搞精密测量的朋友大概都遇到过这样的场景:手上要测的是称重传感器那几十微伏的差分输出,或者是热电偶几毫伏的微弱电压,第一反应是找个位数高的ADC,翻数据手册翻到"Σ-Δ型ADC,24位,内置PGA"就停住了。Σ-Δ型ADC之所以在精密测量、音频采集、电力计量这几个圈子里几乎成了默认选项,靠的不是单纯往位数上堆,而是它那套"过采样+噪声整形+数字抽取"的拓扑结构。这套结构把量化噪声从低频硬生生推到高频,再用数字滤波器一刀切掉,最后只留下很窄的一段有用带宽。理解它的拓扑结构,本质上就是理解这条信号链上每个环节各自把噪声搬到哪里去了。这篇东西写给三类人看:刚接触高精度采集的硬件工程师、需要选型做方案的嵌入式开发者,以及想把数据手册里那些噪声表看懂、算明白的测试人员。不堆公式推导,但关键的几步计算会写透。
1. 从一次选型纠结说起:Σ-Δ型ADC到底强在哪
1.1 三个真实场景,三种需求
先摆三个我实际碰过的场景,它们对ADC的要求完全不一样,但最后都指向了Σ-Δ。
第一个是工业称重。一个量程5kg、灵敏度2mV/V的称重传感器,激励5V,满量程输出就是10mV。要区分1g的变化,也就是满量程的1/5000,等效输入分辨率要压到2μV以下,而且是在几十毫伏的共模之上。这种场合要的是"绝对分辨能力",带宽可能只要10Hz到100Hz,慢一点完全没关系。
第二个是音频采集。人耳听感24bit、192kHz,采样率不低,带宽有20kHz以上,但真正需要的有效位数其实只有十七八位,剩下的位数是留给动态范围和数字音量控制的。
第三个是电力计量。要同时看50Hz基波和最多到20次左右的谐波,带宽2kHz上下,动态范围要求高,还得有极强的工频抑制能力,否则计量误差会被电网频率的微小偏移带着跑。
三个场景的共性:信号带宽远小于转换器能跑的速度。这就是Σ-Δ能大展拳脚的地方——带宽有余量,就可以拿速度去换精度。
1.2 与SAR ADC的正面较量:过采样换来的不只是精度
很多人的默认思路是:要快就用SAR(逐次逼近型),要准就用Σ-Δ。这话对,但不完整。SAR的优势是单次转换快、没有延迟、功耗可控,做多路复用扫描时切换通道几乎不丢数据。它的短板在于位数上不去,工业级SAR做到18位就已经很吃力,因为内部电容DAC的匹配精度做不到那么细,而且每个采样点的噪声是"一次性"注入的,没有平均的机会。
Σ-Δ的路子反过来。它一次转换其实做了成千上万次比较,每次只出1位或几位,然后把这些"粗糙"的结果在数字域上累加平均。单次比较的误差是大的,但因为次数多,而且误差被整形到了高频,累加之后低频段的结果就非常干净。这就是过采样增益和噪声整形增益叠加的效果。
拿数字说话最直观。一个一阶单比特调制器,OSR=256,理论信噪比大约75dB,等效位数约12位。同样的调制器做成二阶,OSR还是256,理论信噪比能到115dB左右,等效位数接近19位。硬件只多了一个积分器,性能却提升了一个数量级——这就是拓扑阶数的威力。
1.3 拓扑结构的全局地图
就像电力电子圈讨论"电源拓扑结构汇总"、聊LLC拓扑结构时,讨论的是电感电容怎么摆、能量怎么流动一样,讨论Σ-Δ的拓扑结构,问的也是几个很实在的问题:环路里放几个积分器、反馈回来的信号是几位、数字侧用什么样的滤波器、采样发生在连续时间还是离散时间。
一条完整的Σ-Δ信号链,从前往后大致是:输入驱动网络、调制器(环路滤波器+量化器+反馈DAC)、数字抽取滤波器(通常是CIC/Sinc级联补偿滤波器)、输出速率控制。每一段都对应一组独立的噪声和误差机制,做设计时要一段一段过,不能只看总指标。数据手册上写的"24位无失码",通常是在特定增益、特定输出速率、特定滤波器配置下的条件值,脱离了这些条件谈位数没有意义。
