ADE7912/ADE7913：帶SPI接口的3通道隔離式Σ - Δ型ADC深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高精度、可靠的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是眾多應(yīng)用的核心組件。今天，我們就來(lái)深入探討一款性能卓越的ADC——ADI公司的ADE7912/ADE7913，它在三相電能計(jì)量、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

文件下載：ADE7913ARIZ.pdf

產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

多通道與高精度

ADE7912集成兩個(gè)24位ADC，而ADE7913集成三個(gè)24位ADC，能夠?qū)崿F(xiàn)多通道同步采樣。電流通道峰值輸入范圍為±31.25 mV，電壓通道峰值輸入范圍為±500 mV，在3 kHz信號(hào)帶寬內(nèi)，電流ADC可提供67 dB信噪比，電壓ADC可提供72 dB信噪比，為高精度測(cè)量提供了保障。

集成隔離與電源

集成isoPower隔離式DC - DC轉(zhuǎn)換器，基于ADI公司的iCoupler技術(shù)，無(wú)需外部DC/DC隔離模塊，不僅提供了小尺寸、完全隔離的解決方案，還能為第一級(jí)ADC提供調(diào)節(jié)電源。同時(shí)，芯片內(nèi)還集成了溫度傳感器，方便進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。

通信與時(shí)鐘

采用四線式SPI串行接口，方便與微控制器進(jìn)行通信。單個(gè)晶振或外部時(shí)鐘最多可為4個(gè)ADE7912/ADE7913器件提供時(shí)鐘，并且多個(gè)器件可以同步，以便在同一時(shí)刻進(jìn)行采樣，提供相干輸出。

封裝與安全

采用20引腳寬體SOIC封裝，爬電距離為8.3 mm，工作溫度范圍為?40°C至+85°C，同時(shí)正在申請(qǐng)UL、CSA、VDE等安全和法規(guī)認(rèn)證，確保在惡劣環(huán)境下的可靠運(yùn)行。

技術(shù)規(guī)格剖析

模擬輸入特性

• 信號(hào)電壓范圍：偽差分信號(hào)電壓范圍在不同引腳組合下有所不同，如IP和IM引腳之間為±31.25 mV峰值，V1P和VM引腳之間以及V2P和VM引腳之間為±500 mV峰值。
• 輸入阻抗：IP、IM、V1P和V2P引腳至GNDISO的輸入阻抗（DC）為480 kΩ，VM引腳為240 kΩ。
• 串?dāng)_：當(dāng)V1P和V2P輸入為滿量程時(shí)，IP和IM輸入設(shè)為0 V (GNDISO)，串?dāng)_可達(dá)?90 dB；在其他滿量程輸入組合下，串?dāng)_可達(dá)?105 dB。

電氣性能參數(shù)

• 失調(diào)誤差與溫漂：電流通道ADC失調(diào)誤差為?2 mV，電壓通道ADC失調(diào)誤差為?35 mV（V2通道僅適用于ADE7913），ADC失調(diào)溫漂為?500 + 500 ppm/°C（僅V1通道）。
• 增益誤差與溫漂：增益誤差為?4 + 4 %，電流通道增益溫漂為?135 + 135 ppm/°C，V1和V2通道增益溫漂為?65 + 65 ppm/°C。
• 電源抑制比：交流電源抑制（PSR）為?90 dB，直流電源抑制（PSR）為?80 dB。

時(shí)鐘與時(shí)序特性

• 時(shí)鐘頻率：輸入時(shí)鐘頻率CLKIN范圍為3.6 - 4.21 MHz，典型值為4.096 MHz。
• SPI接口時(shí)序：CS至SCLK正邊沿時(shí)間tSS最小值為50 ns，SCLK頻率范圍為250 - 5600 kHz等。

工作原理詳解

模擬輸入

ADE7913具有三路模擬輸入，包括一個(gè)電流通道和兩個(gè)電壓通道；ADE7912沒(méi)有第二電壓通道。電流通道支持最大差分信號(hào)為±31.25 mV，電壓通道相對(duì)于VM的最大輸入電壓為±500 mV。

