AFE78201技术文档总结

16 位 AFE88201 和 14 位 AFE78201 （AFEx8201） 是高度集成、高精度、极低功耗的数模转换器 （DAC），具有专为过程控制和工业自动化应用而设计的电压输出。

AFEx8201 器件包括设计 4mA 至 20mA、3 线或 4 线传感器发射器或模拟输出模块所需的大部分组件。除了高精度DAC外，AFEx8201还集成了10ppm/°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，需要外部电压电流转换和功率调节。
*附件：afe78201.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。该检查能够检测内部偏置源、电源稳压器、基准电压源、DAC输出、芯片温度和可选外部电压源的错误或故障。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、进入用户指定的故障安全状态或两者兼而有之。

特性

• 低静态电流：170μA（典型值），210μA（最大值）
• 16位或14位单调高性能DAC
  • DAC输出范围：0V至2.5V
  • 数字DAC压摆率控制
  • 16位时为4LSB INL
  • 0.07% FSR（最大）TUE，–40°C 至 +125°C
• 12位3.84kSPS ADC，用于高级诊断
• 集成 1.25V 基准电压源，10ppm/°C（最大值）
• 内置1.2288MHz振荡器，带时钟输出
• 数字接口：
  • 串行外设接口 （SPI）
  • 通用异步接收-发射器 （UART）
• 故障检测：CRC位错误检查、窗口看门狗定时器、诊断ADC
• 宽工作温度：–55°C 至 +125°C

参数

方框图

一、产品概述

AFE78201 与 AFE88201（统称 AFEx8201）是德州仪器推出的 高精度低功耗数模转换器（DAC） ，专为工业过程控制场景设计，适用于 3 线 / 4 线传感器变送器、PLC/DCS 模拟输出模块及 4mA20mA 回路供电应用。两款器件核心功能一致，仅分辨率差异： AFE88201 为 16 位 ， AFE78201 为 14 位 ，均采用 4mm×4mm 24 引脚 UQFN 封装，支持 - 55125°C 宽温工作，在保留 AFEx8101/81H1 高精度特性基础上，强化 GPIO 灵活性与寄存器自测试功能，适配多通道工业模拟输出需求。

二、核心特性

（一）高精度与低功耗基础性能

• DAC 性能 ：输出范围固定为 02.5V，AFE88201（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；AFE78201（14 位）微分非线性（DNL）最大 1LSB，支持增益（0.5~1.499985 倍）与偏移（2's 补码）校准，确保长期稳定性（1000 小时漂移 ±5ppm FSR）；
• 低功耗运行 ：静态电流典型值 170μA（PVDD=3.3V，DAC 零码），最大 210μA，适配工业低功耗场景；
• 宽供电范围 ：支持 2.75.5V PVDD 供电，内部 LDO 自动生成 1.8V VDD（需外接 110μF 滤波电容），IOVDD（数字接口供电）支持 1.71~5.5V，兼容不同电平的 MCU。

（二）增强型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/AIN1，02.5V 量程）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，温度测量精度 ±5°C（-40125°C）；
   • 寄存器自测试（RBIST） ：通过 CRC-16 多项式（x16**+x14**+x13**+x12**+x10**+x8**+x6**+x4**+x3**+ x +**1）校验配置寄存器完整性，检测 4 位以内错误，提升功能安全等级；
   • 基础故障防护 ：保留 CRC 帧校验（SPI 默认启用，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. 灵活告警响应
   • 支持 4 级告警动作：无动作、DAC 进入 CLEAR 状态、VOUT 输出告警电压（0V 或 2.5V，由 ALMV_POL 控制）、VOUT 高阻，优先级从低到高；
   • ALARM 引脚（开漏输出）同步上报故障，可通过 ALARM_STATUS_MASK 寄存器屏蔽无关告警，避免误触发。

（三）GPIO 与定时器扩展功能

• 多 GPIO 复用 ：7 个引脚支持 GPIO 功能（GPIO0~GPIO6），可配置为输入 / 输出 / 双向模式，输出支持推挽 / 伪开漏，输入需外接上下拉电阻，适配传感器控制、状态指示等扩展场景；
• 高精度定时器 ：集成定时器模块，支持 1.2288MHz/1.2kHz/1.171Hz 三档时钟源，可生成精准延时、PWM 信号或振荡输出，时钟通过 CLK_OUT 引脚输出，适配时序控制需求。

（四）稳定的基准与时钟

• 内部基准 ：1.25V 高精度带隙基准，温度系数最大 10ppm/°C（-40125°C），输出噪声 0.110Hz 带宽内 7.5μVpp，支持 2.5mA sourcing/0.3mA sinking 电流，需外接 70~130nF C0G 电容保证稳定；
• 内部振荡器 ：1.2288MHz 精准振荡器，室温误差 < 0.5%，300μs 内达到 < 1% 误差稳定，为 ADC 转换、SPI/UART 通信提供时序基准，支持 CLK_OUT 引脚输出（可配置分频）。

