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模數(shù)轉(zhuǎn)換器經(jīng)歷了積分型、VFD、逐次比較、并行比較等發(fā)展階段，它們各有長處，但速度和精度難以同時(shí)達(dá)到較高要求。隨著近年來的電子技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了一種較好解決精度、速度、高性能指標(biāo)的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)：∑-?A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。
采用∑-?A/D轉(zhuǎn)換特制成AD芯片，具較高集成度，它通常集放大器、模擬開關(guān)、AD轉(zhuǎn)換器、比較器、數(shù)字濾波器、輸出接口集于一體，大大減少了印刷線路板布線，僅需幾個(gè)外圍器件便構(gòu)成一個(gè)完整A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。由于其集成度高，所以故障概率較采用分立元件AD轉(zhuǎn)換器明顯降低，進(jìn)而提高系統(tǒng)可靠性。此外，其內(nèi)置高性能儀表放大器，大大降底對信號源的要求。
∑-?(SIGMA-DELTA)調(diào)制本質(zhì)上是采用負(fù)反饋方式逐步減小模擬信號與DAC反饋輸出的差值，但它們的差值不是直接加到比較器，而是通過一個(gè)積分器再加到比較器，與積分器輸出比較的基準(zhǔn)信號是地電平，因而它比常規(guī)的逐次逼近方式更好。目前市場上供應(yīng)的∑-?芯片大都釆用了增益可編程放大器、可編程數(shù)字濾波、多種自校準(zhǔn)技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，并多數(shù)釆用微處理器來管理與控制轉(zhuǎn)換程序，由于釆用了多種綜合技術(shù)措施，∑-?模數(shù)轉(zhuǎn)換可以達(dá)到24位精度的高速轉(zhuǎn)換。放大器的增益調(diào)整、數(shù)字濾波和誤差校正都集中在同一片芯片中，外圍器件少，使用方便可靠。
交直流兩用的稱重儀表廣泛使用的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換其主要缺點(diǎn)是積分器、比較器的漂移(溫度漂移)將最終轉(zhuǎn)換為數(shù)字誤差，為解決這一缺點(diǎn)，不得不使用價(jià)格高昂的運(yùn)算放大器、精密電阻和高性能電容器，外圍電路復(fù)雜，故障率高。同時(shí)雙積分型的A/D轉(zhuǎn)換的另一個(gè)缺點(diǎn)是為了防止電網(wǎng)于擾，釆樣時(shí)間須為電網(wǎng)1/f的整倍數(shù)。為了消除調(diào)零電容的電荷積聚，每次轉(zhuǎn)換又必須增加至少20ms的調(diào)零時(shí)間，轉(zhuǎn)換速度一般5?10次/秒，限制了使用范圍。
∑-?A/D轉(zhuǎn)換從根本上克服了上述缺陷，不需要低漂移的運(yùn)放、低損耗的電容，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)到50次/秒以上，擴(kuò)展了使用范圍。此外∑-?芯片可用軟件設(shè)置放大倍數(shù)，傳感器靈敏度的影響將大幅度下降。∑-?A/D轉(zhuǎn)換器是釆用總和增量調(diào)制原理，根據(jù)前后樣值之差進(jìn)行量化編碼.它由兩部分組成：一部分為模擬調(diào)制器，另一部分為數(shù)字濾波器。∑-?調(diào)制器以極高釆樣頻率對模擬信號進(jìn)行釆樣，并對兩個(gè)采樣值進(jìn)行低位量化，然后將這種∑-?碼送數(shù)字濾波器進(jìn)行取樣濾波，從而得到高分辨率LPCM信號。并且內(nèi)置放大器的一致性好，若使用恰當(dāng)，可提高儀表的互換性。
∑-?模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的一個(gè)主要特點(diǎn)是過釆樣。一個(gè)理想的N位ADC的采用量化噪聲功率為q/12,均勻分布在直流至0的頻帶內(nèi)，且fb=l/2f„(f.為信號最高頻率，fb為釆用頻率)如圖］(a)所示.如果用Kf,的釆樣速率對輸入信號進(jìn)行釆樣(K為過采樣倍數(shù))，則整個(gè)量化噪音位于直流與kf,/2之間，量化噪聲功率降為原來的1/K,如圖1(b)所示若在ADC后加一個(gè)數(shù)字濾波器，濾除f,/2至Kf,/2之間的無用信號而又不影響有用信號，從而提高信噪比，實(shí)現(xiàn)了用低分辨率ADC達(dá)到高分辨率的效果.如圖1（C）所示

