模数转换器经历了积分型、VFD、逐次比较、并行比较等发展阶段，它们各有长处，但速度和精度难以同时达到较高要求。随着近年来的电子技术发展，出现了一种较好解决精度、速度、高性能指标的模数转换技术：∑-∆A/D转换技术。
采用∑-∆A/D转换特制成AD芯片，具较高集成度，它通常集放大器、模拟开关、AD转换器、比较器、数字滤波器、输出接口集于一体，大大减少了印刷线路板布线，仅需几个外围器件便构成一个完整A/D转换系统。由于其集成度高，所以故障概率较采用分立元件AD转换器明显降低，进而提高系统可靠性。此外，其内置高性能仪表放大器，大大降底对信号源的要求。
∑-∆(SIGMA-DELTA)调制本质上是采用负反馈方式逐步减小模拟信号与DAC反馈输出的差值，但它们的差值不是直接加到比较器，而是通过一个积分器再加到比较器，与积分器输出比较的基准信号是地电平，因而它比常规的逐次逼近方式更好。目前市场上供应的∑-∆芯片大都釆用了增益可编程放大器、可编程数字滤波、多种自校准技术等多项先进技术，并多数釆用微处理器来管理与控制转换程序，由于釆用了多种综合技术措施，∑-∆模数转换可以达到24位精度的高速转换。放大器的增益调整、数字滤波和误差校正都集中在同一片芯片中，外围器件少，使用方便可靠。
交直流两用的称重仪表广泛使用的双积分型A/D转换其主要缺点是积分器、比较器的漂移(温度漂移)将最终转换为数字误差，为解决这一缺点，不得不使用价格高昂的运算放大器、精密电阻和高性能电容器，外围电路复杂，故障率高。同时双积分型的A/D转换的另一个缺点是为了防止电网于扰，釆样时间须为电网1/f的整倍数。为了消除调零电容的电荷积聚，每次转换又必须增加至少20ms的调零时间，转换速度一般5〜10次/秒，限制了使用范围。
∑-∆A/D转换从根本上克服了上述缺陷，不需要低漂移的运放、低损耗的电容，转换速度可达到50次/秒以上，扩展了使用范围。此外∑-∆芯片可用软件设置放大倍数，传感器灵敏度的影响将大幅度下降。∑-∆A/D转换器是釆用总和增量调制原理，根据前后样值之差进行量化编码.它由两部分组成：一部分为模拟调制器，另一部分为数字滤波器。∑-∆调制器以极高釆样频率对模拟信号进行釆样，并对两个采样值进行低位量化，然后将这种∑-∆码送数字滤波器进行取样滤波，从而得到高分辨率LPCM信号。并且内置放大器的一致性好，若使用恰当，可提高仪表的互换性。
∑-∆模数转换技术的一个主要特点是过釆样。一个理想的N位ADC的采用量化噪声功率为q/12,均匀分布在直流至0的频带内，且fb=l/2f„(f.为信号最高频率，fb为釆用频率)如图］(a)所示.如果用Kf,的釆样速率对输入信号进行釆样(K为过采样倍数)，则整个量化噪音位于直流与kf,/2之间，量化噪声功率降为原来的1/K,如图1(b)所示若在ADC后加一个数字滤波器，滤除f,/2至Kf,/2之间的无用信号而又不影响有用信号，从而提高信噪比，实现了用低分辨率ADC达到高分辨率的效果.如图1（C）所示