三、器件信息与电气规格

（一）型号差异与封装

型号	分辨率	封装	工作温度	关键差异
AFE78201	14 位	24 引脚 UQFN（4mm×4mm）	-55~125°C	DNL 最大 1LSB，增益寄存器忽略末 2 位 LSB
AFE88201	16 位	24 引脚 UQFN（4mm×4mm）	-55~125°C	INL 最大 4LSB，支持完整 16 位增益 / 偏移校准

（二）热学特性（24 引脚 UQFN）

热参数	值	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

（三）核心电气参数（TA=-40~125°C，PVDD=3.3V，VREF=1.25V）

参数	AFE88201（16 位）	AFE78201（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 3LSB	增益 = 1×，全输出范围
DAC 建立时间	65μs	65μs	10mV 阶跃， settling 到 ±2LSB
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
静态电流（PVDD）	170μA（典型）	170μA（典型）	DAC 零码，HART 禁用

四、功能模块详解

（一）DAC 核心模块

1. 架构与输出特性
   • 采用电阻串架构 + 输出缓冲器，输出阻抗典型值 10mΩ，支持 1mA sourcing/sinking 电流，短路保护阈值 5mA（短路到 GND/VDD），可驱动 10kΩ 电阻负载与 100pF 电容负载无振荡；
   • 传输函数：VOUT**=(DAC**_COD E ×2.5V**)**/2N（N=16/14，DAC_CODE 范围 0~2^N-1），支持增益（DAC_GAIN 寄存器）与偏移（DAC_OFFSET 寄存器）校准，校准后需更新 DAC_DATA 使配置生效。
2. 可编程压摆率控制
   • 支持线性（默认）与正弦压摆模式（DAC_CFG.SR_MODE=1），压摆步长（1128 码，DAC_CFG.SR_STEP）与时钟速率（2400Hz307.2kHz，DAC_CFG.SR_CLK）可调，压摆时间计算公式：Sle**w****Tim e =Slew** Step×SlewClockRateDeltaCode** Change**​；
   • CLEAR 状态：可通过寄存器（DAC_CFG.CLR）、告警触发或引脚（SCLR/SPI 模式、SDI/UBM 模式）快速将 DAC 输出切换至 DAC_CLR_CODE 预设值，支持故障下的安全输出。

（二）ADC 诊断模块

1. 工作模式与通道配置
   • 支持直接模式（单次触发转换）与自动模式（连续循环转换），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；
   • 外部输入（AIN0/AIN1）量程可通过 ADC_CFG.AIN_RANGE 配置为 01.25V 或 02.5V，转换速率（AIN0/AIN1）支持 3840Hz/2560Hz/1280Hz/640Hz 四档可调，内部节点固定 2560Hz 转换速率。
2. 故障检测与校准
   • 偏移校准：通过 OFFSET 通道（采样 VREF/2）测量 ADC 偏移，结果以 2's 补码存储于 ADC_OFFSET 寄存器，默认自动补偿，可通过 ADC_BYP.OFST_BYP_EN bypass；
   • 超限告警：支持 AIN0/AIN1 / 温度的高低阈值配置（8 位阈值 + 4 位固定 LSB），故障触发需连续 N 次超限（N=ADC_CFG.FLT_CNT+1，18 次），支持 0127LSB hysteresis，避免抖动误告警。

（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，支持 Mode1（CPOL=0, CPHA=1）与 Mode2（CPOL=1, CPHA=0），默认启用 CRC-8 校验，SDO 默认高阻（需 CONFIG.DSDO=0 启用读回）；
   • UBM 模式 ：UART Break 模式，9600 波特率（8 数据位 + 1 奇校验 + 1 停止位），通过 Break 字符触发寄存器访问，仅支持 UBM 寄存器配置，适用于简易低速场景；
   • GPIO 复用 ：7 个 GPIO 引脚可配置为通用 I/O，部分引脚与通信接口复用（如 GPIO4=SDO、GPIO5=SDI），输出支持推挽 / 伪开漏，输入需外接 1kΩ 上下拉电阻。
2. 寄存器自测试（RBIST）
   • 触发 TRIGGER.RBIST=1 启动自测试，对关键配置寄存器（DAC_CFG、ADC_CFG 等）执行 CRC 校验，结果与 RBIST_CRC 寄存器预设值对比，通过 GEN_STATUS.RBIST_FAIL 上报故障，测试期间禁止寄存器读写。

