Сигма-дельта АЦП (в литературе эти преобразователи назывались АЦП с уравновешиванием или балансом зарядов) своим названием обязаны наличием в них двух блоков: сумматора (обозначение операции - S) и интегратора (обозначение операции - D). Один из принципов, заложенных в такого рода преобразователях, позволяющий уменьшить погрешность, вносимую шумами, а следовательно увеличить разрешающую способность - это усреднение результатов измерения на большом интервале времени.
Основные узлы АЦП - это сигма-дельта модулятор и цифровой фильтр. Схема n-разрядного сигма-дельта модулятора первого порядка приведена на рис. 6. Работа этой схемы основана на вычитании из входного сигнала Uвх(t) величины сигнала на выходе ЦАП, полученной на предыдущем такте работы схемы. Полученная разность интегрируется, а затем преобразуется в код параллельным АЦП невысокой разрядности. Последовательность кодов поступает на цифровой фильтр нижних частот.
Порядок модулятора определяется численностью интеграторов и сумматоров в его схеме. Сигма-дельта модуляторы N-го порядка содержат N сумматоров и N интеграторов и обеспечивают большее соотношение сигнал/шум при той же частоте отсчетов, чем модуляторы первого порядка.
Сигма-дельта АЦП имеют значительные преимущества. Прежде всего, линейность характеристики преобразования сигма-дельта АЦП выше, чем у АЦП многотактного интегрирования равной стоимости. Это объясняется тем, что интегратор сигма-дельта АЦП работает в значительно более узком динамическом диапазоне, и нелинейность переходной характеристики усилителя, на котором построен интегратор, сказывается значительно меньше. Емкость конденсатора интегратора у сигма-дельта АЦП значительно меньше (десятки пикофарад), так что этот конденсатор может быть изготовлен прямо на кристалле ИМС. Как следствие, сигма-дельта АЦП практически не имеет внешних элементов, что существенно сокращает площадь, занимаемую им на плате, и снижает уровень шумов.
Сигма-дельта АЦП высокого разрешения имеют развитую цифровую часть, включающую микроконтроллер. Это позволяет реализовать режимы автоматической установки нуля и самокалибровки полной шкалы, хранить калибровочные коэффициенты и передавать их по запросу внешнего процессора.
Для нашего случая выберем сигма-дельта АЦП ADS1100 фирмы Burr Brown. Это прецизионный, непрерывно самокалибрующийся АЦП с дифференциальным (разностным) входом и 16-битным разрешением в маленьком SOT23-6 корпусе. Преобразования выполняются логометрически, используя напряжение питания как опорное. ADS1100 использует I2C совместимый последовательный интерфейс и работает от однополярного источника напряжением от 2.7В до 5.5В.
ADS1100 может выполнять преобразования на скоростях 8, 16, 32 или 128 отсчетов в секунду. Встроенный предусилитель с программируемым коэффициентом усиления, который может достигать 8, позволяет измерять слабые сигналы с высоким разрешением (высокой точностью). В режиме одиночных преобразований ADS1100 автоматически выключается после преобразования, что значительно снижает потребление тока в течении неактивных периодов.
ADS1100 разработан для приложений, требующих высокоточных измерений (с высоким разрешением), где размеры и энергопотребление -- главные критерии. Типовые применения: в портативных инструментах, промышленных контроллерах и интеллектуальных передатчиках.
Отличительные особенности:
- Полная система сбора данных в маленьком SOT23-6 корпусе
- 16-битные коды
- Непрерывная самокалибровка
- Одиночное преобразование
- Программируемый предусилитель с коэффициентом усиления 1,2,4 или 8
- Низкий шум: 4мкVp-p
- Программируемая скорость измерений: от 8 до 128 отсчетов в секунду встроенный таймер
- I2C интерфейс
- Напряжение питания от 2.7В до 5.5В
- Низкое потребление тока: 90мкА
Области применения:
- Портативные инструменты
- Промышленные контроллеры
- Интелектуальные передатчики
- Потребительские товары
- Фабричная автоматизация
- Измерение температуры
Рис. 7 - Структурная схема и цоколевка выводов АЦП ADS1100
