AD717x頁麵(analog.com)提供了完整係列的詳細信息
，包括有關AD7172-2、AD7175-2、AD7172-4、AD7173-8和AD7175-8的信息。這些精密ADC具(ju)有(you)完(wan)全(quan)集(ji)成(cheng)的(de)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)鏈(lian)，包(bao)括(kuo)真(zhen)軌(gui)到(dao)軌(gui)模(mo)擬(ni)輸(shu)入(ru)和(he)基(ji)準(zhun)輸(shu)入(ru)緩(huan)衝(chong)器(qi)。該(gai)係(xi)列(lie)提(ti)供(gong)多(duo)種(zhong)輸(shu)入(ru)通(tong)道(dao)數(shu)
，不(bu)同(tong)器(qi)件(jian)可(ke)通(tong)過(guo)引(yin)腳(jiao)對(dui)應(ying)方(fang)式(shi)升(sheng)級(ji)為(wei)其(qi)他(ta)轉(zhuan)換(huan)速(su)度(du)或(huo)更(geng)低(di)噪(zao)聲(sheng)/功耗 的器件。AD7175-2和AD7175-8提供最快的吞吐速率和最低的噪聲。AD7177-2提供32位分辨率輸出。AD7172和AD7173提供最低功耗選項。

 

 

圖1. AD7175x Σ-Δ ADC係列；AD7175-2框圖和噪聲性能。

 

AD7175-2具有一個非常有用的軟件工具來幫助評估。Eval+是一個單一軟件
，可從ADI網站下載
，用來在有或沒有硬件的情況下配置、分析、選擇ADC。該軟件與硬件一起運行時，會像標準評估板那樣工作。無硬件時，ADC的功能模型在後台運行，支持用戶為其終端應用建立最佳工作配置。

 

圖2. AD7175-2 Eval+軟件在功能模型評估模式下的配置選項卡。

 

表1. AD717x係列概覽，顯示了可用的通道數選項和係列成員的引腳對應情況

 

 

使用AD7175 ADC來說明如何利用數字濾波消除Σ-Δ型ADC的量化噪聲。關鍵在於噪聲/輸入帶寬和建立時間的權衡分析。

 

圖4顯示了調製器原始噪聲來源與AD7175器件從DC到FMOD/2 (或4 MHz)的頻率對數的關係。AD7175調製器以8 MHz (FMOD)的有效速率采樣。調製器為MASH型
，對調製器噪聲提供80 dB/十倍頻程的衰減速率。電路的熱噪聲決定了調製器噪聲開始以斜坡變化之前頻帶內的噪底。從顯示低噪底的曲線可以看出該ADC對低 帶寬信號的高動態範圍能力。此動態範圍以及AD7175降低噪底的能力可用來改善應用的靈敏度
，這在采集低幅度信號時特別有用。

 

ADC的最低過采樣比、數字濾波器階數和轉折頻率都有助於確保量化噪聲不是ADC噪聲的限製因素。為了濾除噪聲，濾波器的包絡必須能夠以足夠大的滾降速率進行衰減
，從而應對幅度量化噪聲的增速。

 

AD7175的最低過采樣比為×32，在8 MHz FMOD條件下，最大輸出數據速率為250 kHz。

 

AD7175提供了多種不同類型的濾波器，可供用戶選擇。數字濾波器的工作原理是通過比較不同情況下的sinc5 + sinc1和sinc3濾波器來說明的。

 

在250 kHz ODR時，AD7175 sinc5 + sinc1可直接配置為sinc5
，其−3 dB頻率為~0.2 × ODR (50 kHz)。sinc5濾波器的衰減包絡為−100 dB/十倍頻程。這意味著sinc5濾波器的衰減和滾降速率足以消除調製器噪聲
，如圖3所示。

 

圖3. AD7175調製器輸出頻譜DC至FMOD/2
，采用sinc5 + sinc1和32倍抽取(產生sinc5直流響應)。

 

