利用先进的热电偶和高分辨率Σ-Δ ADC实现高精度温度测量
高精度sigma-deltaad转换技术研究与实现
独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
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（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：年月日摘要摘要Sigma-Delta 模数转换器采用过采样和噪声整形技术，使得信带内的量化噪声功率受到抑制，并用数字滤波器来滤除带外的量化噪声和电路噪声，因此把负担转移到鲁棒性更强的数字电路。
Sigma-Delta模数转换器在提高了转换器的信噪比和动态范围的同时，非常大程度上降低了对模拟电路精度的要求。
相对于其他奈奎斯特数据转换器，由于其特有的高动态范围和鲁棒性，Sigma-Delta技术在低频、音频等众多领域有着非常广泛的应用。
本文主要是基于“超高精度A/D转换器新结构研究”中的研究成果，阐述了Sigma-Delta技术的基本原理及高精度Sigma-Delta模数转换器设计的关键技术。
在理论推算和仿真结果的基础上比较多种高精度Sigma-Delta转换器结构，指出了各种技术的局限性及其解决方案。
本文设计了SIMULINK平台上Sigma-Delta模数转换器的行为级模型，不仅包含了理想调制器和滤波器的模型，还对实际电路特别是模拟电路的非理想特性进行了建模，借此分析实际电路对Sigma-Delta 模数转换器的性能的影响，并通过仿真确定对各电路模块的性能要求。
(σ-δ) adc工作原理
(σ-δ) adc工作原理
(σ-δ) ADC是一种模数转换器，全称为Sigma-Delta模数转换器。
它的工作原理是通过对输入信号进行高速取样，并利用高速数字信号处理技术，将模拟信号转换为数字信号。
Sigma-Delta ADC 的工作原理可以从以下几个方面来解释：
1. 模拟信号输入，首先，模拟信号被输入到Sigma-Delta ADC 的输入端。
这个模拟信号可以是来自传感器、放大器、滤波器等外部电路的输出信号。
2. 量化和采样，Sigma-Delta ADC对输入信号进行高速取样和量化。
它以高速的采样率对输入信号进行采样，并将采样值转换为数字形式。
3. Sigma-Delta调制，接下来，ADC使用Sigma-Delta调制技术，将采样到的模拟信号转换为高速的1比特数据流。
这个过程涉及将模拟信号与一个高频时钟信号进行比较，生成一个1比特的数据流。
4. 数字滤波，接着，ADC使用数字滤波器对1比特数据流进行
处理，以减小高频噪声和提高信噪比。
这个数字滤波器通常是一个低通滤波器，用于去除高频噪声，并将1比特数据流转换为更高精度的数字输出。
5. 数字输出，最后，经过数字滤波器处理后的数据被输出为高精度的数字信号，代表了原始模拟信号的数值。
这个数字输出可以被用于后续的数字信号处理、存储或传输。
总的来说，Sigma-Delta ADC通过高速取样、Sigma-Delta调制和数字滤波等技术，实现了对模拟信号的高精度数字化转换。
它在音频处理、传感器接口、通信系统等领域有着广泛的应用。
sigmadeltaadc的工作原理
sigmadeltaadc的工作原理Sigma-Delta ADC，全称为Sigma-Delta Analog-to-Digital Converter，是一种高精度的模数转换器。
它的工作原理基于Sigma-Delta调制技术，通过对输入信号进行高速采样和数字化处理，实现对模拟信号的准确量化和转换。
Sigma-Delta ADC的核心部件是一个差分运算放大器和一个数字滤波器。
首先，输入信号经过差分运算放大器进行放大，并与一个参考电压进行比较。
差分运算放大器会将输入信号转换为差分信号，并将其与参考电压进行比较，产生一个差分输出信号。
这个差分输出信号包含了输入信号与参考电压之间的差异。
接下来，差分输出信号经过一个积分器，将其进行积分运算。
积分器的作用是将输入信号中的高频成分滤除，只保留低频成分。
积分后的信号再经过一个比较器，将其与一个数字信号进行比较。
比较器会产生一个数字输出信号，表示差分输出信号与数字信号之间的差异。
然后，数字输出信号通过一个反馈回路送回到差分运算放大器的输入端，起到调节放大器增益的作用。
通过不断调节放大器增益，使得差分输出信号与数字信号之间的差异尽可能小。
这个反馈回路的作用类似于一个控制系统，通过自动调节放大器增益，使系统的稳定性和精度得到保证。
Sigma-Delta ADC的工作原理可以用一个简单的例子来说明。
假设我们要将一个模拟信号转换为一个8位的数字信号。
首先，输入信号经过差分运算放大器进行放大，并与一个参考电压进行比较。
差分运算放大器会将输入信号转换为差分信号，并将其与参考电压进行比较，产生一个差分输出信号。
如果差分输出信号大于参考电压，则比较器输出1；如果差分输出信号小于参考电压，则比较器输出0。
接下来，差分输出信号经过积分器进行积分运算。
积分器会将差分输出信号进行积分，得到一个积分后的信号。
然后，积分后的信号再经过比较器进行比较，产生一个数字输出信号。
如果积分后的信号大于数字信号，则比较器输出1；如果积分后的信号小于数字信号，则比较器输出0。
Sigma-DeltaADC讲稿
反馈系数用于控制比较器的输出电压的大小和 方向，从而控制模拟信号的调整程度。
噪声整形技术
噪声整形技术是sigma-delta ADC的关键技术之一，它通过将噪声从高频区域转移至低 频区域，从而提高ADC的信噪比和线性度。
Part
05
sigma-delta ADC的挑战与 未来发展
面临的挑战
噪声抑制
sigma-delta ADC在转换过程中 容易受到噪声干扰，如何有效抑 制噪声是亟待解决的问题。
