16 位 AFE88101 和 14 位 AFE78101 （AFEx8101） 是高度集成、高精度、極低功耗的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC），具有專(zhuān)為傳感器-發(fā)射器應(yīng)用設(shè)計(jì)的電壓輸出。

AFEx8101 器件包括設(shè)計(jì) 4 mA 至 20 mA、2 線(xiàn)（環(huán)路供電）傳感器發(fā)射器所需的大部分組件。除了高精度DAC外，這些器件還包括一個(gè)10 ppm/°C基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)診斷模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。為了滿(mǎn)足本質(zhì)和功能安全問(wèn)題，需要外部電壓到電流轉(zhuǎn)換和功率調(diào)節(jié)。
*附件：afe78101.pdf

內(nèi)部診斷ADC復(fù)用到多個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)自我健康檢查。該檢查能夠檢測(cè)內(nèi)部偏置源、電源穩(wěn)壓器、基準(zhǔn)電壓源、DAC輸出、芯片溫度和可選外部電壓源的錯(cuò)誤或故障。如果從診斷ADC、CRC幀錯(cuò)誤檢查或窗口看門(mén)狗定時(shí)器檢測(cè)到任何故障，器件可以選擇發(fā)出中斷，進(jìn)入與標(biāo)準(zhǔn)NAMUR輸出值或用戶(hù)指定的自定義值相對(duì)應(yīng)的故障安全狀態(tài)，或兩者兼而有之。

這些器件采用低至 1.71 V 的電源供電，最大靜態(tài)電流為 210 μA。這些器件的額定溫度范圍為–40°C至+125°C，但工作溫度范圍為–55°C至+125°C。

特性

• 低靜態(tài)電流：170 μA （典型值）
• 16位或14位單調(diào)高性能DAC
  • 1.8V 電源：0.15 V 至 1.25 V、0.2 V 至 1.0 V
  • 5V 電源：0.3 V 至 2.5 V、0.4 V 至 2.0 V
  • 16 位時(shí)的 4-LSB INL
  • 0.07% FSR（最大）TUE，–40°C 至 +125°C
• 用于高級(jí)診斷的 12 位 3.84kSPS ADC
• 集成 1.25V 基準(zhǔn)電壓源，頻率為 10 ppm/°C
• 內(nèi)部1.2288MHz振蕩器，帶時(shí)鐘輸出
• 數(shù)字接口：
  • 串行外設(shè)接口 （SPI）
  • 通用異步接收-發(fā)射器 （UART）
• 故障檢測(cè)：CRC位錯(cuò)誤檢查、窗口看門(mén)狗定時(shí)器、診斷ADC
• 寬工作溫度：–55°C 至 +125°C

參數(shù)

方框圖

一、產(chǎn)品概述

AFE78101 與 AFE88101（統(tǒng)稱(chēng) AFEx8101）是德州儀器推出的 高精度低功耗數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC） ，專(zhuān)為 4mA20mA 回路供電應(yīng)用設(shè)計(jì)，集成電壓基準(zhǔn)、診斷 ADC 及故障檢測(cè)功能，適用于工業(yè)自動(dòng)化、過(guò)程控制中的傳感器變送器場(chǎng)景。兩款器件均支持 - 55125°C 寬溫工作，采用 4mm×4mm 24 引腳 UQFN 緊湊封裝，其中 AFE88101 為 16 位分辨率 ， AFE78101 為 14 位分辨率 ，可根據(jù)精度需求靈活選擇。

二、核心特性

（一）高精度與低功耗

• DAC 性能 ：AFE88101（16 位）總未調(diào)整誤差（TUE）最大 0.07% FSR（-40~125°C），AFE78101（14 位）非線(xiàn)性誤差（INL）最大 4LSB，支持增益與偏移校準(zhǔn)，確保長(zhǎng)期穩(wěn)定性；
• 低功耗運(yùn)行 ：靜態(tài)電流典型值 170μA（PVDD 供電，內(nèi)部基準(zhǔn)使能），休眠模式電流低至 28μA（VDD=5.5V），適配回路供電場(chǎng)景下的低功耗要求；
• 寬供電范圍 ：支持 1.715.5V 供電，1.711.89V 低壓模式下內(nèi)部 LDO 禁用，2.7~5.5V 高壓模式下內(nèi)部 LDO 自動(dòng)啟動(dòng)，為內(nèi)核提供 1.8V 穩(wěn)定電壓。