圖4. AD7175-2 sinc5 + sinc1濾波器：通過更改ADC抽取率來調整輸入帶寬。

 

相比之下
，若更改為250 kHz ODR的sinc3，衰減和滾降速率將不足以消除調製器噪聲。數據手冊中的250 kHz和125 kHz ODR時的噪聲數值說明了這一情況。隻有將數據速率設置為62.5 kHz或更低，sinc3響應才能完全濾除ADC結果中的量化噪聲。

 

除了濾除量化噪聲以外，數字濾波器還能通過調整輸入帶寬來降低噪聲。這是通過提高抽取率實現的。對於sinc5 + sinc1濾波器
，提高過采樣比意味著初始五階sinc濾波器要進行均值計算。利用初始結果的均值
，用戶可以選擇不同的輸出數據速率、速度和帶寬來改善噪聲性能(如圖5所示)
，即先由sinc5再由sinc5 + sinc1求均值來改善噪聲性能。對sinc5結果求均值會引入頻率為輸出數據速率及其倍數的一階陷波，這些陷波會與sinc5總包絡複合。sinc型濾波器中的陷波頻率傳統上是用來抑製已知頻率的幹擾信號，即通過把數據速率策略性地設置為與幹擾頻率重合。一個經典例子是50 Hz和60 Hz的工頻抑製。

 

圖5. AD7175-2 sinc5 + sinc1濾波器 – 噪聲與ODR的關係。

 

sinc型濾波器是具有sin(x)/x剖麵的移動平均濾波器，因此一般稱其為sinc濾波器。該濾波器由一係列積分器
、一個用作抽取率的開關和一係列微分器組成。它是一種有限脈衝響應(FIR)型(xing)濾(lv)波(bo)器(qi)。對(dui)於(yu)輸(shu)入(ru)的(de)階(jie)躍(yue)變(bian)化(hua)
，它(ta)表(biao)現(xian)出(chu)已(yi)知(zhi)且(qie)有(you)限(xian)的(de)線(xian)性(xing)相(xiang)位(wei)響(xiang)應(ying)。深(shen)陷(xian)波(bo)發(fa)生(sheng)在(zai)輸(shu)出(chu)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)及(ji)其(qi)整(zheng)數(shu)倍(bei)處(chu)，陷(xian)波(bo)內(nei)的(de)信(xin)號(hao)會(hui)被(bei)衰(shuai)減(jian)。

 

圖6比較了AD7175的三階和五階sinc濾波器，二者均以32倍抽取率運行。這種情況下，兩個濾波器均以250 kHz的輸出速率提供轉換數據。濾波器的階數決定滾降速率和−3 dB頻率。sincP濾波器位於–P × 20 dB/十倍頻程的頻率響應包絡之下。滾降越陡，−3 dB頻率越低。不同階數濾波器之間的主要區別在於濾波器建立時 間，根據情況不同，其對終端測量應用的影響也不同。

 

圖6. 不同階數sinc濾波器的頻域比較：sinc5與sinc3。

 

 

當數字濾波器處理來自Σ-Δ調製器的數據流的移動平均值時，存在一個相關的建立時間。該延遲對所有FIR濾波器是固定的，但對不同階數的sinc濾波器，該延遲是不同的。通常用兩項來描述該延遲：群延遲和建立時間。群延遲描述從輸入端存在模擬信號到在數字輸出端看到它的延遲時間。例如
，對於單音正弦 波，群延遲就是從模擬輸入端存在該正弦波電壓峰值到該峰值出現在數字輸出端的時間差。

 

建立時間是指數字濾波器的全部均值時間。如果模擬輸入端有一個階躍
，那麼需要經過濾波器的完全建立時間，ADC的數據輸出才與階躍之前的輸入無關。還可能存在其他延遲，如濾波器的計算時間等。對於AD7175係列
，第一次轉換會有較長的建立時間；由於初始計算周期為1/ODR，離開待機狀態後的建立也可 能引起延遲。除濾波器建立時間之外的延遲可能依選擇的轉換器不同而異，因此，閱讀ADC數據手冊時應留心。