（四）定时器与芯片标识

• 定时器功能 ：通过 TIMER_CFG_0~2 寄存器配置，支持 3 档时钟源（1.2288MHz/1.2kHz/1.171Hz），可生成自定义周期（PERIOD）与占空比（SET_TIME）的信号，输出至 CLK_OUT 引脚，适配 PWM 控制、延时触发等场景；
• 唯一芯片标识 ：CHIP_ID_MSB（1Ah）与 CHIP_ID_LSB（19h）寄存器存储唯一芯片 ID，含批次编码与片内编号，支持器件追溯与防错。

五、典型应用场景

（一）PLC/DCS 模拟输出模块

• 应用架构 ：AFEx8201 输出 0~2.5V，经 XTR305（工业级电压 / 电流输出驱动器）转换为 ±11V 电压或 ±25mA 电流，XTR305 通过 IA（仪表放大器）与 OPA（运算放大器）实现信号调理，支持负载故障检测（短路 / 开路）；
• 关键配置 ：AFEx8201 通过 SPI 配置 DAC 输出，ADC 监测 XTR305 反馈信号（如 IMON 引脚的负载电流镜像），RBIST 定期校验寄存器完整性，WDT 确保通信不丢失；
• 多通道扩展 ：多片 AFEx8201 共享 SCLK/SDI/SDO，独立 CS 控制，ALARM 引脚线或连接，减少 MCU GPIO 占用，适配多通道模拟输出模块。

（二）4mA~20mA 回路供电变送器

• 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 AFEx8201 的 DAC 输出对应电压，再经 OPA333 与 NPN 三极管组成 V-I 转换器，将 0.42.0V 转换为 420mA 电流；
• 故障安全设计 ：ADC 监测 PVDD、VREF、VOUT 等节点，若发现异常（如 VREF 超差），触发 DAC 进入 CLEAR 状态，输出 3.375mA（故障低）或 21.75mA（故障高），同时 ALARM 引脚上报故障。

六、设计指南

（一）电源与去耦

• PVDD 去耦 ：靠近 PVDD 引脚并联 100nF 陶瓷电容（X7R 材质）+10μF 钽电容，抑制高频噪声；
• VDD 滤波 ：VDD 引脚并联 1~10μF 电容（低压模式下 PVDD 与 VDD 短接，需额外并联 100nF 陶瓷电容）；
• VREFIO 滤波 ：内置基准启用时，VREFIO 引脚需并联 70130nF C0G 电容（ESR 10mΩ400mΩ），确保基准稳定。

（二）PCB 布局要点

1. 分区布局
   • 模拟部分（AIN0/AIN1、VREFIO、VOUT）与数字部分（SPI、GPIO）分开布局，距离≥5mm，避免数字噪声耦合；
   • 高功率器件（如 DC/DC、功率三极管）远离模拟引脚，热敏器件（如电阻串、基准电路）远离发热元件（如 LDO、LED），确保温度测量准确。
2. 关键引脚处理
   • VOUT 引脚：布线宽度≥0.5mm，避免串联电阻（输出阻抗典型 10mΩ），负载电容≤100pF（防止振荡）；
   • AIN0/AIN1：采用差分布线（若适用），长度匹配误差 < 1mm，并联 100pF 电容滤波（仅当输入噪声较大时）；
   • 热焊盘：24 引脚 UQFN 的热焊盘需连接至 AGND，建议打 4 个 0.3mm 过孔（间距 1mm），增强散热。

（三）初始化配置流程

1. 上电后等待 POR 完成（<100μs），发送 RESET 命令（SW_RST=0xAD），确保寄存器复位；
2. 配置 CONFIG 寄存器：禁用 UART（CONFIG.UART_DIS=1）、启用 SDO（CONFIG.DSDO=0）、配置 IRQ 引脚（如 CONFIG.IRQ_PIN_EN=1）；
3. 配置 DAC：设置 DAC_CFG.RANGE=0（0~2.5V）、DAC_GAIN=0x8000（增益 1×）、DAC_OFFSET=0x0000（无偏移），写入 DAC_DATA=0x0000（对应 0V）；
4. 配置 ADC：启用 ADC 缓冲（ADC_CFG.BUF_PD=0）、设置转换速率（CONV_RATE=0，3840Hz）、启动自动转换（TRIGGER.ADC=1）；
5. 配置 WDT：设置 WDT_UP=0x3（853ms）、WDT_LO=0x0（禁用下限）、启用 WDT（WDT_EN=1）；
6. 启动 RBIST：设置 TRIGGER.RBIST=1，等待 GEN_STATUS.RBIST_DONE=1，验证 RBIST_FAIL=0（无故障）。