ΔΣAD转换器

近年来，节能已成为我们日常生活中最重要的问题之一。有些发达国家打算引进智能电网系统以实现能源的最有效供应。智能电网系统要求智能电表能够精确测量用电量，并通过无线方式实时传输数据。我们研制了一种新型微控制器，旨在为智能电表的设计提供单芯片解决方案，同时集成了高精度的Δ∑AD转换器来测量功耗。

在介绍Δ∑AD转换器之前，我们将对传统型AD转换器进行解释。
我们有适用于不同应用的各类AD转换器。
直接转换型、逐次逼近型和集成型AD转换器都是广泛使用的转换器。下面简要说明各种类型的AD转换器。

这种类型的AD转换器能一次性地将模拟输入信号转换为数字数据。就像测量长度一样。转换时间很短，仅需要一个时钟周期。其缺点是电路面积大，功耗大。
电路配置如下。
在满标度电压Vmax和接地之间连接由多个电阻串联而成的电路，并在串电阻上以一定的间隔设置适当数量的端子。每个端子连接到一个比较器，在比较器中，端子电压与模拟输入电压进行比较。当模拟输入电压大于端子电压时，比较器输出高电平；当模拟输入电压小于端子电压时，比较器输出低电平。

比较器输出值将作为一个整体被转换成二进制代码。

逐次逼近型操作将生成模拟电压作为参考，并将参考电压与输入模拟电压进行比较。这个过程可以这种类型的8位AD转换器为例进行说明。这种类型的AD转换器中可使用一个DA转换器。
DA转换器可执行AD转换器的反向功能，将数字数据转换为模拟数据。
首先，MSB（最高有效位；位7）设置为1，其它7位设置为0。这就是采用二进制代码（10000000）。它进入DA转换器，转换器将生成Vmax一半的输出电压。输出电压将通过比较器与模拟输入电压进行比较。当模拟输入大于DA转换器输出值时，MSB保持为1。相反，当模拟输入较小时，该位重置为0。在下图所示的例子中，模拟输入大于DA转换器输出值，所以MSB保持为1。
接下来，第二个MSB位（位6）设置为1，这样就形成了本例中的二进制代码（11000000）（MSB为1）。
该代码被输入到DA转换器，并将转换器输出值与模拟输入进行比较。本例中的结果是位6为0。
如此以同样的方式，从较高有效位对每一位进行比较。最后，数字数据（10110111）保留在8位寄存器中。该值是对输入模拟数据进行转换后的数字数据。
逐次逼近型具有面积小、功耗低等优点，适用于微控制器中的嵌入式AD转换器。

其中一种集成型转换器可以计算出从底部向上爬并达到模拟输入电压水平所需的步数。
转换器电路由DA转换器、计数器和比较器组成。每当计数器按时钟递增时，计数值将通过DA转换器转换为模拟值，并将输出值与模拟输入电压进行比较。增量继续，直到比较器检测到DA转换器输出值等于或大于模拟输入。此时，转换后的数字值就是计数器中的值。
这种类型应该可以获得更高的精度。但是缺点是转换时间长。

为了将模拟信号转换成数字信号，需要对模拟信号进行采样。即使在理想情况下采样的模拟值能精确地转换为相应的数字值，但相邻的采样值之间的其余模拟信号永远不会转换。因此，数字值与初始模拟值之间存在一些误差。这种误差称为量化误差或量化噪声。
只要采样是必需进行的，就不可能进行无噪声量化转换。所以我们应该考虑如何降低量化噪声？最简单的解决方案之一是提高采样频率；频率越高，噪声越小。但是因为转换时间太短，所以无法在非常高的频率下将模拟转换为数字。

相邻采样值之间的模拟信号平滑变化。如果需要重新创建平滑扫描线，则必须在当前采样之前获取多个采样数据以进行计算。
Δ∑AD转换器将通过非常精密的方法编辑采样数据以执行高精度转换，从而大大降低量化噪声。

Δ∑AD转换器使用Δ∑调制方法将模拟信号转换为数字信号。Δ∑调制单元由四个功能模块组成。这四个功能模块是指四个电路，分别是Δ（减法）电路、∑（加法或积分）电路、量化电路、开关电路。Δ电路将从输入模拟值中减去某个值，∑电路将按顺序加上Δ电路的输出值，量化电路将∑电路的输出值与参考电压进行比较，并根据∑电路的级数输出数字值1或0；开关电路的输出值将由量化电路的输出值进行选择，并进入Δ电路。

上表解释了Δ∑调制的功能。
・模拟值Va进入Δ电路。Δ电路的另一个输入值是Vo，它是开关电路的输出值。Vo的值可以是Vref或-Vref，本例中的初始值假定为Vref。然后，Δ电路中的计算结果变为Va－Vref（＝Δ）。实际上，Δ是负值，因为Vref是输入信号的最大值，它将进入∑电路。
・假设∑电路的初始输出值为0V，则加法结果为
0＋Δ = Δ.
・该值被传送到量化电路。这里的参考电压假定为0V。量化电路将输入值（∑电路的输出值）与参考电压进行比较，当输入值大于参考电压时，输出1，当输入值小于参考电压时，输出0。本例中的值Δ为负。所以量化电路的输出值是0。一个时钟周期的操作到此结束。

在下一个时钟开始时，开关电路将生成-Vref作为Vo，因为量化输出值在上一个时钟结束时为0。
电流模拟值Va'使得Δ电路的输出值为Va'－（－Vref）＝Va'＋Vref（=Δ'）。而∑电路的输出结果是Δ＋Δ’。如果该值大于0V（该值为正），则量化电路输出值为1。相反，如果它小于0V，则输出值为0。
如上所述，减法、加法和比较（量化）的操作序列将生成由1或0组成的一系列数字数据。初始的模拟信号能在量化噪声很小的情况下利用串行数字数据的1或0出现的频率来恢复。

Δ∑调制的一个显著特点在于∑电路的输出值。在图表中，∑电路输出值（条形图）与平滑模拟输入信号相比变化迅速。条形在输入信号的0V交叉点附近跳动，条形跳到顶部区域的最高点，随后逐渐降低，直至底部，再逐渐升高，反之亦然。
虽然∑电路输出值与输入模拟信号有很大的不同，但它包含了输入模拟信号的幅度和变化趋势的信息。

我们利用最简单的模型解释了工作原理。实际器件具有更精密的技术来保证Δ∑AD转换器的高精度。
采样频率应该更高。一般来说，较高的频率使得AD转换器的量化噪声较小，这与Δ∑AD转换器的情况相同。
如前所述，Δ和∑过程将显著降低量化噪声，而且多个Δ∑将使得AD转换器实现更高的精度。两级Δ∑过程称为二阶∑调制。在一个实际的Δ∑AD转换器中，通常需要建立四级四阶Δ∑调制。

实现更高精度的另一种方法是增加量化位。到目前为止，我们已经解释了1位量化。假设量化位变为两个，量化电路的输出将是2位数据，如（11）、（10）、（01）和（00）中的一个。开关电路将相应地选择Vref、Vref／3、-Vref／3和–Vref，这四个电压中的一个。这也将大大提高转换精度，而且位数越多，精度就越高。