（二）高集成與診斷能力

1. 集成功能模塊
   • 電壓基準(zhǔn) ：內(nèi)置 1.25V 高精度基準(zhǔn)（溫度系數(shù) 10ppm/°C），支持外部基準(zhǔn)輸入（VREFIO 引腳），輸出噪聲密度 200nV/√Hz（10kHz），確保 DAC 與 ADC 精度；
   • 診斷 ADC ：12 位 3.84kSPS SAR ADC，可監(jiān)測(cè) 2 路外部輸入（AIN0/AIN1）及 8 路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)（如 PVDD、VDD、VOUT、溫度傳感器等），用于故障自檢與系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控；
   • 時(shí)鐘與通信 ：內(nèi)置 1.2288MHz 振蕩器（CLK_OUT 可輸出），支持 SPI（最高 12.5MHz）與 UART（9600 波特率）接口，SPI 默認(rèn)啟用 CRC-8 校驗(yàn)，提升通信可靠性。
2. 故障檢測(cè)與安全機(jī)制
   • 多維度故障監(jiān)測(cè) ：支持 CRC 幀錯(cuò)誤、窗口看門(mén)狗定時(shí)器（WDT）超時(shí)、基準(zhǔn)電壓異常、溫度超限（85°C 警告 / 130°C 錯(cuò)誤）、ADC 測(cè)量超閾值等故障檢測(cè)；
   • 報(bào)警響應(yīng) ：故障觸發(fā)時(shí)可配置 DAC 輸出告警電壓（如 0.15V/1.25V）、進(jìn)入 CLEAR 狀態(tài)或高阻模式，ALARM 引腳（開(kāi)漏輸出）同步輸出告警信號(hào)，滿(mǎn)足功能安全需求。

（三）靈活的輸出與控制

• DAC 輸出范圍 ：支持兩種輸出范圍，低壓模式（1.8V 供電）為 0.151.25V（全量程）/0.21.0V（窄量程），高壓模式（≥2.7V 供電）為 0.32.5V（全量程）/0.42.0V（窄量程），配合電壓 - 電流轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn) 4mA~20mA 回路電流輸出；
• 可編程壓擺率 ：支持線(xiàn)性 / 正弦壓擺率控制，步長(zhǎng)（1128 碼）與時(shí)鐘速率（2400Hz307.2kHz）可調(diào)，避免輸出電壓突變導(dǎo)致的回路電流沖擊；
• CLEAR 狀態(tài) ：通過(guò)引腳（SCLR/SDI）、寄存器或告警觸發(fā) DAC 快速切換至預(yù)設(shè) CLEAR 碼（DAC_CLR_CODE），適用于緊急故障下的安全輸出控制。

三、器件信息

（一）型號(hào)差異與封裝

（二）熱學(xué)特性

四、電氣規(guī)格

（一）DAC 關(guān)鍵參數(shù)（TA=-40~125°C，VREF=1.25V）

（二）ADC 關(guān)鍵參數(shù)（TA=25°C，VREF=1.25V）

（三）基準(zhǔn)與電源特性

五、功能模塊詳解

（一）DAC 核心模塊

1. 架構(gòu)與校準(zhǔn)
   • 采用電阻串架構(gòu)，確保輸出單調(diào)性，配合輸出緩沖器支持 1mA 源 / 灌電流（短路保護(hù)電流 5mA）；
   • 增益校準(zhǔn)（DAC_GAIN 寄存器）支持 0.5~1.499985 倍調(diào)節(jié)，偏移校準(zhǔn)（DAC_OFFSET 寄存器）采用 2's 補(bǔ)碼，補(bǔ)償系統(tǒng)誤差；
   • 輸出范圍通過(guò) DAC_CFG.RANGE 配置，CLEAR 狀態(tài)下范圍由 DAC_CFG.CLR_RANGE 獨(dú)立控制，適配故障場(chǎng)景下的安全輸出。
2. 壓擺率控制
   • 使能 DAC_CFG.SR_EN 后，輸出按設(shè)定步長(zhǎng)（SR_STEP：1128 碼）與時(shí)鐘速率（SR_CLK：2400Hz307.2kHz）階梯變化，壓擺時(shí)間計(jì)算公式為：Slew****Tim e =Sle**wSte p ×SlewClockRateDeltaCodeChange**?；
   • 支持線(xiàn)性（默認(rèn)）與正弦壓擺模式（DAC_CFG.SR_MODE=1），正弦模式可優(yōu)化模擬信號(hào)變化特性，減少回路電流沖擊。

