Сигма-дельта АЦП (S-D-АЦП) – один из наиболее востребованных сегодня типов аналогово-цифровых преобразователей. Они эффективны в тех задачах, где не требуются большие частоты дискретизации, но необходимо высокое разрешение сигнала. Приборы этого типа выпускают многие компании, спектр современных S-D-АЦП весьма широк. Однако для многих разработчиков эти АЦП остаются классом приборов нового типа, принцип действия которых не вполне ясен. Разберемся.

Основная идея, положенная в основу архитектуры S-D-АЦП — как с помощью одноразрядных преобразований добиться высокой (многоразрядной) точности измерений сигнала. Предтечей идеи S-D-АЦП можно считать принцип одноразрядной дельта-модуляции, когда текущее значение сигнала сравнивается с предыдущим, и если сигнал превысил предыдущий отсчет на некое порогового значение, он кодируется 1, если уменьшился — 0. Такая обработка требует достаточно больших скоростей дискретизации, как правило — в 20–40 раз выше ширины полосы сигнала.

Аналогичные идеи легли в основу S-D-АЦП. Рассмотрим принцип действия этого класса приборов (рис.1). При этом будем полагать, что входной сигнал остается неизменным во время всего цикла преобразований для одной выборки (выборка или отсчет — сформированное на выходе АЦП или модулятора мгновенное цифровое значение измеряемого сигнала).

Рис. 1. Функциональная схема S-D-АЦП

В простейшем случае S-D-АЦП включает S-D-модулятор (выполняющий преобразование аналогового сигнала в цифровую последовательность) и выходной фильтр, преобразующий цифровую последовательность из модулятора в окончательный цифровой код. Особенность S-D-АЦП — это чрезвычайно простое устройство S-D-модулятора и весьма сложный цифровой выходной фильтр, реализующий алгоритмы цифровой обработки сигналов. Тем не менее, с развитием полупроводниковых технологий реализация таких устройств на кристалле не вызывает проблем.

Как и любой АЦП, S-D-АЦП выдает оцифрованные значения сигнала в долях диапазона измерения. Измеряемый сигнал должен находиться в диапазоне от опорного напряжения Vref до -Vref (относительно некоего установленного уровня “0”, численно равного половине диапазона измерения). Если разрядность АЦП — N бит, то весь этот диапазон разбит на интервалы (кванты) 2Vref/2N. Очевидно, что значения Vref и -Vref могут быть любыми, не обязательно отрицательными. Для удобства рассуждений будем полагать, что уровень “0” соответствует напряжению 0 В.

Простейший S-D-модулятор состоит из сумматора, интегратора, компаратора и одноразрядного цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Одноразрядный ЦАП фактически представляет собой коммутатор, который в зависимости от входного сигнала (1 или 0) выдает напряжение Vref или -Vref, соответственно.

Перед началом вычисления новой выборки напряжения на выходе интегратора (Vs) и на выходе ЦАП равны нулю. Сигнал с выхода сумматора Vs поступает на интегратор, где суммируется с предыдущим значением интегратора (т.е. для i-ой итерации Vs(i)=Vs(i-1)+Vs). В начальный момент входной сигнал V без изменений поступает на интегратор, поскольку на другом входе сумматора сигна равен 0 (Vs(0)=V).

Компаратор сравнивает выходное значение интегратора Vs с уровнем “0” и выдает 1, если Vs≥0, и 0 при Vs<0. Сигнал с компаратора поступает в выходной регистр, образуя последовательность одноразрядных цифровых отсчетов (выборка модулятора). Также этот сигнал попадает в ЦАП, который в зависимости от его уровня выдает Vref или -Vref. В сумматоре это значение вычитается из входного сигнала V и складывается с Vs в интеграторе. После чего процесс многократно повторяется.