∑-△模数转换器的原理及应用
(σ-δ) adc工作原理
(σ-δ) adc工作原理
(σ-δ) ADC是一种模数转换器，全称为Sigma-Delta模数转换器。
它的工作原理是通过对输入信号进行高速取样，并利用高速数字信号处理技术，将模拟信号转换为数字信号。
Sigma-Delta ADC 的工作原理可以从以下几个方面来解释：
1. 模拟信号输入，首先，模拟信号被输入到Sigma-Delta ADC 的输入端。
这个模拟信号可以是来自传感器、放大器、滤波器等外部电路的输出信号。
2. 量化和采样，Sigma-Delta ADC对输入信号进行高速取样和量化。
它以高速的采样率对输入信号进行采样，并将采样值转换为数字形式。
3. Sigma-Delta调制，接下来，ADC使用Sigma-Delta调制技术，将采样到的模拟信号转换为高速的1比特数据流。
这个过程涉及将模拟信号与一个高频时钟信号进行比较，生成一个1比特的数据流。
4. 数字滤波，接着，ADC使用数字滤波器对1比特数据流进行
处理，以减小高频噪声和提高信噪比。
这个数字滤波器通常是一个低通滤波器，用于去除高频噪声，并将1比特数据流转换为更高精度的数字输出。
5. 数字输出，最后，经过数字滤波器处理后的数据被输出为高精度的数字信号，代表了原始模拟信号的数值。
这个数字输出可以被用于后续的数字信号处理、存储或传输。
总的来说，Sigma-Delta ADC通过高速取样、Sigma-Delta调制和数字滤波等技术，实现了对模拟信号的高精度数字化转换。
它在音频处理、传感器接口、通信系统等领域有着广泛的应用。
sigmadeltaadc的工作原理
sigmadeltaadc的工作原理Sigma-Delta ADC，全称为Sigma-Delta Analog-to-Digital Converter，是一种高精度的模数转换器。
它的工作原理基于Sigma-Delta调制技术，通过对输入信号进行高速采样和数字化处理，实现对模拟信号的准确量化和转换。
Sigma-Delta ADC的核心部件是一个差分运算放大器和一个数字滤波器。
首先，输入信号经过差分运算放大器进行放大，并与一个参考电压进行比较。
差分运算放大器会将输入信号转换为差分信号，并将其与参考电压进行比较，产生一个差分输出信号。
这个差分输出信号包含了输入信号与参考电压之间的差异。
接下来，差分输出信号经过一个积分器，将其进行积分运算。
积分器的作用是将输入信号中的高频成分滤除，只保留低频成分。
积分后的信号再经过一个比较器，将其与一个数字信号进行比较。
比较器会产生一个数字输出信号，表示差分输出信号与数字信号之间的差异。
然后，数字输出信号通过一个反馈回路送回到差分运算放大器的输入端，起到调节放大器增益的作用。
通过不断调节放大器增益，使得差分输出信号与数字信号之间的差异尽可能小。
这个反馈回路的作用类似于一个控制系统，通过自动调节放大器增益，使系统的稳定性和精度得到保证。
Sigma-Delta ADC的工作原理可以用一个简单的例子来说明。
假设我们要将一个模拟信号转换为一个8位的数字信号。
首先，输入信号经过差分运算放大器进行放大，并与一个参考电压进行比较。
差分运算放大器会将输入信号转换为差分信号，并将其与参考电压进行比较，产生一个差分输出信号。
如果差分输出信号大于参考电压，则比较器输出1；如果差分输出信号小于参考电压，则比较器输出0。
接下来，差分输出信号经过积分器进行积分运算。
积分器会将差分输出信号进行积分，得到一个积分后的信号。
然后，积分后的信号再经过比较器进行比较，产生一个数字输出信号。
如果积分后的信号大于数字信号，则比较器输出1；如果积分后的信号小于数字信号，则比较器输出0。
Σ-Δ模数转换器基本原理及应用