（二）診斷 ADC 與故障監(jiān)測(cè)

1. ADC 功能
   • 支持直接模式（單次觸發(fā)轉(zhuǎn)換）與自動(dòng)模式（連續(xù)循環(huán)轉(zhuǎn)換），通過(guò) ADC_INDEX_CFG 配置轉(zhuǎn)換通道序列（如 AIN0→溫度→VREF→VOUT），默認(rèn)轉(zhuǎn)換所有 8 路內(nèi)部節(jié)點(diǎn) + 2 路外部輸入；
   • 外部輸入（AIN0/AIN1）支持 01.25V/02.5V 量程（PVDD≥2.7V 時(shí)可切換），溫度傳感器測(cè)量范圍 - 55~125°C，精度 ±5°C，可觸發(fā)高溫告警。
2. 故障檢測(cè)與響應(yīng)
   • CRC 與 WDT ：SPI 通信默認(rèn)啟用 CRC-8 校驗(yàn)（多項(xiàng)式x8**+x2**+ x + 1 ），WDT 支持 53ms~5.12s 超時(shí)窗口，超時(shí)觸發(fā) WD_FLT 告警；
   • 告警動(dòng)作配置 ：通過(guò) ALARM_ACT 寄存器設(shè)置故障響應(yīng)（無(wú)動(dòng)作 / CLEAR 狀態(tài) / 告警電壓 / 高阻），例如 VREF 異常時(shí)可配置 DAC 輸出 0.15V（低壓模式）或 0.3V（高壓模式），符合 NAMUR 標(biāo)準(zhǔn)；
   • 狀態(tài)寄存器 ：ALARM_STATUS 記錄告警類(lèi)型（如 VREF_FLT、THERM_ERR_FLT），GEN_STATUS 記錄系統(tǒng)狀態(tài)（如 ADC_BUSY、RESET），支持掩碼控制（ALARM_STATUS_MASK/GEN_STATUS_MASK），避免無(wú)關(guān)告警觸發(fā) IRQ。

（三）電源與通信接口

1. 電源管理
   • 高壓模式（PVDD≥2.7V）：內(nèi)部 LDO 將 PVDD 降壓至 1.8V 供 VDD 引腳，VDD 需外接 1~10μF 電容濾波；
   • 低壓模式（PVDD=1.71~1.89V）：LDO 禁用，需將 PVDD 與 VDD 短接，確保內(nèi)核供電穩(wěn)定；
   • 電源防護(hù)：建議在 PVDD 引腳串聯(lián)保險(xiǎn)絲（如 100mA）、并聯(lián) TVS 管（如 36V 雙向），抵御電壓瞬變。
2. 通信接口
   • SPI ：4 線(xiàn)接口（CS、SCLK、SDI、SDO），支持模式 1（CPOL=0、CPHA=1）與模式 2（CPOL=1、CPHA=0），時(shí)鐘最高 12.5MHz，讀操作需先啟用 SDO（CONFIG.DSDO=0）；
   • UART ：僅支持 9600 波特率（8 位數(shù)據(jù) + 1 位奇校驗(yàn) + 1 位停止位），通過(guò) UBM（UART Break Mode）觸發(fā)通信，適用于簡(jiǎn)易低速場(chǎng)景；
   • 多器件配置 ：支持多片級(jí)聯(lián)，共享 SCLK/SDI/SDO，獨(dú)立 CS 控制，ALARM 引腳可線(xiàn)或連接，減少 MCU GPIO 占用。

六、典型應(yīng)用場(chǎng)景

（一）4mA~20mA 回路變送器

• 應(yīng)用架構(gòu) ：AFEx88101 輸出 0.32.5V（高壓模式），經(jīng) OPA333 運(yùn)算放大器與 NPN 三極管組成電壓 - 電流轉(zhuǎn)換器，將電壓轉(zhuǎn)換為 325mA 電流（4mA 對(duì)應(yīng) 0.4V，20mA 對(duì)應(yīng) 2.0V）；
• 關(guān)鍵器件 ：采用 TLVH431B 作為分流調(diào)節(jié)器，TPS60402 作為隔離 DC/DC，ISO7021/ISO7041 實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)隔離，滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的隔離與抗干擾需求；
• 電流預(yù)算 ：總功耗需≤3mA（回路最小電流），AFEx88101（170μA）+MCU（如 MSP430，<1mA）+ 傳感器（<1mA）+ 隔離器件（<500μA）可滿(mǎn)足要求。