 

通過比較單一Σ-Δ ADC與多路複用Σ-Δ ADC
，可ke以yi更geng好hao地di說shuo明ming濾lv波bo器qi建jian立li時shi間jian影ying響xiang。數shu字zi濾lv波bo器qi的de建jian立li時shi間jian會hui嚴yan重zhong影ying響xiang多duo個ge輸shu入ru通tong道dao循xun環huan轉zhuan換huan的de速su率lv，因yin為wei要yao保bao持chi各ge通tong道dao的de結jie果guo獨du立li。

 

為什麼要等待完全建立時間之後才能給出獨立結果
？讓我們看看采用單一輸入源的單通道ADC的數字濾波。來自Σ-Δ ADC調製器的數據以FMOD的速率傳送到數字濾波器(如圖5所示)，每個樣本都通過移動平均濾波器。根據階數和類型不同
，濾波器在轉換期間(由濾波器抽取率設置)內以不同方式衡量各樣本，如圖 7所示。輸入樣本0和隨後的樣本是調製器在其每個時鍾周期的離散輸出結果。y軸表示數字濾波器衡量各樣本而給出的權重比例。此權重的形狀就是低通數字濾波器的時域表示。這種情況下的輸出數據速率為250 kHz (8 MHz/32 = FMOD/抽取率)。數據就緒信號(各種顏色的豎直虛線)之間的時間為4 μs。ADC采用sinc5 + sinc1濾波器和32倍(bei)抽(chou)取(qu)率(lv)運(yun)行(xing)。在(zai)定(ding)義(yi)濾(lv)波(bo)器(qi)輸(shu)出(chu)為(wei)調(tiao)製(zhi)器(qi)的(de)模(mo)擬(ni)輸(shu)入(ru)時(shi)
，所(suo)有(you)五(wu)個(ge)轉(zhuan)換(huan)輸(shu)出(chu)都(dou)有(you)一(yi)定(ding)的(de)重(zhong)疊(die)，因(yin)此(ci)，沒(mei)有(you)輸(shu)出(chu)是(shi)各(ge)自(zi)獨(du)立(li)的(de)。對(dui)於(yu)單(dan)一(yi)ADC輸入，各轉換結果共享調製器模擬輸入，但濾波器以不同權重衡量各調製器輸出。

 

圖7. 單一ADC輸入、sinc5和五個轉換輸出周期

 

對(dui)於(yu)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)輸(shu)入(ru)情(qing)況(kuang)，調(tiao)製(zhi)器(qi)產(chan)生(sheng)的(de)每(mei)個(ge)轉(zhuan)換(huan)數(shu)據(ju)對(dui)各(ge)通(tong)道(dao)必(bi)須(xu)是(shi)獨(du)立(li)的(de)。必(bi)須(xu)經(jing)過(guo)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)完(wan)全(quan)建(jian)立(li)時(shi)間(jian)之(zhi)後(hou)
，多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)器(qi)才(cai)能(neng)從(cong)一(yi)個(ge)模(mo)擬(ni)輸(shu)入(ru)通(tong)道(dao)切(qie)換(huan)到(dao)另(ling)一(yi)個(ge)模(mo)擬(ni)輸(shu)入(ru)通(tong)道(dao)。以(yi)sinc3型濾波器為例
，使用32倍抽取率
，一次轉換的濾波器建立時間如圖8(a)所示。一旦濾波器完全建立
，數據輸出便是先前96 個調製器輸出的加權平均值。這相當於12 μs或三個周期的ADC輸出數據速率。

 

