ADS131M02 双通道、24位、64kSPS、同步采样、Delta-Sigma ADC技术手册

该ADS131M02是一款双通道、同步采样、24 位、三角积分 （ΔΣ）、模数转换器 （ADC），具有宽动态范围、低功耗和能量测量特定功能，非常适合电能计量、功率计量和断路器应用。ADC输入可直接连接至电阻分压器网络或电源变压器以测量电压，或连接电流互感器、分流器或罗氏线圈以测量电流。

可以根据传感器输入独立配置各个ADC通道。低噪声、可编程增益放大器 （PGA） 提供 1 至 128 的增益范围，以放大低电平信号。此外，该器件还集成了通道间相位校准以及失调和增益校准寄存器，以帮助消除信号链误差。
*附件：ads131m02.pdf

器件中集成了低漂移的 1.2V 基准电压源，可减少印刷电路板 （PCB） 面积。数据输入、数据输出和寄存器映射上的可选循环冗余校验 （CRC） 可保持通信完整性。

完整的模拟前端 （AFE） 采用 20 引脚 TSSOP 封装或无引脚 20 引脚 WQFN 封装，额定工作温度范围为 –40°C 至 +125°C。

特性

• 2 个同时采样差分输入
• 可编程数据速率高达 64 kSPS
• 可编程增益高达 128
• 噪音表现：
  • 增益 = 1， 4 kSPS 时的 102 dB 动态范围
  • 增益 = 64、4 kSPS 时的 80 dB 动态范围
• 总谐波失真：–100 dB
• 用于直接传感器连接的高阻抗输入：
  • 输入阻抗为330 kΩ，增益为1、2和4
  • 输入阻抗为≥1 MΩ，增益为8、16、32、64和128
• 可编程通道间相位延迟校准：
  • 244 ns 分辨率，8.192 MHz f克金
• 电流检测模式允许极低功耗的篡改检测
• 集成负电荷泵允许输入信号低于地
• 通道间串扰：–120 dB
• 低漂移内部基准电压源
• 通信和寄存器映射上的循环冗余校验 （CRC）
• 2.7V 至 3.6V 模拟和数字电源
• 低功耗：3V AVDD 和 DVDD 时为 2.3 mW
• 封装：20引脚TSSOP或20引脚WQFN
• 工作温度范围：–40°C 至 +125°C

参数

方框图

ADS131M02 是德州仪器推出的 2 通道同步采样 24 位 ΔΣ ADC，核心优势为高动态范围、可编程增益与低功耗特性，专为电能计量、断路器、保护继电器等电力相关场景设计，支持直接连接传感器实现电压、电流精准测量。

核心参数与特性

• 分辨率与采样：24 位分辨率无失码，同步采样 2 路差分输入；可编程采样率最高 64 kSPS，支持高分辨率（HR）、低功耗（LP）、极低功耗（VLP）三种功率模式。
• 增益与输入：可编程增益 1-128 倍，增益≥8 时输入阻抗≥1 MΩ，增益≤4 时为 330 kΩ；集成负电荷泵，支持输入信号低于地电位测量。
• 动态性能：增益 = 1、4 kSPS 时动态范围 102 dB，THD 低至 - 100 dB，通道间串扰 - 120 dB；输入失调误差典型值 ±175 µV，增益漂移 1 ppm/°C。
• 供电与封装：模拟 / 数字供电 2.7V-3.6V，功耗低至 2.3 mW（3V 供电）；工作温度–40°C 至 + 125°C，提供 20 引脚 TSSOP（6.5mm×4.4mm）和 WQFN（3mm×3mm）封装。
• 接口与校准：SPI 接口（支持 16/24/32 位字长），带 CRC 通信校验；支持通道间相位延迟校准（244ns 分辨率）、偏移与增益校准。

关键功能设计

• 信号链架构：ΔΣ 调制器 + 数字抽取滤波器，支持 64-16384 倍过采样（OSR），可通过调整 OSR 平衡噪声与响应速度；内置 1.2V 低漂移参考源。
• 灵活校准：独立通道偏移（OCAL）和增益（GCAL）校准寄存器，支持实时误差修正；全局斩波模式（Global-Chop）可降低失调误差与漂移。
• 监控与保护：集成寄存器映射 CRC 校验，SPI 通信 CRC 错误检测；支持电流检测模式，适用于低功耗防篡改场景。
• 同步与控制：SYNC/RESET 引脚支持多器件同步或硬件复位；DRDY 引脚指示数据就绪，可配置输出格式（电平 / 脉冲）。

典型应用场景

• 电能计量：商用 / 民用电表、电能质量分析仪，实现电压 / 电流同步采样与功率计算。
• 电力保护：断路器、保护继电器，快速捕捉电力信号异常并触发保护机制。
• 电池相关：电池测试设备、电池管理系统（BMS），精准测量电池充放电电流与电压。

设计与使用建议

• 电源与去耦：AVDD 和 DVDD 需分别并联 1 µF 去耦电容，CAP 引脚（LDO 输出）需接 220 nF 电容到 DGND；模拟地与数字地就近单点连接，减少干扰。
• 输入配置：模拟输入建议添加 RC 低通滤波器抑制混叠；根据增益选择合适的驱动电路，确保源阻抗匹配以优化失真性能。
• 布局注意：采用独立接地平面，模拟信号与数字信号分区域布线；时钟信号需减少过冲与毛刺，长距离传输需终端匹配。
• 校准与同步：上电后建议进行偏移与增益校准，校准值存储于非易失性存储器；多器件同步需同步 CLKIN 时钟并触发 SYNC 信号。