AFEx8201 系列数模转换器（DAC）技术总结

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：afe88201.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

AFEx8201 系列是德州仪器（Texas Instruments）推出的高集成度、低功耗数模转换器（DAC）家族，包含 16 位分辨率的 AFE88201 与 14 位分辨率的 AFE78201 两款型号，核心面向工业自动化、过程控制、PLC/DCS I/O 模块及 4mA-20mA 环路供电等场景，凭借高精度、低功耗及丰富的诊断功能，满足工业级信号转换与可靠性需求。以下从核心特性、性能参数、功能模块、应用设计及使用信息等方面展开总结。

一、核心特性与产品差异

1. 基础参数与架构

• 分辨率与输出特性 ：AFE88201 为 16 位、AFE78201 为 14 位，均具备单调性；DAC 输出范围 0V-2.5V，支持数字可编程压摆率控制（线性 / 正弦模式），输出缓冲器可驱动 100pF 容性负载，支持 ±1mA 源 / 灌电流，短路保护电流阈值 5mA。
• 低功耗设计 ：静态电流典型值 170μA、最大值 210μA，掉电模式功耗仅 190mW，适配环路供电等低功耗场景；内部集成 1.8V 低压差稳压器（LDO），输入电源（PVDD）范围 2.7V-5.5V，数字接口电源（IOVDD）范围 1.71V-5.5V。
• 集成组件 ：内置 1.25V 高精度电压基准（温度漂移最大 10ppm/°C）、1.2288MHz 内部振荡器（时钟可输出）、12 位 3.84kSPS 诊断 ADC，减少外部元器件数量，简化硬件设计。

2. 环境适应性与可靠性

• 工作温度 ：-55°C 至 125°C（结温最高 150°C），满足工业级宽温需求。
• ESD 防护 ：人体放电模型（HBM）±2000V，带电器件模型（CDM）±500V，符合 JEDEC 抗静电标准。
• 封装规格 ：24 引脚 UQFN（RRU 封装），尺寸 4mm×4mm，最大高度 0.9mm，底部热焊盘需焊接至 PCB 以保障散热，引脚间距 0.5mm，兼容高密度布局。

二、关键性能指标

1. DAC 静态与动态性能（典型值，TA=25°C，PVDD=3.3V，VREF=1.25V）

性能参数	AFE88201（16 位）	AFE78201（14 位）	测试条件	单位
积分非线性（INL）	±4	±3	全量程，-40°C 至 + 85°C	LSB
微分非线性（DNL）	±1	±0.1	全量程，无失码	LSB
总未调整误差（TUE）	±0.07	±0.07	-40°C 至 + 125°C，相对于满量程（FSR）	%FSR
零码误差温度系数	±3	±3	无负载	ppm/°C
增益误差温度系数	±3	±3	满量程附近	ppm FSR/°C
输出噪声（0.1Hz-10Hz）	0.25	0.25	DAC midscale	LSBpp
建立时间	65	65	10mV 阶跃， settling 至 ±2LSB	μs
压摆率	30	30	满量程跳变（10%-90%）	mV/μs

2. 诊断 ADC 性能（12 位，TA=25°C）

• 分辨率 ：12 位，无失码，输入范围 0V-1.25V 或 0V-2.5V（可配置）。
• 动态性能 ：积分非线性（INL）±4LSB，微分非线性（DNL）±1LSB，信噪比（SNR）65dB，总谐波失真（THD）-70dBc。
• 采样特性 ：采样率 3.84kSPS，转换时间 210μs，支持直接模式（按需采样）与自动模式（连续采样），可监测内部节点（电源、基准、温度）与外部输入（AIN0/AIN1）。

三、核心功能模块

1. DAC 核心模块

• 电阻串架构 ：采用电阻分压式 DAC 架构，固有单调性，低毛刺（中码 ±1LSB 毛刺脉冲 4.5nV-s），保障信号转换线性度与稳定性。
• 增益与偏移校准 ：通过 DAC_GAIN（0.5-1.499985 可调）与 DAC_OFFSET（2’s 补码，范围 - 2^(N-1) 至 2^(N-1)-1，N 为分辨率）寄存器实现校准，补偿系统误差，提升输出精度。
• CLEAR 状态控制 ：支持 3 种方式将 DAC 输出强制至预设 CLEAR 码（DAC_CLR_CODE 寄存器配置）：寄存器指令（DAC_CFG.CLR）、告警触发（ALARM_ACT 配置）、引脚控制（SPI 模式 SCLR 引脚 / UBM 模式 SDI 引脚），适配故障安全场景。
• 压摆率控制 ：默认禁用，使能后可通过 DAC_CFG 寄存器配置步长（1-128 码）与时钟（2400Hz-307.2kHz），支持线性与正弦压摆模式，避免输出电压突变导致的系统干扰。

