ADS131E08S 24 位 8 通道模拟前端（AFE）技术文档总结

该ADS131E08S是一款多通道、同步采样、24位、增量σ（ΔΣ）、模数转换器（ADC），内置可编程增益放大器（PGA）、内部基准电压源和内部振荡器。ADC宽动态范围、可扩展的数据速率和内部故障检测监控器使该ADS131E08S在工业电源监控、控制和保护应用中非常有吸引力。快速上电时间允许在施加到器件的电源后 3 ms 内提供数据，用于线路供电电源应用。真正的高阻抗输入使ADS131E08S能够直接与电阻分压器网络或电压互感器连接以测量线路电压，或电流互感器或罗氏线圈以测量线路电流。凭借高集成度和卓越的性能，该ADS131E08S能够以显着减小的尺寸、功耗和总体成本创建可扩展的工业电源系统。
*附件：ads131e08s.pdf

该ADS131E08S每个通道都有一个单独的输入多路复用器，可以独立连接到内部生成的信号，用于测试、温度和故障检测。故障检测可以在器件内部实现，使用具有数模转换器 （DAC） 控制触发电平的集成比较器。该ADS131E08S可以在高达 64 kSPS 的数据速率下工作。

完整的模拟前端 （AFE） 解决方案采用 64 引脚 TQFP 封装，额定工作温度范围为 –40°C 至 +105°C。

特性

• 上电时间：3 ms
• 八个差分同步采样输入
• 高性能：
  • 1 kSPS 时的动态范围：118 dB
  • 串扰：–125 dB
  • 总谐波扰：50 Hz 和 60 Hz 时为 –100 dB
• 低功耗：2 mW/通道
• 数据速率：1、2、4、8、16、32 和 64 kSPS
• 增益选项：1、2、4、8 和 12
• 内部基准电压源：8 ppm/°C 漂移
• 供应范围：
  • 模拟：
    • 2.7 V 至 5.25 V（单极性）
    • ±2.5 V（双极性）
  • 数字：1.7 V 至 3.6 V
• 故障检测和设备自检能力
• SPI™ 兼容数据接口和四个 GPIO
• 封装：64引脚TQFP
• 工作温度范围：–40°C 至 +105°C

参数

方框图

ADS131E08S 是德州仪器（Texas Instruments）推出的一款高集成度、低功耗 8 通道模拟前端，核心优势是快速上电、高分辨率与优异抗干扰性能兼具，集成可编程增益放大器（PGA）、内部基准源和故障检测功能，适用于工业电力监控、断路器保护、数据采集系统等对多通道同步采样有严苛要求的场景。

一、核心性能与定位

• 分辨率与采样速率 ：24 位分辨率（32/64 kSPS 时为 16 位），支持 1、2、4、8、16、32、64 kSPS 可调采样率，8 通道同步采样，通道串扰低至 - 125 dB。
• 动态性能 ：1 kSPS 采样率下动态范围达 118 dB，50/60 Hz 输入时总谐波失真（THD）低至 - 100 dB，共模抑制比（CMRR）≥-110 dB，内置 EMI 滤波器，抗干扰能力强。
• 功耗与上电特性 ：单通道功耗仅 2 mW，8 通道全工作时典型功耗 29.7 mW（5V 供电）；上电时间仅 3 ms，支持快速启动应用场景。

二、关键功能与硬件特性

1. 信号处理与校正

• 集成可编程增益放大器（PGA），支持 1、2、4、8、12 倍增益可调，适配不同幅度输入信号；
• 内置 ΔΣ 调制器与三阶 sinc 数字滤波器，可通过调整采样率平衡分辨率与带宽，3 dB 带宽随增益变化（增益 1 时 237 kHz，增益 12 时 32 kHz）；
• 支持通道偏移校准、温度传感、电源监测等自检功能，集成故障检测比较器，可配置过范围阈值。

2. 接口与封装

• 数字输出：SPI 兼容接口，支持连续读数据（RDATAC）和命令读数据（RDATA）模式，4 个通用 GPIO 引脚；
• 电源与基准：模拟电源支持 2.7V5.25V（单极性）或 ±2.5V（双极性），数字电源 1.7V3.6V；内置 2.4V/4V 基准源，温漂仅 8 ppm/°C；
• 封装规格：64 引脚 TQFP 封装（10mm×10mm），工作温度范围 - 40℃~105℃，满足工业环境要求。

3. 输入特性

• 模拟输入：8 路差分输入，输入阻抗达 200 MΩ，输入偏置电流仅 5 nA，支持伪差分和全差分两种驱动方式；
• 输入范围：差分输入范围为 ±VREF/Gain（VREF 可选 2.4V 或 4V），支持 AC/DC 耦合，unused 通道可断电节省功耗。

三、工作模式与配置

• 电源模式 ：支持正常、待机、掉电三种模式，待机模式功耗低至 2 mW，掉电模式仅 10 μW；
• 采样模式 ：支持连续采样和单次采样，START 引脚或 SPI 命令可控制采样启动 / 停止，多器件可通过 START 引脚同步；
• 校准模式 ：支持通道偏移校准（OFFSETCAL 命令），校准时间约 153 ms，校准后偏移误差漂移低至 0.2 μV/°C。

四、典型应用场景

• 工业电力应用：断路器保护、继电器控制、三相电压 / 电流监测；
• 数据采集系统、医疗设备、工业自动化控制、智能电网终端。

五、设计关键要点

1. 电源与去耦 ：模拟电源（AVDD）和数字电源（DVDD）需分别配置 1 μF 旁路电容，VCAP1~VCAP4 引脚需按要求连接指定容量电容（如 VCAP1 接 470 pF），降低电源噪声；
2. 信号接口：模拟输入推荐串联 5~10 Ω 电阻抑制寄生振荡，差分传输线需等长布线；数字信号线与模拟信号线分开布局，避免串扰；
3. 校准与初始化：上电后建议执行偏移校准，更改 PGA 增益后需重新校准；多器件同步时，通过 START 引脚同步触发，确保采样相位一致；
4. 故障检测：配置 COMP_TH 寄存器设定过范围阈值，通过 FAULT_STATP/FAULT_STATN 寄存器读取故障状态，GPIO 可配置故障告警输出。