一款理想的Σ-Δ ADC（模数转换器）是什么样？硬件工程师ADC选型开发梳理

对于硬件工程师来说，模数转换器（Analog to Digital Converter，简称ADC）的选型和应用是一门必修课，也是模拟信号链电路设计中至关重要的一环。

在电路设计中，ADC的作用是将模拟信号转化为数字信号，具体来讲就是将时间和幅值连续的模拟信号，通过取样、保持、量化及编码四个过程，转换为时间和幅值离散的“0和1”二进制数字信号，输出给微控制器、处理器、DSP等数字系统进行处理。

由于我们身处的真实世界中产生的信号是模拟的，而强大的信息和数据处理系统是数字的，ADC恰好在真实世界与数字世界之间架起了一座桥梁，其重要性不言而喻。

在实际电子系统设计时，你会发现根据应用场景和工作原理的差异，ADC器件有不同的类别，衡量其性能优劣的技术参数也不少，且彼此之间又相互影响，因此想要玩转ADC的选型和开发，需要有丰富的经验和技巧做支撑。

本文将对ADC选型开发中一些重要的知识点进行梳理，并通过一个Microchip Technology（以下简称Microchip）具体的ADC产品及应用示例，与大家一起探索如何为目标应用选择一款理想的ADC。

ADC的类型和特性

如上文所述，ADC在电子系统中无处不在，应用时采样精度（分辨率）和采样速率是两个重要的基本性能参数。不过，在ADC器件的设计时，这两个参数却是“鱼和熊掌不可兼得”，这也就造成了采用不同技术架构的ADC，在性能上的差异。

根据技术架构划分，比较常见的ADC包括三类，分别是：Δ-Σ型（Delta-Sigma）ADC、逐次逼近型（SAR）ADC和流水线型（Pipeline）ADC。

∑-Δ ADC

又被称为过采样转换器，其原理是利用过采样和噪声整形技术，将量化噪声转移到高频段后滤除，再通过数字滤波器输出高精度结果。因此其特性表现为分辨率高（可高达24位）、采样率低、功耗低，适合于音频处理、传感器信号调理、医疗设备等对于精度有较高要求的应用。

SAR ADC

由一个比较器和内置数模转换器组成，通过逐次比较输入与内置数模转换器输出电压，来获得最终的输出数字值。其特点是速度较快，功耗低，可实现中高精度 (12-16位)，比较适合于工业领域中的中高速应用。

流水线ADC

是一种高速ADC，其将转换过程分解为多级子模块，每级完成部分量化，通过并行处理以提高速度（可以达到GHz级），并可以达到中高精度（12-16位），支持多通道，是高速数据采集、通信接收机、雷达信号处理等应用的理想选择。

除了上面三种常见的类型，对于一些追求更高速度或更高精度的应用，人们还研发出了两种特殊的ADC：

闪存型 (Flash) ADC

通过多个并行比较器直接比较输入信号与参考电压，以实现更高的速度——其采样速率能达到1GSPS以上；不过，其分辨率较低（通常≤8位），且电路复杂、成本高，因此仅适用于高速仪器仪表、光通信、雷达信号处理等特定的超高速应用。

积分型 (Integrating) ADC

其原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号） 或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值，因此用简单电路就可以实现很高的分辨率，且抗干扰能力强，适用于精密仪器等高精度应用。但由于其转换精度依赖于积分时间，因此转换速率较低。

由此可见，ADC选型的首要原则，就是根据实际应用需求，在速度、精度和功耗等性能上进行权衡，以确定合适的ADC架构类型。比如：高精度应用可优先考虑∑-Δ和积分型ADC；高速应用可选择流水线和闪存行；而SAR ADC则更适合于性能要求适中、对功耗成本相对敏感的应用。

表1：不同类型ADC性能比较

ADC关键规格参数

选定了ADC的类型之后，下一步就要对不同ADC器件之间的关键特性进行比较。衡量一个ADC器件性能优劣的核心规格参数如下：

分辨率

指ADC输出的数字信号位数（如8、10、12、16、24位等），分辨率越高，表示模拟信号的细节越多，相应地转换时间也会增加，速度会降低。

采样率

即每秒钟对模拟信号进行采样的次数，以KSPS或MSPS为单位，通常ADC采样频率要达到被采样信号频率的2倍以上，这也是反映ADC转化速度的重要指标。

输入范围

ADC能够接受的输入信号电压范围，超出范围的信号可能会导致ADC饱和或损坏。

线性度

理想的ADC在输入和输出之间有线性关系，即所谓线性度，是反映ADC精度的重要参数。线性度通常使用 INL（积分非线性）和总谐波失真（THD）来衡量。

信噪比（SNR）

信号中有用部分与噪声的比例。信噪比越高，意味着ADC有效分辨率越高、输出噪声较少。

有效分辨率（ENOB）

信号中有用部分与噪声的比例。信噪比越高，意味着ADC有效分辨率越高、输出噪声较少。

除了上述这些ADC的性能参数，还有一些在系统设计时需要考量的ADC产品特性，如通道数量、通信接口配置、功耗、工作温度范围、封装类型和尺寸、成本等。在ADC选型时，需要综合考虑这些要素，才能做出正确的技术决策。