Σ-Δ模数转换器基本原理及应用一、Σ-Δ ADC基本原理Σ-Δ ADC以很低的采样分辨率(1位)和很高的采样速率将模拟信号数字化, 通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率, 然后对ADC输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率。
Σ-ΔADC 的电路结构是由非常简单的模拟电路(一个比较器、一个开关、一个或几个积分器及模拟求和电路)和十分复杂的数字信号处理电路构成。
要了解Σ-ΔADC的工作原理, 必须熟悉过采样、噪声整形、数字滤波和采样抽取等基本概念1.过采样ADC是一种数字输出与模拟输入成正比的电路, 图1给出了理想3位单极性ADC的转换特性, 横坐标是输入电压U IN 的相对值, 纵坐标是经过采样量化的数字输出量, 以二进制000～111表示。
理想ADC 第一位的变迁发生在相当于1/2LSB的模拟电压值上, 以后每隔1LSB都发生一次变迁, 直至距离满度的1 1/2 LSB。
因为ADC的模拟量输入可以是任何值, 但数字输出是量化的, 所以实际的模拟输入与数字输出之间存在±1/2LSB的量化误差。
在交流采样应用中, 这种量化误差会产生量化噪声。
图1 理想3位ADC转换特性如果对理想ADC加一恒定直流输入电压, 那么多次采样得到的数字输出值总是相同的, 而且分辨率受量化误差的限制。
如果在这个直流输入信号上叠加一个交流信号, 并用比这交流信号频率高得多的采样频率进行采样, 此时得到的数字输出值将是变化的, 用这些采样结果的平均值表示ADC的转换结果便能得到比用同样ADC高得多的采样分辨率, 这种方法称作过采样(oversampling)。
如果模拟输入电压本身就是交流信号, 则不必另叠加一个交流信号。
采用过采样方法(采样频率远高于输入信号频率)也同样可提高ADC 的分辨率。
由于过采样的采样速率高于输入信号最高频率的许多倍, 这有利于简化抗混叠滤波器的设计, 提高信噪比并改善动态范围。
sigmadeltaadc原理
sigmadeltaadc原理
Σ-Δ模数转换是一种典型的数模转换技术，它利用非线性微分模拟器（Differentiator）把模拟信号转变为进行离散采样的差分脉冲。
Σ-Δ转换技术
有很高的灵敏度，但同时也有一定的复杂性，因为需要大量的计算和设备限制。
Σ-Δ模数转换器中，Σ表示累加器（Accumulator），Δ表示微分器（Differentiator）。
它通常有两个部分，累加（Accumulation）和微分（Differentiation），一般采用了高速積分和微分技术（Sigma-Delta Topology），来完成模拟脉冲的转换。
其中累加（Accumulation）实现的是采样技术，原来的模拟信号在特定的时刻取得一个采样值；累加（Accumulation）把这些采样值累加到心跳的末端；微分（Differentiation）实现的是离散化技术，它使用如
此精密的采样技术，以在心跳的末端释放不同大小的脉冲，从而离散化地表示原始模拟信号。
Σ-Δ模数转换器使得可以使用很少的采样来代表原始模拟信号，但其本质原理却是可以植根于模拟信号的数字信息量的增加，即出现精度的提高。
Σ-Δmodulators的发展为模拟-数字转换技术提供了可靠的仪表精度以及脉冲
转换的灵活性。
SigmaDeltaADC原理总结
2、量化噪声功率
设量化噪声是白噪声，用e(n)表示，其在以±q/2 量化单位所划分的各量化电平内的分布是一样的， 量化噪声功率用方差表示为 2
3、量化噪声的功率谱密度 由于量化噪声均等地散布于整个采样频率（ fS ）范围 内，所以量化噪声的功率谱密度可表示为：
q2 D(f ) 12f S
1 q/2 2 q E[e ] e de q q / 2 12