动态范围
随着技术的发展，对sigma-delta ADC的动态范围要求也越来越高， 如何提高动态范围是当前面临的 重要挑战。
动态范围与信噪比
动态范围
动态范围是指ADC能够处理的信号的最大值与最小值之间的比值。动态范围越大，ADC能够处理的信号范围越宽。
信噪比
信噪比是指信号功率与噪声功率之间的比值。信噪比越高，ADC的抗干扰能力越强，输出的数字信号质量越好。
采样率与带宽
采样率
采样率是指ADC每秒钟采样的次数 。采样率越高，ADC能够捕捉到的 信号细节越多，但同时也会增加电路 复杂度和功耗。
它通常由比较器和计数器组成，比较器将模拟信 号与参考电压进行比较，产生一个二进制码，然 后计数器根据二进制码的长度进行计数，得到数 字输出。
量化器的非线性误差会影响ADC的线性度，因此 需要采取措施减小非线性误差。
数字滤波器
1
数字滤波器用于对sigma-delta ADC的输出进行 滤波，以减小噪声和消除量化误差。
功耗与性能平衡
在便携式设备中，功耗是一个关 键因素，如何在保证性能的同时 降低功耗是一个具有挑战性的问 题。
基于32位Σ-△ADC的高精度测温系统设计及误差分析
基于32位Σ-△ADC的高精度测温系统设计及误差分析付淑芳;丁炯;杨遂军;俞雄飞;叶树亮【摘要】为了满足反应量热仪中对样品温度的高精度检测要求,以32位Σ-△型模数转换器AD7177-2为核心,设计了基于阻值比较法的铂电阻高精度测温系统,采用电流激励换向技术,消除电路中存在的寄生热电动势及系统漂移对测量的影响;提出了基于阻值标定的共模误差修正方法,提高了测温准确性.实验结果表明:系统在-100～500℃范围内,修正后的测温误差由0.28℃减小至0.01℃,不同环境下的测温精密度优于±0.001℃,满足反应量热仪的测温精度需求.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2019(000)002【总页数】5页(P99-103)【关键词】Σ-△ADC;铂电阻;阻值比较法;电流激励换向;共模误差修正【作者】付淑芳;丁炯;杨遂军;俞雄飞;叶树亮【作者单位】中国计量大学工业与商贸计量技术研究所,浙江杭州 310018;中国计量大学工业与商贸计量技术研究所,浙江杭州 310018;中国计量大学工业与商贸计量技术研究所,浙江杭州 310018;宁波出入境检验检疫局化学与化学危险品分类鉴定评估中心,浙江宁波 315000;中国计量大学工业与商贸计量技术研究所,浙江杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TP2160 引言随着工业的不断发展，高精度测温在化工过程安全检测类仪器研制中起着至关重要的作用。
如反应量热仪主要通过温度检测，分析样品反应过程中的吸放热情况，实现对化工工艺优化及反应过程热危险性进行评估[1]。
如氧弹量热仪通过煤、油品等燃料燃烧前后水温差的高精度测量，实现热值的计量和溯源[2]。
测温精度直接影响此类仪器检测结果的准确性，因而高精度测温系统一直是反应量热仪的研究重点之一。
与热电偶、热敏电阻温度传感器相比，铂电阻因其测温范围宽、线性度好、稳定性高被广泛用于各类高精度测温领域中[3]。
高分辨率∑—ΔADC的原理及应用
ＪｌＺｏｎｇ－ ｎａｎ
Ｎａ ｊ ｇ Ｕ ｖ ｒ ｉ ｆ ｒ ｎ ｕ ｉ ｓａ ｎｉ ｎ ｎｉｅ ｓｔ ｙｏ Ａｅ ｏ ａ ｔ ｃ ｎｄＡｓ ｒ ｎ ｔ ｓ《 １ ０１ ） ｔ ａｉ ２ ０ ６ ｏ ｃ
摘
要 ：Ｍ Ｘ ４ ２ 一 种 高 分 辨 率 、高 精 度 Ａ Ｃ Ａ １０ 是 Ｄ 。文 Ａｂ ｔａｃ ： ｈ Ａ ４ ２ｉ ａ ｈ ｈ ｒｓ ｌｔ ｎ ｈｇ ｃ ｕａ ｙ Ｃ Ｔ ｉ ａ ｅ ｍａｎ ｓ ｒ ｔ Ｔ ｅＭ Ｘ１ ０ ｓ ｉ ｏ ｉ ， ｉｈａ ｃ ｒ ｃ ＡＤ ｈ ｇ ｅ ｕｏ ＂ ｓｐ ｐ ｒ ｉ 中主 要 介 绍 它 的 应 用 和 设 计 中 的 注 意 事 项 ｎ ｒ ｕ ｅ ｔ ｐｉ ｔ ｎ ｏｅ ｅｏ ｄ ｓ ｉｔ ｄ ｃ ｄｉ ｐ ｌ ａｉｎａ ｄｎ ｔｓｂ ｆｒ ｅ ｉｎ ｏ ｓａ ｃ ｏ ｅ ｇ Ｋｅ ｗｏ ｄ ： Ｄ ｙ ｒ 摹 Ａ Ｃ；￡一△ ｉｈ ｃ ｕａ ｙ ｈ ｃ ｒｃ ｇ ａ
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高精度sigma-delta ADC的研究与设计的开题报告
高精度sigma-delta ADC的研究与设计的开题报告一、课题背景及研究概述随着现代通信和控制系统的不断发展，对于高精度ADC（模数转换器）的需求越来越高。
其中，sigma-delta ADC由于其廉价、低功耗、高精度等特点，已成为当前最常用的ADC类型之一。
本课题旨在研究和设计一种高精度sigma-delta ADC，以满足现代通信和控制系统的需求。
二、研究内容和技术路线本课题的研究内容主要包括以下几个方面：1.研究sigma-delta ADC基本原理及相关知识，建立模型并进行仿真分析。
2.进行模拟电路设计，包括模拟滤波器、带通反馈、数字校正等模块的设计与实现。
3.对比分析不同的模拟电路设计方案，确定最优方案。
4.设计数字模块，包括数字滤波器、数据输出接口等模块。
5.验证设计结果，并进行实际硬件实现。
技术路线：1.研究sigma-delta ADC基本原理及相关知识研究sigma-delta ADC基本原理及相关知识，掌握其核心理论基础，建立数学模型。
通过仿真分析，了解其性能和局限性，为后续电路设计提供理论支持。
2.进行模拟电路设计根据所得理论模型，进行模拟电路设计，优化控制方式、极限降噪、有效抑制非线性畸变等方面，确保ADC的高精度和稳定性。
3.设计数字模块设计数字滤波器，完善数据输出接口等数字模块，以实现最终的数字转换，并保证输出数据的稳定性和高精度。
