A/D 转换电路：原理、类型与工程实践(三)

Σ-Δ 型 A/D 转换器（Sigma-Delta ADC）

Σ-Δ 型 ADC 通过过采样和噪声整形技术实现高精度转换，广泛应用于音频处理、传感器等领域。其核心是 Σ-Δ 调制器和数字滤波器：

调制器：以远高于奈奎斯特频率的速率（如 100 倍）对输入信号采样，输出 1 位数字流（0 或 1），通过反馈控制使数字流的平均值逼近输入信号；

数字滤波器：对 1 位数字流进行低通滤波和抽取，将高采样率的 1 位数据转换为低采样率的高分辨率数字信号（如 16~24 位）。

Σ-Δ 型 ADC 的精度极高（16~24 位），线性度好，但转换速度较慢（采样率通常 < 1MHz），适合低频信号测量（如温度、压力、音频）。其独特优势是通过过采样（如 256 倍）将量化噪声推至高频，大幅提升有效分辨率。

性能指标：量化转换质量的核心参数

评估 A/D 转换器性能的关键指标包括分辨率、转换速率、线性误差、信噪比等，这些参数共同决定了转换器在实际应用中的适用性。

分辨率是指转换器能区分的最小电压变化，通常以量化位数（n）表示，计算公式为分辨率 = Vref/(2ⁿ)。例如，12 位 ADC 在 5V 参考电压下的分辨率为 5V/4096≈1.22mV，即能分辨 1.22mV 的电压变化。高分辨率意味着更高的测量精度，但会增加转换时间和成本，需根据实际需求选择（如温度测量常用 12 位，音频处理需 16~24 位）。

转换速率（采样率）是每秒完成的转换次数，单位为 SPS（Samples Per Second）。低速 ADC（<1kSPS）适用于缓慢变化的信号（如环境温度），中速 ADC（1kSPS~1MSPS）用于普通传感器（如压力、液位），高速 ADC（>1MSPS）则用于高速信号（如音频、视频、雷达）。需注意的是，转换速率需与输入信号带宽匹配，避免因采样不足导致信号失真。

线性误差包括积分非线性（INL）和微分非线性（DNL），反映实际转换曲线与理想直线的偏差。INL 是全量程范围内的最大偏差（通常以 LSB 为单位，1LSB=Vref/2ⁿ），12 位 ADC 的 INL 典型值为 ±1LSB；DNL 是相邻量化区间的实际间隔与理想间隔的偏差，优质 ADC 的 DNL 可控制在 ±0.5LSB 以内。线性误差直接影响测量精度，在精密仪器中需选择 INL<±0.5LSB 的转换器。