2. 诊断与故障检测

• 12 位诊断 ADC ：通过多路复用器（MUX）监测 8 个通道，包括 2 路外部输入（AIN0/AIN1）与 6 路内部节点（电源 PVDD/VDD、基准 VREF、芯片温度、DAC 输出 VOUT、零温度系数电压 ZTAT），可配置阈值与滞回（0-127LSB），超限时触发告警。
• 告警功能 ：支持温度告警（85°C 警告 / 130°C 错误）、基准电压异常（±5% 标称值）、ADC 超量程、CRC 错误、看门狗超时等故障检测；告警响应可配置为 “无动作”“DAC CLEAR 状态”“告警电压输出”“VOUT 高阻”，ALARM 引脚为开漏输出（低电平有效）。
• 看门狗定时器（WDT） ：可编程窗口比较模式（上下限时间），监测 SPI/UBM 通信，超时未通信时触发告警，保障通信可靠性；CRC 校验（SPI 模式默认使能，多项式 x⁸+x²+x+1），检测数据传输错误。

3. 时钟与同步

• 内部振荡器 ：1.2288MHz 精度振荡器（室温误差 < 0.5%），时钟可通过 GPIO0/CLK_OUT 引脚输出，分频系数可配置（1/2/4/8…1024），也可外部输入时钟。
• 复位机制 ：支持上电复位（POR）、硬件复位（RESET 引脚，低电平有效，最小脉冲 100ns）、软件复位（SW_RST 指令），复位后寄存器恢复默认值，OTP 配置不丢失。

4. 数字接口

• 通信协议 ：支持 SPI（最高 12.5MHz，模式 1/2）与 UART 中断模式（UBM，9600 波特率，8 位数据 + 1 位奇校验 + 1 位停止位），SPI 默认启用 CRC 校验，UBM 支持寄存器全访问。
• GPIO 功能 ：7 个引脚可配置为 GPIO（输入 / 输出 / 双向），输出支持推挽 / 开漏模式，输入需外部上下拉电阻，可用于告警指示、外部触发等扩展功能。

四、电源与功耗

1. 电源需求

电源类型	电压范围（MIN-NOM-MAX）	典型电流（TA=25°C，PVDD=3.3V）	单位
PVDD（主电源）	2.7-3.3-5.5V	170	μA
IOVDD（数字）	1.71-3.3-5.5V	6	μA
VDD（LDO 输出）	1.8V（固定）	150	μA
VREFIO（基准）	1.25V（固定）	10	μA

2. 功耗分布

• 正常模式 ：总功耗约 0.5mW（PVDD=3.3V，无负载），开启诊断 ADC 后增至 1.2mW。
• 掉电模式 ：通过 RESET 引脚或寄存器配置，功耗降至 190mW，仅保留必要电路供电。

五、应用设计要点

1. 电源设计

• 供电架构 ：PVDD 推荐使用线性稳压器（如 TPS7A02）或低噪声 DC/DC（如 TPS62803），避免开关噪声耦合；VDD 引脚需并联 1μF-10μF 陶瓷电容（靠近引脚），VREFIO 引脚并联 100nF 电容滤波。
• 隔离设计 ：工业场景建议采用数字隔离器（如 ISO7021）隔离 SPI/UBM 信号，电源隔离可选用 TI 隔离 DC/DC（如 DCP0105），避免地环路干扰。

2. PCB 布局

• 模拟与数字分区 ：将 DAC 输出（VOUT）、基准（VREFIO）、模拟输入（AIN0/AIN1）等模拟信号与 SPI/UBM 数字信号分区布局，模拟地（AGND）与数字地（DGND）单点连接至公共地平面。
• 关键信号布线 ：VOUT 采用短路径布线，远离数字时钟（SCLK）；AIN0/AIN1 差分布线，阻抗匹配 50Ω/100Ω；电源引脚旁放置 0.1μF 去耦电容，确保供电稳定。
• 热设计 ：底部热焊盘需通过过孔连接至 PCB 内层地，多层板建议预留散热铜皮，保障结温不超过 105°C。

3. 初始化与配置

• 上电时序 ：先加 PVDD，再加 IOVDD，RESET 引脚拉低至少 100ns 后释放，等待 10μs 后启动通信；默认 CRC 使能，若禁用需发送含 CRC 的配置指令（CONFIG.CRC_EN=0）。
• 关键寄存器配置 ：
  • DAC 校准：通过 DAC_GAIN（默认 0x8000，增益 1.0）与 DAC_OFFSET（默认 0x0000）调整输出精度。
  • 诊断 ADC：配置 ADC_INDEX_CFG 选择采样通道，ADC_CFG 设置转换模式（DIRECT/AUTO）与滤波计数（FLT_CNT，1-8 次连续故障触发告警）。
  • 告警响应：ALARM_ACT 寄存器配置故障触发后 DAC 动作（如 SD_FLT=2h 对应切换至告警电压）。