下面几节就按这条链逐段拆。先拆调制器,因为那是噪声整形的源头,也是拓扑选择真正发生的地方。
2. 拆开调制器:Σ-Δ拓扑的第一层骨架
2.1 一阶调制器的四大件与逐拍推演
一阶调制器的结构极简单,四个部件:一个减法节点、一个积分器、一个量化器(单比特就是比较器)、一个反馈DAC。
工作原理可以用一句话概括:积分器不断累积"输入减去反馈"的差值,量化器只看积分器输出的符号,反馈DAC把符号变回正负参考电压再送回去相减。因为反馈是负反馈,整个环路会自动把积分器的平均输出往零上拉,而反馈信号的平均值就等于输入信号的平均值。换句话说,输出比特流的密度就携带了输入信息。
用差分方程写出来更清楚。设积分器状态为u[n],输入x[n],反馈y[n],量化误差e[n]:
u[n] = u[n-1] + x[n-1] - y[n-1] y[n] = u[n] + e[n]把两式合并做z变换,得到经典的传递关系:
Y(z) = z^-1 · X(z) + (1 - z^-1) · E(z)这里有两个关键结论。信号传递函数STF是z^-1,只是一个延迟,等于把输入原样传过去,没有任何衰减。噪声传递函数NTF是(1 - z^-1),它在直流(z=1)处为零,在奈奎斯特频率(z=-1)处为2。也就是说,量化误差在低频被强烈压制,在高频被放大。
把NTF的幅度平方写成频率的函数:|NTF|² = [2·sin(πf/fs)]²。低频时sin很小,压制很强;频率接近fs/2时趋近于4,噪声被抬高了6dB。这就是"噪声整形"四个字的全部含义——噪声没有消失,总功率还是那么大,只是被赶到高频去了。
提醒:单比特一阶调制器有一个著名的毛病叫空闲音。输入是直流或者很小的缓慢变化信号时,输出会出现周期性的音调,落在带内就变成可听的啸叫或者可测的杂散。实际芯片要么加抖动(dither),要么直接用二阶以上。
2.2 环路阶数怎么选:二阶、三阶与MASH的取舍
阶数越高,噪声整形越猛。理论上每提高一阶,带内噪声就以更高的幂次下降。一阶的带内噪声随OSR的-3次方下降,二阶是-5次方,三阶是-7次方。这意味着同样的OSR下,二阶比一阶多两位半左右的等效位数。
但阶数不能无限加。环路阶数超过二阶,稳定性就成了大问题。高阶环路的噪声传递函数增益在带外非常高,量化器又是个强非线性环节,很容易在大信号输入时发生环路过载,积分器饱和,输出乱掉。工程上二阶是稳如老狗的选择,三阶需要仔细设计系数和积分器摆幅,四阶以上基本只存在于理论论文里。
想上高阶又不牺牲稳定性,有个折中方案叫MASH(多级噪声整形)。做法是把多个一阶或二阶的小环路级联起来,前一级的量化误差作为后一级的输入,最后用一套数字抵消逻辑把这些误差减掉。MASH-1-1等效二阶,MASH-2-1等效三阶,稳定性和一阶一样好。代价是数字抵消逻辑对模拟部分的匹配度要求高,模拟和数字之间稍有偏差,抵消就不干净,会有噪声泄漏。这也是为什么音频ADC里MASH很常见,而精密测量里二阶单环更吃香——后者对匹配不敏感,量产一致性更好。
| 环路结构 | 等效阶数 | 稳定性 | 典型应用 | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| 单环一阶 | 1 | 极稳 | 教学、低速传感 | 空闲音明显 |
| 单环二阶 | 2 | 稳 | 精密测量、音频 | 主流选择 |
| 单环三阶 | 3 | 需设计 | 音频、计量 | 需摆幅控制 |
| MASH 1-1 | 2 | 极稳 | 音频 | 依赖模拟数字匹配 |
| MASH 2-1 | 3 | 稳 | 音频、计量 | 抵消逻辑复杂 |
2.3 量化器位宽:单比特的纯粹与多比特的代价