模數(shù)轉(zhuǎn)換

采用三個(gè)二階Σ - Δ型ADC，由Σ - Δ型調(diào)制器和數(shù)字低通濾波器組成，其間通過(guò)數(shù)字隔離模塊隔離。Σ - Δ型調(diào)制器以CLKIN/4的速率將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)串行流，數(shù)字低通濾波器對(duì)大量樣本進(jìn)行平均，產(chǎn)生與輸入信號(hào)電平成比例的24位數(shù)據(jù)字。通過(guò)過(guò)采樣和噪聲整形技術(shù)，提高了目標(biāo)帶寬的信噪比。

基準(zhǔn)電壓電路

REF引腳處的基準(zhǔn)電壓標(biāo)稱值為1.2 V，由于片內(nèi)DC - DC轉(zhuǎn)換器無(wú)法為外部負(fù)載供電，因此REF引腳不能用外部獨(dú)立基準(zhǔn)電壓源過(guò)載。

ADC輸出值的CRC

在每個(gè)輸出周期，ADE7912/ADE7913會(huì)計(jì)算IWV、V1WV和V2WV寄存器中存儲(chǔ)的ADC輸出值的循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC），CRC算法基于CRC - 16 - CCITT算法。

應(yīng)用信息與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

三相電表應(yīng)用

ADE7912/ADE7913設(shè)計(jì)用于三相電能計(jì)量系統(tǒng)，一個(gè)帶SPI接口的主器件（通常是微控制器）管理多個(gè)ADE7912/ADE7913器件?？梢圆捎貌煌呐渲梅绞?，如使用一個(gè)晶振為所有器件提供時(shí)鐘，或者由微控制器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。在三相電表中，通過(guò)分流電阻檢測(cè)電流，電阻分壓器檢測(cè)電壓。

時(shí)鐘設(shè)計(jì)

可以在XTAL1和XTAL2引腳上連接一個(gè)4.096 MHz晶振為器件提供時(shí)鐘，也可以在XTAL1引腳提供數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)。晶振的負(fù)載電容與XTAL1和XTAL2引腳的總電容相關(guān)，需要合理選擇電容值。

SPI接口通信

ADE7912/ADE7913是SPI通信從機(jī)，支持讀、寫和突發(fā)模式讀操作。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，CS輸入必須全程保持低電平，數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿移入和移出，最高有效位優(yōu)先。

同步多個(gè)器件

為了使所有ADE7912/ADE7913器件提供相干的ADC輸出樣本，需要確保它們具有相同的ADC輸出頻率，并通過(guò)廣播寫操作向SYNC_SNAP寄存器寫入值0x01來(lái)同步ADC輸出周期。同時(shí)，可以通過(guò)鎖存計(jì)數(shù)器的值來(lái)衡量同步情況，對(duì)于不同步的器件，可以重新計(jì)算計(jì)數(shù)器的起始值來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。

電源管理

DC - DC轉(zhuǎn)換器部分工作原理與現(xiàn)代電源類似，VDD為振蕩電路提供電源，通過(guò)芯片級(jí)空芯變壓器傳輸?shù)礁边叄?jīng)整流后成為3.3 V直流電壓，再通過(guò)2.5 V LDO穩(wěn)壓器提供給ADC部分。通過(guò)EMI_CTRL寄存器可以降低DC - DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的輻射。

布局布線指南

在PCB布局布線時(shí)，要注意去耦電容的放置，如VDD引腳和GND引腳之間、VDDISO引腳和GNDISO引腳之間等都需要放置合適的電容。晶振負(fù)載電容要盡可能靠近器件放置，底層要將原邊地?cái)U(kuò)展到器件和相關(guān)電路下方，并且電路板輸入引腳與原邊接地層之間要保持一定距離。

總結(jié)

ADE7912/ADE7913憑借其多通道、高精度、集成隔離和電源等特性，在三相電能計(jì)量、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景，合理選擇器件，注意時(shí)鐘設(shè)計(jì)、SPI通信、同步操作、電源管理和布局布線等方面的要點(diǎn)，以充分發(fā)揮其性能。你在使用ADE7912/ADE7913的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。