4.验证设计结果并实现硬件对整个ADC系统进行模拟、实验验证，确保最终产品满足设计要求。
并进行硬件实现。
三、研究意义和预期成果通过本课题的开展，能够深入了解sigma-delta ADC的基本原理和核心技术，掌握其设计方法和实现技巧。
通过设计一种高精度sigma-delta ADC，为现代通信和控制系统的数字转换需求提供新型解决方案。
同时，本课题的预期成果还包括：1.研究sigma-delta ADC的性能和优化方法，提高其转换效率和准确性。
sigma-delta adc的量化过程
sigma-delta adc的量化过程Sigma-Delta ADC（Σ-Δ ADC）是一种常用的模数转换器，它通过采用过采样和噪声整形技术，实现了高精度的模拟信号数字化转换。
本文将介绍Sigma-Delta ADC的量化过程，以及其原理和应用。
让我们了解一下Σ-Δ ADC的基本原理。
Σ-Δ ADC可以看作是一个模拟滤波器和一个数字滤波器的级联，其中模拟滤波器用于滤除高频噪声，数字滤波器用于恢复被过采样信号中的模拟信号。
Σ-Δ ADC的核心思想是在过采样的基础上通过噪声整形技术将噪声推到高频区域，从而提高了系统的动态范围和分辨率。
在Σ-Δ ADC的量化过程中，首先将模拟信号通过一个比特数较高的模数转换器进行采样。
然后，通过一个积分器对模拟信号进行积分，并将积分结果与一个参考电平进行比较。
根据比较结果，Σ-Δ ADC会输出一个1或0的比特，表示模拟信号是否超过了参考电平。
为了更好地理解Σ-Δ ADC的量化过程，可以以一个简单的二进制Σ-Δ ADC为例进行说明。
假设该ADC的比特数为N，那么它将输出一个N位的二进制数。
在量化过程中，如果积分结果大于参考电平，则输出1，否则输出0。
通过这种方式，Σ-Δ ADC可以实现高精度的模拟信号转换。
在实际应用中，Σ-Δ ADC常常用于对低频信号的高精度采样，比如音频和传感器信号采集。
由于Σ-Δ ADC具有较高的动态范围和分辨率，能够抑制高频噪声和共模噪声，因此在音频处理和测量仪器等领域得到了广泛的应用。
除了以上的基本原理和应用外，Σ-Δ ADC还有一些进一步的发展和应用。
例如，Σ-Δ ADC可以通过多级嵌套的方式，实现更高的分辨率和更宽的动态范围。
此外，Σ-Δ ADC还可以结合数字滤波器，实现对不同频率的信号的处理和采样。
总结起来，Σ-Δ ADC是一种基于过采样和噪声整形技术的高精度模数转换器。
它的量化过程通过积分和比较实现，并通过输出二进制数来表示模拟信号的大小。
使用SigmaDeltaADC时容易被忽略的问题
使用SigmaDeltaADC时容易被忽略的问题最近见到不少帖子说，SigmaDelta型ADC不稳定。
其实大多数不是ADC的问题。
而是没有深刻理解SigmaDelta型ADC的原理和内部结构。
∑－△型ADC是一类利用过采样原理来扩展分辨率的模数转换器件，从原理上看，∑－△型ADC利用非常低分辨率的ADC(一般1bit)的ADC通过高速过采样，得到码流后量化得到数字量。
因为1bit ADC 就是一个比较器，1bitDAC也可以用模拟开关来实现；加之滤波和量化工作也是全数字实现的，所以∑－△型ADC更像是数字器件而不是模拟器件。
这最大可能的避免了模拟电路的漂移、批次性问题。
因此∑－△型ADC可以很容易达到高精度和高分辨率。
下面看图4.2：一个带锁存的比较器作为1bitADC，其输出码流分2路，一路给数字滤波和量化用，另一路反馈到减法器。
积分器的作用就是对减法器后的输入信号求平均。
关于∑－△调制和过采样的原理，很多教科书都是搬弄一大堆的公式和定理，证明码流平均值正比输入电压就了事。
没有让读者真正理解，害了不少人。
我觉得，从大家都熟悉的运放负反馈虚短路的知识，很容易理解∑－△调制的原理。
图4.2的整个环路构成典型的负反馈，那么由反馈理论可知，只要比较器（相当于运放）的开环增益足够大，A点会非常接近0V（虚地），即DAC的码流平均值（积分器就是求平均）一定会非常接近输入信号Vin／Vref的值。
数字滤波和量化器功能就是一低通滤波器，就是将码流的平均值（低频量）取出作为ADC转换结果。
上面分析了∑－△型ADC的基本原理。
在实际的∑－△型ADC芯片中，都采用开关电容电路来实现输入、减法器、积分器、基准切换功能。
这样便于纯数字方法实现。
很多∑－△型ADC内置可编程增益放大器（PGA），非常方便与电桥、热电偶等微弱信号传感器连接。
PGA 的实现其实也是靠改变开关电容采样、积分与读出的速度比来实现的，仍然是纯数字电路实现，不存在运算放大器的漂移、失调、上下轨等问题。
采用MSP430Δ-ΣADC外设实现高精度测量
CH1_ISR CH1_ISR Over_ISR Over_ISR
; Handle channel 1 interrupt ; Handle channel 1 interrupt ; Handle overflow interrupt ; Handle overflow interrupt
© 2005 Texas Instruments Inc, Slide 17
© 2005 Texas Instruments Inc, Slide 1
会议议程
• Δ-Σ 的原理与优势 • 了解 SD16_A • 选择 集成了 ADC 的 MSP430 • 实验练习：SD16_A 实际操作
© 2005 Texas Instruments Inc, Slide 2
Δ-Σ 原理
调制器的时钟选择
• 用 D4270 进行 f M 补偿：
（连续转换模式，启用内部参考和缓冲器）
