AD717x頁(yè)面提供了完整系列的詳細信息，包括有關(guān)AD7172-2、AD7175-2、AD7172-4、AD7173-8和AD7175-8的信息。這些精密ADC具有完全集成的模擬信號鏈，包括真軌到軌模擬輸入和基準輸入緩沖器。該系列提供多種輸入通道數，不同器件可通過(guò)引腳對應方式升級為其他轉換速度或更低噪聲/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系列；AD7175-2框圖和噪聲性能

 

AD7175-2具有一個(gè)非常有用的軟件工具來(lái)幫助評估。Eval+是一個(gè)單一軟件，可從ADI網(wǎng)站下載，用來(lái)在有或沒(méi)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(shí)，會(huì )像標準評估板那樣工作。無(wú)硬件時(shí)，ADC的功能模型在后臺運行，支持用戶(hù)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系列概覽，顯示了可用的通道數選項和系列成員的引腳對應情況

 

消除Σ-Δ ADC量化噪聲：噪聲和帶寬考慮因素

 

使用AD7175 ADC來(lái)說(shuō)明如何利用數字濾波消除Σ-Δ型ADC的量化噪聲。關(guān)鍵在于噪聲/輸入帶寬和建立時(shí)間的權衡分析。

 

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

 

ADC的最低過(guò)采樣比、數字濾波器階數和轉折頻率都有助于確保量化噪聲不是ADC噪聲的限制因素。為了濾除噪聲，濾波器0ca7d2的包絡(luò )必須能夠以足夠大的滾降速率進(jìn)行衰減，從而應對幅度量化噪聲的增速。

 

AD7175的最低過(guò)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(lèi)型的濾波器，可供用戶(hù)選擇。數字濾波器的工作原理是通過(guò)比較不同情況下的sinc5 + sinc1和sinc3濾波器來(lái)說(shuō)明的。

 

在250 kHz ODR時(shí)，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(luò )為−100 dB/十倍頻程。這意味著(zhù)sinc5濾波器的衰減和滾降速率足以消除調制器噪聲，如圖3所示。

 

圖3. AD7175調制器輸出頻譜DC至FMOD/2，采用sinc5 + sinc1和32倍抽取(產(chǎn)生sinc5直流響應)

 

圖4. AD7175-2 sinc5 + sinc1濾波器：通過(guò)更改ADC抽取率來(lái)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制器噪聲。數據手冊中的250 kHz和125 kHz ODR時(shí)的噪聲數值說(shuō)明了這一情況。只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(guò)調整輸入帶寬來(lái)降低噪聲。這是通過(guò)提高抽取率實(shí)現的。對于sinc5 + sinc1濾波器，提高過(guò)采樣比意味著(zhù)初始五階sinc濾波器要進(jìn)行均值計算。利用初始結果的均值，用戶(hù)可以選擇不同的輸出數據速率、速度和帶寬來(lái)改善噪聲性能(如圖5所示)，即先由sinc5再由sinc5 + sinc1求均值來(lái)改善噪聲性能。對sinc5結果求均值會(huì )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(huì )與sinc5總包絡(luò )復合。sinc型濾波器中的陷波頻率傳統上是用來(lái)抑制已知頻率的干擾信號，即通過(guò)把數據速率策略性地設置為與干擾頻率重合。一個(gè)經(jīng)典例子是50 Hz和60 Hz的工頻抑制。

 

圖5. AD7175-2 sinc5 + sinc1濾波器 – 噪聲與ODR的關(guān)系

 

sinc型濾波器是具有sin(x)/x剖面的移動(dòng)平均濾波器，因此一般稱(chēng)其為sinc濾波器。該濾波器由一系列積分器、一個(gè)用作抽取率的開(kāi)關(guān)和一系列微分器組成。它是一種有限脈沖響應(FIR)型濾波器。對于輸入的階躍變化，它表現出已知且有限的線(xiàn)性相位響應。深陷波發(fā)生在輸出數據速率及其整數倍處，陷波內的信號會(huì )被衰減。

 

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(gè)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濾波器位于–P × 20 dB/十倍頻程的頻率響應包絡(luò )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于濾波器建立時(shí)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

 

濾波器建立時(shí)間

 

當數字濾波器處理來(lái)自Σ-Δ調制器的數據流的移動(dòng)平均值時(shí)，存在一個(gè)相關(guān)的建立時(shí)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(lái)描述該延遲：群延遲和建立時(shí)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(shí)間。例如，對于單音正弦波，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(shí)間差。

 

建立時(shí)間是指數字濾波器的全部均值時(shí)間。如果模擬輸入端有一個(gè)階躍，那么需要經(jīng)過(guò)濾波器的完全建立時(shí)間，ADC的數據輸出才與階躍之前的輸入無(wú)關(guān)。還可能存在其他延遲，如濾波器的計算時(shí)間等。對于A(yíng)D7175系列，第一次轉換會(huì )有較長(cháng)的建立時(shí)間；由于初始計算周期為1/ODR，離開(kāi)待機狀態(tài)后的建立也可能引起延遲。除濾波器建立時(shí)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(shí)應留心。

