一种∑-Δ模数转换器

第３３卷第１期　２０１１年２月　电气电子教学学报　ＪＯｕＲＮＡＬ　０Ｆ　ＥＥＥ　Ｖ０１．３３　Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．２Ｏ１１　一种∑一Ａ模数转换器　王　’ＪＺ　　（南京航空航天大学电工电子实验中心，江苏南京２１１１００）　摘要：∑△模数转换器是一种高度集成化的新型模数转换器，采用过采样技术，无需采样保持电路。它内置了多路复用器、可编程放大器、　调制器、数字滤波器、校准系统和串行接口。其转换率最高为１５０ｋＨｚ，分辨率可达２４位。本文对该系列∑一△模数转换器的原理结构及其操　作进行简单介绍。　关键词：∑△模数转换器；调制器；滤波器　中图分类号：ＴＰ３３５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—０６８６（２０１１）０１—００５４—０３　Ａ　Ｔｙｐｅ　ｏｆ∑一Ａ　Ａｎａｌｏｇ　ｔｏ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ＷＡＮＧ　Ｙａｎ　（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｃｅｎｔｅｒ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１１ｉ００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ∑一△ａｎａｌｏｇ　ｔｏ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ａ　ｈｉｇｈｌｙ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｖｉｃｅ，ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ａｎａｌｏｇ　ｔｏ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｉｔ　ａｐｐｌｉｅｓ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒｓａｍｐｌｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｄｏｅｓ　ｎｏｔ　ｎｅｅｄ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｓａｍｐｌｅ—ｈｏｌｄｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｉｔ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｂｕｉｌｄ—ｉｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ，ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，ｄｉｇｉｔａｌ　ｆｉｌｔｅｒ，ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔ—　ｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｅｒｉａｌ　ｐｏｒｔ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｓｔ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｒｔｉｏｎ　ｉｓ　１５０ｋＨｚ　ａｎｄ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｉｓ　２４ｂｉｔ，Ｉｔ　ｈａｓ　ｗｅｌｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｕｓｅ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ａ　ｔｙｐｅ　ｏｆ∑一△ＡＤＣ　ａｎｄ　ｓｉｍｐｌｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｏｐｅｒａｔｅ　ｉｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：∑一△ａｎａｌｏｇ　ｔｏ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｍｏｄｕｌａｔｏｒ；ｆｉｌｔｅｒ　模数转换器（ＡＤＣ）是数据采集系统的核心器　件，∑一△模数转换器是一种高度集成化的新型模数　转换器。