带模拟滤波和数字滤波的过采样
信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系
单级调制器1~4阶与达到分辨率的最低过采样比
精度(n)
M(1阶) 2048 8192 32768 131072 524288
M(2阶) 65 129 257 514 1034
M(3阶)
M(4阶)
12 14 16 18 20
36 59 9•若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯 Q, 量化噪声的总功率是一个常数,与采样频率fs无关,
功率密度谱在0~fs/2的频带范围内均匀分布。
•量化噪声电平与采样频率成反比 ,提高采样频率 , 可以降低量化噪声电平 , 而基带是固定不变的 , 因 而减少了基带范围内的噪声功率,提高了信噪比。
1 K
设Q为量化噪声，H(S)为模拟滤波器的传递函数，输 入信号为X，输出信号为Y，有
Y ( X Y) / S Q
整理得
Y X /(S 1) QS /(S 1)
可见，当频率接近0时，（S→0），输出Y趋于X，且无噪声分量， 当频率增高时，X/(S+1)项的值减小，而噪声分量QS/(S+1)增加， 即Σ-△调制器对输入信号具有低通作用，对内部量化器产生的量 化噪声具有高通作用。换言之， Σ-△调制器具有改变噪声分布状 Σ-Δ调制器的频域线性化模型 态的功能。这种对量化噪声的频谱进行整形的特性为噪声整形特 性。
数模转换器的原理及应用
数模转换器的原理及应用数模转换器（Digital-to-Analog Converter，简称DAC）是一种电子器件，用于将数字信号转换为模拟信号。
在数字电子系统中，由于信息的数字化处理，需要将数字信号转换为模拟信号才能实现与外部环境的交互。
本文将从数模转换器的工作原理和应用两个方面进行阐述。
一、数模转换器的工作原理数模转换器的工作原理基于二进制数的电位权重加权。
简单来说，它将二进制数字输入转换为相应的电压输出。
市场上常见的数模转换器主要有两种类型：并行式和串行式。
1. 并行式数模转换器并行式数模转换器的工作原理是将各个二进制位的电平转换为相应的电压输出。
例如，一个8位的并行式数模转换器能够将8个二进制位的输入转换为对应的8个电压输出。
每一位的输入可以是0V（低电平）或5V（高电平），对应的输出电压也相应变化。
通过控制输入的二进制码，可以实现从0到255之间的电压输出。
并行式数模转换器的转换速度较快，适用于对速度要求较高的应用。
2. 串行式数模转换器串行式数模转换器的工作原理是将二进制位逐位地进行转换。
从高位开始，每个二进制位经过一定的时间间隔逐步进行转换，最终输出模拟信号。
与并行式数模转换器相比，串行式数模转换器的转换速度较慢，但由于只需要一个数据线来传输数据，所需引脚数量较少，适用于资源受限的系统设计。
二、数模转换器的应用数模转换器广泛应用于各种领域，包括通信、音频、视频、测量仪器等。
以下是一些常见的应用示例：1. 通信领域在通信领域，数模转换器用于将数字信号转换为相应的模拟信号进行传输。
例如，在数字手机中，声音信号首先被转换为数字信号，并通过数模转换器转换为模拟信号输出到扬声器，实现声音的播放。
2. 音频应用数模转换器在音频领域中扮演着重要的角色。
例如，在CD播放器中，数模转换器将数字音频信号转换为模拟音频信号，使其能够通过耳机或音箱播放出来。
同时，在音频编辑和处理中，数模转换器也可以将数字音频信号转换为模拟信号，以便进行混音、均衡等操作。
模数转换器的原理及应用
模数转换器的原理及应用模数转换器，即数模转换器和模数转换器，是一种电子器件或电路，用于将模拟信号转换为数字信号，或将数字信号转换为模拟信号。
该器件在许多领域都有广泛的应用，包括通信、音频处理、图像处理等。
