AFE782H1技术文档总结

16位AFE882H1和14位AFE782H1（AFEx82H1）是高度集成、高精度、极低功耗的DAC，具有电压输出，专为支持HART的过程控制和工业自动化应用而设计。

AFEx82H1 器件包括设计 4 mA 至 20 mA、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，这些器件还包括符合HART®标准的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，需要外部电压电流转换和功率调节。
*附件：afe782h1.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：180 μA（典型值）
• 符合 HART 标准的物理层调制解调器
  • TX 信号的可编程幅度
  • RX解调器和带通滤波器
• 16位或14位单调高性能DAC
  • DAC 输出范围：0 V 至 2.5 V
  • 数字DAC压摆率控制
  • 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
• 宽工作温度：–55°C 至 +125°C

参数

方框图

一、产品概述

AFE782H1 与 AFE882H1（统称 AFEx82H1）是德州仪器推出的 高精度低功耗数模转换器（DAC） ，核心优势在于集成 HART® 兼容 FSK 调制解调器，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： AFE882H1 为 16 位 ， AFE782H1 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 AFEx8201 高精度特性基础上，新增 HART 通信功能，适配工业现场远程参数配置与故障上报需求。

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，AFE882H1（16 位）积分非线性（INL）最大 4LSB，总未调整误差（TUE）最大 0.07% FSR（-40125°C）；AFE782H1（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 180μA（PVDD=3.3V，DAC 零码），HART 调制解调器工作电流仅 10μA，适配回路供电场景；
• 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）HART® 调制解调器核心功能

1. 全兼容 HART 物理层
   • 发送路径 ：支持 1200Hz（逻辑 1，Mark）/2200Hz（逻辑 0，Space）FSK 信号输出，发送幅度可编程（400~800mVpp，MODEM_CFG.TxAMP），分辨率可选 32/128 步 / 周期（MODEM_CFG.TxRES），支持半双工（默认，RTS/CTS 控制收发切换）与全双工（内部 / 外部短接 MOD_OUT 与 RX_INF，用于自检）；
   • 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，集成带通滤波器与载波检测（CD）功能，接收灵敏度 80~120mVpp（确保弱信号稳定解调），支持自动增益控制；
   • FIFO 缓冲 ：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。
2. 灵活通信控制
   • 支持 SPI（最高 12.5MHz）与 UART（9600/1200 波特率）双接口，可配置为 “SPI 控制 DAC+UART 传输 HART 数据” 混合模式，兼容离散 HART 架构固件复用；
   • 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（无载波时才允许发送），防止总线冲突。

（三）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）；
   • 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，新增 HART 链路监测（ADC 间接监测 MOD_OUT 电压）；
   • 存储器自测试（MBIST） ：校验 HART FIFO SRAM 完整性，测试结果通过 GEN_STATUS.MBIST_DONE/MBIST_FAIL 上报。
2. 可编程告警响应
   • 支持 4 级告警动作：无动作、DAC 进入 CLEAR 状态、VOUT 输出告警电压（0.3V/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。

（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、HART 调制解调提供时序基准，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
AFE782H1	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
AFE882H1	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	AFE882H1（16 位）	AFE782H1（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
HART 发送幅度	400~800mVpp	400~800mVpp	MOD_OUT 引脚，160Ω 负载
HART 接收灵敏度	80~120mVpp	80~120mVpp	RX_IN 输入，内部滤波
ADC 分辨率	—	—	12 位，3.84kSPS
静态电流（PVDD）	180μA（典型）	180μA（典型）	DAC 零码，HART 禁用

四、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/2200Hz FSK 输出，支持输出幅度（400~800mVpp）与分辨率可编程；
   • 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），载波检测（CD）引脚高电平表示检测到有效载波，支持自动增益控制；
   • 双工模式 ：默认半双工（RTS 低电平使能调制器、禁用解调器；RTS 高电平相反），支持内部全双工（MOD_OUT 与 RX_INF 内部短接，自检）与外部全双工（外部短接，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，支持水位阈值告警（FIFO_CFG.U2H_LEVEL_SET/H2U_LEVEL_SET），FIFO_U2H 低于阈值或 FIFO_H2U 高于阈值时触发 IRQ；
   • 通信仲裁：RTS 请求发送后，需等待 CD 引脚低电平（总线空闲）与 MODEM_STATUS.CTS_ASSERT=1（允许发送），避免总线冲突；HART 数据传输速率固定 1200 波特率，与 UART 波特率同步。

（二）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（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（如 3.375mA/21.75mA 故障电流）。

（三）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。

（四）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，HART 数据与 UBM 命令可交织传输；
   • SPI+UART 混合模式 ：SPI 配置 DAC/ADC，UART 传输 HART 数据，兼容离散 HART 架构固件，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（CD_ASSERT、FIFO_LEVEL_FLAG、GAP_ERR 等），支持 IRQ 引脚（可配置为 UARTOUT 或 SDO）上报，减少 CPU 轮询开销；
   • 支持寄存器自测试（RBIST）与存储器自测试（MBIST），分别校验配置寄存器与 FIFO SRAM 完整性，结果通过 GEN_STATUS 上报。

