用于矿井温度传感器中 sigma-deltaADC的研究

中国科技论文在线 用于矿井温度传感器中sigma-deltaADC的

设计

陆倩，任子晖5 （中国矿业大学信电学院，江苏 徐州 221008）

摘要：本文在达到矿井测量温度范围为0-100 ，测量精度达到±1 ,并具有通讯传输功能的前提下，总体设计了一款用于矿井下温度传感器中的四阶一位sigma-delta ADC，采用2－2级联的结构。该调制器采用前馈通道抑制积分器的输出摆幅、降低谐波失真、提高动态范围。为了降低运算放大器的1/f噪声,积分器中引入相关双采样电路。在比较器设计中采用结构简单且高速度的动态比较器。

关键词：温度传感器；sigma-delta ADC；相关双采样；动态比较器

中图分类号：TN45

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Design of sigma-delta ADC for mine temperature sensors 15 LU Qian, REN Zihui

(School of Information and Electrical Engineering.CUMT, JiangSu XuZhou 221008)

Abstract: In this paper,the mine measuring temperature range to 0-100 , measurement accuracy reached ±1 , and has communication transfer function, overall design under the premise of a paragraph of the temperature sensor for mine fourth-order sigma-delta ADC, use 2-2 cascade structure. The modulator adopts feedforward channel inhibition integrator output swing picture, lower harmonic distortion, improve dynamic range. In order to reduce the operational amplifier noise, 1/f introduction of related double integrator sampling circuit. In the comparator design the dynamic comparator with simple structure and high speed.

Keywords: Temperature sensors; sigma-delta ADC; Correlated double sampling; Dynamic comparator

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0 引言

现代煤炭生产离不开现代化的监测监控系统，监测监控系统是矿井下安全生产的重要保证，而温度的高低是矿井下是否发生爆炸的重要标志之一。因此，在煤矿井下监测监控系统30 中增设温度传感器十分必要。目前普遍的测温方法是通过模拟温度传感器采集实时监测井下

各工作面及巷道等温度信号，转换成电信号后放大，经A/D转换成数字信号后送至微处理器处理。

现在矿建常用的传感器有很多如：铂电阻，热电偶，数字式传感器等等。而目前为止数字传感器应用的比较广泛。集成传感器具有功耗低、可靠性高、抗干扰能力强、外围电路简35 单等优点，已成为目前传感器研究的热点和发展的主要方向。

现代VLSI技术的快速发展，使集成电路的速度不断提高，信号处理的采样频率也得到很大的提高，这样就引入了过采样技术[1]。近几年来在低成本、高线性度、高分辨率、低功耗、低电压的信号处理场，sigma-delta ADC得到了广泛的研究使用。本文讨论的问题即是用于矿井温度传感器中sigma-delta ADC的设计。

作者简介：陆倩，（1988-），女，硕士研究生，电路与系统

通信联系人：任子晖，（1962-），男，电子科学与技术学科教授，中国致公党党员，博士，博士生导师，电子信息学系主任，电子科学与技术专业建设负责人，江苏省电机工程学会理论电工专业委员会副主任委员，江苏省电子学会理事。 研究方向为机电设备的状态监测和故障诊断、煤矿电网谐波等. E-mail: 499481503@

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40 1 SIGMA-DELTA ADC的发展现状及原理

1.1 模数转换器的国内外发展现状

近些年随着半导体工艺技术，尤其是深亚微米CMOS技术的成熟，ADC的性能有了大幅度的提高，同时价格却成万倍的下降。不同的结构侧重于不同的应用，有的侧重于高速度，有的侧重于高精度，还有的侧重于低功耗。其中比较有代表性的有闪烁型、两步型、逐次逼45 近型、积分型、流水线型和并行型。国内的ADC研究起步较晚，跟国际上差距较大。能够

自主设计高性能的ADC的机构还不多，绝大多数科研院所和企业还处在模仿国外成熟产品的阶段。所以对于ADC的研究十分迫切[2]。

ADC的种类非常多，可以从多个角度进行分类。按转换器结构和工作原理分类，可分为逐次逼近型、并行比较型、串行转换型、分级型、积分型、压频转换和时间交错型等[3]。50 按转换信号的关系分类，分直接转换型和间接转换型；按转换速率分类，可把转换时间在毫

秒量级的成为低速，转换时间在微毫秒量级的成为中速，转换时间在纳秒量级的成为高速；按转换器的分辨率分类，习惯把6～8位成为低分辨率，12~16位成为中分辨率；16位以上称为高分辨率；按采样频率分类，分为那奎斯特率（nyquist-rate）ADC和过采样ADC。

1.2 Sigma-Delta ADC概述

55 模数转换器主要有前置滤波器、采样电路、量化器和数字编码电路等四个部分组成，其

中Sigma-Delta调制器为模拟电路部分，抽取滤波器为数字电路部分。抗混叠滤波器的作用与Nyquist-rate ADC中的类似，用来滤除信号频带以外的频率分量，以避免产生混叠。滤波后的输入信号经过过采样和噪声。

Sigma-DeltaADC由两部分组成，第一部分为模拟调制器，第二部分为数字抽取滤波器。60 Sigma-Delta调制器以极高的采样频率对输入模拟信号进行采样，并对两个采样之间的差值

进行低位量化，从而得到用低位数码表示的数字信号或∑ Δ码，然后将这种∑ Δ码送给第二部分的数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的数字信号。由于调制器具有极高的采样频率，通常要比奈奎斯特采样频率高许多倍，因此转换器又被称为过采样ADC。Sigma-Delta ADC利用过采样技术、噪声整形和数字滤波技术增加有效分辨率，其实质是以65 高速、率换取高分辨率，从而减小了实现高精度ADC的复杂性。由于其实现简单.且与数字

电路兼容性好，故广泛应用于数模混合电路中。

2 低阶与高阶∑ ΔADC的介绍

2.1 一阶及二阶∑ ΔADC

过采样一阶调制器是指前馈通路上只有一个积分器，如图所示，调制器前馈通路上包括70 一个积分器和一个简化的量化器。通过积分器不断的对输入信号与量化输出信号取差值，使

得量化器的输出平均值始终跟随输入信号的平均值[4]。当积分器的输出为正数时，就会在输入信号上加一个负参考电平，使得输入信号减小，积分器的输出向负方向移动，反之同理，当积分器输出为负数时，输入信号被加上一个正参考电平．使得输入信号增加，积分器的输出向正方向移动。

中国

科技论文在线 75 图1 一阶Sigma-Delta调制器级积分框图

Fig.1 Sigma first-order integral level - Delta modulator diagram

对于一阶调制器来说．直流信号通过调制器后会得到一串周期变化的0，1码流，这种80 周期性变化称为模式噪声，如果它的频率高于输入信号的频带，通过后续的滤波器可以有效

的将其虑除，如果它的频率在输入信号的频带内，则很难将模式噪声虑除。而且这种模式噪声的频率是完全不可预测的。解决的方法通常有两种，一种是将输入信号白噪化，另一种及使用高阶调制器。

过采样二阶sigma-Delta调制器由于阶数增加,其噪声整形的效果是相同采样频率的条件85 下，要比一阶调制器好，是在一阶调制器的基础上在前馈通路上增加上一个积分器得到的，

其输出基带内信噪比较大。

90 Fig.2 Second-order Sigma-Delta modulator

2.2 高阶∑ ΔADC

实现过采样高阶调制器可以采用单环结构（Single Loop），也可以采用级 …… 此处隐藏：3477字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……