个数字采样，噪声为± 1/2 LSB。LSB越小，ADC分辨率越高。更高的分辨率意味着更低的量化噪声或更高的信噪比（SNR）。ADC分辨率与SNR之间的经典关系等式见等式1，其中N是ADC分辨率的有效位数。

SNR = 6.02N + 1.76 dB    (方程 1)

但是，我们并未就此止步。Delta-sigma调制器的作用类似于输入信号的低通滤波器和量化噪声的高通滤波器，正如图3所示将噪声推向更高的频率区域。这一现象称为量化噪声整形，通过利用数字抽取，有效地对调制器输出进行低通滤波并移除量化噪声。在感兴趣的频带上大大降低了噪底意味着ADC具有更高的SNR和更宽的动态范围。

过采样带来了更高的SNR，见等式2，其中Fs是采样速率，K是过采样系数，BW是输入信号的带宽。更高的SNR带来了更多的ADC分辨率有效位数。

SNR = 6.02N + 1.76 + 10log (KFs /2BW) dB (方程 2)

图3举例说明了量化噪声整形的原理，它是delta-sigma ADC的主要优点之一。

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图3：过采样实现量化噪声整形

基于Delta-Sigma转换器的NI数据采集硬件

NaTIonal Instruments为其许多高性能的数据采集设备设计了24位delta-sigma模数转换器（ADC），这些数据采集设备包括SC Express、PXI动态信号采集（DSA）设备以及NI C系列产品等，它们集成了信号调理功能可以直接测量传感器。同时，基于Delta-sigma ADC采用的噪声整形和滤波技术，可以为高分辨率测量提供最高的测试精度。

在SC Express系列产品中，NI PXIe-4330使用了24位delta-sigma ADC完成同步采样、高精度应变测量和基于惠斯通电桥的测量。这些设备通常用于结构测试应用中的应变、负荷和压力测量。NI PXIe-4353利用24位delta-sigma ADC进行多路复用的精确热电偶测量。此种热电偶模块适用于不同测试规模的应用，尤其是高通道数字采集系统，例如温度室监视。

DSA产品系列，即NI PXI-446x、PXI-447x、PXI/PXIe-449x和USB-443x，也使用了高性能24位delta-sigma ADC。涉及的应用包括音频信号分析，声学、振动和模态分析以及任何需要同步采样、宽动态范围（约110 dB）和宽无混叠带宽（直流至大约采样速率Fs 的0.45倍）的应用。

许多C系列模块也使用了24位delta-sigma ADC为一系列应用提供高精度测量，应用包括热电偶（NI 9211、9123）、RTD（NI 9217）、高电压和电流（NI 9225、9227、9229、9239）、DSA（NI 9233、9234）、桥式测量（NI 9235、9236、9237）和通用（NI 9219）。

SC Express补偿数字滤波器延迟

与其他转换器技术不同，delta-sigma ADC是自由运行的，也就是说在触发器条件满足之前，ADC的输入信号也持续被采样。此外，由于数字抽取滤波过程，在输入信号转换为数字采样之前有一个延迟。这个延迟定义为在收到有效触发信号之前采样到的输入信号点数。这个延迟可能需要，也可能不需要补偿，取决于你使用模拟或是数字触发方式。

为了简化从NI PXIe-4330模块采集数据的过程，并且将数据与从其他模块采集到的数据进行关联，NI PXIe-4330采用多种方式对此群延迟进行补偿。

• 当输入信号在ADC输入引脚被识别为有效时，NI PXIe-4330才即刻输出采样钟。采集数据时，NI PXIe-4330生成采样时钟，然后等待与采样时钟关联的数据完成采集后，再返回数据。因此，任何其他使用这个采样时钟的采集都将等待数据从NI PXIe-4330返回。
• NI PXIe-4330产生或接收到的任何触发，会基于它们与生成的采样时钟的关系被响应。例如，开始触发启动采集时，下一个采集到的有效样值会作为第一个采样数据返回。
• 对于软件定时采集，NI PXIe-4330直到群延迟结束后才返回采样值。因此，返回的数据与要求的数据在时间上紧密对齐。但是，您必须等待群延迟结束后才可以获得采样值。

这些软件设计让您在无需额外编程的情况下，更轻松地实现NI PXIe-4330与其他设备的同步。

Delta-Sigma ADC提高测量性能

Delta-sigma ADC实现了过采样、抽取滤波和量化噪声整形，实现了高分辨率和优秀的抗混叠滤波性能。许多来自NI的SC Express、DSA和C系列传感器测量设备利用24位delta-sigma ADC实现了高性能测量。

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