ADS131A0x 2/4 通道 24 位同步采样 ADC 核心信息总结

ADS131A02和ADS131A04器件是双通道和四通道、同步采样、24位、三角积分（ΔΣ）、模数转换器（ADC）。宽动态范围、可扩展数据速率高达 128 kSPS 以及内部故障监控器，使ADS131A02或ADS131A04成为能源监控、电网保护和控制应用设计时的理想选择。ADC输入可以独立直接连接到电阻分压器网络、电流互感器或罗氏线圈，以测量电压或电流。提供灵活的电源选项，包括内部负电荷泵，可最大限度地提高高动态范围应用的有效分辨率。
*附件：ads131a04.pdf

提供异步和同步主从接口选项，在单个系统中链接多个器件时提供ADC配置灵活性。可以在接口上启用多个接口检查、ADC启动检查和数据完整性检查，以报告ADC中和数据传输期间的错误。

完整的模拟前端 （AFE） 解决方案采用 32 引脚 TQFP 封装，额定工作温度范围为 –40°C 至 +125°C。

特性

• 2 或 4 个同步采样差分输入
• 数据速率高达 128 kSPS
• 高性能：
  • 单通道精度：在 10,000：1 动态范围下优于 0.1%
  • 有效分辨率：8 kSPS 时为 20.6 位
  • 总谐波扰：50 Hz 和 60 Hz 时为 –100 dB
• 集成负电荷泵允许绝对输入电压低于地
• 灵活的模拟电源作：
  • 使用负电荷泵：3.0 V 至 3.45 V
  • 单极电源：3.3 V 至 5.5 V
  • 双极电源：±2.5 V
• 数字电源：1.65 V 至 3.6 V
• 低漂移内部基准电压源：6 ppm/°C
• ADC自检
• 通信中的循环冗余校验 （CRC） 和汉明码纠错
• 多种SPI数据接口模式：
  • 异步中断
  • 同步主从机
• 封装：32引脚TQFP
• 工作温度范围：
  –40°C 至 +125°C
  参数
  
  方框图

ADS131A0x 系列（含 2 通道 ADS131A02 与 4 通道 ADS131A04）是德州仪器推出的 24 位 ΔΣ 型模数转换器（ADC），支持同步采样，最高采样速率 128 kSPS，采用 32 引脚 TQFP 封装（5.0 mm×5.0 mm），工作温度范围–40°C 至 + 125°C，兼具高精度、灵活供电与多重数据完整性保护特性，专为电能计量、断路器、电池测试设备、电池管理系统及数据采集系统等工业与能源监测场景设计。

一、核心特性与关键参数

1. 基础性能

• 通道与采样：2/4 个差分输入通道，同步采样无相位偏差；24 位分辨率，采样速率 1 kSPS 至 128 kSPS 可调，支持 1/2/4/8/16 倍数字增益配置，适配不同幅值信号采集。
• 精度与动态性能：动态范围最高 115 dB（AVDD–AVSS=5 V 时），THD 低至–100 dB（50 Hz/60 Hz），积分非线性（INL）最大 20 ppm；直流漂移优异，失调漂移典型值 2.5 μV/°C，增益漂移典型值 0.5 ppm/°C，共模抑制比（CMRR）100 dB（50 Hz/60 Hz），电源抑制比（PSRR）80 dB-105 dB，抗干扰能力强。
• 噪声特性：8 kSPS 时有效分辨率 20.6 bits，输入参考噪声低至 1.66 μVrms（4 V 参考电压），通过调整过采样率（OSR 32-4096）可灵活平衡噪声与采样速率。

2. 核心功能

• 灵活供电与输入：支持单极性（3.3 V-5.5 V）、双极性（±2.5 V）供电，集成负压电荷泵，可接收低于地电位的输入信号（最低–1.5 V）；输入阻抗 130 kΩ（fMOD=4.096 MHz），兼容电阻分压网络、电流互感器（CT）、罗氏线圈等直接输入。
• 时钟与滤波：内置 3 阶 sinc 数字滤波器，过采样率（OSR）可编程，滤除带外噪声；支持外部时钟输入或晶体振荡（推荐 16.384 MHz 晶体），时钟分频可配置，适配不同系统时序需求。
• 数据完整性保护：集成汉明码纠错（单比特纠错、多比特检错）与 CRC-16 校验功能，支持固定 / 动态帧格式，搭配看门狗定时器，降低数据传输与设备运行风险。

