标题：Σ‑Δ 模数转换器（ADC）原理深度解读，依靠过采样与噪声整形实现超高分辨率采集
Σ‑Δ 模数转换器，也叫 Delta‑Sigma ADC，它不靠高精度模拟分压阵列，而是用过采样、噪声整形搭配数字抽取滤波，把模拟信号转换成高分辨率数字信号，是工业传感、BMS、音频、精密仪表里非常主流的 ADC 架构，最高可以做到 24bit 精度。常规奈奎斯特 ADC 是每个采样点直接输出最终位数，对模拟电路、电阻电容匹配度要求极高，分辨率往上提升成本会暴涨；而 Σ‑Δ ADC 先在模拟侧生成一串高速 1bit 比特流，再交给后端数字电路做平均降噪，把大部分量化噪声推到高频，再用数字滤波器滤掉，模拟部分电路反而简单，对器件匹配宽容度更高，很适合 CMOS 工艺集成。整套器件分成模拟调制器和数字滤波抽取两大块，模拟环路负责把输入电压映射成 “1” 占比不同的串行比特流，数字部分再把高速低精度数据流，转换成低速、高分辨率的结果，代价是信号带宽受限、有建立延迟，更适合低频精密测量场景，而不是高速波形采集。
一、Σ‑Δ ADC 两大核心组成模块
- Σ‑Δ 调制器（模拟侧核心）
- 数字抽取滤波器（数字侧核心）
包含求和节点、积分器、1bit 比较器、1bit DAC，形成负反馈环路。输入模拟电压和反馈 DAC 电压做差值，送入积分器累积误差，再由比较器输出 0 或 1；这个比特流再送回 1bit DAC，生成正负参考电平继续抵消输入，最终比特流里 1 的平均密度，就对应输入电压大小。一阶只用一级积分器，二阶、高阶或者 MASH 级联方案，整形噪声能力更强，是市面上精密 ADC 最常用的类型。
接收调制器输出的高速 1bit 流，做低通滤波，滤除被推到高频的量化噪声，同时执行抽取降速，也就是每隔多个样本输出一个有效结果。最常见的是 SINC 滤波器，SINC³ 使用最多，自带工频陷波，能直接抑制 50Hz/60Hz 市电干扰，非常适合工业测量。
二、两个核心底层技术
- 过采样 OSR：采样频率远高于信号奈奎斯特频率，过采样倍率就是 OSR。量化噪声会摊开到更宽频谱，基带里噪声本身就被稀释；倍率越高，基础信噪比越好。
- 噪声整形：依靠积分反馈环路，把量化噪声的频谱抬到高频段，有用低频信号基本不受影响，后面数字低通就可以把这部分噪声切掉，这也是 Σ‑Δ ADC 最关键的特色，单纯过采样没有这个效果。
三、Σ‑Δ 不同架构对比
| 架构 | 特点 | 典型适用场景 | 短板 |
|---|---|---|---|
| 一阶 Σ‑Δ | 电路最简单，噪声整形弱，空闲音明显 | 教学、低速简单采集 | 同样 OSR 下分辨率低，很少量产 |
| 二阶 Σ‑Δ | 综合均衡，抑制空闲音，成本适中 | 普通工业传感器、温度压力采集 | 带宽依旧偏低 |
| 高阶 / MASH 级联 | 噪声整形能力强，高信噪比，适合 20~24bit | 高精度称重、BMS、精密电压采集 | 模拟环路稳定性设计难度更高 |
| 连续时间 CT Σ‑Δ | 无采样保持，输入阻抗为阻性，更容易驱动 | 音频、高速 Σ‑Δ、部分车载信号链 | 对时钟抖动敏感 |
| 离散时间 DT Σ‑Δ | 电容采样，成熟稳定，抑制时钟抖动更好 | 绝大多数工业精密 ADC | 前端驱动需要驱动采样电容 |
四、Σ‑Δ ADC 的优势清单
