Σ-Δ ADC 技术全解析：高分辨率模数转换的核心原理与实战指南

Σ-Δ 模数转换器（ADC）是低频高精度信号采集的核心器件，基于 “过采样 + 噪声整形 + 数字滤波” 三大核心技术，可在低成本下实现超高分辨率与低噪声转换，广泛适配工业测量、音频采集、医疗设备等对精度要求严苛的场景，核心价值是用数字处理手段突破模拟电路的性能瓶颈。

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1. 核心原理：三大技术奠定高精度基础

Σ-Δ ADC 的精度优势源于独特的信号处理逻辑，核心由 Σ-Δ 调制器和数字滤波器两部分构成。

1.1 过采样：分散量化噪声

突破奈奎斯特采样理论，以远高于信号带宽的频率采样（过采样比 OSR 通常为 32~256 倍）。
量化噪声被分散到更宽的频率范围，目标信号带宽内的噪声密度大幅降低，每提升 2 倍过采样比，动态范围可改善 3dB。

1.2 噪声整形：转移低频噪声

通过 Σ-Δ 调制器的负反馈环路，将量化噪声从目标低频段 “推” 到高频段。
一阶调制器噪声抑制速率为 20dB / 十倍频，二阶可达 40dB / 十倍频，高阶 MASH 架构可兼顾稳定性与高噪声抑制能力。

1.3 数字滤波：提纯有效信号

采用低通数字滤波器（常用 CIC、FIR 滤波器），滤除高频量化噪声。
同时完成抽取（降采样）操作，将高频率的调制器输出转换为低速率的高精度数字信号，简化后续处理。

2. 核心技术优势：适配高精度场景的关键特性

2.1 超高分辨率与低噪声

分辨率可达 16~24 位，均方根噪声低至 nV 级，适合应变计、热电偶等小信号传感器采集。
噪声整形技术有效抑制 1/f 闪烁噪声，低频信号转换精度远超传统 ADC。

2.2 抗混叠要求低

过采样机制使量化噪声远离目标带宽，前端仅需简单 RC 滤波器即可满足抗混叠需求，简化电路设计。

2.3 集成化与易用性高

片内常集成可编程增益放大器（PGA）、基准电压源、校准模块，无需额外扩展器件。
部分高端型号采用容性 PGA，相比阻性 PGA 具有更高共模抑制比（CMRR）、更低温度漂移，支持轨到轨输入。

2.4 低功耗特性

功耗与采样率强相关，低频场景下功耗可低至 μA 级，适配电池供电的便携式设备。

3. 关键参数：性能权衡与选型核心

3.1 核心参数定义

参数	含义	关键影响
分辨率	数字输出的位数（16~24 位）	决定最小可分辨信号幅度，位数越高精度越好
过采样比（OSR）	实际采样率与奈奎斯特采样率的比值	OSR 越高，噪声抑制效果越好，但输出速率越低
输出数据速率（ODR）	最终数字输出的速率	需匹配信号带宽，低频信号可降低 ODR 提升精度
信噪比（SNR）	信号与噪声的功率比	反映有效信号的纯净度，越高越好（单位：dB）
总谐波失真（THD）	谐波失真程度	体现线性度，越低说明信号失真越小
PGA 增益	可编程放大倍数（1~128 倍）	适配小信号输入，增益越高需注意共模电压限制

3.2 关键权衡关系

分辨率与采样率：过采样比提升会增加分辨率，但降低输出数据速率。
功耗与性能：高分辨率、高采样率配置下，功耗会显著上升。
增益与共模电压：阻性 PGA 增益越高，共模电压范围越窄；容性 PGA 可突破此限制。

4. 典型应用场景：精准匹配行业需求

4.1 工业测量

适配压力传感器、应变计、RTD 温度传感器，用于 PLC、工业过程控制、电子秤等设备。
核心需求：24 位分辨率、低漂移、50/60Hz 工频抑制，如 AD7794/AD7795 系列。

4.2 音频处理

用于高端音响、麦克风阵列、音频采集卡，要求 24 位分辨率、低噪声、宽动态范围。
噪声整形技术可抑制音频带宽内的噪声，还原纯净音质。

4.3 医疗设备

适配 ECG（心电图）、EEG（脑电图）等生物电信号采集，需 nV 级低噪声、高共模抑制比。
低功耗特性满足便携式医疗设备的电池供电需求。

4.4 精密仪器

用于示波器、数据采集卡、数字万用表（DVM），要求超高线性度与长期稳定性。

5. 实操配置与校准：提升系统精度的关键步骤

5.1 前端电路设计

输入缓冲器：选择低噪声、高带宽的运算放大器，避免引入额外噪声。
基准电压：优先使用低温漂（≤5ppm/°C）基准源，单独供电减少干扰。
抗混叠滤波：采用 RC 低通滤波器，截止频率需低于采样率的 1/2OSR。

5.2 核心配置要点

过采样比选择：根据信号带宽确定，工业低频信号（<1kHz）可设 OSR=128~256。
PGA 增益设置：小信号（如 mV 级）需提高增益，但需确保输入信号不超出 ADC 量程。
数字滤波器选型：CIC 滤波器适合高速降采样，FIR 滤波器适合高精度频率选择性需求。

5.3 校准操作指南

校准时机：上电后、增益变更后、温度变化较大时需执行校准。
校准类型：内部校准（校正 ADC 自身失调 / 增益误差）、系统校准（校正整个信号链误差）。
操作步骤：通过 MCU 发送校准指令，ADC 自动计算校准系数并存储，转换结果实时修正。

6. 选型对比：Σ-Δ ADC vs SAR ADC

特性	Σ-Δ ADC	SAR ADC
分辨率	高（16~24 位）	中低（8~16 位）
采样率	低（Hz~kHz 级）	高（MHz 级）
噪声性能	优秀（噪声整形抑制低频噪声）	一般（量化噪声分布均匀）
功耗	低（低频场景）	中高（功耗与采样率成正比）
适用场景	低频高精度测量（传感器、音频）	高频中低精度场景（数据采集、通信）

Σ-Δ ADC 以 “过采样 + 噪声整形” 的创新架构，解决了传统 ADC 在低频高精度场景下的噪声与分辨率瓶颈。其高集成度、低设计复杂度的特点，使其成为工业、医疗、音频等领域的优选方案。实际应用中，需根据信号带宽、精度要求、功耗限制，平衡过采样比、PGA 增益、输出数据速率等参数，并通过合理校准进一步提升系统精度。