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模擬技術(shù)在信號(hào)處理領(lǐng)域長(zhǎng)期占據(jù)主導(dǎo)地位，但數(shù)字技術(shù)正逐漸滲透這一領(lǐng)域。德爾塔-西格瑪（DS）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的設(shè)計(jì)大約四分之三是數(shù)字部分，四分之一是模擬部分。DS ADC現(xiàn)在非常適合將模擬信號(hào)從直流（DC）到數(shù)兆赫茲的寬頻率范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這些轉(zhuǎn)換器基本上由一個(gè)過采樣調(diào)制器后跟一個(gè)數(shù)字/抽取濾波器組成，共同產(chǎn)生高分辨率的數(shù)據(jù)流輸出。本文分兩部分深入探討DS ADC的核心。第一部分將探討DS調(diào)制器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功能，第二部分將探討數(shù)字/抽取濾波器模塊的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功能。
DS轉(zhuǎn)換器概述
基本的DS轉(zhuǎn)換器是一個(gè)1位采樣系統(tǒng)。施加到轉(zhuǎn)換器輸入的模擬信號(hào)需要相對(duì)較慢，以便轉(zhuǎn)換器可以對(duì)其進(jìn)行多次采樣，這種技術(shù)稱為過采樣。采樣速率比輸出端口的數(shù)字結(jié)果快數(shù)百倍。每個(gè)單獨(dú)的樣本會(huì)隨時(shí)間累積，并通過數(shù)字/抽取濾波器與其他輸入信號(hào)樣本進(jìn)行“平均”。
DS轉(zhuǎn)換器的主要內(nèi)部單元是DS調(diào)制器和數(shù)字/抽取濾波器。圖1所示的內(nèi)部DS調(diào)制器以非常高的速率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行粗略采樣，生成1位數(shù)據(jù)流。然后，數(shù)字/抽取濾波器接收這些采樣數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為高分辨率、較慢的數(shù)字代碼。雖然大多數(shù)轉(zhuǎn)換器只有一個(gè)采樣率，但DS轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)——輸入采樣率（fS）和輸出數(shù)據(jù)率（fD）。
DS調(diào)制器
DS調(diào)制器是DS ADC的核心。它負(fù)責(zé)將模擬輸入信號(hào)數(shù)字化并降低低頻噪聲。在這一階段，架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一種稱為噪聲整形的功能，該功能將低頻噪聲推高到更高頻率，使其位于感興趣頻帶之外。噪聲整形是DS轉(zhuǎn)換器非常適合低頻、高精度測(cè)量的原因之一。
DS調(diào)制器的輸入信號(hào)是隨時(shí)間變化的模擬電壓。在早期的DS ADC中，此輸入電壓信號(hào)主要用于音頻應(yīng)用，其中交流（AC）信號(hào)很重要。現(xiàn)在，隨著人們開始關(guān)注精密應(yīng)用，轉(zhuǎn)換率也包括了直流（DC）信號(hào)。為了說明這一點(diǎn)，本文將使用正弦波的一個(gè)周期作為示例。
圖2a展示了DS調(diào)制器輸入的單個(gè)正弦波周期。這個(gè)周期內(nèi)的電壓幅度是隨時(shí)間變化的。圖2b則是圖2a中時(shí)域信號(hào)的頻域表示。圖2b中的曲線代表圖2a中的連續(xù)正弦波，它看起來像一條直線或一個(gè)尖峰。
觀察DS調(diào)制器有兩種方式：時(shí)域（圖3）和頻域（圖4）。圖3中的時(shí)域方框圖展示了一階DS調(diào)制器的工作原理。調(diào)制器將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速、單比特、調(diào)制的脈沖波。更重要的是，圖4中的頻率分析顯示了調(diào)制器如何影響系統(tǒng)中的噪聲，并有助于產(chǎn)生更高分辨率的結(jié)果。
圖3中所示的DS調(diào)制器通過獲取輸入信號(hào)的多個(gè)樣本來生成一串1比特代碼。系統(tǒng)時(shí)鐘與調(diào)制器的1比特比較器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)采樣速率fS。
