0 引言

    Delta-Sigma A／D轉換器具有高分辨率、高集成度、成本低和使用方便的特點，近年來，因數字化產品對高分辨率A／D，D／A轉換器需求的激增而得到廣泛地應用。Delta-Sigma A／D轉換器的構想出現已有很多年了，早期因受集成電路制造技術的限制，未在產品中廣泛使用，隨著集成電路制造成本不斷降低，該技術的應用漸多，目前已成為高精度ADC的主流技術。隨著該技術的趨熱，有更多人想了解其工作原理，但目前國內的教材對其涉及還不多，期刊論文多側重數學演繹，文獻中未見有詳盡的仿真實例。

    除了制造專用ADC，該技術還易于用FPGA實現，邏輯電路可以完全集成在FPGA內部，只需要很少的外圍元件，就可以用FPGA直接進行混合信號處理。由于FPGA可擴展和可重配置的特性，特別適合產品研發和小規模生產的場合，另外用FPGA在單一芯片上實現多路Sigma-Delta A ／D轉換也很容易。

    Delta-Sigma有時稱其為Sigma-Delta，或∑-△。

1 Delta-Sigma A／D轉換器原理

    在△-∑A／D轉換器中，模擬輸入電壓信號被連接到一個積分器的輸入端。在輸出端對應輸入大小產生一個電壓變化率，或者斜坡。然后用比較器將該斜坡電壓與地電位(0V)進行比較。比較器的行為就像1位A／D轉換器，根據積分器的輸出是正或負產生1位的輸出(“高”或“低”)。比較器的輸出通過一個以很高頻率時鐘驅動的D觸發器被鎖存，并且反饋到積分器的另一個輸入通道，向0V方向趨勢驅動積分器。基本電路如圖1所示。


    在圖1中，最左邊的運放是積分器。積分器饋入的下一個運放是比較器，或1位A／D轉換器。接下來是D觸發器，在每個時鐘脈沖鎖存比較器的輸出，發送“高”或“低”信號到電路頂部的下一個比較器。最后這個比較器用于轉換信號極性，將觸發器的0 V／5 V邏輯電平輸出轉換到V+／V-電壓信號再反饋到積分器。

    如果積分器輸出是正，第一次比較器將輸出一個“高”信號給觸發器的D輸入。在下一個時鐘脈沖，“高”信號將從Q線輸出到最后一個比較器的放大器輸入。最上面的那個比較器將看見一個輸入電壓大于+1／2 V的閾值電壓，它向正方向飽和，發送一個滿V+信號到積分器的另一個輸入端。這個V+反饋信號向負方向驅動積分器輸出。如果輸出電壓一直為負，反饋環將發送一個矯正信號(V-)回到積分器的頂部輸入，向正方向驅動它。這就是△-∑行為的概念：第一個比較器感知在積分器輸出和0 V電壓之間的差(△)，積分器求模擬輸入信號與最上面比較器輸出的和(∑)。

2 PSpice仿真

    通過PSpice仿真模擬實驗，可以更容易和更清楚地理解△-∑A／D轉換器的工作原理。下面采用PSpiee仿真△-∑A／D轉換器。本文使用CaptLire CIS Lite Edition 9．2繪制電路圖，用PSpice Lite Version 9．2進行仿真。

2．1 繪制電路圖

    先用OrCAD Capture繪制△-∑A／D轉換器電路圖，如圖2所示。信號源采用FREQ=100 kHz的正弦信號。偏移VOFF=0，幅度先設置為0 V，AMPL=0。


    為方便起見圖中所有的運算放大器都使用uA741模型，因為這個模型很容易找到，實際項目中根據需要選用合適的運放。D觸發器使用74LS74。在CaptureCIS Lite Edition 9．2和PSpice Lite Version 9．2中沒有74LS系列的元件符號庫74ls．olb也沒有仿真庫74ls．lib，可以從下面的網站下載：

    http：／／power．teipat． gr／download／OrCAD／OrCAD％20Libraries／Library％20for％20Capture／PSPICE／

    74LS系列是低功耗肖特基型TTL器件，輸入高電平最小為2．0 V，輸入低電平最大為0．8 V；輸出高電平最小位2．7 V，輸出低電平最大為0．5 V。采用R3和R4分壓將U2的輸出電壓轉換為0～3．75 V電壓，以適應TTL輸入電平。74LS模型只接受正電壓作為電平信號，所以可以不理會比較器U2的負電壓輸出。R6和R7分壓15 V為2．5 V作為參考電壓，將74LS74的TTL輸出電平通過U3轉換為V+／V-的電壓信號。D觸發器的時鐘由DSTM1提供。從74LS74的產品手冊可知，當LCR和PRE端都為高電平時，在時鐘的上升沿，D觸發器將輸入端D的數據送到輸出端Q，并鎖存到下一個時鐘的上升沿。這個高電平由DSTM2提供。圖3是在Stimulus Editor中顯示的STM1和STM2的波形，雙擊波形可以對它進行編輯。