为了消除50Hz/60Hz交流电源对高精度A/D转换的影响，∑-∆转换芯片一般都釆用了强有力的措施。芯片大都有多阶数字滤波器，并建议将滤波器的凹口对准50Hz/60Hz,以抑制50Hz/60Hz电源的干扰.通过设置使积分次数为电源周波的整倍数，完整的积分周期可使干扰的正、负半周相互抵消，进一步抑制交流干扰。当然也可以釆用其他方法来抑制交流噪声千扰，例如AD7723,它的采样率很高，使得量化噪声在0〜f/2之间均匀分布，可釆用高阶调制改变噪声分布，使得大部分量化噪声移出敏感频带。数字滤波器由4〜5个有限脉冲响应（FIR）滤波器串联组成，每个滤波器的输出数据速率是它输入端的1/2,这样通过滤波器后，数据速率减少到原来的1/16〜1/32,消除了大部分频带内的量化噪声，由于转换器的釆样特征，通带响应在釆样频率坛和它的整倍数处重复出现，通带噪声的输出与滤波器镜像重叠的信号都与通带混淆，由于采样率高，这些通带只占频谱的小部份，大部分宽带噪声都衰减了90dB,有效抑制了电源噪声。
E—A模数转换内部釆用多种自校正技术，进一步减小了转换误差和非线性。在市场上见到的芯片中，绝大多数都有自校正，系统失调校正、系统满量程校正、虚系统校正、背景校正模式，即可单独使用，也可组合使用，以确保系统的准确性、实用性、可靠性。
∑-∆模数转换的另一个技术要点是量化噪声整形。如果简单地使用过釆样的办法提高分辨率N,则必须进行K=22N倍过釆样，这是不现实的，为了使采样速度合理，必须对量化噪声的频谱进行整形，使大部分噪声位于fs/2到Kfs/2之间，而仅有很少一部份留在直流至fs/2内。完成这一功能的是E-A调制器，£是求和，A是表示增量，噪声频被调制整形后，数字滤波器可以除去大部分量化噪声能量，使总的信噪比增强。（图2所示）

∑-∆模数转换的再一个技术要点是数字滤波和采样抽取。
数字滤波器将决定：信号的宽度、通带的平坦度、通带的相位响应、组合的延时、过渡带的特性、带外的衰减等等.在模拟信号上加数字滤波器的优点有：相对高复杂性而言具有低成本、线性相位/常数组延时、完全可复制性、随时间和温度的变化保持稳定、跟踪釆样速率的变化。常见的有(Six/x)3或Sine，滤波器，它的波响应见下图3

数字滤波的方式有许多种类，若采用快速傅立叶变换(FFT)可以进行釆样数据开窗口(俗称窗函数)，通过窗函数功能可将非周期性数据集转换成周期性数据集，经过可窗口的数据集可以结合而不会有任何不连续性。见图4

∑-∆调制器对量化噪声整形之后，将量化噪声移到fs/2之外，然后对整形后的噪声进行数字滤波，数字滤波的作用有2个，一是相对于最终频率fs，它必须起到滤波器的作用，二是必须滤除£一A调制器在噪声整形过程中产生的高频噪声。
若要恢复原始信号并保持不失真，数字滤波器降低带宽后必须满足采样定理，由于采用了过釆样，附带产生了多余信号，数字滤波器通过输出M个数据，抽取一个数据的重釆样方法，实现了使输出数据低于原来的过釆样速度，直到使关心的频带满足釆样定理。

传统的A/D转换釆用过采样实现高辨有很大的困难，要获得频率响应特性，陡峭和非线性失真很小的模拟滤波器比较因难，模拟电路固有的噪声容限小的缺点，难以获得价格低廉、性能高的A/D转换器，采用∑-∆转换技术，数字电路占了很大比重，使制作高精度、低成本的转换成为现实，特别具有是高阶E-A调制器的芯片，在实际应用中受到欢迎。目前市场己有5阶调制器的∑-∆芯片供应。它内部的原理见图6。

自90年代以来，∑-∆型A/D转换器获得了很大发展，在衡器行业应用不断加大，为研制高性能、高可靠性高速度称重仪表提供良好物质基础，对称重仪表的发展起到重要作用。
目前市场岀现了使用X-A转换的产品，大多是高档仪表，主要用于高速定量包装控制、动态称重等行业，价格高，使用范围受到限制.耀华公司推出的A8仪表使用∑-技术，运用在电子台秤、机电结合改制场合。由于较合理地运用∑-∆技术，仪表的一致性很好，仪表内部元件少，故障率低，维修方便，抗干扰性能好，交直流两用，并且为扩展功能保留了适量的I/O口。以∑-∆技术生产的经济型称重仪表为加速发展电子衡器创造了更好的条件。

作者：谭对

深圳市卓禾仪器有限公司是一家专门从事称重仪表和全自动包装码垛生产线的研发及生产的高新技术企业，所生产的JY500系列称重显示控制器（包括配料秤仪表、皮带秤仪表、包装秤仪表、重量变送器等）高速高精度，使用寿命长。卓禾仪器有十数年的现场校验经验，在业内有良好的口碑，且有专门的售后工程师帮忙解决产品使用过程中遇到的技术问题，客户可以放心省心顺心的使用我司的产品。如果对我司的产品感兴趣，欢迎咨询。