對于硬件工程師來說，模數轉換器（Analog to Digital Converter，簡稱ADC）的選型和應用是一門必修課，也是模擬信號鏈電路設計中至關重要的一環。

在電路設計中，ADC的作用是將模擬信號轉化為數字信號，具體來講就是將時間和幅值連續的模擬信號，通過取樣、保持、量化及編碼四個過程，轉換為時間和幅值離散的“0和1”二進制數字信號，輸出給微控制器、處理器、DSP等數字系統進行處理。

由于我們身處的真實世界中產生的信號是模擬的，而強大的信息和數據處理系統是數字的，ADC恰好在真實世界與數字世界之間架起了一座橋梁，其重要性不言而喻。

在實際電子系統設計時，你會發現根據應用場景和工作原理的差異，ADC器件有不同的類別，衡量其性能優劣的技術參數也不少，且彼此之間又相互影響，因此想要玩轉ADC的選型和開發，需要有豐富的經驗和技巧做支撐。

本文將對ADC選型開發中一些重要的知識點進行梳理，并通過一個Microchip Technology（以下簡稱Microchip）具體的ADC產品及應用示例，與大家一起探索如何為目標應用選擇一款理想的ADC。

ADC的類型和特性

如上文所述，ADC在電子系統中無處不在，應用時采樣精度（分辨率）和采樣速率是兩個重要的基本性能參數。不過，在ADC器件的設計時，這兩個參數卻是“魚和熊掌不可兼得”，這也就造成了采用不同技術架構的ADC，在性能上的差異。

根據技術架構劃分，比較常見的ADC包括三類，分別是：Δ-Σ型（Delta-Sigma）ADC、逐次逼近型（SAR）ADC和流水線型（Pipeline）ADC。

∑-Δ ADC

又被稱為過采樣轉換器，其原理是利用過采樣和噪聲整形技術，將量化噪聲轉移到高頻段后濾除，再通過數字濾波器輸出高精度結果。因此其特性表現為分辨率高（可高達24位）、采樣率低、功耗低，適合于音頻處理、傳感器信號調理、醫療設備等對于精度有較高要求的應用。

SAR ADC

由一個比較器和內置數模轉換器組成，通過逐次比較輸入與內置數模轉換器輸出電壓，來獲得最終的輸出數字值。其特點是速度較快，功耗低，可實現中高精度 (12-16位)，比較適合于工業領域中的中高速應用。

流水線ADC

是一種高速ADC，其將轉換過程分解為多級子模塊，每級完成部分量化，通過并行處理以提高速度（可以達到GHz級），并可以達到中高精度（12-16位），支持多通道，是高速數據采集、通信接收機、雷達信號處理等應用的理想選擇。

除了上面三種常見的類型，對于一些追求更高速度或更高精度的應用，人們還研發出了兩種特殊的ADC：

閃存型 (Flash) ADC

通過多個并行比較器直接比較輸入信號與參考電壓，以實現更高的速度——其采樣速率能達到1GSPS以上；不過，其分辨率較低（通?！?位），且電路復雜、成本高，因此僅適用于高速儀器儀表、光通信、雷達信號處理等特定的超高速應用。

積分型 (Integrating) ADC

其原理是將輸入電壓轉換成時間（脈沖寬度信號） 或頻率（脈沖頻率），然后由定時器/計數器獲得數字值，因此用簡單電路就可以實現很高的分辨率，且抗干擾能力強，適用于精密儀器等高精度應用。但由于其轉換精度依賴于積分時間，因此轉換速率較低。

由此可見，ADC選型的首要原則，就是根據實際應用需求，在速度、精度和功耗等性能上進行權衡，以確定合適的ADC架構類型。比如：高精度應用可優先考慮∑-Δ和積分型ADC；高速應用可選擇流水線和閃存行；而SAR ADC則更適合于性能要求適中、對功耗成本相對敏感的應用。

表1：不同類型ADC性能比較

ADC關鍵規格參數

選定了ADC的類型之后，下一步就要對不同ADC器件之間的關鍵特性進行比較。衡量一個ADC器件性能優劣的核心規格參數如下：

分辨率

指ADC輸出的數字信號位數（如8、10、12、16、24位等），分辨率越高，表示模擬信號的細節越多，相應地轉換時間也會增加，速度會降低。

采樣率

即每秒鐘對模擬信號進行采樣的次數，以KSPS或MSPS為單位，通常ADC采樣頻率要達到被采樣信號頻率的2倍以上，這也是反映ADC轉化速度的重要指標。

輸入范圍

ADC能夠接受的輸入信號電壓范圍，超出范圍的信號可能會導致ADC飽和或損壞。

線性度

理想的ADC在輸入和輸出之間有線性關系，即所謂線性度，是反映ADC精度的重要參數。線性度通常使用 INL（積分非線性）和總諧波失真（THD）來衡量。

信噪比（SNR）

信號中有用部分與噪聲的比例。信噪比越高，意味著ADC有效分辨率越高、輸出噪聲較少。

有效分辨率（ENOB）

信號中有用部分與噪聲的比例。信噪比越高，意味著ADC有效分辨率越高、輸出噪聲較少。

除了上述這些ADC的性能參數，還有一些在系統設計時需要考量的ADC產品特性，如通道數量、通信接口配置、功耗、工作溫度范圍、封裝類型和尺寸、成本等。在ADC選型時，需要綜合考慮這些要素，才能做出正確的技術決策。

