Delta-Sigma A／D转换器原理及其PSpice仿真 2011-11-21

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。

2．2 输入信号电压幅度为0 V的情况
从功能上说，△-∑A／D转换器的转换结果是一个由触发器输出的串行比特流。如果模拟输入是0 V，积分器将不会有趋向正或负的斜坡，积分器只响应反馈电压。在这种情况下，触发器输出将持续在“高”和“低”之间震荡输出，反馈系统前后搜索，试图维持积分器输出在0 V。图4是∑-△转换器以0 V模拟输入运行的示意图，图中方波是D触发器输出，三角波是积分器输出的。