16、过采样Σ-Δ转换器：原理、结构与应用

过采样Σ-Δ转换器：原理、结构与应用

1. 引言

过采样Σ-Δ模数转换器（Over-sampling Sigma-Delta ADC）是一种广泛应用于高分辨率数据转换的器件。它通过将量化噪声转移到高频区域，并利用数字滤波器将其去除，从而实现高分辨率。本文将详细介绍过采样Σ-Δ转换器的工作原理、结构设计及其在实际应用中的优势和挑战。

2. 工作原理

过采样Σ-Δ模数转换器的核心思想是通过过采样和噪声整形来提高分辨率。具体来说，过采样是指以高于奈奎斯特频率的速率对信号进行采样，使得量化噪声被扩展到较宽的频带范围内。噪声整形则是指通过调制器将量化噪声转移到高频区域，从而在低频区域获得较高的信噪比。

2.1 过采样原理

过采样的基本原理可以用下图表示：

graph LR;
    A[输入信号] --> B{采样};
    B --> C[过采样];
    C --> D{量化};
    D --> E[量化噪声];
    E --> F{噪声整形};
    F --> G[数字滤波];
    G --> H[输出信号];

通过过采样，量化噪声被均匀分布在较宽的频带内，从而减少了低频区域的噪声密度。然后，通过数字滤波器去除高频噪声，最终得到高分辨率的输出信号。

2.2 噪声整形

噪声整形是过采样Σ-Δ转换器的关键技术之一。它通过调制器将量化噪声转移到高频区域，从而在低频区域获得较高的信噪比。噪声整形的效果可以通过以下公式表示