Delta-Sigma A／D轉(zhuǎn)換器原理及其PSpice仿真

圖中，正弦波是輸入信號(hào)，方波是D觸發(fā)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(hào)和D觸發(fā)器輸出。

從圖10中可以清楚地看到輸入信號(hào)對(duì)輸出脈沖寬度和頻率的調(diào)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(duì)不同電壓幅度的輸入信號(hào)積分器參數(shù)的調(diào)整
對(duì)不同幅度的輸入信號(hào)，需要調(diào)制積分器的參數(shù)，以提高A／D轉(zhuǎn)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(shù)。

對(duì)應(yīng)本文的電路R1、R5和C1決定積分器的時(shí)間常數(shù)，R1C1是輸入信號(hào)的積分常數(shù)，R5C1是反饋信號(hào)的積分常數(shù)。改變電阻或電容值會(huì)改變轉(zhuǎn)換精度。改變C1會(huì)同時(shí)改變輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的時(shí)間常數(shù)，當(dāng)輸入信號(hào)的幅值范圍變化時(shí)通過改變R1來提高轉(zhuǎn)換精度要好一些。通過對(duì)R1的參數(shù)掃描可以看出積分器時(shí)間常數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換精度的影響。

通過參數(shù)掃描分析可知，電阻增加，減小了輸入信號(hào)的強(qiáng)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(zhuǎn)換精度降低。但是R1也不能太小，如果R1太小在對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)幅值較高處會(huì)丟失一些脈沖，也就是丟失了數(shù)據(jù)。時(shí)間常數(shù)的選取要根據(jù)實(shí)際需求中輸入信號(hào)波形的幅值范圍進(jìn)行反復(fù)仿真以獲取最佳參數(shù)，并用實(shí)際電路測(cè)試來確定。

4 小信號(hào)輸入的仿真例子
前面在說明∑-△轉(zhuǎn)換器原理時(shí)輸入信號(hào)電壓幅值為5 V，實(shí)際應(yīng)用中很多情況下輸入信號(hào)是毫伏量級(jí)的，下面對(duì)幅值為0．05 V(50 mV)的正弦信號(hào)進(jìn)行仿真。用參數(shù)仿真的方法確定R1=1．1kΩ。仿真結(jié)果如圖12所示。

5 結(jié)語
∑-△A／D轉(zhuǎn)換器具有非常高的分辨率，而且噪聲很低，因?yàn)樗捎昧诉^采樣的技術(shù)，因此對(duì)于前端的抗混疊濾波器的要求也大大降低，一般一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)高精度A／D轉(zhuǎn)換的主要方式，但是它付出的代價(jià)是采樣速率的降低。另外，由于內(nèi)部濾波器對(duì)于模擬信號(hào)的突變和通道的切換需要相對(duì)長(zhǎng)的建立時(shí)間，而且輸出的數(shù)據(jù)與模擬輸入之間有較長(zhǎng)的延時(shí)，所以這類A／D轉(zhuǎn)換器適用于那些模擬信號(hào)近似于直流或變化很慢的應(yīng)用，如溫度測(cè)量、壓力測(cè)量等，近年來在音頻領(lǐng)域也有應(yīng)用。