AFE781H1技术文档总结

16 位 AFE881H1 和 14 位 AFE781H1 （AFEx81H1） 是高度集成、高精度、极低功耗的数模转换器 （DAC），其电压输出专为支持 HART 的传感器-发射器应用而设计。

AFEx81H1 器件包括设计 4 mA 至 20 mA、2 线（环路供电）传感器发射器所需的大部分组件。除了高精度DAC外，这些器件还包括HART认证的FSK调制解调器、10 ppm/°C基准电压源和诊断模数转换器（ADC）。为了满足本质和功能安全问题，需要外部电压到电流转换和功率调节。
*附件：afe781h1.pdf

内部诊断ADC复用到多个内部节点，从而实现自动自我健康检查。如果从诊断ADC、CRC帧错误检查或窗口看门狗定时器检测到任何故障，器件可以选择发出中断，进入与标准NAMUR输出值或用户指定的自定义值相对应的故障安全状态，或两者兼而有之。

这些器件采用低至 1.71 V 的电源供电，最大静态电流为 220 μA。这些器件的额定温度范围为–40°C至+125°C，但工作温度范围为–55°C至+125°C。

特性

• 低静态电流：180 μA（典型值）
• 符合 HART 标准的物理层调制解调器
• 16位或14位单调高性能DAC
  • 1.8V 电源：0.15 V 至 1.25 V、0.2 V 至 1.0 V
  • 5V 电源：0.3 V 至 2.5 V、0.4 V 至 2.0 V
  • 16 位时的 4-LSB INL
  • 0.07% FSR（最大）TUE，–40°C 至 +125°C
• 用于高级诊断的 12 位 3.84kSPS ADC
• 集成 1.25V 基准电压源，电流为10 ppm/°C（最大值）
• 内部1.2288MHz振荡器，带时钟输出
• 数字接口
  • 串行外设接口 （SPI）：DAC 和 HART 的共享总线
  • 通用异步接收-发射器 （UART）：DAC 和 HART 的共享总线
  • 两者：用于 DAC 的 SPI 和用于 HART 的 UART
• 故障检测：CRC位错误检查、窗口看门狗定时器、诊断ADC
• 数字DAC压摆率控制
• 宽工作温度：–55°C 至 +125°C

参数

方框图

一、产品概述

AFE781H1 与 AFE881H1（统称 AFEx81H1）是德州仪器推出的 集成 HART® 调制解调器的高精度低功耗数模转换器（DAC） ，专为 4mA20mA 回路供电的工业传感器变送器设计。两款器件在保留 AFEx8101 核心功能（高精度 DAC、诊断 ADC、电压基准）的基础上，新增 HART 协议物理层支持，适用于需要远程通信与参数配置的过程控制场景，均采用 4mm×4mm 24 引脚 UQFN 封装，支持 - 55125°C 宽温工作，其中 AFE881H1 为 16 位分辨率 ， AFE781H1 为 14 位分辨率 。

二、核心特性

（一）高精度与低功耗基础性能

• DAC 性能 ：AFE881H1（16 位）总未调整误差（TUE）最大 0.07% FSR（-40125°C），积分非线性（INL）最大 4LSB；AFE781H1（14 位）微分非线性（DNL）最大 1LSB，支持增益（0.51.499985 倍）与偏移（2's 补码）校准，确保长期稳定性；
• 低功耗运行 ：静态电流典型值 180μA（PVDD 供电，HART 禁用），HART 发送模式电流增加 10μA，适配回路供电场景下的低功耗要求；
• 宽供电范围 ：支持 1.715.5V 供电，1.711.89V 低压模式下内部 LDO 禁用（需 PVDD 与 VDD 短接），2.7~5.5V 高压模式下内部 LDO 自动启动，为内核提供 1.8V 稳定电压。

（二）HART® 调制解调器核心功能

1. 协议兼容性
   • 符合 HART FSK（频移键控）标准，支持 1200Hz（Mark）/2200Hz（Space）载波频率，频率误差 ±1%（-40~125°C），支持半双工 / 全双工模式；
   • 接收灵敏度 80120mVpp（典型 100mVpp），发送输出幅度 400800mVpp（可编程），支持内部 / 外部带通滤波，适配工业现场噪声环境。
2. 通信架构
   • 集成 32×9 位发送 FIFO（FIFO_U2H）与接收 FIFO（FIFO_H2U），支持数据暂存与突发传输，避免通信中断；
   • 提供载波检测（CD）、请求发送（RTS）、清除发送（CTS）硬件引脚，支持总线仲裁，防止多设备通信冲突；
   • 支持 SPI（最高 12.5MHz）与 UART（9600/1200 波特率）双接口，可配置 “SPI 控制 DAC+UART 传输 HART” 或 “UBM（UART Break 模式）单接口”，兼容 legacy 系统设计。