ACLK = 32.768kHz, 256 OSR, SD16INTDLY_0 • 约 7.8ms/转换 • 约 950uA：LPM3 中的 CPU（约 1009uA：LPM0 中的 CPU） SMCLK = 1.048MHz, 256 OSR, SD16INTDLY_0 • 约 244us/转换 • 约 1095uA：LPM0 中的 CPU
SAR 固有 输入端的步长变化必须通过 Δ-Σ 滤波器级循环
• Δ-Σ 架构的数字化程度达 90%：使集成更简便
© 2005 Texas Instruments Inc, Slide 4
SD16 概览
• ‘F42x 与 ‘FE42x • 多个通道 • 每通道一个外部输 入 • 高达 256 的 OSR 过采样率 • 1MHz fM
∑–△型模数转换器(ADC)
∑–△型模数转换器(ADC)1.概述近年来，随着超大规模集成电路制造水平的提高，Σ-Δ型模数转换器正以其分辨率高、线性度好、成本低等特点得到越来越广泛的应用。
Σ-Δ型模数转换器方案早在20世纪60年代就已经有人提出，然而，直到不久前，在器件商品化生产方面，这种工艺还是行不通的。
今天，随着1微米技术的成熟及更小的CMOS几何尺寸，Σ-Δ结构的模数转换器将会越来越多地出现在一些特定的应用领域中。
特别是在混合信号集成电路(Mixed-signal ICs，指在单一芯片中集成有模数转换器、数模转换器以及数字信号处理器功能的集成电路芯片)中。
目前，Σ-Δ型模数转换器主要用于高分辨率的中、低频(低至直流)测量和数字音频电路。
用于低频测量的典型芯片有16位分辨的AD7701，24位分辨的AD7731等；用于高品质数字音频场合的典型芯片有18位分辨率的AD1879等。
随着设计和工艺的水平的提高，目前已经出现了高速Σ-Δ型模数转换器产品。
2. ∑–△型ADC的理论基础与一般的ADC不同，∑–△型ADC不是直接根据抽样数据的每一个样值的大小进行量化编码，而是根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来进行量化编码。
从某种意义上讲，它是根据信号波形的包络线进行量化编码的。
∑–△型ADC由两部分组成，第一部分为模拟∑–△调制器，第二部分为数字抽取滤波器，如下图所示。
∑–△调制器以极高的抽样频率对输入模拟信号进行抽样，并对两个抽样之间的差值进行低位量化，从而得到用低位数码表示的数字信号即∑–△码；然后将这种∑–△码送给第二部分的数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。
因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器。
由于∑–△调制器具有极高的抽样速率，通常比奈奎斯特抽样频率高出许多倍，因此∑–△调制器又称为过抽样ADC转换器。
这种类型的ADC采用了极低位的量化器，从而避免了制造高位转换器和高精度电阻网络的困难；另一方面，因为它采用了∑–△调制技术和数字抽取滤波，可以获得极高的分辨率；同时由于采用了低位量化输出的∑–△码，不会对抽样值幅度变化敏感，而且由于码位低，抽样与量化编码可以同时完成，几乎不花时间，因此不需要采样保持电路，这就使得采样系统的构成大为简化。
温度测量系统中高精度ADC设计
温度测量系统中高精度ADC设计
温度测量的传感器有很多种，包括有热电偶、PRTD（platinum resistance temperature detectors）、热敏电阻、热敏二极管等。
系统的精度由温度传感器的精度以及将传感器的数据进行数字化的高性能
的ADC决定。
在工业以及医疗的应用中很多温度测量通常需要±0.1°C或者
更好的测量精度，合理的成本以及更低的功耗。
这些领域的温度测量范围一般都在-200°C~ +1750°C，铂电阻温度传感器被采用在高精度温度测量中是因为其具有优异的精度和互换性，铂电阻传感器
是利用金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化的物理特性而制成的温度传感器，所以一般使用PRTD。
测量精度的影响
PRTD的阻值在温度范围内呈现接近线性相应的温度测量。
PRTD检测温度的接口可采用2线、3线和4线，提供给ADC差分信号。
每一种接口方式有其优缺点，4线的接线方式可以获取最精确的测量结果，
缺点是可靠性降低同时增加系统成本，3线接线读数准确，成本更经济，目
前使用比较普遍，2线接线最为经济，通常需要利用微处理器或者DSP对引
线的IR误差进行补偿。
PRTD测量时的误差主要有:
1、导线电阻导致的误差：PRTD作为一种电阻，它与控制端之间的导线的
电阻会导致误差。
2、自热导致的误差：PRTD本身就是一种金属电阻，激励电流通过PRTD 时，产生的功耗使得传感器本身温度升高，导致PRTD阻值变大。
3、PRTD的线性误差：PRTD具有近似线性特性，在0°C阻值为100欧的。
热电偶adc测量电路
热电偶ADC测量电路主要由热电偶、ADC转换器和其他必要的电子元件组成。
热电偶是一种将温度转换为电势差的传感器，其测量原理基于塞贝克效应或皮尔兹效应。
热电偶的主要部分是由两种不同材料组成的回路，其中一种材料是热导体，另一种是冷导体。
当热端受到温度变化时，热电偶会产生电压，该电压与热端的温度成正比。
ADC转换器是模数转换器，它将模拟信号转换为数字信号。
在热电偶ADC测量电路中，ADC转换器用于将热电偶产生的模拟电信号转换为数字信号，以便进一步处理和记录。
其他必要的电子元件包括电阻、电容、电感等，用于调节信号、滤波和提供电源等。
该电路的基本工作原理是将热电偶产生的电信号传输到ADC转换器，通过ADC转换器将模拟信号转换为数字信号，然后将数字信号传输到微控制器或其他数据处理设备进行进一步处理。
微控制器可以通过控制热电偶的工作状态、采集和处理数据等操作来实现温度的测量和控制。
热电偶ADC测量电路广泛应用于温度测量和控制系统，特别是
