Перейти к содержанию

Сигма-дельта АЦП

ADS1115 даёт 16 бит, HX711 — 24 бита, но оба выдают не больше 860 и 80 отсчётов в секунду. Это сигма-дельта АЦП: внутри работает простой быстрый модулятор, а точность достигается усреднением в цифровом фильтре. Отсюда и их сильные стороны, и задержка, о которой забывают.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Сигма-дельта АЦП (ΔΣ, delta-sigma ADC) — аналого-цифровой преобразователь, который выбирает входной сигнал модулятором намного чаще, чем выдаёт результаты, а затем цифровым фильтром усредняет и прореживает поток в отсчёты высокой разрядности (TI SBAS444E, разд. 6.1 и 7.1). Отношение частоты модулятора к частоте выходных данных называют коэффициентом передискретизации (OSR) — это та же идея, что и передискретизация в программе, только в железе.

Как это выглядит в цифрах

ПараметрADS1115HX711
Разрядность16 бит24 бита
Частота модулятора250 кГц (1 МГц / 4)в даташите не указана
Частота данных8…860 выборок/с10 или 80 выборок/с
Установлениеза один цикл, 1/DR400 мс при 10 выборках/с, 50 мс при 80

Данные — TI SBAS444E и даташит HX711 V2.0. Коэффициент передискретизации ADS1115 по нашему расчёту — от 250 000 / 860 ≈ 290 до 250 000 / 8 ≈ 31 000.

Свойства

  • Шум падает с частотой данных. Чем больше выборок модулятора усредняется в одном отсчёте, тем меньше шум; поэтому самая точная работа — на самой низкой частоте (SBAS444E, разд. 6.1). У HX711 при усилении 128 шум 50 нВ при 10 выборках/с и 90 нВ при 80.
  • Подавление сети. HX711 заявляет одновременное подавление помех 50 и 60 Гц (даташит, с. 1).
  • Задержка. После смены канала или усиления фильтр заполняется заново — у HX711 это 400 мс, то есть четыре периода данных (наш расчёт). Поэтому быстро переключать каналы мультиплексором у сигма-дельта АЦП невыгодно (наш вывод).
  • Входной фильтр. Цифровой фильтр не подавляет помехи около кратных частоты модулятора, поэтому TI ставит перед ADS1115 простой RC-фильтр первого порядка (SBAS444E, разд. 9.1.5 и 9.2.2.6).

Сравнение с последовательным приближением — в термине SAR АЦП, общая теория — в статье «АЦП». Типичная задача для сигма-дельта — тензодатчик с HX711.

Не путать

С программной передискретизацией обычного АЦП: идея усреднения та же, но в сигма-дельта модулятор и фильтр встроены, а коэффициент передискретизации — сотни и тысячи.

Частые вопросы

Чем сигма-дельта АЦП отличается от SAR?

SAR за одно преобразование подбирает код последовательным сравнением входа с опорным, бит за битом. Сигма-дельта выбирает сигнал намного быстрее, чем выдаёт результат, и получает точность усреднением в цифровом фильтре: у ADS1115 модулятор работает на 250 кГц, а данные выходят с частотой 8–860 выборок/с (TI SBAS444E). Поэтому сигма-дельта точнее и меньше шумит, но медленнее и с задержкой.

Почему HX711 после переключения канала выдаёт неправильные данные?

Цифровому фильтру нужно время, чтобы заполниться новыми выборками. По даташиту HX711 время установления после смены канала, усиления, сброса или включения — 400 мс при 10 выборках/с и 50 мс при 80. Это четыре периода данных в обоих режимах (наш расчёт), поэтому первые отсчёты после переключения отбрасывают.

Нужен ли сигма-дельта АЦП входной фильтр?

Да, простой: цифровой фильтр подавляет шум, но его характеристика повторяется на кратных частоты модулятора, и помехи около них не ослабляются, а накладываются на сигнал. TI для ADS1115 советует RC-фильтр первого порядка на входе (SBAS444E).

Источники

  1. Texas Instruments. ADS111x Ultra-Small, Low-Power, I2C-Compatible, 860SPS, 16-Bit ADCs (SBAS444E, revised December 2024) — разд. 6.1: ΔΣ-АЦП основан на передискретизации — вход выбирается с высокой частотой модулятора, затем фильтруется и прореживается цифровым фильтром; отношение частоты модулятора к частоте данных — OSR; чем ниже частота данных, тем ниже шум; разд. 7.1: дифференциальный модулятор на переключаемых конденсаторах и цифровой фильтр, сильное подавление синфазного сигнала; разд. 7.3.2: внутренний генератор 1 МГц / 4 → fMOD = 250 кГц; разд. 7.3.6: частоты данных 8…860 выборок/с, установление за один цикл, время преобразования 1/DR; разд. 9.1.5: характеристика фильтра повторяется на кратных fMOD, помехи около них не ослабляются и накладываются; разд. 9.2.2.6: RC-фильтр первого порядка на входе
  2. Avia Semiconductor. HX711 24-Bit Analog-to-Digital Converter (ADC) for Weigh Scales, V2.0 — 24 бита, 10 или 80 выборок/с; время установления после включения, сброса, смены канала или усиления — 400 мс при RATE = 0 и 50 мс при RATE = 1; шум 50 и 90 нВ (с. к. з.) при усилении 128; одновременное подавление 50 и 60 Гц по питанию (с. 1)

Нашли ошибку?

Смотрите также