Σ-Δ型ADC(Sigma-Delta模数转换器)和DAC(数字模拟转换器)是一种利用过采样(oversampling)、噪声整形(noise shaping)、数字滤波(digital filtering)和抽取(decimation)技术的高性能模数和数模转换技术。它们广泛应用于高质量音频设备、仪器仪表等领域。 过采样是指比奈奎斯特频率更高的采样频率对模拟信号进行数字化。这种技术的应用可以降低对模拟抗混叠滤波器性能的要求。在Σ-Δ型ADC中,过采样使得信号在更高的采样频率下被采样,有效地将量化噪声从信号带宽内扩展到更高的频率区域,从而在后续的数字滤波过程中容易被滤除。而为了得到更高的信噪比,Σ-Δ型ADC中的量化噪声被整形到更高频率范围内,使得大部分噪声能量远离有用信号频段。 噪声整形是使用Σ-Δ调制器实现的,通过将1位量化器的输出反馈到调制器内部,形成一个反馈环路,控制量化噪声的频谱分布。Σ-Δ调制器通常包括一个积分器和一个比较器,以及一个反馈回路,使误差信号减小。调制器的噪声整形效果可以提高总信噪比,并且通过适当的数字滤波器可以消除大量量化噪声,从而改善ADC的动态范围。 数字滤波器在Σ-Δ型ADC中起到至关重要的作用,它可以去除过采样过程中产生的大部分量化噪声。由于噪声已经从有用信号带宽中整形到fS/2与kfS/2之间,数字滤波器可以在这个频段之外有效地滤除噪声。 抽取过程是降低Σ-Δ型ADC输出端的有效采样速率的过程。抽取器根据抽取因子降低数字输出的采样率,并且滤除采样过程中产生的镜像频率分量,使输出达到所需的采样频率。抽取过程与过采样相结合,可以使得最终信号的分辨率得到提升。 Σ-Δ架构在混合信号VLSI工艺中具有重要意义,因为它们允许实现高分辨率的ADC。随着1微米及更小的CMOS几何结构制造技术的成熟,Σ-Δ转换器能够更普遍地应用于混合信号集成电路中,如集成ADC、DAC和DSP功能的单芯片。Σ-Δ转换器本质上是过采样转换器,但由于它们也采用了噪声整形和数字滤波技术,因此可以实现比传统奈奎斯特采样架构更高的分辨率。 Σ-Δ型ADC使用分辨率极低(通常是1位)的ADC以极高采样率对模拟信号进行数字化处理,由于采用了过采样技术与噪声整形和数字滤波技术相结合,因此有效分辨率得以提高。通过抽取过程降低ADC输出端的有效采样速率,这样可以减少数据量并且在不影响信号质量的情况下减少计算负担。 Σ-Δ型ADC在实现高精度和高动态范围方面具有显著优势,尤其是在对微分和积分线性度要求极高的应用场景中。Σ-Δ型ADC的线性度很好,因而通常不需要像其他类型的ADC那样进行复杂校准和调整。Σ-Δ型ADC可以看作是同步电压频率转换器加计数器,通过对输出数据流中1的数量进行计数,以代表输入的数字值。 Σ-Δ调制器是Σ-Δ转换技术的核心组件,其设计复杂度极高。例如,一个五阶Σ-Δ调制器能够提供很好的噪声整形效果,但其设计和实现难度不小。Σ-Δ型ADC的实现对于模拟电路设计者来说是一项挑战,它需要精心设计的模拟部分和复杂的数字处理电路。 Σ-Δ型ADC和DAC利用过采样、噪声整形、数字滤波和抽取技术,可以实现高精度、高动态范围的模数和数模转换功能,尤其在音频和精密测量设备中有着广泛的应用前景。随着半导体技术的进步,预计Σ-Δ技术将被更广泛地应用在各种高科技电子设备中。
2024-10-30 09:15:04 678KB Σ-Δ型ADC Σ-Δ型DAC
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