（二）傳感器信號(hào)調(diào)理

• 壓力 / 溫度變送器 ：傳感器輸出經(jīng)放大后送入 AFEx88101 的 DAC，通過(guò)校準(zhǔn)寄存器補(bǔ)償傳感器誤差，診斷 ADC 監(jiān)測(cè)傳感器供電與輸出，確保信號(hào)可靠性；
• 故障安全設(shè)計(jì) ：若 ADC 檢測(cè)到傳感器開(kāi)路（AIN0 輸入超量程），觸發(fā) DAC 進(jìn)入 CLEAR 狀態(tài)，輸出 3mA 故障電流，符合工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)。

七、設(shè)計(jì)指南

（一）電源與去耦

• PVDD 去耦 ：靠近 PVDD 引腳并聯(lián) 100nF 陶瓷電容（X7R 材質(zhì)）+10μF 鉭電容，抑制高頻噪聲；
• VREFIO 濾波 ：內(nèi)置基準(zhǔn)使能時(shí)，VREFIO 引腳需并聯(lián) 70130nF C0G 電容（ESR 10mΩ400mΩ），確?；鶞?zhǔn)穩(wěn)定；
• 地平面設(shè)計(jì) ：建議采用獨(dú)立模擬地（AGND）與數(shù)字地（DGND），單點(diǎn)連接至 PVDD 地，避免數(shù)字噪聲耦合至模擬電路。

（二）PCB 布局

1. 布局原則
   • 模擬部分（AIN0/AIN1、VREFIO、VOUT）與數(shù)字部分（SPI、UART）分開(kāi)布局，距離≥5mm；
   • 高功率器件（如 DC/DC、功率三極管）遠(yuǎn)離模擬引腳，避免熱耦合影響基準(zhǔn)精度；
   • 熱敏器件（如電阻串、基準(zhǔn)電路）遠(yuǎn)離發(fā)熱元件（如 LDO、LED），確保溫度測(cè)量準(zhǔn)確。
2. 關(guān)鍵引腳處理
   • VOUT 引腳：布線(xiàn)寬度≥0.5mm，避免串聯(lián)電阻（輸出阻抗典型 10mΩ），負(fù)載電容≤100pF（防止振蕩）；
   • AIN0/AIN1：采用差分布線(xiàn)（若適用），長(zhǎng)度匹配誤差 < 1mm，并聯(lián) 100pF 電容濾波（僅當(dāng)輸入噪聲較大時(shí)）；
   • 熱焊盤(pán)：24 引腳 UQFN 的熱焊盤(pán)需連接至 AGND，建議打 4 個(gè) 0.3mm 過(guò)孔（間距 1mm），增強(qiáng)散熱。

（三）初始化配置流程

1. 上電后等待 POR 完成（<100μs），發(fā)送 RESET 命令（SW_RST=0xAD），確保寄存器復(fù)位；
2. 配置 CONFIG 寄存器：禁用 UART（UART_DIS=1）、啟用 SDO（DSDO=0）、禁用 CRC（可選，CRC_EN=0）；
3. 配置 DAC：設(shè)置 DAC_CFG.RANGE=0（全量程）、DAC_GAIN=0x8000（增益 1×）、DAC_OFFSET=0x0000（無(wú)偏移），寫(xiě)入 DAC_DATA=0x0BA2（對(duì)應(yīng) 4mA）；
4. 配置 ADC：?jiǎn)⒂?ADC 緩沖（ADC_CFG.BUF_PD=0）、設(shè)置轉(zhuǎn)換速率（CONV_RATE=0，3840Hz）、啟動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換（TRIGGER.ADC=1）；
5. 配置 WDT：設(shè)置 WDT_UP=0x3（853ms）、WDT_LO=0x0（禁用下限）、啟用 WDT（WDT_EN=1）；
6. 保存配置：若需掉電保存，將關(guān)鍵寄存器（如 DAC_DATA、ADC_INDEX_CFG）寫(xiě)入 OTP（通過(guò) TRIGGER.SHADOWLOAD=1）。