Σ-ΔA/D技术具有高分辨率、高线性度和低成本的特点。本文基于TI公司的MSP430F1121
单片机，介绍了采用内置比较器和外围电路构成类似于∑-△的高精度A/D实现方案，适合用于对温度、压力和电压等缓慢变化信号的采集应用。
在各种A/D转换器中，常用是逐次逼近法(SAR)A/D，该类器件具有转换时间固定且快速的特点，但难以显著提高分辨率；积分型A/D 有较强的抗干扰能力，但转换时间较长；过采样Σ-ΔA/D由于其高分辨率，高线性度及低成本的特点，正得到越来越多的应用。根据这些特点，本文以TI公司的MSP430F1121单片机实现了一种类似于Σ-ΔA/D技术的高精度转换器方案。
MSP430F1121是16位RISC结构的FLASH型单片机，该芯片有14个双向I/O口并兼有中断功能，一个16位定时器兼有计数和定时功能。I/O口输出高电平时电压接近VCC，低电平时接近Vss，因此，一个I/O口可以看作一位DAC，具有PWM功能。
该芯片具有一个内置模拟电压比较器，只须外接一只电阻和电容即可构成一个类似于Σ-Δ技术的高精度单斜率A/D。一般而言，比较器在使用过程中会受到两种因素的影响，一种是比较器输入端的偏置电压的积累；另一种是两个输入端电压接近到一程度时，输出端会产生振荡。
MSP430F1121单片机在比较器两输入端对应的单片机端口与片外输入信号的
连接线路保持不变的情况下，可通过软件将比较器两输入端与对应的单片机端口的连接线路交换，并同时将比较器的输出极性变换，这样抵消了比较器的输入端累积的偏置电压。通过在内部将输出连接到低通
滤波器后，即使在比较器输入端两比较电压非常接近，经过滤波后也不会出现输出端的振荡现象，从而消除了输出端震荡的问题。
利用内置比较器实现高精度A/D
图1是一个可直接使用的A/D转换方案，该方案是一个高精度的积分型A/D转换器。其基本原理是用单一的I/O端口，执行1位的数模转换，以比较器的输出作反馈，来维持Vout与Vin相等。
用MSP430F1121内置比较器设计高精度A/D变换器
图1 利用MSP430F1121实现的实用A/D转换器电路
如图1所示，产生1位DAC的电路为一路通用I/O口、一个串联的电阻和电容。在电容上产生Vout，要维持Vout=Vin，必须通过 I/O口对电容进行充放电，而由比较器的输出来决定是进行充电还是放电(即I/O口输出高低电平)，这样A/D形成了一个类似于带负反馈的闭环系统。以图 1的电路为例，当比较器输出为高电平时，说明Vout＞Vin，此时应对电容放电，则I/O口输出低电平；当比较器输出为低电平时，说明Vout ＜Vin，应对电容充电，则I/O口输出高电平。
充、放电维持的时间确定的方法是每隔一个极短且固定的时间t后，查询比较器的输出状态，如果比较器的输出状态没变，则维持I/O口的输出；当比较器的输出状态发生改变，则I/O口的输出状态也应改变。因此，I/O的某一状态(高/低电平)维持的时间可能是Xt(X为整数)，从而在整个A/D转换过程中，形成了一系列的X1、X2、…、Xi、…、 Xn。Xn为一随机数，其值由比较器的输出状态而定。在每个单位时间t后，如果I/O口的输出为高电平，则事先设定的计数加1，当A/D转换完成后，记录下I/O口输出高电平的次数为m。
而A/D转换完成的时间主要取决于对A/D转换的精度要求。当要求一个12位的A/D，则其时间为4096t，即对比较器输出作 4096次查询，每次查询间隔时间为t(参考后面的程序及说明)。同样16位的A/D的时间为65535t。在此，将对应转换精度要求的4096或 65535设为N，并结合上文所述，N=X1 X2 ……Xn。
那么结合电容的充放电公式：
V(t)=V(1-exp(-t/RC))
可对积分型A/D作以下数学上的推断，从而求出Vin。
N=X1 X2 ……Xn
高电平的次数为m
假设：Vin(t)=Vin
根据Vout=Vin和电容的充放电的公式可得：
Vout(t)=Vin m(Vcc-Vin)(1-exp(-t/RC))-(N-m)Vin(1-exp(-t/RC)
m(Vcc-Vin)(1-exp(-t/RC))为充电过程
(N-m)Vin(1-exp(-t/RC)为放电过程
因此：Vin=Vcc×m/N (1)
上式成立的前提条件是Vin 在短时间内不变，且对确定Vout的电容要预充电，在开始进行A/D转换前使Vout=Vin，即通过I/O口对电容预充电使比较器在发生次翻转后，开始进行积分A/D转换。
如果对(1)式作一些处理，可使得A/D转换的处理更加方便：如果电源电压Vcc为3.0V，取N=3000，则分辨率为1mV，当m= 1245时， Vin=1.245V；如果N=30000，则分辨率为0.1mV，在m=12456时，则Vin=1.2456V。这样，只要通过对m的确定就可以得到 Vin的值，避免了直接用公式(1)带来的计算上的麻烦。
用MSP430F1121内置比较器设计高精度A/D变换器
图2 用比较器做A/D转换的子程序代码
应用实例
上面介绍的低成本A/D转换器方案适用于缓慢变化电信号的采集，如温度、压力、光和电压等。结合芯片的低功耗特点，该方案适合于
电池供电的便携式仪器。
用图1所示电路可以构成一个简单的信号测量系统，用HT1621作为液晶显示驱动器，P1.0~P1.3四个I/O口控制HT1621。测量结果直接可以看到，利用该电路可以构成一个具有12位以上分辨率的毫伏表。
MSP430F1121内部有4K FLASH
存储器，没有被程序占用部分可以作为数据存储器用，因此，可以将测量结果放入FLASH存储器中，具有记忆和回放功能。MSP430F1121 还有一个16位定时器，可以与一个I/O端口构成一个UART，用于发送测量结果，上传给PC机，可以构成一个低采样率的简易存储示波器。