量化器可以是一位的比较器,也可以是三到五位的闪速ADC。这个选择直接影响后面的反馈DAC怎么做。
单比特的好处是巨大的:反馈只有两个电平,靠一对开关和两个参考点就能实现,天然完美线性,不需要任何匹配。而且单比特调制器的传递函数线性度极高,输入输出关系几乎是一条直线。代价是量化误差大(Δ就是满量程),必须靠高阶或者高OSR才能压下去。
多比特量化器直接降低了量化误差,等效于在公式里把6.02N这一项抬高。三位量化器比一位多出12dB,四位多18dB。但反馈DAC现在必须精确输出多个电平,而元件匹配是有限的。比如一个三位DAC,八个电平靠电阻分压或者电容阵列做,匹配差1%就意味着积分非线性差1%,这会把整个系统的线性度拖到12位以下——前面辛辛苦苦攒的18位精度全废了。
解决办法是动态元素匹配(DEM),这个技术在不同厂商手里叫法不一样,有叫DWA的,有叫数据加权平均的。原理是让DAC的各个单元轮流承担不同的权重,把失配误差在时间上打散,变成白噪声而不是固定杂散。用高频噪声换低频线性度,思路和噪声整形本身一脉相承。
实操经验是:位数要求16位以下、带宽要求不高,单比特二阶足够;要冲20位以上,多比特加DEM几乎是标配。自己搭分立调制器时,千万别一上来就搞多比特,反馈DAC的匹配你会做哭。
2.4 反馈DAC的非理想性:最容易翻车的地方
即使不考虑匹配,反馈DAC还有几个隐性误差源。
一是时钟馈通。DAC开关动作时,驱动信号会通过寄生电容耦合到积分器输入,形成一个与输入无关的小尖峰。这个尖峰每个周期都出现,频率成分丰富,一部分会落进信号带内。
二是建立时间不足。反馈必须在半个时钟周期内稳定到远高于目标精度的水平。一个18位系统要求反馈建立到0.5ppm以内,也就是大约21个时间常数。如果开关的RC时间常数不够小,或者驱动能力不够,反馈值会残留在上一次的状态上,产生与前一码相关的误差,表现为失真。
三是参考电压的调制。反馈DAC输出的电平直接参考Vref,如果Vref因为负载电流变化而抖动,反馈值跟着抖动,误差就直接注入环路。
注意:调试Σ-Δ时如果看到底噪正常但谐波很差,优先怀疑反馈DAC的建立和参考驱动;如果看到噪声还被"调制"成一组杂散,优先怀疑参考的瞬态响应不够。这两个方向能覆盖大部分疑难杂症。
3. 数字滤波器:Σ-Δ拓扑里被低估的另一半
3.1 Sinc/CIC滤波器为什么几乎是标配
调制器输出的比特流速率等于采样时钟fs,直接输出没意义,必须抽取降速并滤掉带外噪声。第一个滤波器几乎清一色是Sinc滤波器,也叫CIC(级联积分梳状)滤波器。
Sinc滤波器的传递函数长这样:
H(z) = [ (1 - z^-R) / (1 - z^-1) ]^KR是抽取比,K是级数。它的频率响应是一串梳状的零点,零点位置在ODR的整数倍处(ODR是输出数据速率,等于fs/R)。级数K通常取环路阶数加一,二阶调制器配Sinc3,一阶配Sinc1或Sinc3。
为什么选它?因为它完全不需要乘法器。整个滤波器只有加法、减法和累加,硬件成本几乎为零,而且增益是精确的2的幂次,不存在系数量化误差。这在芯片面积和功耗上都是巨大优势。
代价是它的通带不平坦。Sinc3的通带在ODR/2处已经衰减了大约3.9dB,如果直接用,高频信号的幅度会被压下去。这就是为什么后面还要跟一个补偿滤波器。
3.2 抽取率、输出速率与噪声带宽的换算实操
这一段的计算是整篇里最实用的,值得反复看。
设调制器采样率fs,抽取比R,则输出数据速率ODR = fs/R。如果输出不做进一步过采样平均,那么有用带宽就是ODR/2,此时过采样率OSR = fs/(2·ODR/2) = fs/ODR = R。也就是说,抽取比直接等于过采样率。这个关系记住了,选型时能省很多事。