（三）诊断与功能安全设计

1. 多维度故障监测
   • 诊断 ADC ：12 位 3.84kSPS SAR ADC，可监测 2 路外部输入（AIN0/AIN1）及 8 路内部节点（PVDD、VDD、VOUT、温度传感器等），支持超限告警与故障定位；
   • HART 链路诊断 ：内置间隙误差（>11 位时）、帧错误、奇偶校验错误检测，FIFO 溢出 / 空告警，确保通信可靠性；
   • 基础故障防护 ：保留 CRC 帧校验（多项式x8**+x2**+ x + 1 ）、窗口看门狗定时器（WDT，53ms~5.12s 超时）、基准电压异常（±5%）、温度超限（85°C 警告 / 130°C 错误）检测。
2. 告警响应机制
   • 故障触发时可配置 DAC 输出告警电压（如 0.15V/1.25V）、进入 CLEAR 状态或高阻模式，ALARM 引脚（开漏输出）同步输出告警信号；
   • 支持 HART 通信中断告警，可通过 IRQ 引脚或 UBM 帧上报故障状态，符合工业设备功能安全需求。

（四）灵活的输出与控制

• DAC 输出范围 ：低压模式（1.8V 供电）为 0.151.25V（全量程）/0.21.0V（窄量程），高压模式（≥2.7V 供电）为 0.32.5V（全量程）/0.42.0V（窄量程），配合电压 - 电流转换器可实现 3~25mA 回路电流输出（4mA 对应 0.4V，20mA 对应 2.0V）；
• 可编程压摆率 ：支持线性 / 正弦压摆率控制，步长（1128 码）与时钟速率（2400Hz307.2kHz）可调，避免输出突变导致的回路电流冲击；
• CLEAR 状态 ：通过引脚（SDI）、寄存器或告警触发 DAC 快速切换至预设 CLEAR 码（DAC_CLR_CODE），适用于紧急故障下的安全输出控制。

三、器件信息

（一）型号差异与封装

型号	分辨率	核心差异	封装	工作温度
AFE781H1	14 位	14 位 DAC，HART 接收灵敏度 120mVpp	24 引脚 UQFN（4mm×4mm）	-55~125°C
AFE881H1	16 位	16 位 DAC，HART 接收灵敏度 80mVpp	同规格 UQFN	-55~125°C

（二）热学特性

热参数	24 引脚 UQFN（RRU 封装）	单位
结到环境热阻（RθJA）	103.1	°C/W
结到顶部外壳热阻（RθJC (top)）	84.4	°C/W
结到板热阻（RθJB）	69.5	°C/W
结到顶部特征参数（ΨJT）	0.4	°C/W
结到板特征参数（ΨJB）	68.4	°C/W

四、电气规格

（一）HART 调制解调器关键参数（TA=25°C，PVDD=3.3V）

参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
接收灵敏度	内部滤波，1200/2200Hz	80	100	120	mVpp
发送输出幅度	MOD_OUT 引脚，160Ω 负载	400	500	800	mVpp
载波检测时间	1200Hz 载波输入	—	3	—	波特
频率误差	TA=-40~125°C	—	—	±1	%
发送阻抗	RTS 低电平，1mA 测试电流	—	25	—	mΩ
接收阻抗	RTS 高电平，±200nA 测试电流	—	50	—	kΩ

（二）DAC 与 ADC 核心参数（TA=-40~125°C，VREF=1.25V）

参数	AFE881H1（16 位）	AFE781H1（14 位）	测试条件
DAC 总未调整误差（TUE）	最大 0.07% FSR	—	全温度范围，无负载
DAC 积分非线性（INL）	最大 4LSB	最大 4LSB	增益 = 1×，全输出范围
ADC 分辨率	—	—	12 位，3.84kSPS
ADC 偏移误差（校准后）	—	—	±1.6LSB，AIN0 输入
温度传感器精度	—	—	±5°C，-40~125°C

（三）电源与基准特性

参数	条件	典型值	单位
内部基准电压	TA=25°C	1.25	V
基准温度系数	TA=-40~125°C	10	ppm/°C
PVDD 静态电流	DAC 零码，HART 禁用	180	μA
HART 发送电流	MOD_OUT 输出 500mVpp	10	μA
VDD LDO 输出电压	PVDD=3.3V	1.8	V