五、典型应用场景

（一）HART®-enabled 4mA~20mA 变送器

• 应用架构 ：AFEx82H1 输出 0~2.5V，经 OPA333 运算放大器与 NPN 三极管组成电压 - 电流转换器，将 0.4V/2.0V 转换为 4mA/20mA 电流；HART 信号通过 MOD_OUT 串联 1000pF 电容与 499kΩ 电阻耦合至电流回路，实现远程参数配置（如量程校准）与故障上报；
• 关键器件 ：采用 TPS7A0533 作为 LDO（提供 3.3V 电源），ISO7021 实现数字信号隔离，TVS 管（36V 双向）防护 ESD 与电压瞬变，确保回路稳定；
• 通信流程 ：主机通过 HART 协议发送命令（如读取温度），AFEx82H1 接收后存入 FIFO_H2U，MCU 读取 FIFO 数据并执行操作（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 AFEx82H1 的 DAC 输出对应电流；HART 模块支持远程读取实时数据（如压力值）、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 进入 CLEAR 状态，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”）。

六、设计指南

（一）HART 通信电路设计

1. 硬件连接
   • 发送端 ：MOD_OUT 引脚串联 1000pF 电容（DC 阻断）与 499kΩ 电阻（限流），耦合至电流回路，确保 HART 信号幅度 1mApp（符合 HART 标准）；
   • 接收端 ：RX_IN 引脚串联 1kΩ 电阻（限流）与 2.2μF 电容（DC 阻断），RX_INF 引脚并联 680pF 电容（滤波），若使用外部滤波，需将 MODEM_CFG.RX_EXTFILT_EN 置 1；
   • 隔离设计 ：HART 信号与数字信号需隔离（如使用 ISO7021），避免地环路干扰，建议采用光耦或容性隔离器。
2. 软件配置流程
   1. 初始化 SPI：禁用 UART（CONFIG.UART_DIS=1），启用 SDO（CONFIG.DSDO=0），配置 IRQ 引脚（CONFIG.IRQ_PIN_EN=1）；
   2. 配置 HART：设置 MODEM_CFG.HART_EN=1（启用 HART），配置发送幅度（MODEM_CFG.TxAMP=4h，500mVpp）与分辨率（MODEM_CFG.TxRES=0，32 步 / 周期）；
   3. 配置 FIFO：设置 FIFO 水位阈值（如 FIFO_CFG.U2H_LEVEL_SET=8h），启用 FIFO 告警（MODEM_STATUS_MASK.FIFO_U2H_LEVEL_FLAG=0）；
   4. 发送数据：写入 FIFO_U2H_WR 寄存器，断言 RTS（MODEM_CFG.RTS=1），等待 CTS_ASSERT 后开始发送，发送完成后释放 RTS。

（二）电源与 PCB 布局

1. 电源设计
   • PVDD 引脚旁并联 100nF 陶瓷电容（X7R 材质）+10μF 钽电容，VDD 引脚并联 1~10μF 电容（LDO 滤波），VREFIO 引脚并联 100nF C0G 电容（基准滤波）；
   • 低压模式（PVDD=1.8V）下，需将 PVDD 与 VDD 短接，确保内核供电稳定；高压模式（PVDD≥2.7V）下，VDD 由内部 LDO 供电，无需外部电源。
2. PCB 布局要点
   • HART 信号隔离 ：MOD_OUT、RX_IN、RX_INF 引脚远离数字信号（如 SPI）与电源噪声源，布线长度≤10cm，避免信号衰减；
   • 地平面设计 ：采用独立模拟地（AGND）与数字地（DGND），单点连接至 PVDD 地，热焊盘（UQFN 底部）必须连接 AGND，增强散热；
   • ESD 防护 ：RX_IN、MOD_OUT 引脚外接 TVS 管（3.3V 双向），抵御静电与电压瞬变，符合 EN 61326-1 标准。

七、器件与文档支持

（一）订购信息

订购型号	状态	封装	数量 / 载体	工作温度
AFE782H1RRUR	量产	24 引脚 UQFN	3000 片 / 大卷带	-55~125°C
AFE782H1RRUT	量产	24 引脚 UQFN	250 片 / 小卷带	-55~125°C
AFE882H1RRUR	量产	24 引脚 UQFN	3000 片 / 大卷带	-55~125°C
AFE882H1RRUT	量产	24 引脚 UQFN	250 片 / 小卷带	-55~125°C

（二）技术支持

• 参考设计：提供 HART-enabled 4mA~20mA 变送器参考设计（如搭配 OPA333、TPS7A0533），包含原理图、PCB 布局、BOM；
• 评估板：AFE882H1EVM 支持 HART 通信测试，配套 TI ControlSUITE 软件配置寄存器与 HART 协议栈；
• 文档资源：可通过 TI 官网获取 HART 协议指南（如《HART Physical Layer Implementation Guide》）、E2E 论坛技术支持。