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模數轉換器經歷了積分型、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達到較高要求。隨著近年來的電子技術發(fā)展，出現了一種較好解決精度、速度、高性能指標的模數轉換技術：∑-?A/D轉換技術。
采用∑-?A/D轉換特制成AD芯片，具較高集成度，它通常集放大器、模擬開關、AD轉換器、比較器、數字濾波器、輸出接口集于一體，大大減少了印刷線路板布線，僅需幾個外圍器件便構成一個完整A/D轉換系統(tǒng)。由于其集成度高，所以故障概率較采用分立元件AD轉換器明顯降低，進而提高系統(tǒng)可靠性。此外，其內置高性能儀表放大器，大大降底對信號源的要求。
∑-?(SIGMA-DELTA)調制本質上是采用負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，而是通過一個積分器再加到比較器，與積分器輸出比較的基準信號是地電平，因而它比常規(guī)的逐次逼近方式更好。目前市場上供應的∑-?芯片大都釆用了增益可編程放大器、可編程數字濾波、多種自校準技術等多項先進技術，并多數釆用微處理器來管理與控制轉換程序，由于釆用了多種綜合技術措施，∑-?模數轉換可以達到24位精度的高速轉換。放大器的增益調整、數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轉換其主要缺點是積分器、比較器的漂移(溫度漂移)將最終轉換為數字誤差，為解決這一缺點，不得不使用價格高昂的運算放大器、精密電阻和高性能電容器，外圍電路復雜，故障率高。同時雙積分型的A/D轉換的另一個缺點是為了防止電網于擾，釆樣時間須為電網1/f的整倍數。為了消除調零電容的電荷積聚，每次轉換又必須增加至少20ms的調零時間，轉換速度一般5?10次/秒，限制了使用范圍。
∑-?A/D轉換從根本上克服了上述缺陷，不需要低漂移的運放、低損耗的電容，轉換速度可達到50次/秒以上，擴展了使用范圍。此外∑-?芯片可用軟件設置放大倍數，傳感器靈敏度的影響將大幅度下降。∑-?A/D轉換器是釆用總和增量調制原理，根據前后樣值之差進行量化編碼.它由兩部分組成：一部分為模擬調制器，另一部分為數字濾波器。∑-?調制器以極高釆樣頻率對模擬信號進行釆樣，并對兩個采樣值進行低位量化，然后將這種∑-?碼送數字濾波器進行取樣濾波，從而得到高分辨率LPCM信號。并且內置放大器的一致性好，若使用恰當，可提高儀表的互換性。
∑-?模數轉換技術的一個主要特點是過釆樣。一個理想的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，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行釆樣(K為過采樣倍數)，則整個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后加一個數字濾波器，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，實現了用低分辨率ADC達到高分辨率的效果.如圖1（C）所示

為了消除50Hz/60Hz交流電源對高精度A/D轉換的影響，∑-?轉換芯片一般都釆用了強有力的措施。芯片大都有多階數字濾波器，并建議將濾波器的凹口對準50Hz/60Hz,以抑制50Hz/60Hz電源的干擾.通過設置使積分次數為電源周波的整倍數，完整的積分周期可使干擾的正、負半周相互抵消，進一步抑制交流干擾。當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，可釆用高階調制改變噪聲分布，使得大部分量化噪聲移出敏感頻帶。數字濾波器由4?5個有限脈沖響應（FIR）濾波器串聯組成，每個濾波器的輸出數據速率是它輸入端的1/2,這樣通過濾波器后，數據速率減少到原來的1/16?1/32,消除了大部分頻帶內的量化噪聲，由于轉換器的釆樣特征，通帶響應在釆樣頻率壇和它的整倍數處重復出現，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模數轉換內部釆用多種自校正技術，進一步減小了轉換誤差和非線性。在市場上見到的芯片中，絕大多數都有自校正，系統(tǒng)失調校正、系統(tǒng)滿量程校正、虛系統(tǒng)校正、背景校正模式，即可單獨使用，也可組合使用，以確保系統(tǒng)的準確性、實用性、可靠性。
∑-?模數轉換的另一個技術要點是量化噪聲整形。如果簡單地使用過釆樣的辦法提高分辨率N,則必須進行K=22N倍過釆樣，這是不現實的，為了使采樣速度合理，必須對量化噪聲的頻譜進行整形，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。完成這一功能的是E-A調制器，£是求和，A是表示增量，噪聲頻被調制整形后，數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。（圖2所示）

∑-?模數轉換的再一個技術要點是數字濾波和采樣抽取。
數字濾波器將決定：信號的寬度、通帶的平坦度、通帶的相位響應、組合的延時、過渡帶的特性、帶外的衰減等等.在模擬信號上加數字濾波器的優(yōu)點有：相對高復雜性而言具有低成本、線性相位/常數組延時、完全可復制性、隨時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，它的波響應見下圖3

數字濾波的方式有許多種類，若采用快速傅立葉變換(FFT)可以進行釆樣數據開窗口(俗稱窗函數)，通過窗函數功能可將非周期性數據集轉換成周期性數據集，經過可窗口的數據集可以結合而不會有任何不連續(xù)性。見圖4

∑-?調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行數字濾波，數字濾波的作用有2個，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調制器在噪聲整形過程中產生的高頻噪聲。
若要恢復原始信號并保持不失真，數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，附帶產生了多余信號，數字濾波器通過輸出M個數據，抽取一個數據的重釆樣方法，實現了使輸出數據低于原來的過釆樣速度，直到使關心的頻帶滿足釆樣定理。

傳統(tǒng)的A/D轉換釆用過采樣實現高辨有很大的困難，要獲得頻率響應特性，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，難以獲得價格低廉、性能高的A/D轉換器，采用∑-?轉換技術，數字電路占了很大比重，使制作高精度、低成本的轉換成為現實，特別具有是高階E-A調制器的芯片，在實際應用中受到歡迎。目前市場己有5階調制器的∑-?芯片供應。它內部的原理見圖6。

自90年代以來，∑-?型A/D轉換器獲得了很大發(fā)展，在衡器行業(yè)應用不斷加大，為研制高性能、高可靠性高速度稱重儀表提供良好物質基礎，對稱重儀表的發(fā)展起到重要作用。
目前市場岀現了使用X-A轉換的產品，大多是高檔儀表，主要用于高速定量包裝控制、動態(tài)稱重等行業(yè)，價格高，使用范圍受到限制.耀華公司推出的A8儀表使用∑-技術，運用在電子臺秤、機電結合改制場合。由于較合理地運用∑-?技術，儀表的一致性很好，儀表內部元件少，故障率低，維修方便，抗干擾性能好，交直流兩用，并且為擴展功能保留了適量的I/O口。以∑-?技術生產的經濟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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