ADE7912/ADE7913：带SPI接口的3通道隔离式Σ - Δ型ADC深度解析

在电子设计领域，高精度、可靠的模数转换器（ADC）是众多应用的核心组件。今天，我们就来深入探讨一款性能卓越的ADC——ADI公司的ADE7912/ADE7913，它在三相电能计量、电能质量监测等领域有着广泛的应用。

文件下载：ADE7913ARIZ.pdf

产品特性亮点

多通道与高精度

ADE7912集成两个24位ADC，而ADE7913集成三个24位ADC，能够实现多通道同步采样。电流通道峰值输入范围为±31.25 mV，电压通道峰值输入范围为±500 mV，在3 kHz信号带宽内，电流ADC可提供67 dB信噪比，电压ADC可提供72 dB信噪比，为高精度测量提供了保障。

集成隔离与电源

集成isoPower隔离式DC - DC转换器，基于ADI公司的iCoupler技术，无需外部DC/DC隔离模块，不仅提供了小尺寸、完全隔离的解决方案，还能为第一级ADC提供调节电源。同时，芯片内还集成了温度传感器，方便进行温度监测。

通信与时钟

采用四线式SPI串行接口，方便与微控制器进行通信。单个晶振或外部时钟最多可为4个ADE7912/ADE7913器件提供时钟，并且多个器件可以同步，以便在同一时刻进行采样，提供相干输出。

封装与安全

采用20引脚宽体SOIC封装，爬电距离为8.3 mm，工作温度范围为−40°C至+85°C，同时正在申请UL、CSA、VDE等安全和法规认证，确保在恶劣环境下的可靠运行。

技术规格剖析

模拟输入特性

• 信号电压范围：伪差分信号电压范围在不同引脚组合下有所不同，如IP和IM引脚之间为±31.25 mV峰值，V1P和VM引脚之间以及V2P和VM引脚之间为±500 mV峰值。
• 输入阻抗：IP、IM、V1P和V2P引脚至GNDISO的输入阻抗（DC）为480 kΩ，VM引脚为240 kΩ。
• 串扰：当V1P和V2P输入为满量程时，IP和IM输入设为0 V (GNDISO)，串扰可达−90 dB；在其他满量程输入组合下，串扰可达−105 dB。

电气性能参数

• 失调误差与温漂：电流通道ADC失调误差为−2 mV，电压通道ADC失调误差为−35 mV（V2通道仅适用于ADE7913），ADC失调温漂为−500 + 500 ppm/°C（仅V1通道）。
• 增益误差与温漂：增益误差为−4 + 4 %，电流通道增益温漂为−135 + 135 ppm/°C，V1和V2通道增益温漂为−65 + 65 ppm/°C。
• 电源抑制比：交流电源抑制（PSR）为−90 dB，直流电源抑制（PSR）为−80 dB。

时钟与时序特性

• 时钟频率：输入时钟频率CLKIN范围为3.6 - 4.21 MHz，典型值为4.096 MHz。
• SPI接口时序：CS至SCLK正边沿时间tSS最小值为50 ns，SCLK频率范围为250 - 5600 kHz等。

工作原理详解

模拟输入

ADE7913具有三路模拟输入，包括一个电流通道和两个电压通道；ADE7912没有第二电压通道。电流通道支持最大差分信号为±31.25 mV，电压通道相对于VM的最大输入电压为±500 mV。

模数转换

采用三个二阶Σ - Δ型ADC，由Σ - Δ型调制器和数字低通滤波器组成，其间通过数字隔离模块隔离。Σ - Δ型调制器以CLKIN/4的速率将输入信号转换成连续串行流，数字低通滤波器对大量样本进行平均，产生与输入信号电平成比例的24位数据字。通过过采样和噪声整形技术，提高了目标带宽的信噪比。

基准电压电路

REF引脚处的基准电压标称值为1.2 V，由于片内DC - DC转换器无法为外部负载供电，因此REF引脚不能用外部独立基准电压源过载。

ADC输出值的CRC

在每个输出周期，ADE7912/ADE7913会计算IWV、V1WV和V2WV寄存器中存储的ADC输出值的循环冗余校验（CRC），CRC算法基于CRC - 16 - CCITT算法。

应用信息与设计要点

三相电表应用

ADE7912/ADE7913设计用于三相电能计量系统，一个带SPI接口的主器件（通常是微控制器）管理多个ADE7912/ADE7913器件。可以采用不同的配置方式，如使用一个晶振为所有器件提供时钟，或者由微控制器产生时钟信号。在三相电表中，通过分流电阻检测电流，电阻分压器检测电压。

时钟设计

可以在XTAL1和XTAL2引脚上连接一个4.096 MHz晶振为器件提供时钟，也可以在XTAL1引脚提供数字时钟信号。晶振的负载电容与XTAL1和XTAL2引脚的总电容相关，需要合理选择电容值。

SPI接口通信

ADE7912/ADE7913是SPI通信从机，支持读、写和突发模式读操作。在数据传输过程中，CS输入必须全程保持低电平，数据在SCLK的下降沿移入和移出，最高有效位优先。

同步多个器件

为了使所有ADE7912/ADE7913器件提供相干的ADC输出样本，需要确保它们具有相同的ADC输出频率，并通过广播写操作向SYNC_SNAP寄存器写入值0x01来同步ADC输出周期。同时，可以通过锁存计数器的值来衡量同步情况，对于不同步的器件，可以重新计算计数器的起始值来实现同步。

电源管理

DC - DC转换器部分工作原理与现代电源类似，VDD为振荡电路提供电源，通过芯片级空芯变压器传输到副边，经整流后成为3.3 V直流电压，再通过2.5 V LDO稳压器提供给ADC部分。通过EMI_CTRL寄存器可以降低DC - DC转换器产生的辐射。

布局布线指南

在PCB布局布线时，要注意去耦电容的放置，如VDD引脚和GND引脚之间、VDDISO引脚和GNDISO引脚之间等都需要放置合适的电容。晶振负载电容要尽可能靠近器件放置，底层要将原边地扩展到器件和相关电路下方，并且电路板输入引脚与原边接地层之间要保持一定距离。

总结

ADE7912/ADE7913凭借其多通道、高精度、集成隔离和电源等特性，在三相电能计量、电能质量监测等领域具有很大的优势。在实际设计中，我们需要根据具体应用场景，合理选择器件，注意时钟设计、SPI通信、同步操作、电源管理和布局布线等方面的要点，以充分发挥其性能。你在使用ADE7912/ADE7913的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。