打造理想的Σ-Δ ADC

如果一个ADC能够将各项性能指标都“拉满”，自然是“天下无敌”的。不过在现实世界中，这样“完美”的产品是不存在的。对于实际应用来讲，一款理想的ADC通常不是“更强”，而是“更合适”。

具体到Σ-Δ ADC，工程师心目中一款“理想”的器件通常需要满足以下标准：

性能：在上文所述的核心技术参数上，能够满足应用所需。

功耗和成本：这两个要素往往和某些性能指标相互制约，设计时需要仔细权衡。

小型化：通过设计和工艺优化，减小器件本身的占板面积，或是集成更多的功能，简化外围电路和元件，都是实现小型化的有效策略。

易用性：集成更丰富的功能，有助于简化系统设计；同时，ADC所提供的可配置功能，也可为设计开发带来更大的灵活性和便利性。

安全性：高级安全特性，为ADC的可靠工作提供保障。

Microchip出品的MCP3x6x系列Σ-Δ ADC，就是按照上述这些标准打造的产品，其特性包括：

高达16-24位的分辨率；

具有高至153.6kSPS的可编程数据速率和0.33倍至64倍的可编程增益；

内部集成了温度传感器、内部振荡器和烧毁传感器检测等功能，非常有利于减少系统元件数量和方案成本；

提供一个具有多个监控通道的内部排序器（扫描模式）和24位定时器，使得该系列ADC可自动创建转换环路序列，无需MCU通信，大大简化了系统设计；

这些ADC还具有高级安全特性，包括CRC和寄存器映射锁定功能，可确保配置锁定和通信数据完整性，以提供安全的环境。

采用小型及超小型封装，有助于小型化设计。

图1：MCP3x6x系列Σ-Δ ADC

（图源：Microchip Technology）

不难看出，MCP3x6x系列ADC的这些特性，使其非常适合于精密传感器变送器和发射器、便携式仪器仪表、工厂自动化和过程控制以及温度测量等应用。

图2：MCP3x6x系列Σ-Δ ADC框图

（图源：Microchip Technology）

有效应对系统设计挑战

下面我们可以通过一个具体的称重系统设计示例，来看看MCP3x6x系列Σ-Δ ADC是如何利用这些优势特性，帮助开发者应对系统设计挑战的。

称重系统的工作原理，是利用称重传感器作为换能器，将机械力转换成与力的大小成正比的电信号。在这个设计案例中，使用了四个电阻式称重传感器构成一个惠斯通电桥（Wheatstone Bridge）——两个测量张力，两个测量压力，传感器获取的信号通过增益放大器和Δ-Σ ADC的调理和转换，输出给一个PIC24 16位微控制器进行处理。

图3：称重方案系统框图

（图源：Microchip Technology）

该方案的数模转使用的是MCP3564 Δ-Σ ADC，这是一款低噪声24位ADC，具有8个单端或4个差分输入通道，可编程数据速率高达153.6kSPS。与MCP3x6x系列中的其他ADC一样，MCP3564也提供了很多集成功能（如内部Vref、振荡器、温度传感器和烧毁传感器检测），并支持灵活的可配置特性（OSR过采样率为32至98304，增益为0.33倍至64倍）。这些特性在系统设计中都具有独特的价值。

比如，称重传感器的输出电压都需要一颗差分放大器进行放大，再传输给后端的ADC，而MCP3564的差分输入和内置可编程增益放大器（PGA），提供了必要的共模噪声抑制或信号放大功能，使其可以直接连接到惠斯通电桥，而无需使用额外的前端电路。

再有，为了避免传感器温度漂移，提升称重系统的精度和准确度，通常需要连接热电偶并使用数字温度传感器和补偿算法进行校正。MCP3564集成了模拟增益级和内部温度传感器，因此无需额外电路即可直接连接热电偶，并使用内部温度传感器估算冷端温度。可见，MCP3564集成的丰富功能，十分有利于系统设计的简化。

特别值得一提的是，MCP3564的过采样比（OSR）和增益动态可配置功能，提供了一种在数据转换速度和精度之间进行权衡的方法，开发者可以通过专用的图形用户界面（GUI）设计工具，动态重新配置ADC的增益级和OSR，并分析它们对测量的影响，进而获得更优的精度和准确度。

图4：基于MCP3564的称重方案示例

（图源：Microchip Technology）

本文小结

作为基础性的模拟器件，ADC在电子系统中无处不在，应用极为广泛，由此也发展出了性能各异的类别和型号繁多的产品。如何根据目标应用的需要，合理而高效地选型和开发，是硬件工程师日常面临的课题。

Microchip的MCP3x6x系列Σ-Δ ADC，凭借出色的性能、丰富的功能、灵活可配置的特性，以及高级的安全性，为精密传感器、便携式仪器仪表、自动化和过程控制以及温度测量等应用，提供了一种理想的模数转换解决方案。

MCP3x6x系列Σ-Δ ADC还在根据应用的发展，不断升级迭代。比如为了满足成本优化的设计需求，Microchip推出了MCP346xR系列（包括MCP3461R、MCP3462R、MCP3464R），与MCP3461/2/4等前一代产品相比，这些新品具有相似的功能和性能，但价格更具竞争力，这有助于开发者降低整体BOM成本，增强产品的市场竞争力。