6. Сигма-дельта ацп

Для проведения большинства измерений часто не требуется АЦП со скоростью преобразования, которую даёт АЦП последовательного приближения, зато необходима большая разрешающая способность. Сигма-дельта АЦП могут обеспечивать разрешающую способность до 24 разрядов, но при этом уступают в скорости преобразования. Так, в сигма-дельта АЦП при 16 разрядах можно получить частоту дискретизации до 100К отсчетов/сек, а при 24 разрядах эта частота падает до 1К отсчетов/сек и менее, в зависимости от устройства.

Обычно сигма-дельта АЦП применяются в разнообразных системах сбора данных и в измерительном оборудовании (измерение давления, температуры, веса и т.п.), когда не требуется высокая частота дискретизации и необходимо разрешение более 16 разрядов.

Принцип работы сигма-дельта АЦП сложнее для понимания. Эта архитектура относится к классу интегрирующих АЦП. Но основная особенность сигма-дельта АЦП состоит в том, что частота следования выборок, при которых собственно и происходит анализ уровня напряжения измеряемого сигнала, существенно превышает частоту появления отсчетов на выходе АЦП (частоту дискретизации). Эта частота следования выборок называется частотой передискретизации. Так, сигма-дельта АЦП со скоростью преобразования 100К отсчетов/сек, в котором используется частота передискретизации в 128 раз больше, будет производить выборку значений входного аналогового сигнала с частотой 12.8М отсчетов/сек.

Порядок модулятора определяется численностью интеграторов и сумматоров в его схеме. Сигма-дельта модуляторы N-го порядка содержат N сумматоров и N интеграторов и обеспечивают большее соотношение сигнал/шум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы первого порядка. Примерами сигма-дельта модуляторов высокого порядка являются одноканальный AD7720 седьмого порядка и двухканальный ADMOD79 пятого порядка.

Наиболее широко в составе ИМС используются однобитные сигма-дельта модуляторы, в которых в качестве АЦП используется компаратор, а в качестве ЦАП – аналоговый коммутатор (рис. 6.13).

C

D

Рис. 6.13. Структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка

Входной сигнал поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя, а на неинвертирующий – выход одноразрядного ЦАП. Таким образом дифференциальный усилитель служит элементом сравнения (вычитающим устройством).

Интегратор – это активный аналоговый ФНЧ с высоким усилением в полосе частот входного сигнала и подавлением частотных составляющих, лежащих вне этой полосы. Квантователь – это в первом приближении компаратор с порогом срабатывания, равным “0”, выход которого может переключаться из состояния ”-U_оп” в состояние “+U_оп”, и который подключен ко входу синхронизируемого тактовой частотой (частотой дискретизации) элемента памяти, сохраняющего это состояние в течение тактового интервала. Если предположить, что на выходе этого элемента памяти, который одновременно является и выходом с уровнями модулятора должен формироваться цифровой сигнал соответствующий уровням логического “нуля” и “единицы” (АЦП), то таким элементом памяти может служить обычный D-триггер. В петле обратной связи при этом понадобится отдельное переключающее устройство, выполняющее функции ЦАП (на рис. 6.13 показано штриховой линией), который управляется цифровым сигналом, а на выходе формирует либо “-U_оп” либо “+U_оп”.

Дополнительным и очень важным достоинством сигма-дельта АЦП является то, что все его внутренние узлы могут быть выполнены интегральным способом на площади одного кремниевого кристалла. Это заметно снижает стоимость конечных устройств и повышает стабильность характеристик АЦП.

Итак, метод дельта-сигма-преобразования базируется на принципе нейтрализации входного тока (среднего) сигнала с помощью переключаемого внутреннего источника тока (иногда заряда в схеме с коммутируемым конденсатором). Это позволяет поддерживать нулевой средний ток на суммирующем входе ОУ. Это принцип уравновешения. Счетчик выслеживает число импульсов подключения к неинвертирующему входу в пределах некоторого заданного числа тактовых импульсов. Полученное число будет пропорционально среднему входному уровню, т.е. это и будет выходным кодом. В схеме рис. 6.13 такие импульсы тока сформированы с помощью эталонного напряжения (U_эт) и резисторов, подаваемые на неинвертирующий вход дифференциального усилителя.

Способ формирования многоразрядных отсчетов на выходе сигма-дельта модулятора зависит от того, какова требуется разрядность этих отсчетов и с какой скоростью они должны следовать. Повышение разрядности и скорости следования отсчетов (частоты дискретизации F_д) усложняет задачу и ограничивает выбор средств, с помощью которых эта задача может быть решена.

Наиболее простым способом получения многоразрядных отсчетов на выходе сигма-дельта модулятора является подсчет количества “единиц” в цифровом потоке, формируемом одноконтурным сигма-дельта модулятором 1-го порядка за период дискретизации Т_д=1/F_д. Схема такого устройства представлена на рис. 6.13.

Если заданы частота дискретизации F_д и разрядность выходного кода m, то тактовая частота F_т, на которой работает сигма-дельта модулятор, должна быть выше частоты дискретизации в k раз: F_т=kF_д, где k=2_­^m (при максимальном U_вх все разряды счетчика 2 должны быть установлены в “единицы”).

Тогда интервал времени равный периоду дискретизации можно сформировать путем деления тактовой частоты F_т на число k c помощью обычного счетчика (счетчик 1).

Подсчет “единиц” в цифровом потоке также осуществляется с помощью счетчика (счетчик 2), причем на его счетный вход подается та же тактовая частота F, а на вход разрешения счета поступают “единицы” кода. Когда на входе разрешения присутствует “1”, счетчик увеличивает свое содержание, а когда “0” – состояние остается прежним. В конце каждого периода дискретизации сигналом со счетчика 1 содержимое счетчика 2 переписывается в N-разрядный регистр, а сам счетчик 2 обнуляется. Таким образом, на выходе АЦП формируется код отсчета, численно равный количеству “единиц” в цифровом потоке на выходе Д-модулятора за период дискретизации.

Описанный метод чрезвычайно прост, но обладает невысокой точностью и применим только для квантования медленно меняющихся процессов или в случае, когда высокой точности не требуется. Если же сигнал на входе преобразователя меняется быстро (следовательно, частота дискретизации должна быть велика) и необходимо получить высокое разрешение, то использование данного метода становится невозможным. В подобных случаях пользуются другими методами построения сигма-дельта АЦП – применением модуляторов 2-го и более высоких порядков, каскадным соединением таких модуляторов, использованием многоразрядных квантователей и многоразрядных ЦАП в петле обратной связи, а на выходе размещают сложные цифровые фильтры высоких порядков, выполняющие операцию децимации (прореживания) одноразрядного цифрового потока вместе с увеличением разрядности выходного кода.