发布时间：2026-02-15 01:40:11 人气：
采用 16 位 ADC 的隔离式高精度模拟输入模块设计方案
采用16位ADC的隔离式高精度模拟输入模块设计方案
本方案基于16位逐次逼近寄存器（SAR）型ADC，结合数字隔离技术实现高精度模拟信号采集，同时满足电气隔离需求。核心设计要点如下：
一、核心器件选型主ADC芯片
ADS8688A：16位分辨率，支持双极性输入范围，采样率500kSPS，提供4/8通道可选配置，支持菊花链扩展至16路输入。
替代方案：ADS8668（12位ADC+前端增益放大器，适用于低成本动态范围扩展场景）。
数字隔离器
ISOW7841：集成电源转换器的增强型数字隔离器，支持5.7kVRMS隔离耐压，输出电流>60mA，效率≥45%，可同时传输信号与隔离电源。
替代方案：ISO7841（高性能四通道数字隔离器，需外接电源）。
信号调理电路
仪表放大器：INA333（零漂移、低功耗精密运放，适用于微弱信号调理）。
运算放大器：OPA320/OPA322（20MHz带宽、RRIO输出、低噪声运放，用于信号缓冲与电平转换）。
电压基准：REF5040（低噪声、极低漂移基准源，为ADC提供稳定参考电压）。
保护器件
负载开关：TPS22944（5.5V/0.2A限流开关，防止输出过载损坏电路）。
MOSFET：CSD17571Q2（30V N沟道功率MOSFET，用于输入级保护）。
二、系统架构设计信号采集路径
模拟输入信号经INA333仪表放大器调理后，通过OPA320运放进行电平转换与缓冲。
调理后的信号送入ADS8688A的模拟输入通道，支持软件可编程输入范围（±10V、±5V等）。
ADC采样结果通过SPI接口传输至数字隔离器ISOW7841。
隔离与电源设计
ISOW7841实现SPI信号隔离，同时为隔离侧电路提供稳定电源（输出电流>60mA）。
隔离侧电源采用LM27762开关电容电压逆变器生成负电压，满足双极性输入需求。
故障检测与保护
ADC辅助通道监测数字隔离器电源输出，实现供电故障诊断。
TPS22944负载开关在输出过载时切断电源，保护后级电路。
采样数据通过TLV3012比较器实时监测过压/欠压状态，触发报警。
三、关键性能指标精度参数
有效位数（ENOB）：>14.9位（AC模拟输入模块）。
信噪比（SNR）：>91dB。
总谐波失真（THD）：<-110dB。
隔离特性
隔离耐压：5.7kVRMS（ISOW7841）。
工作温度范围：-40℃至+125℃（工业级器件）。
输入范围与动态扩展
支持双极性输入（±10V、±5V等），通过软件配置实现多量程切换。
12位ADC+前端增益放大器方案可扩展低电压传感器动态范围。
四、设计优化建议成本优化
简化设计：采用ADS8668+前端增益放大器替代16位ADC，降低器件成本。
器件复用：通过菊花链扩展实现多通道采集，减少ADC数量。
可靠性增强
冗余设计：关键信号路径采用双通道隔离器备份。
温度监测：集成LMT70精密温度传感器，实现环境温度补偿。
电磁兼容性（EMC）
布局优化：隔离器件与模拟电路分区布局，减少数字噪声耦合。
滤波设计：在ADC输入端添加RC滤波网络，抑制高频干扰。
五、应用场景电力系统保护
符合IEC 61850-9-2采样标准，适用于智能变电站模拟量采集。
快速故障检测（<10ms响应时间），提升继电保护可靠性。
工业自动化
电机驱动控制：高精度电流/电压监测，实现闭环控制。
传感器接口：兼容PT100、应变片等工业传感器信号调理。
医疗设备
生理信号采集：低噪声设计满足ECG、EEG等微弱信号检测需求。
隔离安全：防止患者与设备地电位差导致的电击风险。
本方案通过16位ADC与数字隔离技术的结合，实现了高精度、高可靠性的模拟信号采集，适用于对性能与安全性要求严苛的工业场景。
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