解析信號第3部分：Delta-Sigma adc中的噪聲介紹

本系列文章共12篇，主要討論delta-sigma-adc中噪聲的影響。第3部分將第1部分和第2部分中提供的理論信息引入到實際設計示例中。

解析信號第 1 部分：Δ-Σ ADC 中的噪聲簡介
解析信號第2部分：Delta-Sigma adc中的噪聲介紹

兩者兼而有之第一部分和第二部分在本系列文章中，我詳細探討了模數轉換器（ADC）的噪聲性能，從其特性和來源到如何測量和指定。在本系列的第3部分中，我將把第1部分和第2部分中的理論理解應用到實際的設計示例中。最終，我們的目標是為您提供回答“我真正需要什么樣的噪聲性能？”這一問題所需的知識，使您能夠輕松自信地為下一個應用程序選擇ADC。

我將從定義應用程序的系統規范開始，將這些規范轉換為目標噪聲性能參數，并使用這些信息來比較潛在的adc。作為一個例子，讓我們分析一個使用四線電阻電橋的稱重應用程序，如圖1所示。

圖1典型的四線電阻電橋

對于系統規格，假設一個靈敏度為2mV/V、激勵電壓為2.5V的電橋，您希望以每秒5個采樣（SPS）的速度采樣。這提供了5mV的最大輸出電壓，對應于1kg的最大施加重量。我們還假設您希望能夠解析最小應用重量50mg。表1總結了這些參數。

現在您已經有了系統規范，讓我們將它們轉換成常見的噪聲參數，以幫助選擇最佳的ADC。

在本系列的第2部分中，我強烈建議使用輸入參考噪聲來定義系統噪聲參數并選擇ADC。但是讓我們從使用無噪聲計數和無噪聲分辨率的更常見的方法開始。然后您可以將此方法與直接使用輸入參考噪聲進行比較。方程1和2計算初始噪聲參數：

方程式1

方程式2

由于所需的無噪聲分辨率為14.3位，您可能會很快得出結論，您只需要16位ADC。然而，正如我在第2部分中所解釋的，高分辨率delta-sigma ADC實際上可以提供的無噪聲分辨率取決于ADC全刻度范圍的利用率百分比。在本例中，系統使用2.5V參考電壓，最大輸入信號是勵磁電壓（2.5V）和電橋靈敏度（2mV/V）的乘積。方程3使用第2部分中的方程式2顯示了預期的分辨率損失：

方程式3

這是一個戲劇性的結果。因為你只使用0.1%的可用滿標度范圍，你將失去幾乎10位的分辨率。在這個級別上，即使是24位ADC也不足以滿足系統要求。要解決這個問題，您需要通過更改系統規格或放大輸入信號來提高利用率百分比。假設你幾乎無法控制系統所需的東西，你就只能獲得輸入，這個動作絕對改變了信號鏈的噪聲性能。

幸運的是，您可以繼續分析，而不需要詳細了解放大器噪聲如何影響系統性能。相反，您可以使用現有的知識來分析帶有集成可編程增益放大器（PGA）的ADC的數據表噪聲表，以確定它是否滿足系統要求。

例如，圖2顯示了24位的有效和無噪聲分辨率表ADS124S08最多50SPS，目標數據速率突出顯示。請注意，ADS124S08包括從1V/V到128V/V的增益。

圖2.ADS124S08有效分辨率（無噪聲分辨率）

AVDD=3.3V、AVSS=0V、PGA啟用、全局斬波禁用和內部2.5V參考電壓下的Sinc3濾波器。

要確定此ADC是否滿足您的要求，您需要分別重新計算每個增益設置的預期分辨率損失，因為每種設置都會產生不同的利用率百分比。然后，您需要將其添加到圖2中報告的每個對應的無噪聲分辨率值中，以查看它是否符合系統規范。表2列出了以5SPS數據速率使用ADS124S08計算的系統無噪聲分辨率。

表2告訴您，使用5SPS的32、64或128V/V的增益，您只能達到所需的14.3位系統無噪聲分辨率。圖3在數據表噪聲表的上下文中突出顯示了這些值。

圖3.以5SPS數據速率使用ADS124S08時，增益設置滿足系統要求

圖3的一個要點是，沒有簡單的方法可以將數據表中的值與系統噪聲參數關聯起來，而不需要多次計算。雖然在計算結果后這可能與現在無關，但是如果系統規格突然改變了呢？

假設您決定將勵磁（參考）電壓從2.5V增加到5V。你還將把電橋靈敏度提高到20mV/V（這意味著你不能使用最高增益設置，因為這會超過ADC的范圍）。你正在探索以20ps采樣而不是5SPS采樣。這些變化如何影響您的ADC噪聲分析？

要確定答案，您必須計算在新的數據速率和參考電壓下每個增益設置的新分辨率損失。此外，您必須根據5V參考電壓重新創建圖2中的表，因為該表的計算使用的是2.5V的參考電壓。最后，您必須重新創建表2，從使用5V參考電壓創建的無噪聲分辨率表中減去計算的分辨率損耗。