在需要高精度和快速响应的场合，如工业自动化、医疗设备、能源监测等领域。
高精度sigma-delta ADC的研究与设计
高精度sigma-delta ADC的研究与设计高精度sigma-delta ADC的研究与设计摘要：随着现代通信技术的发展，对高精度的模拟-数字转换（ADC）器件的需求日益增加。
sigma-delta ADC作为一种高精度、高速的转换器，在各个领域得到了广泛的应用。
本文将对高精度sigma-delta ADC的研究与设计进行探讨。
首先，概述了sigma-delta ADC的基本原理，并深入剖析了其优缺点。
然后，详细介绍了sigma-delta ADC的设计流程，包括模拟前端设计、数字滤波器设计、数字后处理等方面。
最后，通过实际案例验证了设计的可行性和有效性。
本文旨在为高精度sigma-delta ADC的研究与设计提供参考，希望能够对相关领域的研究人员提供一定的帮助。
一、引言近年来，模拟-数字转换技术在通信、医疗、工业控制等领域得到了广泛的应用。
高精度的ADC器件是实现这些应用的关键。
sigma-delta ADC由于其高精度、高动态范围、低功耗等优点，成为了各领域广泛采用的ADC芯片。
本文将对高精度sigma-delta ADC进行研究与设计，以满足近年来对高精度ADC的需求。
二、sigma-delta ADC的基本原理sigma-delta ADC是一种基于过采样和噪声整形的ADC技术。
其基本原理是通过将输入信号过采样，并利用高阶模拟滤波器抑制高频噪声，将输入信号的动态范围转移到更低频率范围内，从而增加了ADC的分辨率。
sigma-delta ADC主要分为模拟前端和数字后端两个部分，通过这两个部分的协同工作，实现了高精度的模拟-数字转换。
三、sigma-delta ADC的优缺点1. 优点：（1）由于过采样和高阶滤波器的使用，sigma-delta ADC具有较高的分辨率和动态范围；（2）sigma-delta ADC可以利用硬件结构的优化和数字滤波器的后处理，实现较高的抗干扰能力；（3）sigma-delta ADC的功耗较低，适用于低功耗应用。
微功耗高精度Sigma-DeltaADC的设计
摘要Σ-Δ ADC在工业控制、低频信号监测以及音频信号处理等领域一直有着不可替代的作用，其特点在于使用速度换取精度，对模拟电路设计的要求大大降低，在数字电路技术愈发先进的今天有着越来越重要的作用。
本文首先介绍了微功耗高精度Σ-Δ ADC的研究背景，总结了近年来国内外在低功耗以及微功耗ADC方面的研究现状，对部分低功耗Σ-Δ ADC所采用的技术进行了分析。
根据设计指标对Σ-Δ ADC进行系统级设计，调制器采用二阶反馈结构(Cascade of integrators feedback, CIFB)、一位量化、过采样率1024，数字抽取滤波器的结构采用三级级联积分梳状滤波器(Cascaded Integrator Comb, CIC)，对整个Σ-Δ ADC 进行系统级仿真以确保整个系统的功能和环路稳定性，同时为后续电路级设计提供设计约束。
调制器电路的设计首先从降低电流的角度考虑，合理分配电流消耗，运算放大器的输入对管偏置在亚阈值区，使其在极低的电流下仍有较大的跨导；量化器采用无静态电流消耗的结构。
数字抽取滤波器采用CIC滤波器结构，其优势在于整数系数，所以不需要乘法器和存储器，并且有一部分电路仅仅工作在数据输出的频率下。
由于本设计所要求的信号带宽只有10Hz，所以采样频率也只有20.48kHz，在这个时钟下，CIC抽取滤波器的功耗非常低。
电路仿真结果显示，调制器信噪比为89.3dB，有效位数14.55位；CIC抽取滤波器可以通过提高抽取率来提高ADC 的信噪比。
采用华虹0.35µm工艺完成整个Σ-Δ ADC的版图设计，其中调制器部分采用全定制的设计方法，CIC抽取滤波器采用半定制设计方法，最终整体版图面积为1.8mm×1.68mm。
对版图进行后仿真，信噪比大于88.2dB，有效位数大于14.35 位。
模拟电路消耗的电流小于24µA，数字电路消耗电流约为3.12µA，满足设计要求。
单片机内部ADC应用介绍
应用：广泛应用于各种电子设备，如单片机、传感器等
ADC工作原理
模拟信号输入：将模拟信号转换为数字信号
量化：将模拟信号的连续值转换为离散值
编码：将离散值转换为二进制数字信号
输出：将二进制数字信号输出到单片机进行处理
ADC分类
逐次逼近型ADC：通过逐次比较将模拟信号转换为数字信号
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单片机内部ADC特点
集成度高：将ADC与单片机集成，节省空间和成本
精度高：具有较高的分辨率和转换精度
速度快：转换速度快，满足实时应用需求
低功耗：在低功耗模式下仍能保持高性能
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单片机内部ADC应用
电压测量：测量电源电压、信号电压等
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电流测量：测量电流、负载电流等
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温度测量：测量环境温度、器件温度等
积分型ADC：通过积分方式将模拟信号转换为数字信号
并行比较型ADC：通过并行比较将模拟信号转换为数字信号
Σ-Δ型ADC：通过Σ-Δ调制方式将模拟信号转换为数字信号
电容阵列型ADC：通过电容阵列方式将模拟信号转换为数字信号
压频变换型ADC：通过压频变换方式将模拟信号转换为数字信号
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单片机内部ADC
演讲人
单片机内部ADC应用介绍
01.