通過這種方式，DS調(diào)制器的量化動(dòng)作以等于系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的高采樣率產(chǎn)生。像所有量化器一樣，DS調(diào)制器產(chǎn)生一串代表輸入電壓的數(shù)字值，在這種情況下是1比特流。因此，1和0的數(shù)量之比代表了輸入的模擬電壓。與大多數(shù)量化器不同，DS調(diào)制器包含一個(gè)積分器，其作用是將量化噪聲整形到更高頻率。因此，調(diào)制器輸出的噪聲頻譜不是平坦的。
在時(shí)域中，模擬輸入電壓與1比特數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出之間存在差異，從而在X2處產(chǎn)生一個(gè)模擬電壓。該電壓被送至積分器，其輸出會(huì)朝負(fù)或正方向變化。X3處信號(hào)的斜率和方向取決于X2處電壓的符號(hào)和大小。當(dāng)X3處的電壓等于比較器的參考電壓時(shí)，比較器的輸出會(huì)根據(jù)其原始狀態(tài)從負(fù)變?yōu)檎驈恼優(yōu)樨?fù)。比較器的輸出值X4被時(shí)鐘信號(hào)同步回1比特DAC，同時(shí)也被時(shí)鐘信號(hào)同步輸出到數(shù)字濾波器階段。當(dāng)比較器的輸出從高到低或從低到高切換時(shí)，1比特DAC會(huì)響應(yīng)并改變差分放大器的模擬輸出電壓。這會(huì)在X2處產(chǎn)生不同的輸出電壓，導(dǎo)致積分器向相反方向變化。此時(shí)域輸出信號(hào)是在采樣率（fS）下對(duì)輸入信號(hào)的脈沖波表示。如果對(duì)該輸出脈沖序列進(jìn)行平均，其值將等于輸入信號(hào)的值。
圖3中的離散時(shí)間方框圖也展示了時(shí)域傳遞函數(shù)。在時(shí)域中，1比特ADC將信號(hào)數(shù)字化為粗糙的1比特輸出代碼，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器的量化噪聲。調(diào)制器的輸出等于輸入加上量化噪聲，即ei – ei-1。該公式表明，量化噪聲是當(dāng)前量化誤差（ei）與先前量化誤差（ei-1）之間的差值。圖4展示了這種量化噪聲的頻率位置。
圖4還表明，積分器和采樣的組合在數(shù)字輸出代碼上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)噪聲整形濾波器。在頻域中，時(shí)域輸出脈沖表現(xiàn)為輸入信號(hào)（或尖峰）和整形噪聲。圖4中的噪聲特性是理解調(diào)制器頻率操作以及DS ADC能夠?qū)崿F(xiàn)如此高分辨率能力的關(guān)鍵。
調(diào)制器中的噪聲被轉(zhuǎn)移到更高頻率。圖4顯示，一階調(diào)制器的量化噪聲從0赫茲開始較低，迅速上升，然后在調(diào)制器的采樣頻率（fS）處達(dá)到最大值并保持穩(wěn)定。
使用一個(gè)進(jìn)行兩次積分而不是僅一次積分的電路是降低調(diào)制器帶內(nèi)量化噪聲的有效方法。圖5展示了一個(gè)1比特、二階調(diào)制器，它有兩個(gè)積分器而不是一個(gè)。以這個(gè)二階調(diào)制器為例，噪聲項(xiàng)不僅取決于前一個(gè)誤差，還取決于前兩個(gè)誤差。
二階或多階調(diào)制器的一些缺點(diǎn)包括復(fù)雜度增加、多個(gè)環(huán)路以及設(shè)計(jì)難度增大。然而，大多數(shù)DS（Delta-Sigma）調(diào)制器都是高階的，如圖5中的調(diào)制器。
與低階調(diào)制器相比，多階調(diào)制器能將量化噪聲整形到更高的頻率。在圖6中，位于頻率fS處的最高線表示三階調(diào)制器的噪聲響應(yīng)。請(qǐng)注意，該調(diào)制器的輸出在其采樣頻率fS處全程噪聲很大。然而，在較低頻率下，即低于fD（數(shù)字/抽取濾波器的轉(zhuǎn)換頻率）并靠近輸入信號(hào)尖峰處，三階調(diào)制器的噪聲非常低。關(guān)于fD的取值，將在本文系列的第二部分中討論。
調(diào)制器：
DS（Delta-Sigma）ADC的調(diào)制器在轉(zhuǎn)換過程中成功降低了低頻噪聲。然而，高頻噪聲是一個(gè)問題，且在轉(zhuǎn)換器的最終輸出中是不希望出現(xiàn)的。本文系列的第二部分將討論如何使用低通數(shù)字/抽取濾波器來消除這種噪聲。
