ADC — 模數(shù)轉(zhuǎn)換器是連接模擬世界與數(shù)字世界的橋梁。說(shuō)到這里，有些朋友會(huì)問(wèn)，我們?yōu)槭裁葱枰?shù)轉(zhuǎn)換？為什么需要ADC？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，自然世界里面的很多信號(hào)，比如聲音信號(hào)、手機(jī)信號(hào)、電視信號(hào)等，都是具有一定頻率，以及帶寬的信息。這些信息被我們所熟悉，但是這還不夠的，我們希望這些信號(hào)能夠被機(jī)器熟悉，被機(jī)器識(shí)別，從而達(dá)到信息的傳遞，以及物物相連。

機(jī)器能夠識(shí)別的是數(shù)字信號(hào)，能夠處理的也是0101的數(shù)字信號(hào)，所以說(shuō)ADC是讓一些模擬信息能夠被MCU，DSP，FPGA這些處理器處理的媒介。如圖一 ADC轉(zhuǎn)化過(guò)程。

圖一 ADC轉(zhuǎn)化過(guò)程

什么是Sigma-Delta ADC?

Sigma-Delta ADC一般由Σ-Δ調(diào)制器和降采樣抽取濾波器組成，以遠(yuǎn)高于Nyquist頻率的采樣頻率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣后的信號(hào)經(jīng)調(diào)制器處理后轉(zhuǎn)換為低位高碼率的數(shù)字信號(hào)流。

也就是ADC里面分為兩部分，一部分是調(diào)制器，另一部分是可配置數(shù)字濾波器，調(diào)制器的作用是將模擬信號(hào)完成模數(shù)轉(zhuǎn)化并整形，數(shù)字濾波器的作用是抽取，平均，濾波。整個(gè)過(guò)程都是在A(yíng)DC內(nèi)部完成的，ADC將數(shù)據(jù)流通過(guò)SPI總線(xiàn)總線(xiàn)傳遞給MCU。如圖二 Sigma-Delta ADC 內(nèi)部框圖

圖二 Sigma-Delta ADC 內(nèi)部框圖

Sigma-Delta ADC的主要優(yōu)勢(shì)是超高信噪比，換句話(huà)說(shuō)就是有效位數(shù)高，通俗地講就是精度高，測(cè)得準(zhǔn)。目前24位，32位的Sigma-Delta ADC非常多，已經(jīng)不是很稀缺了，缺點(diǎn)也很明顯，處理信號(hào)的帶寬相對(duì)來(lái)說(shuō)比較窄，這是由于我們?cè)谠O(shè)計(jì)此類(lèi)ADC的限制，保留采樣信號(hào)中的低頻信息，濾除高頻噪聲。

如圖二左半部分就是Σ-Δ調(diào)制器，它包含一個(gè)加法器、積分器、一個(gè)比較器和一個(gè)1Bit DAC。右半部分就是降采樣抽取濾波器，那么它們是如何配合工作呢？

Sigma-Delta ADC如何實(shí)現(xiàn)高精度高性能？

1. 過(guò)采樣

過(guò)采樣技術(shù)在1946年被首次提出，是指用遠(yuǎn)大于Nyquist頻率的采樣頻率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，用過(guò)采樣率(Over Sampling Ratio, OSR)來(lái)衡量過(guò)采樣程度。OSR與信號(hào)帶寬fb之間的關(guān)系為：OSR=fs/(2fb)。

過(guò)采樣技術(shù)會(huì)給ADC帶來(lái)兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：首先，較高的采樣頻率會(huì)降低前級(jí)抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)要求，過(guò)渡帶可以稍微平滑；其次，過(guò)采樣技術(shù)可以提高信噪比。當(dāng)采樣頻率提高時(shí)，量化噪聲的功率譜密度Se(f)會(huì)隨之降低，從而提高帶寬內(nèi)的信噪比，如圖三所示。

圖三 過(guò)采樣示意圖

a代表常規(guī)的奈奎斯特采樣，b代表過(guò)采樣

怎么去理解這個(gè)圖呢，我們都知道采樣定理，通常的我們的采樣頻率應(yīng)該是大于輸入信號(hào)的2倍以上，我們采樣后信號(hào)才不會(huì)出現(xiàn)混疊，信號(hào)信息才不會(huì)丟失，如圖三a所示，此時(shí)的fs/2剛好等于輸入信號(hào)最大頻率，此時(shí)的量化噪聲的功率譜密度：

當(dāng)采樣頻率提高時(shí)，Se(f)降低，即量化噪聲的功率譜密度降低，這有點(diǎn)類(lèi)似我們電源里面的擴(kuò)頻技術(shù)；另外一方面，過(guò)采樣之后，我們的抗混疊濾波器就比較好設(shè)計(jì)了，因?yàn)槿缟蠄D表現(xiàn)，Haaf(f) 設(shè)計(jì)一個(gè)低階的平滑的低通濾波器就足夠了。

2. 量化噪聲整形

過(guò)采樣技術(shù)能有效降低信號(hào)帶寬內(nèi)的量化噪聲，但僅通過(guò)增大采樣頻率來(lái)提高ADC的信噪比，會(huì)大幅度增加功耗，提高電路設(shè)計(jì)難度。因此，Sigma-Delta ADC的另一種精度提升技術(shù)——噪聲整形技術(shù)于1954年首次提出，基本原理是改變量化噪聲在頻譜上的分布，將低頻噪聲搬移到高頻，經(jīng)后級(jí)數(shù)字抽取濾波器可以濾除信號(hào)帶寬外的大部分噪聲，從而提高帶寬內(nèi)的信噪比，如圖四所示。

圖四 整形后的量化噪聲

噪聲整形技術(shù)是通過(guò)利用積分器來(lái)構(gòu)建具有高通特性的環(huán)路濾波器，對(duì)量化噪聲進(jìn)行整形，具體的公式推導(dǎo)此處就省略了，最后的量化噪聲公式類(lèi)似于一個(gè)正弦波。

由圖可見(jiàn)，頻率越低，噪聲也越低，噪聲頻譜不再類(lèi)似于矩形，而是變?yōu)榉扰c頻率相關(guān)的類(lèi)似于正弦波的波形。這樣的話(huà)，量化噪聲在低頻段的能量譜密度更小，信號(hào)帶寬內(nèi)的總噪聲越小，那么信號(hào)的載噪比就提升上去了，性能就提升了。

3. 數(shù)字抽取濾波

可以理解為通過(guò)數(shù)字濾波器后將調(diào)制器的數(shù)字輸出的N位加起來(lái)，然后取平均值，這樣的話(huà)，相當(dāng)于輸出速率降低了，但是采集的數(shù)值更加接近于此段時(shí)間的平均值，如圖五，可以看看Sigma-Delta ADC的采樣過(guò)程。

圖五 Sigma-Delta ADC的采樣過(guò)程以及與SAR采數(shù)區(qū)別

Sigma-Delta ADC的應(yīng)用