ADS131E0x 多通道 24 位同步采样模数转换器技术规格与应用总结

The ADS131E0x 是多通道、同步采样、24 位、Δ-Σ （ΔΣ）、模数系列 具有内置可编程增益放大器 （PGA）、内部基准电压源和 板载振荡器。ADC宽动态范围、可扩展数据速率和内部故障检测 显示器使 ADS131E0x 在工业电源监控和保护以及工业电源监控和保护方面具有吸引力 测试和测量应用。真正的高阻抗输入使 ADS131E0x 能够直接 与电阻分压器网络或电压互感器接口以测量线路电压，或 电流互感器或罗氏线圈测量线路电流。具有高集成度和 ADS131E0x 系列具有卓越的性能，可创建可扩展的工业电源 系统尺寸、功耗和总体成本显着减小。
*附件：ads131e04.pdf

ADS131E0x 每个通道都有一个灵活的输入多路复用器，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 检测可以在设备内部实现，使用集成的比较器 数模转换器 （DAC） 控制的触发电平。ADS131E0x 可以在数据下工作 速率高达 64 kSPS。

这些完整的模拟前端 （AFE） 解决方案采用 TQFP-64 封装，具有以下特点： 额定工作温度范围为–40°C至+105°C。

特性

• 8个差分ADC输入
• 杰出表现：
  • 动态范围：1 kSPS 时为 118 dB
  • 串扰：–110 dB
  • 总谐波扰：90 Hz 和 50 Hz 时为 –60 dB
• 模拟电源范围选项：
  • 3 V 至 5 V（单极性）
  • ±2.5 V（双极性，允许直流耦合）
• 数字：1.8 V 至 3.6 V
• 低功耗：每通道 2 mW
• 数据速率：1、2、4、8、16、32 和 64 kSPS
• 可编程增益：1、2、4、8 和 12
• 故障检测和设备测试能力
• SPI™ 数据接口和四个 GPIO
• 封装：TQFP-64 （PAG）
• 工作温度范围：–40°C 至 +105°C

参数

方框图

一、产品概述

ADS131E0x 是德州仪器（TI）推出的低功耗、高集成度模数转换器（ADC）系列，包含 4 通道（ADS131E04）、6 通道（ADS131E06）和 8 通道（ADS131E08）三款型号，核心优势为同步采样、宽动态范围与工业级可靠性，专为电力保护（断路器、继电器）、电能计量（单相 / 多相电表）、电池测试系统及测试测量设备设计。器件采用 24 位 ΔΣ 架构，集成可编程增益放大器（PGA）、内部基准源与振荡器，文档版本为 SBAS561C，发布于 2012 年 6 月，2017 年 1 月修订，采用 64 引脚 TQFP 封装，工作温度范围 - 40°C 至 105°C。

二、核心参数与性能特性

1. 基础规格

• ADC 性能 ：24 位分辨率（32/64 kSPS 时为 16 位），INL±10 ppm；输入失调误差 350 μV，失调漂移 0.65 μV/°C；增益误差 ±0.1% FS，增益漂移 3 ppm/°C；通道间增益匹配 0.2% FS。
• 动态性能 ：1 kSPS 时动态范围 118 dB，SNR 达 107 dB，THD-93 dB，CMRR-110 dB（50/60 Hz），串扰 - 110 dB；采样率范围 1 kSPS-64 kSPS，支持 5 档可编程增益（1/2/4/8/12）。
• 接口特性 ：SPI 兼容串行接口（支持菊花链级联），4 个 GPIO 引脚；DRDY 信号指示数据就绪，支持连续 / 单次转换模式；模拟输入阻抗 200 MΩ，输入偏置电流 5 nA，内置 EMI 滤波器（-3 dB 带宽 3 MHz）。

2. 供电与功耗

• 供电范围 ：模拟电源（AVDD）2.7 V-5.25 V，数字电源（DVDD）1.7 V-3.6 V，支持单极性（3 V/5 V）或双极性（±1.5 V 至 ±2.5 V）供电。
• 功耗表现 ：单通道功耗仅 2 mW，ADS131E04（4 通道）正常模式功耗 9.3 mW，ADS131E06（6 通道）12.7 mW，ADS131E08（8 通道）16 mW；待机模式功耗 2 mW，断电模式低至 10 μW，适配工业低功耗场景。