举个实例。某款24位Σ-Δ的调制器采样率fs = 1.024MHz,配置输出速率ODR = 10SPS,则R = 102400,OSR = 102400。这个OSR有多大?log10(102400) = 5.01。对二阶调制器,噪声整形带来的增益是50 × 5.01 = 250dB。这个数字当然不会真的实现,因为实际系统的噪声底被热噪声、参考噪声、1/f噪声限制住了,理论整形增益早就被吃掉了。但这也说明一件事:在低输出速率下,Σ-Δ的量化噪声根本不是瓶颈,模拟前端的噪声才是。
反过来,当ODR提到1000SPS时,R = 1024,OSR = 1024,log10 = 3.01,二阶整形增益150dB,仍然远超实际极限。所以选型时的判断逻辑是:先看模拟噪声能不能压住,再看量化噪声够不够,绝大多数情况瓶颈在前者。
如果数字侧再加一级平均(比如把ODR再除以4),等效OSR再乘4,但这是拿带宽换噪声,通常只在超低速场合用。
3.3 补偿滤波器、群延迟与建立时间
Sinc滤波器的通带下垂用补偿滤波器修正。补偿滤波器通常是个短FIR,系数经过优化,让整个级联响应在通带内平坦到0.1dB以内。它需要乘法器,但阶数不高,几十个抽头就够了。
延迟是另一个必须算清楚的东西。Sinc3的群延迟大约是1.5个输出周期,补偿滤波器再加几个。整体上,从输入变化到输出稳定,Sinc3配置下通常需要3个ODR周期。这个数字对多通道扫描是致命的。
举个例子。ODR = 10SPS时,一个通道的完全建立时间是300ms。8通道轮询一遍就是2.4秒,实时性完全没有了。这就是为什么多通道高精度采集要么用多个ADC并行,要么用SAR做扫描,要么接受慢速轮询。设计时如果没算这一笔,做出来的板子会"读数是上一个通道的",而且这种错误在数据上表现为通道间串扰,非常难查。
提示:判断是否建立不足,有个快速办法——把通道顺序打乱再测一遍。如果读数和顺序强相关,就是建立时间问题,不是硬件干扰。
3.4 工频陷波与多通道同步
Sinc滤波器那一串零点在这里派上了大用场。如果ODR选成10SPS,那么零点在10、20、30……一直到50、60Hz全都有零点,50Hz和60Hz抑制可以做到100dB以上。这是电力计量和工业现场抗干扰的看家本领。
但有个前提:ODR必须精确。如果内部时钟有偏差,零点位置就偏,抑制深度会掉。比如时钟偏1%,50Hz零点的抑制可能从110dB掉到60dB。所以精密仪表里,时钟通常要外接晶振,而不是用内部RC振荡器。
多通道同步是另一个话题。要同时测量多个通道的相位关系(比如三相电的三路电压电流),所有通道必须共享同一个调制器时钟和同一套数字滤波时序,否则通道间的相位差会随抽取相位漂移。芯片里通常有"同步"引脚或者连续读取模式来保证这一点。做设计时,多片ADC的时钟走线要等长,否则相位误差会直接体现在功率计算上。
4. 关键参数计算:把SNR、ENOB、噪声自由位算明白
4.1 理论SNR公式的来龙去脉
网上流传的公式有好几个版本,容易看晕。我这里给出推导链条,理解了就不用背。
理想N位量化器的量化误差功率是 Δ²/12,其中Δ是量化步长。离散时间系统的量化噪声功率谱密度在奈奎斯特带内均匀分布,单边密度为 Δ²/(6·fs)。
没有整形时,落入带宽fb内的噪声功率为 Δ²/(12·OSR),满幅正弦信号功率为 Δ²·2^(2N)/8,两者相比取对数,得到经典的:
SNR = 6.02N + 1.76 + 10·log10(OSR)加上L阶噪声整形,带内噪声还要乘以|NTF|²在带内的积分,结果是:
SNR = 6.02N + 1.76 + (20L + 10)·log10(OSR) - 10·log10(π^(2L) / (2L + 1))最后那一项是整形带来的"代价常数"。L=1时它等于-5.17dB,L=2时等于-12.9dB,L=3时约-21.4dB。阶数越高,这个惩罚越大,但前面(20L+10)那一项的斜率收益更大,所以总账还是划算的。
注意公式里的N是调制器内部量化器的位数,不是最终输出位数。单比特调制器N=1,此时6.02N+1.76 = 7.78dB。
4.2 OSR与ENOB的对照算例
把公式代进去算一遍,用表格列出来最直观。ENOB按(SNR - 1.76)/6.02换算。
| OSR | 一阶 SNR / ENOB | 二阶 SNR / ENOB | 三阶 SNR / ENOB |
|---|---|---|---|
| 32 | 47.8dB / 7.6位 | 70.1dB / 11.4位 | 91.8dB / 15.0位 |
| 64 | 56.8dB / 9.1位 | 85.2dB / 13.9位 | 112.8dB / 18.4位 |
| 128 | 65.8dB / 10.6位 | 100.2dB / 16.4位 | 133.9dB / 21.9位 |
| 256 | 74.9dB / 12.1位 | 115.3dB / 18.9位 | 155.0dB / 25.5位 |
这张表能读出好几个结论。第一,二阶相比一阶,ENOB大约多4.8位,而且OSR越高差距越大。第二,三阶在OSR=64时就能到18位,而二阶要OSR=256才能到18.9位,速度差了四倍。第三,理论值在OSR=256、三阶时给出25.5位,这已经超出了任何实际器件的能力,原因是前面提到的模拟噪声限制,以及高阶环路在大信号下的稳定性约束。
实际芯片的OSR不会做这么高,因为调制器时钟跑不快,且高OSR意味着低输出速率。真实产品一般在OSR=64到256之间取,配合二阶或三阶,标称18到22位有效。
4.3 无噪声位与峰峰值分辨率
数据手册上经常出现"无噪声位"或者"峰峰值分辨率",这个指标比ENOB更贴地气,因为它直接对应你能看到多少位不跳。
定义是:把这些码值代进去算,NFR = log2(满量程 / 峰峰值噪声)。注意是峰峰值噪声,不是RMS。工程上峰峰值取RMS的6.6倍(对应±3.3σ),这是行业惯例,因为厂里要保证出厂测试时几乎不跳码。
举个例子。某24位ADC,增益128,ODR=10SPS,手册给RMS噪声0.25μV,满量程输入±20mV。峰峰值噪声 = 0.25 × 6.6 = 1.65μV。NFR = log2(40000/1.65) = log2(24242) = 14.6位。而同样条件下的有效位数可能标18位。两个数字都真实,只是定义不同,看方案时一定要确认手册给的是哪个。
这个区别在选型时非常关键。如果客户要的是"读数稳定不跳",那就该看无噪声位;如果要做频谱分析看动态范围,那才看ENOB或者SNR。
4.4 从数据手册噪声表反推可用分辨率
真实手册会给一张"RMS噪声 vs 增益 vs 输出速率"的表格。用它的方法很简单:
第一步,确定你的应用需要的输出速率。往往是几个固定档位,比如10SPS、20SPS、100SPS。
第二步,确定信号幅度范围,选增益。注意增益是把满量程缩小了,同一档噪声下,增益越高信噪比越好,但输入范围也越小。
第三步,查表拿RMS噪声,乘以6.6得峰峰值,再按上节公式算NFR。
第四步,和需求对一下。如果NFR还差1位,可以降一档输出速率,噪声通常能降一半,约等于多1位。
经验:很多手册的噪声表是在短接输入(零输入)条件下测的,真实系统的噪声会更大,因为前端电路、参考、电源都会贡献。做评估板时别只信手册,一定实测。
5. 电路落地:容易被忽略的五个坑
5.1 参考电压:精度天花板