一、数模转换器的原理数模转换器的原理基于采样和量化的过程。
采样是指在一段时间间隔内对连续的模拟信号进行测量，将其离散化，得到一系列的样本。
量化是指将采样得到的模拟信号样本转换为对应的数字量。
1. 采样过程：通过采样器对连续的模拟信号进行采样，即在一段时间间隔内选取一系列点，记录其幅值。
采样频率越高，采样得到的样本越多，对原始信号的还原度越高。
2. 量化过程：将采样得到的模拟信号样本转换为数字量。
量化的目的是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，通常使用二进制表示。
量化过程中，将采样得到的模拟信号样本确定为离散的幅值值，并用数字表示。
二、模数转换器的原理模数转换器将数字信号转换为模拟信号，其原理与数模转换器相反。
它将数字信号的离散样本重新合成为连续的模拟信号，恢复出原始的模拟信号。
1. 数字信号输入：模数转换器接收来自数字信号源的离散数字信号样本。
2. 重构模拟信号：根据输入的数字信号样本，模数转换器重构出原始的模拟信号。
这需要根据离散样本的幅值重新合成出连续变化的模拟信号。
三、模数转换器的应用模数转换器在许多领域都有广泛的应用，下面列举几个常见的应用领域：1. 通信系统：在通信系统中，模数转换器用于将数字信号转换为模拟信号进行传输。
它将数字信号编码为模拟信号，便于在传输过程中传递。
2. 音频处理：在音频处理系统中，模数转换器用于将数字音频信号转换为模拟音频信号，以便于放音或其他音频处理操作。
3. 图像处理：在数字图像处理领域，模数转换器用于将数字图像信号转换为模拟图像信号，以便于显示或其他图像处理操作。
4. 控制系统：模数转换器在控制系统中用于将数字控制信号转换为模拟控制信号，以便于控制各种设备或系统的运行。
Σ-Δ模-数转换器(ADC)的工作原理
Σ-Δ模/数转换器(ADC)的工作原理本文深入介绍-模/数转换器(ADC)的工作原理，重点关注难以理解的数字概念:过采样、噪声整形和抽样滤波等。
同时包括-转换器的多种应用。
最新的-转换器通常具有较高分辨率、高度集成、低功耗以及较低成本，使其成为过程控制、高精度温度测量以及电子称等应用的上佳ADC选择。
但由于设计者往往不太了解-类型的转换器，而选择传统的SAR ADC。
-转换器(1位ADC)的模拟侧非常简单；数字侧执行滤波和抽样，比较复杂，这部分使得- ADC的生产成本较低。
为理解转换器工作原理，您必须熟悉过采样、噪声整形、数字滤波以及抽样等概念。
本应用笔记涵盖了上述主题。
过采样首先，考虑输入信号为正弦波时传统多位ADC的频域传递函数。
以频率Fs对该输入进行采样。
根据奈奎斯特定理，Fs必须至少为输入信号带宽的两倍。
观察数字输出的FFT分析结果，我们可看到一个单音和大量随机噪声，从直流延伸至Fs/2 (图1)。
这些噪声称为量化噪声，对该结果可以按照以下考虑：ADC输入为连续信号，具有无限可能的状态，但数字输出为离散函数，其不同状态的数量取决于转换器的分辨率。
所以，从模拟到数字的转换损失了某些信息，在信号中引入了一定程度的失真。
该误差的幅值是随机的，最大为LSB。
图1. 多位ADC的FFT谱图，采样频率为FS如果我们将基频幅值除以所有噪声频率的RMS和，则得到信噪比(SNR)。
对于N位的ADC，SNR = 6.02N + 1.76dB。
为提高传统ADC的SNR(并进而提高信号复现的精度)，就必须提高位数。
仍以上例为例，但将采样频率提高，采用过采样因子k，达到kFs(图2)。
FFT分析结果表明噪底降低。
SNR与之前相同，但噪声能量已经分散至较宽的频率范围。
-转换器利用这一原理，在1位ADC之后增加了数字滤波器(图3)。
由于大多数噪声被数字滤波器滤除，所以RMS噪声较低。
