一個量程10千克的秤若能分辨出1克的重量變化，那么這個秤的主要組件通常是增量累加模數(shù)轉換器(Δ-Σ ADC)。設計師需要溫度測量的精確度達到0.01度時，Δ-Σ ADC也通常是首選方案。Δ-Σ ADC還能夠取代那些前面加一個增益級的傳統(tǒng)型逐次逼近寄存器ADC。由于這些數(shù)據(jù)轉換器非常適用于量度真實世界的微小變化，所以溫度傳感器、天平、流量計等精密儀器以及很多其它類型的傳感器都非常適合采用Δ-Σ ADC。

Δ-Σ ADC表面上看起來也許很復雜，但實際上它是由一系列簡單的部件所構成的精確數(shù)據(jù)轉換器。Δ-Σ ADC由兩個主要構件組成：執(zhí)行模數(shù)轉換的Δ-Σ調制器和數(shù)字低通濾波器/抽取電路(decimating circuitry)。Δ-Σ調制器的基本構件(集成運算放大器、求和節(jié)點、比較器/1位ADC和1位DAC)如圖1所示。調制器的電荷平衡電路強制比較器的數(shù)字輸出位流來代表平均模擬輸入信號。在把比較器輸出回送至調制器的1位DAC的同時，還利用一個低通數(shù)字濾波器對其進行處理。這個濾波器實際上是計算0和1的數(shù)量，并去掉大量噪聲，從而實現(xiàn)高達24位的數(shù)據(jù)轉換器。

要實現(xiàn)更多位數(shù)的分辨率，其主要障礙是噪聲。對于那些試圖從熱電偶、傳感器或其他低電平信號源來辨別微伏級變化的設計師來說，噪聲將會是一個主要的問題。背景噪聲(noise floor)由所有的外部噪聲和調制器周圍的噪聲源產(chǎn)生的噪聲總和組成，而且背景噪聲越高，檢測你試圖測試的模擬輸入信號的真實變化就越難。

圖1：Δ-Σ ADC由執(zhí)行模數(shù)轉換的Δ-Σ調制器及其后的數(shù)字濾波器和抽取器組成。

過采樣、噪聲修整、數(shù)字濾波和抽取是Δ-Σ轉換器用來降低噪聲并產(chǎn)生高分辨率輸出數(shù)據(jù)的四種重要方法。假定以頻率fS對一個數(shù)據(jù)轉換器的輸入信號采樣，根據(jù)奈奎斯特定理，fS必須至少是輸入頻率的2倍(fIN＝fS/2)。過采樣是以高于輸入信號頻率兩倍的頻率對輸入信號采樣。一個較大的過采樣比(k)將產(chǎn)生一個更有效的數(shù)字位流描述。組成位流的"1"或"0"越多，輸入信號的數(shù)字近似就越好。圖2顯示了以采樣率k×fS/2進行的過采樣怎樣讓調制器將相同量的噪聲擴展到更寬的頻率范圍上，這極大地縮小了在所關注頻帶中的背景噪聲。過采樣率每增加2倍，理想的信噪比(SNR)就提高3dB。較大的SNR意味著Δ-Σ轉換器可以更好地分辨模擬輸入中更小的變化。

通過用調制器控制環(huán)路中的積分器進行噪聲修整，Δ-Σ轉換器可以準確地測量模擬輸入。積分器的噪聲修整過程是將更多噪聲強制推移到更高頻率上，如圖3所示。然后，數(shù)字低通濾波器去除噪聲的高頻部分，這樣極大地改善了SNR。數(shù)字濾波器還可以用來極大地降低在50Hz、60Hz或其它不想要的頻率上的噪聲。

數(shù)字位流中總是會有一些輸入信號帶來的噪聲。但是通過平均和濾波，Δ-Σ ADC極大地縮小了背景噪聲。過采樣率和內部Δ-Σ調制器的“階數(shù)”決定噪聲高低，階數(shù)這個術語指的是積分器的數(shù)量。例如，一個3階調制器含有3個積分器級。

盡管增加積分器級數(shù)和增大過采樣率可以進一步降低噪聲，但是穩(wěn)定性是3階或更高階Δ-Σ轉換器需要關注的大問題。一旦Δ-Σ調制器出現(xiàn)不穩(wěn)定，那么除非重新開關電源，否則它們通常不會再次變至穩(wěn)定狀態(tài)。凌特公司的所有Δ-Σ轉換器都采用3階調制器，而且每次轉換都對調制器和濾波器復位。即使調制器進入不穩(wěn)定狀態(tài)(這很可能發(fā)生在基準電壓很低，輸入信號又很大的情況下)，其Δ-Σ ADC也可以在不需要開關電源的情況下自己恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2：過采樣降低了所關注頻帶中的背景噪聲。

調制器環(huán)路穩(wěn)定且噪聲由積分器修整后，接下來對所產(chǎn)生的數(shù)字信號進行濾波和抽取。抽取就是舍棄一些采樣，主要是去掉由過采樣帶來的冗余信號信息。如果過采樣率為256，那么ADC求取256個采樣的平均值，而抽取器則每256個采樣產(chǎn)生1個數(shù)字輸出。濾波和抽取后產(chǎn)生的數(shù)字信號再從ADC輸出，一般采取串行格式。

Δ-Σ ADC的數(shù)字輸出與基準源一樣好，有噪聲的基準源是任何數(shù)據(jù)轉換器的主要誤差來源。Δ-Σ調制器的1位DAC由正基準電壓和負基準電壓偏置。正(或高)基準電壓一般是輸入信號電平的上限，而負(或低)基準電壓一般是下限。有些Δ-Σ ADC的正和負基準電壓都連接到外部，某些則將低的基準連接到公共電壓上，例如地，其它ADC可以選擇使用內部帶隙基準(bandgap reference)或外部基準。凌特公司的Δ-Σ轉換器允許設計師改變基準和輸入共模電壓，變化范圍在地到電源電壓之間。

在選擇Δ-Σ轉換器時，轉換時鐘和數(shù)據(jù)延遲是兩個需要考慮的重要因素。時鐘控制數(shù)據(jù)處理的內部時序，并決定轉換時間。轉換時鐘可以從內部提供，或者采用外部晶振或硅振蕩器。不過，因為數(shù)字濾波器不抑制振蕩器頻率，因此采用內部振蕩器具有優(yōu)勢。

圖3：積分器將噪聲強制推移到更高的頻率上。

由于數(shù)據(jù)延遲，當前輸出結果落后于輸入一個采樣周期。凌特公司所有無延遲Δ-Σ轉換器都在一個周期內穩(wěn)定，簡化了多路復用應用。

Δ-Σ ADC雖然本質上很簡單，但是配置這種ADC卻常常是一個復雜的過程，如要寫很多指令、平衡輸入級的復雜性和選擇外部振蕩器。凌特公司的Δ-Σ轉換器沒有校準序列、配置寄存器、濾波器穩(wěn)定時間和外部振蕩器，降低了設計的復雜性。每個轉換周期中都執(zhí)行透明的偏移和滿標度自動校準，以確保高準確度，而高準確度則保證能夠分辨出1克或0.01度的差別。