delta-sigma型ADC的数字滤波器应用事项

### Delta-Sigma型ADC的数字滤波器应用事项#### Delta-Sigma型ADC概述Delta-Sigma型ADC是一种特殊的模数转换器，它利用非常低的采样分辨率（通常是1位）和非常高的采样速率将模拟信号转换为数字信号。这种转换方式的核心在于过采样技术和数字滤波技术的应用，通过这些技术可以显著提高有效分辨率。 Delta-Sigma型ADC的内部架构相对简单，主要包括一位量化器和一位数模转换器，这使得它们在制造成本上相对较低，但依然保持较高的可靠性和出色的线性度及分辨率表现。尤其是在低频应用中，Delta-Sigma型ADC能够展现出极高的性能。为了满足不同应用场景的需求，Delta-Sigma型ADC允许用户对数字滤波器的结构和性能进行一定的编程配置，从而更好地适应特定的工作条件。 ####数字滤波器原理与应用Delta-Sigma型ADC内部集成的数字滤波器是其核心技术之一，它可以分为两类：FIR（有限冲击响应）和IIR（无限冲击响应）。这两种滤波器的主要区别在于输出信号的计算方式： - **FIR滤波器**是非递归型的，输出仅依赖于过去至当前的输入信号。 - **IIR滤波器**则是递归型的，输出不仅取决于输入信号，还受到自身过去输出的影响。数字滤波器的主要作用是在模数转换之后去除噪声，特别是量化噪声。相较于模拟滤波器，数字滤波器更容易实现可编程性，用户可以通过编程来调整转折频率和输出更新速率，对于常见的工频干扰（如50Hz或60Hz）可以提供高达90~100dB的抑制效果。 Delta-Sigma型ADC中的数字滤波器通常采用低通SINC(3)滤波器，这种滤波器的响应与平均滤波器类似。数字滤波器的输出速率对应于第一个陷波频率，而在这些陷波频率的倍数位置，滤波器提供了超过100dB的衰减能力。例如，在输出速率为60Hz的情况下，数字滤波器的频响特性如下图所示：在实际应用中，模拟滤波器通常位于ADC前端，主要用于抗混叠。过采样转换技术使得抗混叠所需的模拟滤波变得简单：只需要滤除调制器采样速率整数倍的输入噪声即可。此外，在接近满量程输入信号的情况下，模拟滤波还可以防止差分噪声叠加，避免调制器和数字滤波器饱和。 ####采样速率、输出速率与稳定时间Delta-Sigma型ADC的采样速率是指前端调制器的过采样速率，它通常是奈奎斯特采样速率的多倍。具体的采样速率计算公式为： [ text{采样速率} = 2 times text{过采样倍率} times text{转折频率} ]而输出速率则通过抽取操作来确定： [ text{输出速率} = frac{text{采样速率}}{text{抽取倍率}} ]其中，抽取倍率必须小于过采样倍率，以确保满足香农采样定理。较低的抽取倍率可以使输出数据速率远高于奈奎斯特采样速率，从而提高系统的整体性能。稳定时间是指转换器对阶跃输入信号的响应时间，即输出信号达到稳定状态所需的时间。稳定时间与滤波器的转折频率（-3dB带宽）直接相关：转折频率越低，稳定时间越长。例如，在SINC(3)型滤波器中，当数据输出速率为60Hz时，转折频率为15.7Hz。对于满量程阶跃输入，SINC(3)滤波器的稳定时间大约是输出周期的3~4倍。 ####新型数字滤波器设计对于需要快速响应的应用场景，单一的SINC(3)滤波器可能无法满足需求。因此，一些新型Delta-Sigma ADC采用了更先进的滤波器设计方案，以兼顾快速响应和高分辨率的要求。以ADS1216为例，该器件提供了三种滤波组态：快速稳定、SINC(2)和SINC(3)。当需要切换输入通道时，系统首先采用快速稳定的滤波模式，随后依次使用SINC(2)和SINC(3)滤波，以实现快速稳定的同时保持良好的滤波性能。另一个例子是ADS1240，它采用了不同于传统SINC(3)型滤波器的设计，专为高分辨率的低频测量设计。在15Hz的输出速率下，其滤波器的转折频率接近15Hz，同时对50Hz和60Hz的工频干扰提供超过90dB的抑制能力。这种设计确保了单周期内的稳定转换，并且保证了转换结果具有高分辨率。 Delta-Sigma型ADC及其数字滤波器技术为各种低频应用提供了强大的支持，通过合理的滤波器设计和参数配置，可以实现高性能的模数转换功能。