- 容易做到 16bit～24bit 超高分辨率，直流和低频测量性能很强；
- 模拟电路简单，不需要大量匹配精密电阻，适合集成在单片机、专用采集芯片；
- 自带天然工频抑制，搭配 SINC 滤波器，在工控环境抗干扰能力突出；
- 抗混叠压力低，前端只需要简单 RC，不用高阶模拟抗混叠滤波器；
- 可以灵活配置输出速率，在分辨率、带宽之间做权衡。
五、Σ‑Δ ADC 的明显局限
- 带宽不高，不适合高速波形、高频信号采集，和流水线、Flash ADC 定位完全分开；
- 存在建立时间，切换输入之后，需要等待滤波器收敛才能拿到准确值；
- 时钟抖动、参考源噪声会直接影响整体精度；
- 一阶结构容易出现空闲音，也就是输入接近直流时出现固定频率杂波。
六、典型落地场景
工业变送器、称重传感器、热电偶、电池管理系统 BMS、血氧与生物传感、专业音频 ADC、电表电能计量、车载高精度压力、温度采集。之前前面提到的 TLV 系列运放，经常作为前端调理，搭配 Σ‑Δ ADC 组成完整精密采集链路。
【常见问题】
问题 1：Σ‑Δ 模数转换器（ADC）和普通 SAR ADC 的核心差别是什么？
回答 1：Σ‑Δ 模数转换器（ADC）依靠过采样加噪声整形，先输出高速 1bit 流再做数字滤波，主打超高分辨率、低频精密测量，带宽低、有建立延迟；SAR ADC 逐次逼近，一次采样直接输出结果，速度更快，带宽更高，分辨率上限一般低于同规格 Σ‑Δ ADC。
问题 2：Σ‑Δ 模数转换器（ADC）里的噪声整形到底起到什么作用？
回答 2：Σ‑Δ 模数转换器（ADC）的噪声整形依靠积分反馈环路，把量化噪声推到高频区域，低频有用信号基本保留，后端数字低通滤波器就可以把这部分高频噪声滤除，在不提升模拟电路精度的前提下拉高基带信噪比。
问题 3：Σ‑Δ 模数转换器（ADC）的抽取滤波器主要完成哪些工作？
回答 3：Σ‑Δ 模数转换器（ADC）的抽取滤波器一方面对高速 1bit 比特流做低通滤波，切掉整形到高频的量化噪声，另一方面做抽取降采样，把调制器高速时钟转换成低速有效的高分辨率输出，常用 SINC 结构，还可以设置陷波抑制工频干扰。
问题 4：Σ‑Δ 模数转换器（ADC）适合用在高速波形采集吗？
回答 4：Σ‑Δ 模数转换器（ADC）并不适合高速波形采集，它的优势在低频、直流精密测量，信号带宽受滤波器和过采样倍率限制；高速场景一般优先选择流水线 ADC、高速 SAR 或者 Flash ADC。
【数据来源】
[2026-10-12]（连续时间 Σ‑Δ ADC 架构特点）ADI 技术文档
[2025-12-05]（详解 Σ-Δ 型 ADC 拓扑结构的基本原理）电子工程专辑
[2026-03-30]（sigma delta adc 原理与应用）电子发烧友网
[2024-05-20]（Σ‑Δ ADC 高阶 MASH 架构与空闲音抑制）电子工程世界
[2021-08-10]（TI Precision Labs：Sigma-Delta ADC）德州仪器技术教程
【免责声明】
本文基于 ADI、TI、ST 公开技术文档与行业技术解读整理，不构成芯片选型、PCB 设计、量产方案保证；Σ‑Δ 模数转换器（ADC）的信噪比、带宽、建立时间、空闲音特性，需要以目标器件官方 datasheet 和评估板实测为准；系统层面的精度还会受参考源、前端运放、布线、时钟质量共同影响。