五、功能模块详解

（一）HART® 调制解调器模块

1. 架构与工作模式
   • 发送路径 ：数据经 SPI/UART 写入发送 FIFO（FIFO_U2H），调制器通过查找表（LUT）生成 32/128 步正弦波，实现 1200Hz（逻辑 1）/2200Hz（逻辑 0）FSK 输出，支持输出幅度（400~800mVpp）与分辨率（32/128 步 / 周期）可编程；
   • 接收路径 ：外部 HART 信号经 RX_IN（内部滤波）或 RX_INF（外部滤波）输入，解调后存入接收 FIFO（FIFO_H2U），支持载波检测（CD）与自动增益控制，确保弱信号稳定接收；
   • 双工模式 ：默认半双工（通过 RTS/CTS 控制收发切换），支持内部全双工（MOD_OUT 与 RX_INF 内部短接，用于自检）与外部全双工（外部短接，用于系统测试）。
2. FIFO 与通信控制
   • 发送 FIFO（FIFO_U2H）与接收 FIFO（FIFO_H2U）均为 32×9 位（8 位数据 + 1 位奇偶校验），支持水位阈值告警（如 FIFO_U2H 低于阈值时触发 IRQ），避免数据溢出 / 空；
   • 通信仲裁：通过 RTS 引脚（硬件）或 MODEM_CFG.RTS 位（软件）请求发送，CD 引脚检测总线空闲状态，仅当总线无载波时才允许发送，防止冲突。

（二）DAC 与 ADC 核心模块

1. DAC 功能增强
   • 架构与 AFEx8101 一致（电阻串架构 + 输出缓冲器），支持线性 / 正弦压摆率控制，步长（1128 码）与时钟速率（2400Hz307.2kHz）可调，压摆时间计算公式为：Slew****Tim e =Sle**wSte p ×SlewClockRateDeltaCodeChange**​；
   • CLEAR 状态：可通过引脚（SDI，UBM 模式）、寄存器（DAC_CFG.CLR）或告警触发，输出预设 CLEAR 码（DAC_CLR_CODE），范围由 DAC_CFG.CLR_RANGE 独立控制，适配故障场景下的安全输出。
2. ADC 诊断功能
   • 支持直接模式（单次触发）与自动模式（连续循环），通过 ADC_INDEX_CFG 配置转换序列（如 OFFSET→AIN0→温度→VREF→VOUT），默认转换所有 8 路内部节点 + 2 路外部输入；
   • 新增 HART 链路监测：ADC 可间接监测 MOD_OUT 输出电压（通过 SD4 通道），判断 HART 发送是否正常，结合 FIFO 状态（如 FIFO_H2U_EMPTY_FLAG）实现通信故障诊断。

（三）通信接口与控制

1. 多接口灵活配置
   • SPI 模式 ：4 线接口（CS、SCLK、SDI、SDO），时钟最高 12.5MHz，默认启用 CRC-8 校验，支持读取 HART FIFO 与配置寄存器，适用于高速控制场景；
   • UART 模式 ：支持 9600 波特率（UBM 模式，用于寄存器访问）与 1200 波特率（HART 通信），UBM 模式下通过 “Break 字符 + 数据帧” 实现寄存器读写，可与 HART 数据 interleaving 传输；
   • SPI+UART 混合模式 ：SPI 配置 DAC/ADC，UART 传输 HART 数据，兼容离散 HART 架构的固件复用，减少开发成本。
2. 中断与状态监测
   • 新增 MODEM_STATUS 寄存器，记录 HART 通信状态（如 CD_ASSERT、FIFO_LEVEL_FLAG、GAP_ERR），支持 IRQ 引脚（可配置为 UARTOUT 或 SDO）上报，减少 CPU 轮询开销；
   • 支持内存内置自测试（MBIST），用于校验 FIFO SRAM 完整性，测试结果通过 GEN_STATUS.MBIST_DONE/MBIST_FAIL 上报。

六、典型应用场景

（一）HART®-enabled 4mA~20mA 变送器

• 应用架构 ：AFEx81H1 输出 0.32.5V（高压模式），经 OPA333 运算放大器与 NPN 三极管组成电压 - 电流转换器，将电压转换为 325mA 电流（4mA 对应 0.4V，20mA 对应 2.0V）；HART 信号通过 MOD_OUT 耦合至电流回路，实现远程参数配置（如量程校准）与故障上报；
• 关键器件 ：采用 TPS60402 作为隔离 DC/DC（提供 3.3V 隔离电源），ISO7021/ISO7041 实现数字信号隔离，TLVH431B 作为分流调节器，确保回路电流稳定；
• 通信流程 ：主机通过 HART 协议发送命令，AFEx81H1 接收后存入 FIFO_H2U，MCU 读取 FIFO 数据并执行相应操作（如修改 DAC 输出），结果通过 FIFO_U2H 回传主机。

（二）工业传感器远程监测

• 压力 / 温度变送器 ：传感器信号经放大后送入 MCU，MCU 通过 SPI 配置 AFEx81H1 的 DAC 输出对应电流；HART 模块支持远程读取传感器数据（如实时温度）、修改采样率、校准零点 / 量程，减少现场维护成本；
• 故障诊断 ：ADC 监测 PVDD、VREF、VOUT 等节点，若发现异常（如 VREF 超差），触发 DAC 输出 3.375mA（故障低）或 21.75mA（故障高），同时通过 HART 上报故障类型（如 “VREF 故障”）。