02.
03.
04.
目录
ADC基本概念
单片机内部ADC
ADC应用实例
ADC应用注意事项
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ADC基本概念
ADC定义
工作原理：通过采样、量化、编码等步骤实现模拟信号到数字信号的转换
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ADC（Analog-to-Digital Converter）：模拟-数字转换器
基于数字处理技术的高速高精度ADC动态测试系统设计与实现
系统实现
在系统实现阶段，我们分别进行了硬件电路设计和软件算法实现。
硬件电路设计主要包括调理、采样、量化、编码等环节。调理电路的作用是 对输入信号进行预处理，以便于采样。我们选用了一款具有低噪声、高稳定性的 运算放大器来实现调理功能。采样电路的作用是对调理后的信号进行离散化处理， 我们将采样率设置为最高采样率。量化电路的作用是将采样值转化为数字值，我 们选用了一款具有高分辨率的ADC芯片来实现量化功能。编码电路的作用是将数 字值转化为二进制码，以便于后续处理。
模数转换器（ADC）是现代电子系统中的关键组件，其作用是将模拟信号转 换为数字信号。随着科技的不断进步，高速、高精度的ADC在通信、雷达、音频 处理等领域的应用越来越广泛。因此，对高速ADC动态特性的测试成为了一个重 要的研究课题。
一、高速ADC动态特性的理论研 究
1、ADC的基本工作原理
ADC是将模拟信号转换为数字信号的设备。其工作过程可以简述为三个步骤： 采样、量化、编码。在采样阶段，ADC接收模拟信号，并将其转换为时间上离散 的样本；在量化阶段，ADC将每个样本的幅度值转换为数字值；在编码阶段，ADC 将量化后的数字值转换为二进制编码。
文献综述
在过去的几十年中，研究者们在ADC动态测试系统方面进行了广泛的作用。DFT（离散傅里叶 变换）和FFT（快速傅里叶变换）是两种常用的数字处理技术，被广泛应用于ADC 动态测试系统中。
DFT是一种用于分析非连续信号的频谱特性的方法。通过将信号分解成不同 频率的正弦波的叠加，可以计算出信号的频谱特性。在ADC动态测试系统中，DFT 可以用于分析输入信号的频谱特性，从而获得信号的特征信息。
为了测试高速ADC的动态特性，需要构建一个专门的测试平台。该平台应包 括信号源、示波器、数据采集卡等设备。其中，信号源用于产生模拟信号，示波 器用于观测ADC的输出信号，数据采集卡用于采集和记录数据。
RTD温度测量系统对ADC的要求
RTD温度测量系统对ADC的要求Mary McCarth;Aine McCarthy【期刊名称】《今日电子》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】3页(P31-33)【作者】Mary McCarth;Aine McCarthy【作者单位】ADI公司;ADI公司【正文语种】中文有多种类型的温度传感器可以用于温度测量系统。
具体使用何种温度传感器，取决于所测量的温度范围和所需的精度。
温度测量系统的精度取决于传感器以及传感器所接口的模数转换器（ADC）的性能。
许多情况下，来自传感器的信号幅度非常小，因而需要高分辨率ADC。
Σ-Δ型ADC属于高分辨率器件，适合这些系统。
其片内还嵌入了温度测量系统所需的其他电路，如激励电流和基准电压缓冲器等。
本文介绍常用的3线和4线电阻温度检测器（RTD），以及将传感器与ADC接口所需的电路，并说明对ADC的性能要求。
RTD适合测量-200～+800℃的温度，在该温度范围内，这些器件的响应接近线性。
RTD使用的典型元素有镍、铜和铂，100 Ω和1000 Ω铂制RTD最为常见。
RTD 有2线、3线或4线形式，其中3线和4线形式最为常用。
RTD是无源传感器，需要一个激励电流来产生输出电压。
RTD的输出电平从数十毫伏到数百毫伏不等，取决于所选的RTD。
图1显示了一个3线RTD系统。
AD7124-4/AD7124-8包括该系统所需的全部构建模块。
为了全面优化该系统，需要两个完美匹配的电流源。
这两个电流源用于抵消RTD的RL1和RL2产生的引线电阻误差。
一个激励电流流过精密基准电阻RREF和RTD。
另一个电流流过引线电阻RL2，所产生的电压与RL1上的压降相抵消。
精密基准电阻上产生的电压用作ADC的基准电压REFIN1（±）。
由于仅利用一个激励电流来产生基准电压和RTD上的电压，因此，该电流源的精度、失配和失配漂移对ADC整体传递函数的影响极小。
AD7124-4/AD7124-8允许用户选择激励电流值，从而调整系统以使用ADC的大部分输入范围，提高性能。
高精度sigma-deltaADC研究与实现的开题报告
高精度sigma-deltaADC研究与实现的开题报告一、研究背景随着科技的不断发展，精度越来越高、性能越来越强的系统需求越来越多。
其中，高精度ADC系统在数字信号处理中占有重要地位。
Sigma-delta ADC是数字信号处理领域中发展较快的技术之一，具有高精度、高分辨率、低成本等优点。
因此，研究与实现高精度sigma-delta ADC对数字信号处理应用具有重要的意义。
二、研究目的和意义本课题的研究目的是探究高精度sigma-delta ADC的理论和实现方法，研究ADC 的数字滤波算法、噪声抑制技术等关键技术，为实现高精度ADC系统提供理论和技术支持。
研究成功后，可以实现高精度、低成本的ADC系统，为数据采集、信号处理等领域提供优质的数字信号；同时，研究结果还可以用于提高DSP、FPGA等数字电路的设计水平，使得电路的性能得到更大的提升。