Σ-Δ的输出码本质上是输入与参考的比值乘以满量程码。参考上的任何误差、噪声、漂移,都会原封不动地体现到结果里,而且没有任何环路能修它。
选参考有三个要点。初始精度决定了系统增益误差,可以校准掉。温漂没法校准(除非带温度传感实时补偿),所以要选低漂移的,精密测量里1ppm/°C以下才够看。噪声直接叠加在结果上,要看0.1Hz到10Hz的峰峰值噪声指标,以及宽带噪声密度。
有个省事又高效的办法叫比例式测量。称重电桥的激励和ADC的参考用同一个电压源,那么激励电压的漂移会同时影响桥路输出和参考电压,两者相除正好抵消。这是称重行业的标准做法,能把对电源稳定性的要求降低一个数量级。代价是激励源必须有足够的驱动能力,且走线上要开尔文连接,否则引线电阻的压降会破坏比例关系。
5.2 时钟抖动:连续时间拓扑的软肋
连续时间Σ-Δ(CT-ΔΣ)的采样发生在环路滤波器的输出端,那里是连续变化的模拟电压。采样时刻的抖动会让采样值产生误差,误差大小等于电压变化率乘以时间抖动。输入信号幅度越大、频率越高,这个误差越大。
对离散时间Σ-Δ(DT-ΔΣ),采样发生在开关电容网络上,是在特定的时钟相位里完成电荷转移,对时钟抖动的敏感度低得多。这是DT结构在精密测量里占主流的原因之一。
量化一下时钟抖动的要求。假设输入是1kHz满幅正弦,幅度A,最大斜率是2πfA。要把抖动误差压到18位以下,相对误差要小于2^-18 ≈ 3.8ppm。那么允许的抖动是 3.8e-6 / (2π × 1000) ≈ 6e-10秒 = 0.6ns。这是很宽松的要求,普通晶振都能满足。但如果输入是100kHz,允许抖动就降到6ps,就得用低相噪晶振了。
所以结论是:低频高精度场合,时钟抖动基本不用操心;宽带或者高频输入场合,一定在选型清单里加上时钟指标。
5.3 输入驱动与RC网络:不是随便加个电容
DT-ΔΣ的输入是开关电容,每个采样周期都要从外部电路抽取电荷。如果外部驱动能力不足,输入电压会在采样瞬间塌一下,产生增益误差和失真。
标准做法是在输入端加一级RC加缓冲。RC的作用有讲究:电阻不能太大,否则采样窗口内电荷来不及补充,产生与采样率相关的误差;电容要用C0G/NP0,绝不能用X7R或Y5V,因为后者有压电效应和强电压系数,会把输入信号本身的失真放大。
经验数值是这样的:假设ADC的采样电容是Cs,采样窗口是Ts,外部RC时间常数应该满足RC < Ts/10。同时电阻的热噪声要算进去,R的噪声密度是√(4kTR),折合到输入要小于目标噪声的1/5以下。两个约束一夹,电阻通常在几十欧到几百欧之间,电容在0.1μF到1μF之间。
特别注意:RC截止频率要高于信号带宽,但不能太靠近采样频率的混叠区。如果截止频率设得太高,抗混叠就形同虚设;设得太低,通带内的相位和幅度会被改变,动态性能下降。一般取截止频率为ODR的3到5倍比较稳妥。
5.4 常见问题速查表
把踩过的坑整理成表,遇到问题可以对号入座。
| 现象 | 可能原因 | 排查方法 | 处理措施 |
|---|---|---|---|
| 底噪正常但谐波差 | 反馈DAC建立不足、参考瞬态差 | 换低ODR看是否改善 | 加强参考驱动、减小环路延迟 |
| 读数随电源电压变化 | 参考与输入非同源、PSRR不足 | 调电源电压看输出 | 改比例式、加LDO |
| 通道间串扰 | 建立时间不足 | 打乱扫描顺序 | 增大ODR周期或降速 |
| 有规律的杂散谱线 | 空闲音、时钟耦合 | 改变输入直流值看是否移动 | 开抖动、优化时钟走线 |
| 噪声比手册大一截 | 前端热噪声、参考噪声 | 短接输入测底噪 | 降阻值、换低噪参考 |
| 高温下指标漂移 | 参考温漂、电阻温漂 | 升温测试 | 换低漂移器件 |
