路复用数据采集系统设计：SAR与Σ-Δ ADC架构对比分析

在工业过程控制、便携式医疗设备及自动化测试设备中，高通道密度的多路复用数据采集系统（DAS）已成为设计趋势。此类系统通常需要对多个传感器信号进行顺序采样，并通过一个或多个ADC完成数字化处理。如何选择合适的ADC架构，成为实现高性能、低功耗和紧凑布局的关键。

一、多路复用系统的典型结构与挑战

图1所示为典型的多路复用DAS结构，其核心在于通过一个多路复用器（MUX）将多个模拟输入信号依次切换至单个ADC进行转换。这种方式的优势在于：

图1

减少ADC数量；

节省PCB空间；

降低整体功耗和成本。

然而，该方案也面临以下技术挑战：

通道切换引起的反冲：每次切换通道时，MUX输出端会产生电压瞬态，需足够带宽和缓冲能力以确保快速建立；

导通电阻与漏电流影响：这些参数会导致增益误差，必须尽可能减小；

ADC驱动器要求提高：面对大幅值阶跃输入，驱动器需具备高带宽和良好压摆率性能。

此外，系统还需考虑抗混叠滤波、同步采样能力以及通道间串扰等问题。

二、SAR ADC架构及其适用场景

逐次逼近寄存器型（SAR）ADC采用电荷再分配DAC阵列结构（见图2），具有如下特点：

图2

非流水线式结构，延迟极低；

每次转换仅需N个时钟周期（N为分辨率位数）；

支持异步操作，适合闭环控制系统；

输入带宽可达数十MHz，适用于宽带信号采集。

SAR ADC因其低功耗、小封装、无延迟等优势，在需要快速通道切换的多路复用系统中广泛应用。但其也有局限性：

需外部驱动放大器和抗混叠滤波器；

对大阶跃输入响应依赖于驱动器性能；

分辨率一般限制在16~18位。

因此，SAR ADC更适合中高速、中等精度的多通道应用，如工厂自动化中的实时监测系统。

三、Σ-Δ ADC架构及其适用场景

Σ-Δ型ADC基于调制器过采样原理（见图3），通过数字滤波和抽取实现高分辨率（见图3）。其主要特性包括：

图3

高精度（可达24位）；

内置数字滤波器，可抑制50Hz/60Hz工频干扰；

输出数据速率较低，适合慢变信号采集；

具有优异的动态范围和噪声性能。

Σ-Δ ADC适用于需要高精度、低带宽的应用，如温度、压力、称重等传感器信号采集。其不足之处在于：

存在群延迟，不适合实时控制；

多路复用时受数字滤波器建立时间限制；

部分型号支持“零延迟”模式，可在首次采样后输出有效数据。

对于需要统一多通道同步数字化的系统而言，Σ-Δ架构提供了更高的测量精度和稳定性。

四、两种架构在多路复用系统中的比较

五、集成式 vs 分立式解决方案选型建议

目前市场上存在两类多路复用DAS实现方式：

集成式方案：如AD7606（SAR）、AD7124（Σ-Δ）等，内置MUX、PGA、滤波器甚至校准功能，简化设计流程，节省空间，适合标准化应用。如需AD7606产品规格书、样片测试、采购、BOM配单等需求，请加客服微信：13310830171。

分立式方案：允许工程师灵活选择ADC、MUX、放大器等元件，适用于特殊性能需求或定制化系统，但设计复杂度高，需应对时序、建立时间、误差补偿等挑战。

六、结语

在构建多路复用数据采集系统时，工程师应综合考虑系统所需的采样速率、精度、功耗、尺寸及成本等因素，合理选择SAR或Σ-Δ ADC架构。SAR ADC适用于高速、中等精度、低延迟的场合；而Σ-Δ ADC则更擅长于高精度、低带宽、抗干扰要求高的应用。

随着高度集成ADC芯片的发展，许多传统信号调理难题已被片内解决，使得系统设计更加高效可靠。未来，结合智能通道管理与自适应滤波技术，将进一步提升多路复用DAS的性能边界。