誠然，這是大量的工作，是無噪聲分辨率作為一個相對參數的直接結果?，F在讓我們切換到使用絕對噪聲參數，如第2部分中所建議的，看看分析是如何變化的。

與無噪聲分辨率一樣，您只需知道一些系統規范即可確定橋所需的輸入參考噪聲。你需要知道它的最大輸出信號，5毫伏。你還需要知道這個最大信號對應的重量，也就是1kg。最后，你需要知道你的最小應用重量，50毫克。利用這幾位信息，您可以使用方程式4來確定您的ADC需要能夠解析250nV的峰間信號：

方程式4

使用輸入引用噪聲的好處之一是您不必擔心計算分辨率損失。相反，您可以直接將計算值與ADC的輸入參考噪聲表進行比較，以確定哪種設置組合提供的噪聲性能相等或更低。

圖4是ADS124S08輸入參考噪聲表的節略版本。我已經強調了增益和數據速率設置的任何組合≤輸入參考噪聲為250nVPP。

提供數據速率和增益組合≤使用ADS124S08的250nVPP

注：表中的值以“噪聲μVRMS（μVPP）”的形式給出，使用2.5V參考電壓）

如果將圖4中的結果與圖3中使用無噪聲分辨率的分析進行比較，您將看到圖4提供了滿足系統要求的整個ADS124S08設置范圍。圖3只提供了所選數據速率下的值，并且要求您針對不同的數據速率執行新的計算，這使得這種方法對系統規范更改的適應性降低。

現在假設您已將最大施加重量增加至5kg，最小施加重量增加至500mg，并將電橋的最大輸出信號保持在5mV，如等式5所示：

式5

通過快速計算，您可以確定您的系統噪聲要求已放寬到500nVPP，這使您可以使用更多的數據速率和增益組合。圖5演示了這些寬松的系統規范允許您更快地采樣（最高20SPS）或降低增益（降低到4V/V），同時仍然達到必要的噪聲性能。

圖5.數據速率和增益組合提供≤使用ADS124S08的500nVPP

注：使用2.5V參考電壓，表值以“噪聲μVRMS（μVPP）”表示）

如果你的體重秤需要更高的分辨率呢？例如，您保留了5kg的最大應用重量要求，但從第一個示例返回到50mg最小重量。保持你的最大電橋輸出相同（5mV），你現在需要50nVPP的輸入參考噪聲，這是極低的?？纯磮D4或圖5，很明顯ADS124S08數據速率和增益設置的組合都不能提供這樣的性能水平。但是，由于您可以輕松地對任何ADC執行相同的分析，所以只需選擇一個噪聲性能更好的ADC。

圖6顯示了ADS1262，一個32位ADC，其功能類似于ADS124S08，但提供了更好的噪聲性能。綠色陰影表示提供的數據速率和噪波組合≤50nVPP輸入參考噪聲，并確認ADS1262可以滿足您系統新的分辨率要求。

圖6.數據速率和增益組合提供≤50內華達第頁使用ADS1262

注：表中的值表示為“噪聲μV有效值（微伏）第頁)“使用2.5V參考電壓

為了便于討論，讓我們將輸入引用的噪聲結果與相對參數進行比較。圖7突出顯示了ADS1262在相同的數據速率和增益配置下的無噪聲分辨率性能，如圖6所示。

與有效噪聲相關的自由分辨率（7）≤50內華達第頁使用AD12626和5V參考電壓

在第2部分中，我指出許多工程師不必要地關注最大化他們的無噪聲分辨率（動態范圍）。讓我們通過計算系統所需5SPS數據速率下最大高亮顯示值計算系統的無噪聲分辨率來檢查這一點。在圖7中，該值為23.5位，使用Sinc4濾波器可獲得16V/V的增益。

請記住，在圖7的標題中，表計算使用的是5V參考電壓，而不是系統指定的2.5V參考電壓。為了補償這種差異，圖6中給出的每個分辨率值必須減少一位。這意味著，在給定的條件下，您最多只能期望22.5位的無噪聲分辨率?，F在，您可以在這些設置下計算ADS1262的預期分辨率損失。

使用等式6的結果，使用32位ADC時，系統無噪聲分辨率僅為16.5位。

式6

對許多人來說，這是一個令人沮喪的結果，似乎證實了你是在為ADC實際上無法提供的性能付費。但是，如果您查看圖6中的相同設置，您將看到您實際上在給定條件下利用了48nVPP噪聲。這是一個難以置信的小值，沒有16位ADC和極少數24位ADC可以提供。

歸根結底，這就是我要說的。您需要這樣一個高分辨率的ADC來實現16.5位的無噪聲分辨率（動態范圍），因為系統要求極低的噪聲性能。這就是為什么定義系統性能和使用輸入參考噪聲選擇adc是有意義的。

在“解析信號”系列的下一期中，我將詳細討論有效的噪聲帶寬，并深入研究一些主題，包括如何確定進入系統的噪聲量以及限制噪聲帶寬的方法。