在工業(yè)過程控制、便攜式醫(yī)療設(shè)備及自動(dòng)化測試設(shè)備中，高通道密度的多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）已成為設(shè)計(jì)趨勢。此類系統(tǒng)通常需要對多個(gè)傳感器信號進(jìn)行順序采樣，并通過一個(gè)或多個(gè)ADC完成數(shù)字化處理。如何選擇合適的ADC架構(gòu)，成為實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗和緊湊布局的關(guān)鍵。

一、多路復(fù)用系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)與挑戰(zhàn)

圖1所示為典型的多路復(fù)用DAS結(jié)構(gòu)，其核心在于通過一個(gè)多路復(fù)用器（MUX）將多個(gè)模擬輸入信號依次切換至單個(gè)ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種方式的優(yōu)勢在于：

圖1

減少ADC數(shù)量；

節(jié)省PCB空間；

降低整體功耗和成本。

然而，該方案也面臨以下技術(shù)挑戰(zhàn)：

通道切換引起的反沖：每次切換通道時(shí)，MUX輸出端會(huì)產(chǎn)生電壓瞬態(tài)，需足夠帶寬和緩沖能力以確保快速建立；

導(dǎo)通電阻與漏電流影響：這些參數(shù)會(huì)導(dǎo)致增益誤差，必須盡可能減小；

ADC驅(qū)動(dòng)器要求提高：面對大幅值階躍輸入，驅(qū)動(dòng)器需具備高帶寬和良好壓擺率性能。

此外，系統(tǒng)還需考慮抗混疊濾波、同步采樣能力以及通道間串?dāng)_等問題。

二、SAR ADC架構(gòu)及其適用場景

逐次逼近寄存器型（SAR）ADC采用電荷再分配DAC陣列結(jié)構(gòu)（見圖2），具有如下特點(diǎn)：

圖2

非流水線式結(jié)構(gòu)，延遲極低；

每次轉(zhuǎn)換僅需N個(gè)時(shí)鐘周期（N為分辨率位數(shù)）；

支持異步操作，適合閉環(huán)控制系統(tǒng)；

輸入帶寬可達(dá)數(shù)十MHz，適用于寬帶信號采集。

SAR ADC因其低功耗、小封裝、無延遲等優(yōu)勢，在需要快速通道切換的多路復(fù)用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。但其也有局限性：

需外部驅(qū)動(dòng)放大器和抗混疊濾波器；

對大階躍輸入響應(yīng)依賴于驅(qū)動(dòng)器性能；

分辨率一般限制在16~18位。

因此，SAR ADC更適合中高速、中等精度的多通道應(yīng)用，如工廠自動(dòng)化中的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。

三、Σ-Δ ADC架構(gòu)及其適用場景

Σ-Δ型ADC基于調(diào)制器過采樣原理（見圖3），通過數(shù)字濾波和抽取實(shí)現(xiàn)高分辨率（見圖3）。其主要特性包括：

圖3

高精度（可達(dá)24位）；

內(nèi)置數(shù)字濾波器，可抑制50Hz/60Hz工頻干擾；

輸出數(shù)據(jù)速率較低，適合慢變信號采集；

具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)范圍和噪聲性能。

Σ-Δ ADC適用于需要高精度、低帶寬的應(yīng)用，如溫度、壓力、稱重等傳感器信號采集。其不足之處在于：

存在群延遲，不適合實(shí)時(shí)控制；

多路復(fù)用時(shí)受數(shù)字濾波器建立時(shí)間限制；

部分型號支持“零延遲”模式，可在首次采樣后輸出有效數(shù)據(jù)。

對于需要統(tǒng)一多通道同步數(shù)字化的系統(tǒng)而言，Σ-Δ架構(gòu)提供了更高的測量精度和穩(wěn)定性。

四、兩種架構(gòu)在多路復(fù)用系統(tǒng)中的比較

五、集成式 vs 分立式解決方案選型建議

目前市場上存在兩類多路復(fù)用DAS實(shí)現(xiàn)方式：

集成式方案：如AD7606（SAR）、AD7124（Σ-Δ）等，內(nèi)置MUX、PGA、濾波器甚至校準(zhǔn)功能，簡化設(shè)計(jì)流程，節(jié)省空間，適合標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用。如需AD7606產(chǎn)品規(guī)格書、樣片測試、采購、BOM配單等需求，請加客服微信：13310830171。

分立式方案：允許工程師靈活選擇ADC、MUX、放大器等元件，適用于特殊性能需求或定制化系統(tǒng)，但設(shè)計(jì)復(fù)雜度高，需應(yīng)對時(shí)序、建立時(shí)間、誤差補(bǔ)償?shù)忍魬?zhàn)。

六、結(jié)語

在構(gòu)建多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，工程師應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)所需的采樣速率、精度、功耗、尺寸及成本等因素，合理選擇SAR或Σ-Δ ADC架構(gòu)。SAR ADC適用于高速、中等精度、低延遲的場合；而Σ-Δ ADC則更擅長于高精度、低帶寬、抗干擾要求高的應(yīng)用。

隨著高度集成ADC芯片的發(fā)展，許多傳統(tǒng)信號調(diào)理難題已被片內(nèi)解決，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加高效可靠。未來，結(jié)合智能通道管理與自適應(yīng)濾波技術(shù)，將進(jìn)一步提升多路復(fù)用DAS的性能邊界。