采用过采样技术，无需采样一保持电路。它　∑一△ＡＤＣ和Ｆｌａｓｈ　ＡＤＣ等，现对这几种ＡＤＣ的性　能进行比较。　ＡＤＣ的转换精度和转换率是关联的，图１给出　内置了多路复用器、可编程放大器、调制器、数字滤　波器、校准系统和串行接口等。最大转换速率为　１５０ｋＨｚ，分辨率高，可达２４位。　ＣＳ５５２２、２４、２８系列模数转换器具有２、４、８个　了几种常用ＡＤＣ转换精度和转换率的比较关　系ｌ＿】］。由图可见：　①任一种ＡＤＣ当它的转换率高时，它的转换　精度就要降低。　②双积分ＡＤＣ和∑一ＡＡＤＣ只能用于低速转　换，逐次逼近ＡＤＣ和Ｆｌａｓｈ　ＡＤＣ可用于高速转换。　可选通道，性能良好，使用方便，可广泛用于电工、热　工和军工等诸多测控领域。　１几种ＡＤＣ的比较　常用的ＡＤＣ有双积分ＡＤＣ、逐次逼近ＡＤＣ、　③∑一ＡＡＤＣ在低速转换中具有精度高、转换率　宽及应用范围广等优点，故应用愈来愈多。　④双积分ＡＤＣ似有可能被∑一△ＡＤＣ所代替，　收稿日期：２０１０－０４—２ｌ；修回日期：２０１０—１２—２２　作者简介：王芸（１９６７一），女，学士，高级实验师，主要从事现代电子技术相关领域的研究及实验教学工作，Ｅ—ｍａｉｌ．：ｎｉｗａｎｇｙ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｒｎ　第１期　王芸：一种∑一△模数转换器　５５　但因其抗干扰能力强，在高精度计测仪表中（如８专　波，　（￡）。当抽样频率较高及量阶电压较小时，这种　（￡）那样的阶梯波，而是如图２中虚线所示的斜变　位数字电压表），仍有重要的用途。　褂　熬　转抉翠　图１几种ＡＤＣ的转换精度和转换率　２　∑一△数模转换器的工作原理　增量调制器（ＡＭ）每一个抽样值只用一位编　码，就是用一个阶梯波．厂ｑ（￡）去逼近模拟带限信号　－厂（　）。在图２中，抽样时刻ｔｉ的当前抽样值厂（ｔ．）将　与前一时刻阶梯波的取值厂ｑ（￡ｉ—Ｔｓ）进行比较［２　］，　为阶梯波间隙。　抽样脉冲　（ｂ）抽样脉冲　增量码　ｆｏ　１　ｏ　１　ｏ　１　１　１　１　１　１　０　０　０　０　１　０　’　Ｆ＝　＝＝＝ｆ　ｒ　（ｃ）编码波形　图２增量调制波形及编码　若ｆ（ｔｉ）＞ｆｑ（￡　一Ｔｓ）编码为“１”，同时令　（ｆ。）较厂ｑ（　ｉ—Ｔｓ）上升一个量化阶距电压△，表示　信号波形有上升的趋势；若ｆ（ｔｉ）＜ｆ。（￡ｉ—Ｔｓ）编码　为“０”，同时令厂ｑ（￡．）较　（　一Ｔｓ）下降一个量化阶　距电压△，表示信号波形有下降的趋势。由此获得的　阶梯波　（　），实际上是用“０”与“ｌ”编码的二进制　码表示模拟信号波形斜率的变化。　根据上述增量调制原理构成的系统如图３所　示。在接收端译码器每收到一个“１”码后，就使输出　上升一个量阶电压△；每收到一个“Ｏ”码后，就使输　出下降一个量阶电压△。这样，就近似地复制出阶　梯波。完成这种功能的译码器可用一个积分器（ＲＣ　网络）来实现。不过这种积分器输出的波形不是像　斜变波经低通滤波器后就十分接近输入信号－厂（ｚ）。　即使还有部分误差，则可由校准系统补偿掉。　调制器（发　端’　；　匝　解调器（接收端）　图３　增量调制系统框图　上述系统中当输入信号斜率较大，厂　（￡）可能　跟不上，（￡）的急剧变化，而当，（￡）缓慢变化且幅度　变化在士Ａ／２之内时，将会出现连续的“１”和“Ｏ”交　替码，这两种情况都会出现误差。因此将上述简单　增量调制器改进为总和增量调制器，即∑一△增量调　制器　。∑一△调制的系统框图见图４。　抽样脉冲　解调器（接收端）　图４∑一ＡＤＣ调制系统框图　在发送端，∑一△调制器要对输入信号先进行一　次积分，使得信号的斜率得到改变。但由于此积分　器与反馈回路中的积分器在相减器前积分，与在相　减器后积分是等效的，合并后只剩下一个积分器。　为了在接收端恢复原信号，必须对调制信号进行一　次微分。而接收端的积分与微分正好可以相消，所　以接收端只剩下一个低通滤波器（ＬＰＦ）。　３　ＣＳ５５ＸＸ系列∑一ＡＡＤＣ结构　ＣＳ５５ＸＸ系列∑一△ＡＤＣ的结构如图５所示，它　由多路复用器（多路模拟开关）、可编程放大器、调制　器、数字滤波器、校准系统和串行接口等组成　］。　