3. 封装与环境适应性

• 封装类型 ：64 引脚 TQFP（PAG）封装，结到环境热阻 35 °C/W，结到壳（顶部）热阻 31 °C/W，封装尺寸 10mm×10mm，适合高密度 PCB 布局。
• 可靠性 ：ESD 防护（HBM 1000 V、CDM 500 V），存储温度范围 - 60°C 至 150°C，最大结温 150°C，满足工业设备长期稳定运行要求。

4. 关键功能特性

• 工业专用功能 ：支持多通道同步采样，集成故障检测功能（比较器 + DAC 阈值控制），可监测输入超量程状态；内置温度传感器（490 μV/°C）、电源监测模块，适配电力系统多参数同步测量。
• 系统集成特性 ：内置低噪声参考源（2.4 V/4 V 可选，精度 ±0.2%，漂移 20 ppm/°C）、2.048 MHz 振荡器（精度 ±2.5%）；支持多器件同步（START 引脚）与菊花链级联，可扩展通道数量。

三、工作模式与功能原理

1. 核心架构

采用 “模拟输入→EMI 滤波器→输入多路选择器→低噪声 PGA→ΔΣ 调制器→数字抽取滤波器→SPI 输出” 架构，所有通道同步采样；集成故障检测 comparator、内部测试信号发生器，支持电源、温度等内部信号监测，适配工业复杂场景。

2. 主要工作模式

模式	核心配置	关键参数	适用场景
连续转换模式	持续同步采样，DRDY 周期性触发	采样率 1 kSPS-64 kSPS	实时电力监测、计量
单次转换模式	触发后单次同步采样，采样后停止	需重新触发启动下一次转换	低功耗间歇测量场景
故障检测模式	比较器监测输入超阈值，FAULT 寄存器反馈	阈值通过 COMP_TH [2:0] 可编程	工业设备过压 / 过流保护

3. 关键功能细节

• 模式控制 ：通过 CONFIG1 寄存器选择采样率与分辨率，START 引脚或命令触发转换；故障检测通过 FAULT 寄存器配置阈值，FAULT_STATP/FAULT_STATN 寄存器反馈各通道状态。
• 同步采样 ：所有通道共享同一时钟与采样控制，确保多通道信号时间对齐，满足电力系统电压 / 电流相位同步测量需求。
• 校准与测试 ：支持通道偏移校准（OFFSETCAL 命令），内置自测试信号（幅度 ±1/±2 mV，频率可编程），可监测电源、温度等内部信号。

四、应用场景与设计建议

1. 典型应用领域

• 断路器 / 继电器保护系统、单相 / 多相电能计量表、电池测试设备、工业数据采集系统、电力质量监测仪器。

2. 设计关键要点

• 电源设计 ：模拟与数字电源独立布线，每个 AVDD/DVDD 引脚就近并联 0.1 μF 陶瓷电容与 1 μF 钽电容；VCAP1 引脚需并联 22 μF 电容，确保内部基准源稳定。
• 输入与接地 ：模拟输入采用差分连接，串联 RC 低通滤波器（推荐 C0G/NPO 电容）；PCB 采用单点接地，模拟地与数字地在 ADC 处单点连接，减少地环路干扰。
• 布线与防护 ：模拟信号线远离数字信号线，避免工频噪声耦合；闲置模拟通道应断电并连接至 AVDD，闲置数字引脚通过 10 kΩ 电阻拉至 DGND；电流 / 电压采样需配合 burden 电阻或分压网络，确保输入在 ADC 量程内。
• 配置优化 ：电力计量场景选择 16 kSPS 采样率 + 增益 4，平衡精度与响应速度；多通道系统采用菊花链级联，减少 SPI 接口引脚数量；启用内部基准源（2.4 V/4 V 可选），降低系统复杂度。