Δ-Σ ADC选型时噪声性能实例详解

1 系统规格

      假设一个灵敏度为2mV/V、激励电压为2.5V的电桥，数据采样率为5 SPS。1kg最大施加重量时，最大输出电压为5mV，系统希望能够检测最小应用重量为50mg（电压信号为50/1000 000 * 5mV = 250nV）。

2 无噪声分辨率计算

        根据系统需求，可先计算出无噪声计数和无噪声分辨率：

        所需的无噪声分辨率为14.3bit，大家可能会很快得出结论，系统只需16位的ADC。然而，由Δ-Σ ADC噪声测量及噪声规格详解可知，高分辨率Δ-Σ ADC实际上可提供的无噪声分辨率取决于ADC满量程利用率的百分比。在本例子中，系统使用2.5V参考电压，ADC最大输入信号是激励电压2.5V 和电桥灵敏度2mV/V的乘积，此时ADC的有效分辨率损失计算如下：

        ADC的有效分辨率损失了9.96位，原因是因为5mV输入信号只使用了满量程的0.1%范围。在这种情况下，即使选用24位ADC也不足以满足系统要求。可通过放大输入信号来提高ADC满量程利用率百分比解决该问题，比如使用带有PGA的ADC。

        例如，如下图所示24位的有效和无噪声分辨率表ADS124S08最多50SPS，目标数据速率突出显示。请注意，ADS124S08包括从1V/V到128V/V的增益。

         要确定此ADC是否满足您的要求，需要分别重新计算每个增益设置的预期分辨率损失，因为每种设置都会产生不同的利用率百分比。然后，需要将其添加到上图中报告的每个对应的无噪声分辨率值中，以查看它是否符合系统规范。上图中红色框内列出了以5SPS数据速率使用ADS124S08计算的系统无噪声分辨率。

        使用5SPS的32、64或128V/V的增益，您只能达到所需的14.3位系统无噪声分辨率。

        如果传感器输入信号发生变化或采样频率发生变化，是会影响到ADC噪声分析的。此时必须重新计算新的数据采集速率下每个增益新的分辨率损失，这个工作量是比较大的，因为无噪声分辨率是一个相对参数，与输入信号、ADC满量程变化都有关系。

3 输入参考噪声

        由系统规格可计算出传感器输出最小信号的峰峰值。

        使用输入参考噪声的好处之一是不比担心分辨率损失问题。相反，系统可以直接将上述计算的最小信号峰峰值与ADC的输入参考噪声进行比较，以确定哪种设置组合提供的噪声性能合适。

        下图是ADS124S08输入参考噪声表的节略版本。增益和数据速率设置的任何组合输入参考噪声 ≤ 输入参考噪声为250nVP_P。

        对比使用有效分辨率和使用输入参考噪声选出来的结果可知，使用输入参考噪声方法选出的ADC所有满足系统要求的所有组合，而有效分辨率只选出了固定数据率下的组合，对于不同数据采集率需要执行新的计算。

3 系统变更影响 

        现在假设系统已将最大施加重量增加至5kg，最小施加重量增加至500mg，并将电桥的最大输出信号保持在5mV。传感器输出最小信号的峰峰值如下：

        通过快速计算，可以确定您的系统噪声要求已放宽到500nVPP，这使系统可以使用更多的数据速率和增益组合。下图演示了这些宽松的系统规范允许您更快地采样（最高20SPS）或降低增益（降低到4V/V），同时仍然达到必要的噪声性能。 

        如果体重秤需要更高的分辨率呢？例如，保留了5kg的最大应用重量要求，但从第一个示例返回到50mg最小重量。保持最大电桥输出相同（5mV），现在需要50nVPP的输入参考噪声，这是极低的。很明显ADS124S08数据速率和增益设置的组合都不能提供这样的性能水平。但是，由于可以轻松地对任何ADC执行相同的分析，所以只需选择一个噪声性能更好的ADC。

        下图显示了ADS1262，一个32位ADC，其功能类似于ADS124S08，但提供了更好的噪声性能。绿色阴影表示提供的数据速率和噪波组合≤50nVPP输入参考噪声，并确认ADS1262可以满足系统新的分辨率要求。

        为了便于讨论，这里将输入参考噪声结果与相对参数进行比较。下图突出显示了ADS1262在相同的数据速率和增益配置下的无噪声分辨率性能。 

        在上图中，计算使用的是5V参考电压，而不是系统指定的2.5V参考电压。为了补偿这种差异，图中给出的每个分辨率值必须减少一位。这意味着，在给定的条件下，最多只能期望22.5位的无噪声分辨率。现在，可以在这些设置下计算ADS1262的预期分辨率损失。

        使用32位ADC时，系统无噪声分辨率仅为16.5位。对许多人来说，这是一个令人沮丧的结果，似乎证实了是在为ADC实际上无法提供的性能付费。但是，如果查看使用输入参考噪声计算出来的相同设置，将看到在给定条件下利用了48nVPP噪声。这是一个难以置信的小值，没有16位ADC和极少数24位ADC可以提供。

        归根结底，一个高分辨率的ADC来实现16.5位的无噪声分辨率（动态范围），因为系统要求极低的噪声性能。这就是为什么定义系统性能和使用输入参考噪声选择adc是有意义的。