 

通過(guò)比較單一Σ-Δ ADC與多路復用Σ-Δ ADC，可以更好地說(shuō)明濾波器建立時(shí)間影響。數字濾波器的建立時(shí)間會(huì )嚴重影響多個(gè)輸入通道循環(huán)轉換的速率，因為要保持各通道的結果獨立。

 

為什么要等待完全建立時(shí)間之后才能給出獨立結果？讓我們看看采用單一輸入源的單通道ADC的數字濾波。來(lái)自Σ-Δ ADC調制器的數據以FMOD的速率傳送到數字濾波器(如圖5所示)，每個(gè)樣本都通過(guò)移動(dòng)平均濾波器。根據階數和類(lèi)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和隨后的樣本是調制器在其每個(gè)時(shí)鐘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(shí)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(xiàn))之間的時(shí)間為4 μs。ADC采用sinc5 + sinc1濾波器和32倍抽取率運行。在定義濾波器輸出為調制器的模擬輸入時(shí)，所有五個(gè)轉換輸出都有一定的重疊，因此，沒(méi)有輸出是各自獨立的。對于單一ADC輸入，各轉換結果共享調制器模擬輸入，但濾波器以不同權重衡量各調制器輸出。

 

圖7. 單一ADC輸入、sinc5和五個(gè)轉換輸出周期

 

對于多路復用輸入情況，調制器產(chǎn)生的每個(gè)轉換數據對各通道必須是獨立的。必須經(jīng)過(guò)濾波器的完全建立時(shí)間之后，多路復用器才能從一個(gè)模擬輸入通道切換到另一個(gè)模擬輸入通道。以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(shí)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(gè)調制器輸出的加權平均值。這相當于12 μs或三個(gè)周期的ADC輸出數據速率。

 

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

 

圖8. 多路復用ADC、sinc3濾波器和三個(gè)轉換周期—完全建立的數據

 

對于sincP濾波器，濾波器的建立時(shí)間為濾波器階數P乘以1/ODR。對于以250 kHz ODR運行的sinc3濾波器，其建立時(shí)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(shí)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 (對于sinc3濾波器)或ODR/5 (對于sinc5濾波器)。對于直接sinc濾波器，這是很顯然的。對于sinc5 + sinc1型濾波器，需要增加一個(gè)步驟。AD7175系列ADC允許選擇不同類(lèi)型的濾波器。下一部分將介紹不同類(lèi)型濾波器之間的區別，并提供一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明如何計算各種情況下的建立時(shí)間。

 

現在看看多路復用情況下的建立時(shí)間。在過(guò)程控制和工廠(chǎng)自動(dòng)化中，典型的模擬輸入模塊會(huì )有一個(gè)前端調理，用以將±10 V輸入調整到AD7175-8的輸入范圍內。然后，AD7175-8會(huì )復用各通道，按順序轉換各輸入或輸入對。完成所有通道轉換的時(shí)間取決于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(jìn)行了比較，二者配置為相同的輸出數據速率，我們會(huì )看到建立時(shí)間計算的對比和方法。用戶(hù)可以選擇AD7175-8的這兩個(gè)濾波器選項。

 

a. 使用sinc3濾波器，62.5 kHz ODR 計算建立時(shí)間。

 

    ?AD7175 sinc3: ODR = 62.5 kHzz

    ?建立時(shí)間 = 3 × (1/62.5 kHz) = 48 μs

    ?通道開(kāi)關(guān)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(shí)間。

 

   ? AD7175 sinc5 + sinc1: ODR = 62.5 kHz

 

注意有兩個(gè)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(shí)間 = 5 × 1/250 kHz = 20 μs。

    

   ?這提供均值計算的第一個(gè)樣本。

 

2.sinc1的建立，均值濾波器。

 

   ?對于ODR = 62.5 kHz，250 kHz數據流四次求均值。

   ?用于均值計算的剩余三個(gè)樣本的建立

   ?時(shí)間為3 × 1/250 kHz = 12 μs。

   ?總建立時(shí)間 = 20 μs + 12 μs = 32 μs，

   ?通道開(kāi)關(guān)速率 = 1/32 μs = 31.25 kHz。

 

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

 

表2顯示了采用設置(a)和(b)的4通道多路復用測量的比較。使用sinc5 + sinc1濾波器可提高每通道采樣速率，說(shuō)明較短建立時(shí)間有優(yōu)勢。注意：這個(gè)經(jīng)驗法則僅適用于轉換器，若各路輸入之前有模擬預調理電路，并且其時(shí)間常數比ADC要長(cháng)，那么起主導作用的將是最差情況建立時(shí)間。

 

表2顯示了比較結果：

 

表2. 對于一個(gè)4通道多路復用系統(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(jiǎn)要介紹—圍繞調制器的原理，數字濾波的概念和例子，以及其在測量系統內對噪聲、建立時(shí)間的影響和一些連鎖效應。

 

 

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