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本文相关ADI器件：AD7705
摘 要：主要介绍了目前比较流行的Σ/ΔAD转换技术，并对其中主要技术过采样、量化噪声整形、数字滤波和采样抽取做了简单说明。最后，举一具体实例分析该转换方法在智能仪表上的应用和要注意的问题。
关键词：Σ/Δ转换技术；智能仪表；单片机；A/D
近年来一种新型的AD转换技术---Σ-Δ换技术颇受重视，由于他在现代大规模集成电路中克服了模拟器件内在的固有限制，且成本低分辨率高使得该技术得到了广泛的应用。如美国AD公司的AD7705，AD7706，AD7714，AD7716等均是采用该技术的ADC。Σ/ΔADC之所以能实现高分辨率，主要在于他使用了过采样、量化噪声整形、数字滤波、采样抽取等几项技术。这些技术令他具有易与数字信号处理系统单片集成，无需采样保持电路，对输入抗混迭滤波器要求很低等优点，所以要了解Σ/ΔADC的工 作过程首先应了解这几项技术。
1 Σ-Δ工作原理
Σ/ΔADC的工作过程为：首先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，实现AD转换。
1．1 过采样
众所周知，对于一理想的3位单极性ADC，转换时第一位的变迁发生在相当于1/2 LSB的模拟电压值上，以后每隔1 LSB都发生一次变迁，由于ADC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着±1/2 LSB的量化误差。在交流采样中，这种量化误差会产生量化噪声。
若对理想ADC加一恒定直流输入电压，则多次采样得到的数字输出值总是相同的，且分辨率受量化误差的限制。那么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同样ADC高得多的采样分辨率，这种方法称做过采样(oversampling)。若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)也同样可以提高ADC的分辨率。
1．2 Σ/ΔADC的调制器和量化噪声整形
图1给出了一阶Σ/ΔADC的原理框图。虚线框内是Σ/Δ调制器，他以kfs采样速率将输入信号转换为由1和0构成的连续串行位流。1位DAC由串行输出数据流驱动，1位DAC的输出以负反馈形式与输入信号求和。根据反馈控制理论可知，如果反馈环路的增益足够大，DAC输出的平均值(串行位流)接近输入信号的平均值。
由于积分器可以在频域内用一个幅度响应与1/f成正比的滤波器加以表示(f是积分器输入信号频率)。又由于带时钟的锁存比较器具有类似斩波器的作用，他将输入信号转换为高频交流信号，在输入信号平均值附近变化，因而低频下的量化噪声大大减少。这种情况下产生的噪声频谱严格地依赖于采样速率、积分时间常数及电压反馈误差。
实际上，模拟滤波器对输入信号具有低通滤波作用，滤波器的作用看作一种噪声整形滤波器。正如一般的模拟滤波器，滤波器的阶数越高其滤波性能越好。
1．3 数字滤波和采样抽取
Σ/Δ调制器对量化噪声整形以后，将量化噪声移到所关心的频带以外，然后对整形的量化噪声进行数字滤波。数字滤波器的作用有两个：一是相对于最终采样速率fs，他必须起到抗混叠滤波器的作用；二是他必须滤除Σ/Δ调制器在噪声整形过程中产生的高频噪声。
因为数字滤波器降低了带宽，所以输出数据速率要低于原始采样频率，直至满足奈奎斯特定理。降低输出数据速率的方法是通过对每输出M个数据抽取1个的数字重采样方法实现的，这种方法称作输出速率降为1/M的采样抽取(decimation)。这种采样抽取方法不会使信号产生任何损失，他实际上是去除过采样过程中产生的多余信号的一种方法。
2 Σ-Δ应用举例
Σ/ΔADC由于受到带宽和有效采样速率的限制，其采样速率不会太高，不适于图像视频等高频场合，但是因为他体积小、成本低，转换值可串行输出，不会占用过多处理器的位空间，所以特别适用于制作智能仪器仪表的信号采集模块。下面以AD公司AD7705为例，介绍Σ/ΔADC在智能仪器仪表上的应用。
2．1 AD7705简介