这种方法使得-转换器以较低分辨率的ADC实现较宽动态范围。
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∑-△模数转换器的原理及应用
张中平
（东南大学微电子机械系统教育部重点实验室，南京210096）
摘要：∑-△模数转换器由于造价低、精度高、性能稳定及使用方便等特点，越来越广泛地使用在一些高精度仪器仪表和测量设备中，介绍该转换器的基本原理，并重点举例介绍AD7708芯片的应用，该芯片是16 bit模数转换器，与24 bit AD7718引脚相同，可直接升级。
关键词：模数转换器；寄存器；串行口
我们通常使用的模数转换器（ADC）大多为积分型和逐次逼近型，积分型转换效果不够好，转换过程中带来的误差比较大；逐次逼近型转换效果较好但制作成本较高，尤其是高位数转换，转换位数越多，精度越高，制作成本就越高。
而∑-△ADC可以以相对逐次逼近型简单的电路结构，而得到低成本，高位数及高精度的转换效果∑-△ADC大多设计为16或24 bit转换精度。
近几年来，在相关的高精度仪器制作领域该转换器得到了越来越广泛的应用［1］。
1 ∑-△ADC的基本工作原理简介
∑-△模数转换器的工作原理简单的讲，就是将模数转换过后的数字量再做一次窄带低通滤波处理。
当模拟量进入转换器后，先在调制器中做求积处理，并将模拟量转为数字量，在这个过程中会产生一定的量化噪声，这种噪声将影响到输出结果，因此，采用将转换过的数字量以较低的频率一位一位地传送到输出端，同时在这之间加一级低通滤波器的方法，就可将量化噪声过滤掉，从而得到一组精确的数字量［1，2］。
2 AD7708/AD7718，∑-△ADC的应用
AD7708/AD7718是美国ADI公司若干种∑ΔADC中的一种。
其中AD7708为16 bit转换精度，AD7718为24 bit转换精度，同为28条引脚，而且相同引脚功能相同，可以互换。
为方便起见，下面只介绍其中一种，也是我们工作中用过的AD7708。
2．1AD7708的工作原理
同其它智能化器件一样，AD7708也可以用软件来调节其所具有的功能，即通过微控制器MCU编程向AD7708的相应寄存器填写适当的参数。
AD7708芯片中共有11个寄存器，
当模式寄存器（Mode Regis－ter）的最高位后，其工作方框图［2］如图1所示。
此时，输出率可变化范围为5．35 Hz至105．03Hz，可以从中选择一个频率从而得到最佳的滤波效果。
断续频率f CHOP也随之而定，为输出率（f ADC）的二分之一。
在MUX方框中模拟输入与f CHOP混合，并将信号送入缓冲器BUF，在缓冲器中有一级RC低通滤波，过滤掉输入信号中的噪声信号，下一级PGA的功能是可编程调整信号增益，一个经过调整合适的输入信号才被送进∑-△调制器（MOD0）中进行求积，并转换为数字量，在∑-△MODO中，对输入信号的采样频率为外部晶振频率32．768 kHz，在对模拟信号进行量化处理的过程中会形成量化噪声，这个噪声会影响到输出的数字量，因此必须再次对转换过的数字量进行低通数字过滤，确保输出值准确无误，这里AD7708采用了Sinc3或（sinx／x）3滤波器，它的主要作用就是消除由调制器产生的量化噪声，其中SF参数可根据所要滤掉的噪声频率大小用软件设定，默认值为69（45H），该值对50～60Hz的噪声有较好的抑制作用。
当时，断续功能中止，与f CHOP相关的功能块也相应取消，此时流程图［2］如
图2所示。
输出频率变化范围可从16．06 Hz到1365．33 Hz，环节减少输出速度可以加快，但在输入增益或温度改变时，可能会出现漂移，此时需要做些校验。
2．2AD7708概况
AD7708的硬件引脚［2］如图3所示。
