Delta-Sigma A／D转换器原理及其PSpice仿真

摘要：为了深入理解Delta-Sigma A／D转换器的工作原理，合理地使用这类A／D转换器产品，或者用FPGA实现自己的Delta-Sigma A／D转换器设计。采用PSpice仿真软件进行模拟仿真的方法，对不同幅度的输入信号进行了一阶Delta-Sigma A／D转换器仿真实验，获得了与理论相一致的结果。通过对元件的参数扫描仿真为实际电路设计中元件的选择提供了实验依据。仿真实验过程完整，易于重复，与纯数学推导相比，仿真具有直观的特点。
关键词：Delta-Sigma；A／D转换器；过采样；PSpice仿真

0 引言
Delta-Sigma A／D转换器具有高分辨率、高集成度、成本低和使用方便的特点，近年来，因数字化产品对高分辨率A／D，D／A转换器需求的激增而得到广泛地应用。Delta-Sigma A／D转换器的构想出现已有很多年了，早期因受集成电路制造技术的限制，未在产品中广泛使用，随着集成电路制造成本不断降低，该技术的应用渐多，目前已成为高精度ADC的主流技术。随着该技术的趋热，有更多人想了解其工作原理，但目前国内的教材对其涉及还不多，期刊论文多侧重数学演绎，文献中未见有详尽的仿真实例。
除了制造专用ADC，该技术还易于用FPGA实现，逻辑电路可以完全集成在FPGA内部，只需要很少的外围元件，就可以用FPGA直接进行混合信号处理。由于FPGA可扩展和可重配置的特性，特别适合产品研发和小规模生产的场合，另外用FPGA在单一芯片上实现多路Sigma-Delta A ／D转换也很容易。
Delta-Sigma有时称其为Sigma-Delta，或∑-△。

1 Delta-Sigma A／D转换器原理
在△-∑A／D转换器中，模拟输入电压信号被连接到一个积分器的输入端。在输出端对应输入大小产生一个电压变化率，或者斜坡。然后用比较器将该斜坡电压与地电位(0V)进行比较。比较器的行为就像1位A／D转换器，根据积分器的输出是正或负产生1位的输出(“高”或“低”)。比较器的输出通过一个以很高频率时钟驱动的D触发器被锁存，并且反馈到积分器的另一个输入通道，向0V方向趋势驱动积分器。基本电路如图1所示。

在图1中，最左边的运放是积分器。积分器馈入的下一个运放是比较器，或1位A／D转换器。接下来是D触发器，在每个时钟脉冲锁存比较器的输出，发送“高”或“低”信号到电路顶部的下一个比较器。最后这个比较器用于转换信号极性，将触发器的0 V／5 V逻辑电平输出转换到V+／V-电压信号再反馈到积分器。
如果积分器输出是正，第一次比较器将输出一个“高”信号给触发器的D输入。在下一个时钟脉冲，“高”信号将从Q线输出到最后一个比较器的放大器输入。最上面的那个比较器将看见一个输入电压大于+1／2 V的阈值电压，它向正方向饱和，发送一个满V+信号到积分器的另一个输入端。这个V+反馈信号向负方向驱动积分器输出。如果输出电压一直为负，反馈环将发送一个矫正信号(V-)回到积分器的顶部输入，向正方向驱动它。这就是△-∑行为的概念：第一个比较器感知在积分器输出和0 V电压之间的差(△)，积分器求模拟输入信号与最上面比较器输出的和(∑)。

2 PSpice仿真
通过PSpice仿真模拟实验，可以更容易和更清楚地理解△-∑A／D转换器的工作原理。下面采用PSpiee仿真△-∑A／D转换器。本文使用CaptLire CIS Lite Edition 9．2绘制电路图，用PSpice Lite Version 9．2进行仿真。
2．1 绘制电路图
先用OrCAD Capture绘制△-∑A／D转换器电路图，如图2所示。信号源采用FREQ=100 kHz的正弦信号。偏移VOFF=0，幅度先设置为0 V，AMPL=0。

为方便起见图中所有的运算放大器都使用uA741模型，因为这个模型很容易找到，实际项目中根据需要选用合适的运放。D触发器使用74LS74。在CaptureCIS Lite Edition 9．2和PSpice Lite Version 9．2中没有74LS系列的元件符号库74ls．olb也没有仿真库74ls．lib，可以从下面的网站下载：
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，输入高电平最小为2．0 V，输入低电平最大为0．8 V；输出高电平最小位2．7 V，输出低电平最大为0．5 V。采用R3和R4分压将U2的输出电压转换为0～3．75 V电压，以适应TTL输入电平。74LS模型只接受正电压作为电平信号，所以可以不理会比较器U2的负电压输出。R6和R7分压15 V为2．5 V作为参考电压，将74LS74的TTL输出电平通过U3转换为V+／V-的电压信号。D触发器的时钟由DSTM1提供。从74LS74的产品手册可知，当LCR和PRE端都为高电平时，在时钟的上升沿，D触发器将输入端D的数据送到输出端Q，并锁存到下一个时钟的上升沿。这个高电平由DSTM2提供。图3是在Stimulus Editor中显示的STM1和STM2的波形，双击波形可以对它进行编辑。