AD7705是应用于低频测量的2/3通道的模拟前端。 该器件可以接受直接来自传感器的低电平信号，然后产生串行的数字输出。利用Σ/Δ转换技术实现了16位无丢失代码性能。选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端。片内数字滤波器处理调制器的输出信号。通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新率，从而对数字滤波器的第一个陷波进行编程。AD7705特别适用于智能系统、微控制器系统，其串行接口可配置为三线接口。增益值、信号极性以及更新速率的选择可用串行输入口由软件来配置。
2．2 与微处理器接口
AD7705与8xC51微控制器接口电路如图2所示。图2中在将/CS接低电平的情况下采用3线连接，直接监控/DRDY输出线。在接口线要求最少的隔离系统、系统要求光电隔离器数目最少的环境中应用十分理想。对/DRDY的监控可以采用查询方法，也可以使用中断方法，具体采用何种方法视情况而定。另外，还可以监控通信寄存器中/DRDY位以判断数据寄存器被更新，这样与微处理器接口仅需2根线。这两种方法，一个容易编程但多了些硬件，另一个节省处理器端口但编程复杂了些，具体使用何种方案要由系统要求而定。
2．3 智能仪表信号采集模块设计
图3为AD7705做压力测量使用的电路结构框图，AD7705以差分输入形式测量压力信号。虽然电阻应变片在受压时改变其阻值，能产生电压信号，但是由于信号很弱需要放大。AD7705有内置PGA可选择增益对信号进行放大，然后AD对信号持续采样，电荷平衡A/D转换(Σ/Δ调制器)将采样信号转化为占空比包含数字信息的数字脉冲链。模拟输入端的可编程增益功能配合Σ/Δ调制器，修正输入采样频率，以获得更高的增益。sin c3低通数字滤波器处理Σ/Δ调制器的输出并以一定的速率更新输出寄存器，这速率由滤波器第一个陷波的频率决定。输出数据可从串行端口上随机地或周期性地读出。
一般来说，模拟信号在输入时应在模拟输入端接入电容以滤除干扰和噪声。参考电压作为ADC转换的也要非常精准，不能有波动，不然将会影响转换值。另外，由于AD7705的分辨率很高，要求噪声电平要非常小，所以在接地与布线时必须特别注意。首先，在设计印刷电路板时09要确保模拟区和数字区分开并各自限定在电路板的一定区域。应只在一个地方将模拟和数字接地平面连接在一起，以避免出现接地环路。要避免在器件下面走数字线，这样会造成片内噪声成倍增加。模拟和数字信号之间应尽量避免相互交叉，电路板上有元件的一边放在接地平面上，信号则放在电路板上焊接的一边。另外，电源的去耦也相当重要，一般用10μF和0．1μF的陶瓷电容器并联到电源。
2．4 软件设计
对AD7705的操作也十分简单，主要应当熟悉各个寄存器的作用和他们之间的关系。通信寄存器最重要，他是设置任何别的寄存器的前提，首先要写通信寄存器，然后才能设置其他寄存器。以AD7705与8xC51微控制器接口电路为例，说明一下编写软件的流程：
(1)电源上电，系统初始化；
(2)写通信寄存器选择通道，设置下一个操作为写时钟寄存器操作；
(3)根据实际情况设置时钟寄存器参数；
(4)写通信寄存器选择通道，设置下一个操作为写设置寄存器操作；
(5)写设置寄存器，选择参数，启动调制器，开始转换；
(6)等待DRDY位变低；
(7)写通信寄存器选择通道，设置下一个操作为读数
据寄存器操作；
(8)读数据，然后返回第(6)步。
3 结语
以上介绍了Σ/ΔADC的几个关键技术环节，并举了一个实际例子，从中可以看出Σ/ΔADC以其良好的抗干扰性能和极高的分辨率使其可应用于多种场合如智能仪器仪表、医疗器械、数字音频接受器等。但是，在实际使用时还应注意以下几个问题。第一应使转换器驱动电路尽量靠近转换器，以便把外部电路之间以及开关电容节点之间引线产生的感抗减到最小，从而减小输入的建立时间并把从输入端到电路板其他部件的辐射减到最小；第二必须考虑时钟信号对ADC的干扰；第三需考虑抗混迭滤波问题。只要尽量避免这些问题的发生，便可充分发挥其分辨率高、线性度好、易操作等优点，使其在模数转换场合得到更充分的应用。
［1］张亮，孟庆昌，华正权，等．Σ/Δ模数转换器基本原理及应用［J］．电子技术应用，1997，(2，3)．
［2］Analog Devices Inc．AD7705 specifications．
［3］钟珂，陈健．Σ/ΔA/D转换技术及仿真［J］．电声技术，1997，(11)．
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