2．2 輸入信號電壓幅度為0 V的情況

    從功能上說，△-∑A／D轉換器的轉換結果是一個由觸發器輸出的串行比特流。如果模擬輸入是0 V，積分器將不會有趨向正或負的斜坡，積分器只響應反饋電壓。在這種情況下，觸發器輸出將持續在“高”和“低”之間震蕩輸出，反饋系統前后搜索，試圖維持積分器輸出在0 V。圖4是∑-△轉換器以0 V模擬輸入運行的示意圖，圖中方波是D觸發器輸出，三角波是積分器輸出的。


    圖5是∑-△轉換器以0 V模擬輸入運行的仿真圖。


    圖5中，方波是D觸發器輸出的串行比特流，幅度較大的三角波是積分器的輸出波形。仿真配置文件設置如圖6所示。

2．3 輸入信號電壓幅度不為0 V的情況

    如果施加一個小的負模擬輸入電壓，積分器將有一個向負方向傾斜它的輸出的趨勢。反饋只能以一個固定的電壓(電源電壓)在一定的時間內校正積分器的傾斜，這樣觸發器的比特流輸出將和前面不完全相同。圖7是∑-△轉換器以小負模擬輸入運行的示意圖。

    施加一個較大的負模擬輸入信號到積分器，它的輸出向正方向傾斜的更陡。這樣，反饋系統將輸出比以前更多的1，以帶領積分器輸出回到0 V。圖8為∑-△轉換器以較大負模擬輸入運行的示意圖。


    用平均串行比特流的方法可以從該電路獲得并行二進制數輸出。例如，用一個計數電路搜集在一個給定時鐘脈沖中觸發器輸出1的總數(正輸入電壓數輸出0的總數)，該計數器的值可以用來表示模擬輸入電壓。圖9是∑-△轉換器以5 V模擬輸入運行的仿真圖。


    圖中，正弦波是輸入信號，方波是D觸發器輸出的串行比特流，三角波是積分器的輸出波形。圖10只顯示輸入信號和D觸發器輸出。


    從圖10中可以清楚地看到輸入信號對輸出脈沖寬度和頻率的調制，輸出是占空比隨模擬輸入電壓大小變化的1，0位流。

3 PSpice仿真對不同電壓幅度的輸入信號積分器參數的調整

    對不同幅度的輸入信號，需要調制積分器的參數，以提高A／D轉換的精度。圖11是理想積分器及其輸入／輸出公式，其中RC是積分器的積分常數。

   

    對應本文的電路R1、R5和C1決定積分器的時間常數，R1C1是輸入信號的積分常數，R5C1是反饋信號的積分常數。改變電阻或電容值會改變轉換精度。改變C1會同時改變輸入信號和反饋信號的時間常數，當輸入信號的幅值范圍變化時通過改變R1來提高轉換精度要好一些。通過對R1的參數掃描可以看出積分器時間常數對轉換精度的影響。


    通過參數掃描分析可知，電阻增加，減小了輸入信號的強度，脈沖直接的間距減小，脈沖之中包含更少的“0”或“1”，說明轉換精度降低。但是R1也不能太小，如果R1太小在對應輸入信號幅值較高處會丟失一些脈沖，也就是丟失了數據。時間常數的選取要根據實際需求中輸入信號波形的幅值范圍進行反復仿真以獲取最佳參數，并用實際電路測試來確定。

4 小信號輸入的仿真例子

    前面在說明∑-△轉換器原理時輸入信號電壓幅值為5 V，實際應用中很多情況下輸入信號是毫伏量級的，下面對幅值為0．05 V(50 mV)的正弦信號進行仿真。用參數仿真的方法確定R1=1．1kΩ。仿真結果如圖12所示。


5 結語

    ∑-△A／D轉換器具有非常高的分辨率，而且噪聲很低，因為它采用了過采樣的技術，因此對于前端的抗混疊濾波器的要求也大大降低，一般一個簡單的RC低通濾波器就足夠了。這類ADC的線性度也非常好，目前已成為實現高精度A／D轉換的主要方式，但是它付出的代價是采樣速率的降低。另外，由于內部濾波器對于模擬信號的突變和通道的切換需要相對長的建立時間，而且輸出的數據與模擬輸入之間有較長的延時，所以這類A／D轉換器適用于那些模擬信號近似于直流或變化很慢的應用，如溫度測量、壓力測量等，近年來在音頻領域也有應用。