為了消除50Hz/60Hz交流電源對高精度A/D轉(zhuǎn)換的影響，∑-?轉(zhuǎn)換芯片一般都釆用了強(qiáng)有力的措施。芯片大都有多階數(shù)字濾波器，并建議將濾波器的凹口對準(zhǔn)50Hz/60Hz,以抑制50Hz/60Hz電源的干擾.通過設(shè)置使積分次數(shù)為電源周波的整倍數(shù)，完整的積分周期可使干擾的正、負(fù)半周相互抵消，進(jìn)一步抑制交流干擾。當(dāng)然也可以釆用其他方法來抑制交流噪聲千擾，例如AD7723,它的采樣率很高，使得量化噪聲在0?f/2之間均勻分布，可釆用高階調(diào)制改變噪聲分布，使得大部分量化噪聲移出敏感頻帶。數(shù)字濾波器由4?5個(gè)有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器串聯(lián)組成，每個(gè)濾波器的輸出數(shù)據(jù)速率是它輸入端的1/2,這樣通過濾波器后，數(shù)據(jù)速率減少到原來的1/16?1/32,消除了大部分頻帶內(nèi)的量化噪聲，由于轉(zhuǎn)換器的釆樣特征，通帶響應(yīng)在釆樣頻率壇和它的整倍數(shù)處重復(fù)出現(xiàn)，通帶噪聲的輸出與濾波器鏡像重疊的信號都與通帶混淆，由于采樣率高，這些通帶只占頻譜的小部份，大部分寬帶噪聲都衰減了90dB,有效抑制了電源噪聲。
E—A模數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)部釆用多種自校正技術(shù)，進(jìn)一步減小了轉(zhuǎn)換誤差和非線性。在市場上見到的芯片中，絕大多數(shù)都有自校正，系統(tǒng)失調(diào)校正、系統(tǒng)滿量程校正、虛系統(tǒng)校正、背景校正模式，即可單獨(dú)使用，也可組合使用，以確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、實(shí)用性、可靠性。
∑-?模數(shù)轉(zhuǎn)換的另一個(gè)技術(shù)要點(diǎn)是量化噪聲整形。如果簡單地使用過釆樣的辦法提高分辨率N,則必須進(jìn)行K=22N倍過釆樣，這是不現(xiàn)實(shí)的，為了使采樣速度合理，必須對量化噪聲的頻譜進(jìn)行整形，使大部分噪聲位于fs/2到Kfs/2之間，而僅有很少一部份留在直流至fs/2內(nèi)。完成這一功能的是E-A調(diào)制器，£是求和，A是表示增量，噪聲頻被調(diào)制整形后，數(shù)字濾波器可以除去大部分量化噪聲能量，使總的信噪比增強(qiáng)。（圖2所示）

∑-?模數(shù)轉(zhuǎn)換的再一個(gè)技術(shù)要點(diǎn)是數(shù)字濾波和采樣抽取。
數(shù)字濾波器將決定：信號的寬度、通帶的平坦度、通帶的相位響應(yīng)、組合的延時(shí)、過渡帶的特性、帶外的衰減等等.在模擬信號上加數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn)有：相對高復(fù)雜性而言具有低成本、線性相位/常數(shù)組延時(shí)、完全可復(fù)制性、隨時(shí)間和溫度的變化保持穩(wěn)定、跟蹤釆樣速率的變化。常見的有(Six/x)3或Sine，濾波器，它的波響應(yīng)見下圖3

數(shù)字濾波的方式有許多種類，若采用快速傅立葉變換(FFT)可以進(jìn)行釆樣數(shù)據(jù)開窗口(俗稱窗函數(shù))，通過窗函數(shù)功能可將非周期性數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換成周期性數(shù)據(jù)集，經(jīng)過可窗口的數(shù)據(jù)集可以結(jié)合而不會(huì)有任何不連續(xù)性。見圖4

∑-?調(diào)制器對量化噪聲整形之后，將量化噪聲移到fs/2之外，然后對整形后的噪聲進(jìn)行數(shù)字濾波，數(shù)字濾波的作用有2個(gè)，一是相對于最終頻率fs，它必須起到濾波器的作用，二是必須濾除£一A調(diào)制器在噪聲整形過程中產(chǎn)生的高頻噪聲。
若要恢復(fù)原始信號并保持不失真，數(shù)字濾波器降低帶寬后必須滿足采樣定理，由于采用了過釆樣，附帶產(chǎn)生了多余信號，數(shù)字濾波器通過輸出M個(gè)數(shù)據(jù)，抽取一個(gè)數(shù)據(jù)的重釆樣方法，實(shí)現(xiàn)了使輸出數(shù)據(jù)低于原來的過釆樣速度，直到使關(guān)心的頻帶滿足釆樣定理。

傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換釆用過采樣實(shí)現(xiàn)高辨有很大的困難，要獲得頻率響應(yīng)特性，陡峭和非線性失真很小的模擬濾波器比較因難，模擬電路固有的噪聲容限小的缺點(diǎn)，難以獲得價(jià)格低廉、性能高的A/D轉(zhuǎn)換器，采用∑-?轉(zhuǎn)換技術(shù)，數(shù)字電路占了很大比重，使制作高精度、低成本的轉(zhuǎn)換成為現(xiàn)實(shí)，特別具有是高階E-A調(diào)制器的芯片，在實(shí)際應(yīng)用中受到歡迎。目前市場己有5階調(diào)制器的∑-?芯片供應(yīng)。它內(nèi)部的原理見圖6。

自90年代以來，∑-?型A/D轉(zhuǎn)換器獲得了很大發(fā)展，在衡器行業(yè)應(yīng)用不斷加大，為研制高性能、高可靠性高速度稱重儀表提供良好物質(zhì)基礎(chǔ)，對稱重儀表的發(fā)展起到重要作用。
目前市場岀現(xiàn)了使用X-A轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品，大多是高檔儀表，主要用于高速定量包裝控制、動(dòng)態(tài)稱重等行業(yè)，價(jià)格高，使用范圍受到限制.耀華公司推出的A8儀表使用∑-技術(shù)，運(yùn)用在電子臺秤、機(jī)電結(jié)合改制場合。由于較合理地運(yùn)用∑-?技術(shù)，儀表的一致性很好，儀表內(nèi)部元件少，故障率低，維修方便，抗干擾性能好，交直流兩用，并且為擴(kuò)展功能保留了適量的I/O口。以∑-?技術(shù)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)型稱重儀表為加速發(fā)展電子衡器創(chuàng)造了更好的條件。

作者：譚對

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