三、研究内容1. Sigma-delta ADC的原理、优缺点等基础知识。
2. 高精度sigma-delta ADC的数字滤波算法研究。
3. 噪声抑制技术的研究与实现。
4. 高精度sigma-delta ADC的实现方法研究与实验设计。
5. ADC的性能分析和测试。
四、研究方法本课题采用文献调研、理论分析和实验研究等方法，通过对现有研究成果进行总结和分析，以及对实验过程中数据进行分析和处理，探究高精度sigma-delta ADC的理论和实现方法。
五、预期成果1. 掌握高精度sigma-delta ADC的原理、基础算法和数字滤波算法等关键技术；2. 实现高精度sigma-delta ADC系统，并进行性能测试；3. 提出高精度sigma-delta ADC系统噪声抑制技术，并进行实验验证；4. 发表相关学术论文和科技论文；5. 为数字信号处理和电路设计领域提供技术支持和价值参考。
六、进度安排第一阶段：文献调研和理论分析，研究高精度sigma-delta ADC的基础知识和数字滤波算法等技术，总结分类处理相关研究成果。
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利用先进的热电偶和高分辨率Σ-Δ ADC实现高精度温度测量Joseph Shtargot, 应用工程师Sohail Mirza, 应用经理摘要：许多工业和医学应用需要±1°C甚至更高精度的温度测量，并且成本合理，可覆盖宽温范围(-270°C至+1750°C)，这些系统往往还要求低功耗性能。
经过正确选择和标准化处理，利用高分辨率ADC数据采集系统(DAS)和新型热电偶，能够覆盖这一温度范围，即使在恶劣的工业环境下，亦可确保精确测量。
引言热电偶广泛用于各种温度检测。
热电偶设计的最新进展，以及新标准和算法的出现，大大扩展了工作温度范围和精度。
目前，温度检测可以在-270°C至+1750°C宽范围内达到±0.1°C的精度。
为充分发挥新型热电偶能力，需要高分辨率热电偶温度测量系统。
能够分辨极小电压的低噪声、24位、Σ-Δ模/数转换器(ADC)非常适合这项任务。
数据采集系统(DAS)采用24位ADC评估(EV)板，热电偶能够在很宽的温度范围内实现温度测量。
热电偶、铂电阻温度检测器(PRTD)和ADC相结合，可构成高性能温度测量系统。
采用低成本、低功耗ADC的DAS系统，可理想满足便携式检测的应用需求。
热电偶入门托马斯•塞贝克在1822年发现了热电偶原理。
热电偶是一种简单的温度测量装置，由两种不同金属(金属1和金属2)组成(图1)。
塞贝克发现不同的金属将产生不同的、与温度梯度有关的电势。
如果这些金属焊接在一起构成温度传感器结(TJUNC，也称为温度结)，另一端未连接的差分结(TCOLD，作为恒温参考端)上将呈现出电压，VOUT，该电压与焊接结的温度成正比。
从而使热电偶输出随温度变化的电压/电荷，无需任何电压或电流激励。
图1. 热电偶简化电路VOUT温差(TJUNC - TCOLD)是金属1及金属2的金属类型的函数。
该函数在美国国家标准与技术研究院(NIST) ITS-90热电偶数据库[1]中严格定义，覆盖了绝大多数实用金属1和金属2组合。
利用该数据库，可根据VOUT测量值计算相对温度TJUNC。
然而，由于热电偶以差分方式测量TJUNC，为了确定温度结的实测温度，就必须知道冷端绝对温度(单位为°C、°F或K)。
所有现代热电偶系统都利用另一绝对温度传感器(PRTD、硅传感器等)精密测量冷端温度，并进行数学补偿。
图1所示热电偶简化电路的温度公式为：Tabs = TJUNC + TCOLD (式1)式中：Tabs为温度结的绝对温度；TJUNC为温度结与基准冷端的相对温度；TCOLD为冷端参考端的绝对温度。
热电偶的类型各种各样，但是针对具体的工业或医疗环境可以选择最适合的异金属对儿。
这些金属和/或合金组合被NIST及国际电工委员会标准化，简写为E、J、T、K、N、B、S、R等。
NIST和IEC为常见的热电偶类型提供了热电偶参考表[1]。
NIST和IEC还为每种热电偶类型开发了标准数学模型。
这些幂级数模型采用独特的系数组合，每种热电偶类型及不同温度范围的系数都不同[1]。
表1所示为部分常见热电偶类型(J、K、E和S)的例子。
表1. 常见的热电偶类型J型热电偶具有相对较高的塞贝克系数、高精度和低成本，应用广泛。
这些热电偶使用相对简单的线性化算法，即可达到±0.1°C的测量精度。
K型热电偶覆盖的温度范围宽，在工业测量领域的应用非常广泛。
这些热电偶具有适中的高塞贝克系数、低成本及良好的抗氧化性。
K型热电偶的精度高达±0.1°C。
E型热电偶的应用没有其它类型热电偶普及。
然而，这组热电偶的塞贝克系数最高。
E型热电偶所需的测量分辨率低于其它类型。
E型热电偶的测量精度可达到±0.5°C，需要的线性化计算方法相对复杂。
S型热电偶由铂和铑组成，这对组合能够在非常高的氧化环境下实现稳定、可复现的测量。
S型热电偶的塞贝克系数较低，成本相对较高。
S型热电偶的测量精度可达到±1°C，需要的线性化算法相对复杂。
应用示例热电偶电路设计包括具有差分输入及能够分辨微小电压的高分辨率ADC、稳定的低漂移基准，以及准确测量冷端温度的方法。
图2所示为简化原理图。
MX7705是一款16位、Σ-ΔADC，内置可编程增益放大器(PGA)，无需外部精密放大器，能够分辨来自热电偶的微伏级电压。
冷端温度利用MAX6627远端二极管传感器以及位于热电偶连接器处、连接成二极管的晶体管测量。
MX7705的输入共模范围扩展至低于地电势30mV，可实现有限的负温度范围[2]。
图2. 热电偶测量电路。