打造理想的Σ-Δ ADC

如果一個ADC能夠將各項性能指標都“拉滿”，自然是“天下無敵”的。不過在現實世界中，這樣“完美”的產品是不存在的。對于實際應用來講，一款理想的ADC通常不是“更強”，而是“更合適”。

具體到Σ-Δ ADC，工程師心目中一款“理想”的器件通常需要滿足以下標準：

性能：在上文所述的核心技術參數上，能夠滿足應用所需。

功耗和成本：這兩個要素往往和某些性能指標相互制約，設計時需要仔細權衡。

小型化：通過設計和工藝優化，減小器件本身的占板面積，或是集成更多的功能，簡化外圍電路和元件，都是實現小型化的有效策略。

易用性：集成更豐富的功能，有助于簡化系統設計；同時，ADC所提供的可配置功能，也可為設計開發帶來更大的靈活性和便利性。

安全性：高級安全特性，為ADC的可靠工作提供保障。

Microchip出品的MCP3x6x系列Σ-Δ ADC，就是按照上述這些標準打造的產品，其特性包括：

高達16-24位的分辨率；

具有高至153.6kSPS的可編程數據速率和0.33倍至64倍的可編程增益；

內部集成了溫度傳感器、內部振蕩器和燒毀傳感器檢測等功能，非常有利于減少系統元件數量和方案成本；

提供一個具有多個監控通道的內部排序器（掃描模式）和24位定時器，使得該系列ADC可自動創建轉換環路序列，無需MCU通信，大大簡化了系統設計；

這些ADC還具有高級安全特性，包括CRC和寄存器映射鎖定功能，可確保配置鎖定和通信數據完整性，以提供安全的環境。

采用小型及超小型封裝，有助于小型化設計。

圖1：MCP3x6x系列Σ-Δ ADC

（圖源：Microchip Technology）

不難看出，MCP3x6x系列ADC的這些特性，使其非常適合于精密傳感器變送器和發射器、便攜式儀器儀表、工廠自動化和過程控制以及溫度測量等應用。

圖2：MCP3x6x系列Σ-Δ ADC框圖

（圖源：Microchip Technology）

有效應對系統設計挑戰

下面我們可以通過一個具體的稱重系統設計示例，來看看MCP3x6x系列Σ-Δ ADC是如何利用這些優勢特性，幫助開發者應對系統設計挑戰的。

稱重系統的工作原理，是利用稱重傳感器作為換能器，將機械力轉換成與力的大小成正比的電信號。在這個設計案例中，使用了四個電阻式稱重傳感器構成一個惠斯通電橋（Wheatstone Bridge）——兩個測量張力，兩個測量壓力，傳感器獲取的信號通過增益放大器和Δ-Σ ADC的調理和轉換，輸出給一個PIC24 16位微控制器進行處理。

圖3：稱重方案系統框圖

（圖源：Microchip Technology）

該方案的數模轉使用的是MCP3564 Δ-Σ ADC，這是一款低噪聲24位ADC，具有8個單端或4個差分輸入通道，可編程數據速率高達153.6kSPS。與MCP3x6x系列中的其他ADC一樣，MCP3564也提供了很多集成功能（如內部Vref、振蕩器、溫度傳感器和燒毀傳感器檢測），并支持靈活的可配置特性（OSR過采樣率為32至98304，增益為0.33倍至64倍）。這些特性在系統設計中都具有獨特的價值。

比如，稱重傳感器的輸出電壓都需要一顆差分放大器進行放大，再傳輸給后端的ADC，而MCP3564的差分輸入和內置可編程增益放大器（PGA），提供了必要的共模噪聲抑制或信號放大功能，使其可以直接連接到惠斯通電橋，而無需使用額外的前端電路。

再有，為了避免傳感器溫度漂移，提升稱重系統的精度和準確度，通常需要連接熱電偶并使用數字溫度傳感器和補償算法進行校正。MCP3564集成了模擬增益級和內部溫度傳感器，因此無需額外電路即可直接連接熱電偶，并使用內部溫度傳感器估算冷端溫度?？梢?，MCP3564集成的豐富功能，十分有利于系統設計的簡化。

特別值得一提的是，MCP3564的過采樣比（OSR）和增益動態可配置功能，提供了一種在數據轉換速度和精度之間進行權衡的方法，開發者可以通過專用的圖形用戶界面（GUI）設計工具，動態重新配置ADC的增益級和OSR，并分析它們對測量的影響，進而獲得更優的精度和準確度。

圖4：基于MCP3564的稱重方案示例

（圖源：Microchip Technology）

本文小結

作為基礎性的模擬器件，ADC在電子系統中無處不在，應用極為廣泛，由此也發展出了性能各異的類別和型號繁多的產品。如何根據目標應用的需要，合理而高效地選型和開發，是硬件工程師日常面臨的課題。

Microchip的MCP3x6x系列Σ-Δ ADC，憑借出色的性能、豐富的功能、靈活可配置的特性，以及高級的安全性，為精密傳感器、便攜式儀器儀表、自動化和過程控制以及溫度測量等應用，提供了一種理想的模數轉換解決方案。

MCP3x6x系列Σ-Δ ADC還在根據應用的發展，不斷升級迭代。比如為了滿足成本優化的設計需求，Microchip推出了MCP346xR系列（包括MCP3461R、MCP3462R、MCP3464R），與MCP3461/2/4等前一代產品相比，這些新品具有相似的功能和性能，但價格更具競爭力，這有助于開發者降低整體BOM成本，增強產品的市場競爭力。