3. 功耗与可靠性

• 功耗特性：高分辨率模式下，ADS131A02 典型功耗 12.5 mW，ADS131A04 典型功耗 15.8 mW；低功耗模式功耗可低至 4.6 mW（ADS131A02），支持待机模式进一步降低功耗。
• 工作条件：ESD 防护 ±1000 V（人体模型）、±500 V（器件充电模型）；结温最高 150°C，结到环境热阻 77.5 °C/W，适应恶劣工业环境。
• 基准与校准：内置低漂移电压基准（6 ppm/°C），支持 2.442 V/4.0 V 两种输出，也可外接参考源；具备输入超量程检测功能，阈值可编程。

二、核心功能解析

1. 采样与滤波

• 同步采样：多通道同时采样，无时间偏差，确保功率计算等场景中电压与电流信号的相位一致性。
• 数字滤波：3 阶 sinc 滤波器通过过采样率（OSR）调整噪声抑制效果，OSR 越高噪声越低但采样速率越低，例如 OSR=4096 时采样率 1 kSPS，噪声最优；OSR=32 时采样率 128 kSPS，响应速度最快。

2. 供电与输入扩展

• 供电配置：单极性供电时可启用负压电荷泵，实现低于地电位的信号采集；双极性供电时直接支持宽范围差分输入，无需额外电平转换。
• 输入保护：内置 ESD 防护电路，输入电压范围兼容 AVSS–1.65 V 至 AVDD+0.3 V（电荷泵启用时），可直接连接传感器或信号调理电路，简化前端设计。

3. 接口与数据完整性

• SPI 接口灵活配置：支持异步中断、同步主机 / 从机三种 SPI 模式，可通过 M0/M1/M2 引脚硬件配置接口模式、数据位宽（16/24/32 位）及汉明码使能，支持多器件级联扩展通道数。
• 多重保护机制：汉明码纠正单比特传输错误，CRC-16 校验检测多比特错误；看门狗定时器防止设备无响应，状态寄存器实时反馈命令错误、SPI 故障、超量程等异常。

三、应用场景

适用于商业 / 住宅电能表、断路器保护、电池充放电测试、电池管理系统（BMS）、工业数据采集系统等对同步采样、高精度与抗干扰能力有严格要求的场景，尤其适配需要同时测量电压与电流的功率计算应用。

四、封装与订购信息

• 封装规格：32 引脚 TQFP（PBS 封装），引脚间距 0.5 mm，符合 RoHS 标准，引脚镀层为 NIPDAU，MSL 等级 2（260°C 峰值回流，1 年湿敏等级）。
• 订购型号：量产型号包括 ADS131A02IPBS（2 通道，250 个 / 托盘）、ADS131A04IPBSR（4 通道，1000 个 / 卷带）等，提供托盘与卷带两种包装方式，适配不同生产需求。

五、设计与使用建议

1. 电源与基准

• 供电设计：模拟电源（AVDD/AVSS）与数字电源（IOVDD/GND）需独立供电，就近配置 1 μF 去耦电容；启用电荷泵时，VNCP 引脚需外接 270 nF 电容至 AVSS，确保负压稳定。
• 基准配置：优先使用内置基准（2.442 V/4.0 V），外接基准时需在 REFEXT 引脚并联低噪声电容（推荐 1 μF+0.1 μF），限制基准带宽低于 10 Hz 以降低噪声。

2. 输入与滤波

• 输入配置：支持伪差分与全差分输入， unused 模拟通道直接接 AVSS；输入信号需控制在额定范围，超压场景可添加外部钳位二极管或限流电阻。
• 抗混叠滤波：前端建议添加 RC 抗混叠滤波器（推荐截止频率 295 kHz），避免高频信号混叠，确保采样精度。

3. 接口与同步

• 多器件扩展：通过 DONE 引脚级联多片设备，主设备可配置为异步中断或同步主机模式，从设备均配置为同步从机模式，实现多通道同步采样。
• 数据传输：启用 CRC 与汉明码功能提升数据可靠性；SPI 通信需遵循 CPOL=0、CPHA=1 模式，确保时序匹配。

4. 布局规范

• 分区布局：模拟电路、数字电路与电源电路分区布线，采用单接地平面，避免地环路；模拟信号走线远离时钟等高速数字信号，减少耦合干扰。
• 器件放置：去耦电容、基准电容紧邻对应引脚，晶体振荡器与 ADC 时钟引脚近距离连接，缩短走线长度，降低时钟抖动。

六、关键设计要点

• 寄存器配置：通过 SPI 命令配置时钟分频、过采样率、增益与电荷泵使能，上电后需发送 UNLOCK 命令解锁接口，配置完成后可锁定寄存器防止误操作。
• 校准与初始化：建议上电后等待基准稳定（约 1.2 ms），必要时执行偏移与增益校准；同步多器件时，通过 DRDY 信号同步采样时序，确保通道一致性。
• 功耗优化：闲置时可进入待机模式，关闭未使用通道，低速率场景选用高 OSR 配置，平衡精度与功耗。