圖8(b)顯示了多路複用情況的前三個樣本，ADC輸出的各樣本均已完全建立。在任何樣本之間
，調製器輸出都沒有重疊。DRDY(豎直線)之間的時間所指示的複用速率由濾波器的建立時間決定。此速率在數據手冊和性能曲線中常常是作為完全建立數據速率來描述。

 

圖8. 多路複用ADC、sinc3濾波器和三個轉換周期—完全建立的數據。

 

對於sincP濾波器
，濾波器的建立時間為濾波器階數P乘以1/ODR。對於以250 kHz ODR運行的sinc3濾波器
，其建立時間為3 ×1/250 kHz = 12 μs。作為比較，若使用sinc5濾波器，ODR同為250 kHz

，則建立時間為5 × (1/2 50 kHz) = 20 μs。

 

近似的通道切換速率為ODR除以濾波器階數，也就是ODR/3 (對於sinc3濾波器)或ODR/5 (對於sinc5濾波器)。對於直接sinc濾波器，這是很顯然的。對於sinc5 + sinc1型濾波器，需要增加一個步驟。AD7175係列ADC允許選擇不同類型的濾波器。下一部分將介紹不同類型濾波器之間的區別
，並提供一個例子來說明如何 計算各種情況下的建立時間。

 

現在看看多路複用情況下的建立時間。在過程控製和工廠自動化中，典型的模擬輸入模塊會有一個前端調理，用以將±10 V輸入調整到AD7175-8的輸入範圍內。然後
，AD7175-8會複用各通道，按順序轉換各輸入或輸入對。完成所有通道轉換的時間取決於所用的濾波器和通道數目。

 

下例對使用sinc3濾波器和使用sinc5 + sinc1濾波器進行了比較，二者配置為相同的輸出數據速率，我們會看到建立時間計算的對比和方法。用戶可以選擇AD7175-8的這兩個濾波器選項。

 

a. 使用sinc3濾波器
，62.5 kHz ODR 計算建立時間。

 

    AD7175 sinc3: ODR = 62.5 kHzz

    建立時間 = 3 × (1/62.5 kHz) = 48 μs。

    通道開關速率 = 1/48 μs = 20.833 kHz

 

b. 使用sinc5 + sinc1濾波器，62.5 kHz ODR 計算建立時間。

 

    AD7175 sinc5 + sinc1: ODR = 62.5 kHz

 

注意有兩個部分。sinc5濾波器在4 μs窗口上求均值(FMOD = 8 MHz)，因此它以250 kHz的速率將數據傳送到均值模塊。

 

1. sinc5的建立時間 = 5 × 1/250 kHz = 20 μs。

    這提供均值計算的第一個樣本。

 

2. sinc1的建立，均值濾波器。

    對於ODR = 62.5 kHz

，250 kHz數據流四次求均值。

    用於均值計算的剩餘三個樣本的建立

    時間為3 × 1/250 kHz = 12 μs。

    總建立時間 = 20 μs + 12 μs = 32 μs
，

    通道開關速率 = 1/32 μs = 31.25 kHz。

 

注意：對於sinc5 + sinc1濾波器，當數據速率為10 kSPS及以下時，ADC具有單周期建立特性。這意味著ADC的建立時間為1/ODR。

 

表2顯示了采用設置(a)和(b)的4通道多路複用測量的比較。使用sinc5 + sinc1濾波器可提高每通道采樣速率，說明較短建立時間有優勢。注意：這個經驗法則僅適用於轉換器，若各路輸入之前有模擬預調理電路，並且其時間常數比ADC要長，那麼起主導作用的將是最差情況建立時間。

 

表2顯示了比較結果：

 

表2. 對於一個4通道多路複用係統(例如采用AD7175-8)
，Sinc5 + Sinc1與Sinc3濾波器的每通道數據速率比較

 

以上就是對Σ-Δ型ADC的簡要介紹—圍繞調製器的原理，數字濾波的概念和例子
，以及其在測量係統內對噪聲
、建立時間的影響和一些連鎖效應。

 

 

 


推薦閱讀：