28条引脚中有10个模拟输入端（AIN1～AIN10），这十个输入端可与AINCOM公共端连用（共地），最大可输入10个单端模拟量，也可每两两连用，形成5对差分输入端。
20至24脚则用于串行输出，其中SCLK是串行时钟，CS 为片选，RDY为输出数据是否准备好状态标志，DOUT为串行输出端，DIN为寄存器指令输入端，每条寄存器指令为8 bit。
AD7708共有11个可编程寄存器［2］，如图4所示。
其中通讯寄存器（COMMUNICATIONSREGIS－TER）为只写寄存器，它只告诉AD7708下一步要对哪个寄存器进行读还是写的操作，但这个寄存器是每次操作前必用的。
其余10个寄存器都是用于对芯片的调节或反映相关状态。
其实，如果输入电压的最大幅度与参考端（REFIN（－）／（＋））提供的电压相一致，同时外部噪声不是很复杂时，这10个寄存器中只有两个是最常用的，一个是模式寄存器（MODE REGIST），另一个是模数转换控制寄存器（ADCCONTROLREGIST）。
其余寄存器可用其默认值。
2．3 AD7708的应用控制软件
2．3．1硬件准备
AD7708的使用要与一个微控制器（MCU）相连接，连接的方式有两种：一种是直接与8XC51系列微控制器的串行口相接［2］，其连接方式如图5所示，把AD7708的输入（DIN）和输出（DOUT）端连接在一起，接上10kΩ的上拉电阻，再与串口的信号端相连，时钟端（SCLK）与串口脉冲端相连。
软件上要将串口设成方
式0，只要用通常的串口收发指令RDY就可通讯了。
用这种方式通讯软件
编写方便可靠，但由于8XC51系列的串口收发数据时是最低位在前，而AD7708则是最高位在前，因此该系列微控制器在发指令前和收到数据后，都需要将字节的位序颠倒一次，这样获得的数据才是正确的。
第二种连接方式是，直接将AD7708的相关端口与微控制器的可位控I／O口一一相连，如图6所示，完全用软件来产生时钟脉冲，收发数据，可以专门编写一段子程序，需要时直接调用，该子程序如图7所示。
两种方式相比较，前者软件简单，符合通常串口的编写习惯，不占用I／O口，但占用串口资源。
因此在串口比较繁忙的情况下建议使用后者，此时需要用到RDY 状态信号，同时需要编写输出输入子程序。
图7输入、输出子程序
2．3．2读操作软件
在硬件连接方式确定之后，就可以编写从AD7708中读出A／D数字量的软件了。
这里要注意的是，每写一条操作指令前，都先得告诉通讯寄存器（COMMUNICATIONREGISTER）下一步要做读还是写操作；要对哪个寄存器进行操作，之后再写入操作指令（状态寄存器（STATUSREGISTER）和辨认寄存器IDREGISTER不可做写操作）。
编程方框图［2］如图8所示。
这里给出的是依次读出全部输入通道值的程序，也可直接在控制寄存器写入需采样的通道号读入任一通道值。
2．3．3测试结果
在对AD7708∑-△ADC进行测试时，写入模式寄存器中的字节值为03h，即选中，设
定转换方式为连续转换，写入控制寄存器的值为0fh，即选中通道1（AIN1），设定单输入端，输入范围0～2．56V。
用8XC51系列MCU读出ADC值，测试结果如下表：
表中计算所用算式为：
由表中可以看出经AD7708转换后，得到的值仅在小数点后第三位产生误差，其转换精度达到千分位，这里不考虑测量输入电压值的仪表带来的误差。
3结论
我们的测试结果和使用情况表明，∑-△AD7708 模数转换器不仅转换精度高，而且稳
定可靠，能适应需要长期连续检测的工作方式。
唯一可能产生问题的地方是，如果环境噪声频率变化过大，又不能有效地屏蔽或减弱，带入到数字量中，可能会影响输出量，但这种可能性很小，两次低频滤波后，剩余的噪声已很少且很弱，可通过调整读数软件的同步脉冲来消除。
总之，∑-△ADC因其独有的特点，可广泛的应用于很多需要模数转换的领域。