模数转换器（ADC）是模拟信号链设计中的核心组件，承担着将现实世界中的连续模拟信号转换为数字系统可处理的离散数字信号的关键任务。其性能直接影响系统的精度、速度与可靠性，因此合理选型至关重要。
ADC通过采样、保持、量化和编码四个步骤，将模拟信号转化为“0”和“1”组成的二进制数据，供微控制器、处理器或DSP等数字系统使用。在实际应用中，不同场景对速度、精度和功耗的需求各异，导致各类ADC在架构和技术路径上各有侧重。本文将梳理ADC选型的核心要点，并结合Microchip Technology的MCP3x6x系列Σ-Δ ADC实例，探讨如何为目标应用选择合适的器件。
ADC的类型和特性
ADC的选型首先需根据应用场景在速度、精度和功耗之间进行权衡。常见的ADC类型包括Δ-Σ型（Sigma-Delta）、逐次逼近型（SAR）、流水线型（Pipeline），以及适用于特殊需求的闪存型（Flash）和积分型（Integrating）。
∑-Δ ADC
采用过采样与噪声整形技术，将量化噪声推向高频段后滤除，从而实现高分辨率（可达24位），具有低功耗、低采样率的特点，广泛应用于音频处理、传感器信号调理、医疗设备等对精度要求较高的领域。
SAR ADC
通过逐次比较输入电压与内部DAC输出来完成转换，具备中高速度、低功耗和中高精度（12–16位）优势，适合工业控制中的中速数据采集应用。
流水线ADC
将转换过程分解为多级并行处理，实现高速转换（可达GHz级），支持多通道操作，常用于高速数据采集、通信接收机和雷达系统。
闪存型 (Flash) ADC
利用多个并行比较器直接完成电压比较，速度极快（>1GSPS），但分辨率较低（通常≤8位），且成本高、功耗大，主要用于光通信、高速仪器仪表等特定场景。
积分型 (Integrating) ADC
将输入电压转换为时间或频率信号进行测量，电路简单、抗干扰能力强，可实现≥22位的高分辨率，但转换速率低，适用于精密测量仪器。
类型 |
速度 |
分辨率 |
功耗 |
积分型 |
极低速 |
≥22位 |
低 |
∑-Δ |
低速 |
16–24位 |
中 |
SAR |
中速 |
12–16位 |
低 |
流水线 |
高速 |
12–16位 |
高 |
闪存型 |
超高速 |
≤8位 |
高 |
表1：不同类型ADC性能比较
ADC关键规格参数
在确定ADC类型后，还需对比具体器件的关键性能指标：
- 分辨率：输出数字信号的位数（如12位、16位、24位），位数越高，细节表现越精细。
- 采样率：单位时间内采样次数（KSPS/MSPS），应至少为信号频率的两倍以满足奈奎斯特准则。
- 输入范围：ADC能接受的电压范围，超出可能导致饱和或损坏。
- 线性度：反映转换精度，常用INL（积分非线性）和THD（总谐波失真）衡量。
- 信噪比（SNR）：有用信号与噪声之比，值越高表示噪声越小。
- 有效分辨率（ENOB）：基于SNR计算的实际可用分辨率，体现真实性能水平。
此外，还需综合考虑通道数量、通信接口、功耗、工作温度、封装尺寸及成本等因素，确保整体系统设计的可行性与经济性。
打造理想的Σ-Δ ADC
理想的ADC并非追求极致参数，而是“最合适”的解决方案。对于Σ-Δ ADC而言，理想产品应在性能、功耗、成本、小型化、易用性和安全性方面取得平衡。
Microchip的MCP3x6x系列Σ-Δ ADC正是基于这一理念设计，具备以下特点：
- 分辨率高达16–24位，数据速率最高达153.6kSPS，增益可编程（0.33×至64×）；
- 集成内部振荡器、温度传感器和烧毁检测功能，减少外围元件数量；
- 内置多通道排序器和24位定时器，支持自动扫描模式，减轻MCU负担；
- 提供CRC校验和寄存器锁定功能，保障配置安全与通信完整性；
- 采用小型化封装，有利于紧凑型设计。
图1：MCP3x6x系列Σ-Δ ADC（图源：Microchip Technology）
该系列产品适用于精密传感器变送器、便携式仪器、工厂自动化、过程控制及温度测量等高精度应用。
图2：MCP3x6x系列Σ-Δ ADC框图（图源：Microchip Technology）
有效应对系统设计挑战
以称重系统为例，该系统通过四个电阻式称重传感器构成惠斯通电桥，将机械力转换为电信号，经放大和模数转换后由PIC24微控制器处理。
方案中采用MCP3564 Δ-Σ ADC——一款低噪声24位器件，支持8个单端或4个差分输入通道，最大数据速率达153.6kSPS。其集成PGA和差分输入结构可直接连接电桥，省去外部放大电路；内置温度传感器支持热电偶冷端补偿，简化温漂校正设计。
此外，MCP3564支持动态配置过采样率（OSR）和增益，开发者可通过GUI工具优化精度与速度的平衡，提升测量准确性。
图3：称重方案系统框图（图源：Microchip Technology）
图4：基于MCP3564的称重方案示例（图源：Microchip Technology）
本文小结
ADC作为连接模拟与数字世界的桥梁，其选型需紧密结合应用需求，在速度、精度、功耗和成本之间做出合理取舍。Microchip的MCP3x6x系列Σ-Δ ADC凭借高分辨率、多功能集成、灵活配置和高级安全特性，为精密测量类应用提供了高效可靠的解决方案。
为进一步满足成本敏感型设计需求，Microchip推出了MCP346xR系列（如MCP3461R、MCP3462R、MCP3464R），在保持与前代产品相近性能的同时，显著降低BOM成本，助力提升产品市场竞争力。