１）调制器　图６所示的ＣＳ５５ＸＸ系列∑一ＡＡＤＣ调制器由　如下几个部分组成。　（１）差分放大器就是图４中的相减器，也是图５　中的可编程放大器，其中还有一限幅器。　５６　电气电子教学学报　第３３卷　形式相仿的ｓｉｎｅ￣和ｓｉｎｄ级联而成。其表达式如下：　．　５　（１—　—８０）　（１—２　）。　（１—　）　（１一ｚ一　）　二；　．　’　＝　。　。　（１一ｚ一０）０　ｓｍｃ　一　二－＝丁　式中的Ｄ是可编程的，由软件设置。　图５　ＣＳ５５ＸＸ系列∑一ＡＤＣ的结构框图　积分器　量化器　这种滤波器能在一个转换周期中，对满量程阶　跃输入信号建立的各项指标都能达到精度的要求，　同时可以抑制市电５０Ｈｚ或６０Ｈｚ的噪声。　４　∑一△模数转换器操作要点　（１）必须将单片机的Ｐ１．０～Ｐ１．３端口和　∑一△ＡＤＣ的串行口ＣＳ（片选）、ＳＤＩ（串行数据输入）、　图６　ＣＳ５５ＸＸ系列∑一ＡＤＣ的调制器　ｓＤ０（串行输出数据输出）、ＳＣＬＫ（时钟信号）接通，　以便实现串口通信。　（２）按照规范完成自校准和系统校准。　（３）正确利用单片机和串行接口设置寄存器。　∑一ＡＡＤＣ有多种不同功能的寄存器。　Ａ／Ｄ转换器中的Ｃ８５５２２、２４、２８是较早研制成功　（２）积分器是一个ＲＣ四级波波器电路，每增加　１级可使信噪比改善６ｄＢ。　（３）量化器就是图４中的判决器，是一个１位的　比较器，在窄脉冲作用下输出一串“１”的比特流。量　化器中有一个增益为ｇ的并产生量化误差ｑ的放大　器。＿厂　为∑一ＡＡＤＣ的抽样率，ｋ为放大倍数。量化　器也可由Ｄ触发器构成。　的高精度低速∑一ｚＸＡＤＣ。在一块芯片上集成了好多种　简单电路，完成了Ａ／Ｄ转换，性能良好，价格便宜。　参考文献：　［１］Ｓｔｕａｒｔ　Ｒ．Ｂａｌｌ著，刘谦等译．嵌入式微处理器模拟接口设计　（第二版）［Ｍ］．ｊＥ京：电子工业出版社，２００４．２９—３０　［２３沈保锁，侯春萍编著．现代通信原理（第２版）［Ｍ］．北京：国防　工业出版社，２００６：８６—９４　（４）ＤＡＣ是一个１位的数模转换器。　模拟信号　输入差分放大器后，与参考电压　的ＤＡＣ输出　。进行比较，得到差值　输至积　分器，其输出电压为　。再输至量化器。量化器输　出比特流中“１”的密度正比于模拟信号　．。此种调　制器常称为１位调制器，也称为四阶的差分调制器。　２）数字滤波器　低通滤波器共有８种不同的形式，每一种都是由　［３３陶然，张惠云，王越编著．多抽样率数字信号处理理论及其应　用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００７：２４３—２４５　［４３　Ｃｉｒｒｕｓ　Ｌｏｇｉｃ公司．ＣＳ５５３Ｘ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｄａｔａ　Ｓｈｅｅｔ［Ｚ］．１９９９　Ｅ５３　Ｃｉｒｒｕｓ　Ｌｏｇｉｃ公司．ｃｓ２２２１／２２／２３／２４／２８　Ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｄａｔａ　Ｓｈｅｅｔ　Ｅｚ］．２００９　（上接第８页刘风春等文）　教学团队集合教师个体的智慧与技能升华为团　队的智慧与技能，促进了课程建设、教学改革和师资　队伍建设。高校管理层需要改革与创新相应的管理　与考核制度，以促进教学团队的健康发展与有序建　设，使教学团队这种创新组织能保持极强的生命力。　参考文献：　［１３　陈希有，刘风春等．电工教学团队的组建与实践［Ｊ］．南京：电　气电子教学学报，２０１０（电工专辑）：９－１２　量管理科学研究院译．缔造团队活力ＥＭ１．北京：中国标准出　版社，２００７　［３３　Ｔｉｍ　Ａｎｇ，姜旭平．团队建设课堂ＥＭ３．上海：上海交通大学出　版社，２００８　［４３　马廷奇．高校教学团队建设的目标定位与策略探讨［Ｊ３．北京：　中国高等教育，２００７，（１１）：４Ｏ一４２　［５］　黄玉飞．高校教学团队的考核与管理研究［Ｊ３．北京：中国大学　教学，２００９，（２）；７Ｏ一７２　［６３李红卫，张丽云．高校教学团队建设的思考［ｊ］．北京：大学研　究与评价，２００９，（８）：５７—６１　［７３刘宝存．建设高水平教学团队促进本科教学质量提高［Ｊ３．北　京：中国高等教育，２００７，（５）：２９—３１　［２３　ｒ美］Ｈ・詹姆士・哈林顿，米奇・曼宁，大卫・安吉尔，上海质