MX7705测量热电偶输出，MAX6627和外部晶体管测量冷端温度，MAX6002为MX7705提供2.5V精密电压基准。
也有针对具体应用设计的IC，用于热电偶信号调理。
这些IC集成本地温度传感器、精密放大器、ADC和电压基准。
例如，MAX31855为冷端补偿热电偶至数字转换器，可数字化K、J、N、T或E型热电偶信号。
MAX31855以14位(0.25°C)分辨率测量热电偶温度(图3)。
图3. 集成冷端温度补偿的ADC，转换热电偶电压时无需外部补偿。
误差分析冷端补偿热电偶为差分传感器，利用温度结和冷端之间的温差产生输出电压。
根据式1，只有精密测得冷端绝对温度(TREF)时，才能得到温度结的绝对温度(Tabs)。
可利用新型铂RTD (PRTD)测量冷端绝对温度。
它在很宽的温度范围内提供良好的性能，尺寸小、功耗低，成本非常合理。
图4所示为精密DAS的简化原理图，采用了MAX11200 (24位、Σ-ΔADC)评估(EV)板，可实现热电偶温度测量。
本例中，利用R1 - PT1000 (PTS 1206，1000Ω)测量冷端绝对温度。
该解决方案能够以±0.30°C或更高精度测量冷端温度[3]。
图4. 热电偶DAS简化图如图4所示，MAX11200的GPIO设置为控制精密多路复用器MAX4782，它选择热电偶或PRTD R1 - PT1000。
该方法可利用单个ADC实现热电偶或PRTD的动态测量。
提高了系统精度，降低校准要求。
非线性误差热电偶为电压发生装置。
但是，大多数常见热电偶[2，4]的输出电压作为温度的函数呈现非常高的非线性。
图4和图5中说明，如果没有经过适当补偿，常见的工业K型热电偶的非线性误差会超过数十摄氏度。
图5. K型热电偶的输出电压和温度关系图。
曲线在-50°C至+350°C范围内线性度较好；在低于-50°C和高于+350°C时，相对于绝对线性度存在明显偏差。
[1]图6. 相对于直线逼近的偏差，假设线性输出为从-50°C至+350°C，平均灵敏度为k = 41µV/°C。
[1]IEC采用的NIST ITS-90等现代热电偶标准化处理、查找表和公式数据库[1]，是当前系统间互换热电偶类型的基础。
通过这些标准，热电偶很容易由相同或不同制造商的其它热电偶所替代，而且经过最少的系统设计更新或校准即可确保性能指标。
NIST ITS-90热电偶数据库提供了详细的查找表。
通过使用标准化多项式系数[1]，还可利用多项式在非常宽的温度范围内将热电偶电压换算成温度(°C)。
根据NIST ITS-90热电偶数据库，多项式系数为：T = d0 + d1E + d2E² + ... dNEN (式2)式中：T为温度，单位为°C；E为VOUT，热电偶输出，单位为mV；dN为多项式系数，每一热电偶的系数是唯一的；N = 多项式的最大阶数。
表2所示为一个K型热电偶的NIST (NBS)多项式系数。
表2. K型热电偶系数利用表2中的多项式系数，能够在-200°C至+1372°C温度范围内以优于±0.1°C的精度计算温度T。
大多数常见热电偶都有不同系数表可用[1]。
同样，在-200°C至0、0至+500°C和+500°C至+1372°C温度范围也可以找到类似的NIST ITS-90系统，能够以更高精度(低于±0.1°C，相对于±0.7°C)计算温度。
与原来的“单”间隔表进行比较即可看出这点[2]。
ADC规格参数/分析表3所示为MAX11200的基本性能指标，具有图4中所示的电路特性。
表3. MAX11200的主要技术指标本文中使用的MAX11200是一款低功耗、24位、Σ-Δ ADC，适合于需要宽动态范围、高分辨率的低功耗应用。
利用该ADC，基于式3和4可计算图3电路的温度分辨率。
(式3)(式4)式中：Rtlsb为热电偶在1 LSB时的分辨率；Rtnfr为热电偶无噪声分辨率(NFR)；VREF为基准电压；Tcmax为测量范围内的热电偶最大温度；Tcmin为测量范围内的热电偶最小温度；Vtmax为测量范围的热电偶最大电压；Tcmax为测量范围内的热电偶最小电压；FS为ADC满幅编码，对于双极性配置的MAX11200为(223-1)；NFR为ADC无噪声分辨率，对于双极性配置的MAX11200为(220-1)，10Sa/s时。
表4所列为利用式3和4计算表1中K型热电偶的测量分辨率。
表4. K型热电偶在不同温度范围内的测量分辨率表4中提供了每个温度范围内的°C/LSB误差和°C/NFR误差计算值。
无噪声分辨率(NFR)表示ADC能够可靠区分的最小温度值。
对于整个温度范围，NFR值低于0.1°C，对于工业和医疗应用中的大多数热电偶远远足够。
热电偶与MAX11200评估板的连接MAX11200EVKIT提供了全功能、高分辨率DAS。
评估板可帮助设计工程师快速完成项目开发，例如验证图4所示解决方案。
在图4所示原理图中，常见的K型OMEGA热电偶(KTSS-116 [5])连接至差分评估板输入A1。
利用Maxim应用笔记4875中介绍的高性价比比例方案，测量冷端温度的绝对值[3]。
R1 (PT1000)输出连接至评估板输入A0。
MAX11200的GPIO控制精密多路复用器MAX4782，复用器动态选择将热电偶或PRTD R1输出连接至MAX11200的输入。
K型热电偶(图3、4)在-50°C至+350°C范围内的线性度适当。
对于有些不太严格的应用，线性逼近公式(式5)能大大降低计算量和复杂度。
近似绝对温度可计算为：(式5)式中：E为实测热电偶输出，单位为mV；Tabs为K型热电偶的绝对温度，单位为°C；Tcj为PT1000实测的热电偶冷端温度，单位为°C [3]；Ecj为利用Tcj计算得到的冷端热电偶等效输出，单位为mV。