| 50Hz抑制不够 | ODR不准、时钟偏 | 测实际ODR | 换外部晶振 |
这张表里的每一条都是实际调试中验证过的。特别是"读数随电源变化"这一条,八成是没用比例式接法,改完之后电源要求立刻宽松很多。
6. 拓扑选型对照:连续时间与离散时间怎么挑
6.1 CT-ΔΣ与DT-ΔΣ的核心差异
离散时间(DT)是开关电容实现,环路滤波器由运放和电容阵列组成,采样在电容上完成。它的优势是采样时刻精确、对时钟抖动不敏感、系数由电容比决定所以精度高、工艺迁移性好。劣势是输入是开关电容负载,需要缓冲驱动;采样网络本身带来kT/C噪声;运放需要足够的带宽和摆率来在采样窗口内稳定。
连续时间(CT)用电阻电容做环路滤波器,采样发生在量化器前面。优势是天然有抗混叠能力(环路滤波器本身就是低通)、不需要输入缓冲和开关电容噪声、功耗更低、速度可以做很高。劣势是对时钟抖动敏感、RC时间常数的绝对值随工艺和温度漂移(需要调谐电路)、反馈DAC的波形形状(比如归零RZ还是非归零NRZ)会影响性能。
选型逻辑很清晰。低速精密(<10kSPS)、要求高线性度,选DT。高速宽带(>1MSPS)、要求低功耗,选CT。中间地带看具体需求,比如音频领域两者都有,CT在低功耗便携产品里更常见。
| 特性 | 离散时间 DT-ΔΣ | 连续时间 CT-ΔΣ |
|---|---|---|
| 抗混叠 | 需外加滤波器 | 环路本身提供 |
| 时钟抖动敏感度 | 低 | 高 |
| 输入驱动 | 需要缓冲 | 电阻输入即可 |
| 功耗 | 较高 | 较低 |
| 工艺一致性 | 电容比精确,好 | RC绝对值漂移,需调谐 |
| 适用速率 | 低速到中速 | 中速到高速 |
| 典型场景 | 精密测量、称重、温度 | 音频、通信、便携设备 |
6.2 隔离与多通道场景的拓扑变形
工业现场经常要求通道间隔离,或者输入与系统地隔离。这时候Σ-Δ有个独特优势:调制器输出是数字比特流,可以用单个光耦或数字隔离器传到副边,数字隔离器不传递模拟误差,隔离度可以做到几千伏。相比之下,SAR做隔离要隔离整个模拟通道,成本和精度都吃亏。
常见的做法是隔离型Σ-Δ,比如用于电机相电流检测的隔离放大器,内部就是一个CT-ΔΣ调制器,输出单比特流通过隔离带传到原边的数字滤波器。选这类器件时要看两个指标:一是隔离带引入的抖动和码间偏移(因为隔离器有传播延迟抖动),二是直流精度(失调和增益误差)是否被隔离带的失配污染。
多通道场景的另一个变形是共享参考与共享时钟。多片ADC共用同一个低漂移参考,可以保证通道间增益一致,做相对测量时误差互相抵消。时钟共享则是保证相位一致的前提,走线要匹配,最好用扇出缓冲而不是级联。
做过多路热电偶采集的朋友应该有体会:8路热电偶,每路都要冷端补偿、都要抗混叠、都要滤波,最后还要轮询。这种场合用一片多通道Σ-Δ比分立方案省太多事,代价就是要接受轮询带来的延迟和通道间的时间偏差。如果被测对象变化很慢(温度就是典型),这些代价完全不是问题。
关于实测的一点个人体会
我自己的习惯是,拿到任何一款Σ-Δ器件,先不急着配前端,就把输入短接、参考接好、时钟接外部晶振,用厂家软件把所有ODR档位的噪声扫一遍。这条曲线一画出来,器件的真实能力就清楚了,和手册对不上的地方也立刻暴露。然后再逐级把前端加回去——先加RC、再加缓冲、再加传感器——每加一级测一次噪声,这样一旦指标掉下去,马上就知道是哪一级贡献的。
最后分享一个小技巧:评估Σ-Δ系统时,除了看时域噪声,一定要看频域。把输出拉到几千个点做FFT,如果底噪是一块平的,说明是白噪声,降ODR就能改善;如果底噪上有隆起的包,那多半是1/f噪声或者参考的低频漂移,这时候降ODR反而改善不明显,得从器件和电路上想办法。这个判断能帮你少走很多弯路。