16 位 AFE88201 和 14 位 AFE78201 （AFEx8201） 是高度集成、高精度、極低功耗的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC），具有專為過程控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用而設(shè)計(jì)的電壓輸出。

AFEx8201 器件包括設(shè)計(jì) 4mA 至 20mA、3 線或 4 線傳感器發(fā)射器或模擬輸出模塊所需的大部分組件。除了高精度DAC外，AFEx8201還集成了10ppm/°C基準(zhǔn)電壓源和診斷模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。為了滿足本質(zhì)和功能安全問題，需要外部電壓電流轉(zhuǎn)換和功率調(diào)節(jié)。
*附件：afe78201.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)入用戶指定的故障安全狀態(tài)或兩者兼而有之。

特性

• 低靜態(tài)電流：170μA（典型值），210μA（最大值）
• 16位或14位單調(diào)高性能DAC
  • DAC輸出范圍：0V至2.5V
  • 數(shù)字DAC壓擺率控制
  • 16位時(shí)為4LSB INL
  • 0.07% FSR（最大）TUE，–40°C 至 +125°C
• 12位3.84kSPS ADC，用于高級(jí)診斷
• 集成 1.25V 基準(zhǔn)電壓源，10ppm/°C（最大值）
• 內(nèi)置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

AFE78201 與 AFE88201（統(tǒng)稱 AFEx8201）是德州儀器推出的 高精度低功耗數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC） ，專為工業(yè)過程控制場景設(shè)計(jì)，適用于 3 線 / 4 線傳感器變送器、PLC/DCS 模擬輸出模塊及 4mA20mA 回路供電應(yīng)用。兩款器件核心功能一致，僅分辨率差異： AFE88201 為 16 位 ， AFE78201 為 14 位 ，均采用 4mm×4mm 24 引腳 UQFN 封裝，支持 - 55125°C 寬溫工作，在保留 AFEx8101/81H1 高精度特性基礎(chǔ)上，強(qiáng)化 GPIO 靈活性與寄存器自測(cè)試功能，適配多通道工業(yè)模擬輸出需求。

二、核心特性

（一）高精度與低功耗基礎(chǔ)性能

• DAC 性能 ：輸出范圍固定為 02.5V，AFE88201（16 位）總未調(diào)整誤差（TUE）最大 0.07% FSR（-40125°C），積分非線性（INL）最大 4LSB；AFE78201（14 位）微分非線性（DNL）最大 1LSB，支持增益（0.5~1.499985 倍）與偏移（2's 補(bǔ)碼）校準(zhǔn)，確保長期穩(wěn)定性（1000 小時(shí)漂移 ±5ppm FSR）；
• 低功耗運(yùn)行 ：靜態(tài)電流典型值 170μA（PVDD=3.3V，DAC 零碼），最大 210μA，適配工業(yè)低功耗場景；
• 寬供電范圍 ：支持 2.75.5V PVDD 供電，內(nèi)部 LDO 自動(dòng)生成 1.8V VDD（需外接 110μF 濾波電容），IOVDD（數(shù)字接口供電）支持 1.71~5.5V，兼容不同電平的 MCU。

（二）增強(qiáng)型診斷與功能安全設(shè)計(jì)

1. 多維度故障監(jiān)測(cè)
   • 診斷 ADC ：12 位 3.84kSPS SAR ADC，可監(jiān)測(cè) 2 路外部輸入（AIN0/AIN1，02.5V 量程）及 8 路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)（PVDD、VDD、VOUT、溫度傳感器等），支持超限告警與故障定位，溫度測(cè)量精度 ±5°C（-40125°C）；
   • 寄存器自測(cè)試（RBIST） ：通過 CRC-16 多項(xiàng)式（x16**+x14**+x13**+x12**+x10**+x8**+x6**+x4**+x3**+ x +**1）校驗(yàn)配置寄存器完整性，檢測(cè) 4 位以內(nèi)錯(cuò)誤，提升功能安全等級(jí)；
   • 基礎(chǔ)故障防護(hù) ：保留 CRC 幀校驗(yàn)（SPI 默認(rèn)啟用，多項(xiàng)式x8**+x2**+ x + 1 ）、窗口看門狗定時(shí)器（WDT，53ms~5.12s 超時(shí)）、基準(zhǔn)電壓異常（±5%）、溫度超限（85°C 警告 / 130°C 錯(cuò)誤）檢測(cè)。
2. 靈活告警響應(yīng)
   • 支持 4 級(jí)告警動(dòng)作：無動(dòng)作、DAC 進(jìn)入 CLEAR 狀態(tài)、VOUT 輸出告警電壓（0V 或 2.5V，由 ALMV_POL 控制）、VOUT 高阻，優(yōu)先級(jí)從低到高；
   • ALARM 引腳（開漏輸出）同步上報(bào)故障，可通過 ALARM_STATUS_MASK 寄存器屏蔽無關(guān)告警，避免誤觸發(fā)。

（三）GPIO 與定時(shí)器擴(kuò)展功能

• 多 GPIO 復(fù)用 ：7 個(gè)引腳支持 GPIO 功能（GPIO0~GPIO6），可配置為輸入 / 輸出 / 雙向模式，輸出支持推挽 / 偽開漏，輸入需外接上下拉電阻，適配傳感器控制、狀態(tài)指示等擴(kuò)展場景；
• 高精度定時(shí)器 ：集成定時(shí)器模塊，支持 1.2288MHz/1.2kHz/1.171Hz 三檔時(shí)鐘源，可生成精準(zhǔn)延時(shí)、PWM 信號(hào)或振蕩輸出，時(shí)鐘通過 CLK_OUT 引腳輸出，適配時(shí)序控制需求。

（四）穩(wěn)定的基準(zhǔn)與時(shí)鐘

• 內(nèi)部基準(zhǔn) ：1.25V 高精度帶隙基準(zhǔn)，溫度系數(shù)最大 10ppm/°C（-40125°C），輸出噪聲 0.110Hz 帶寬內(nèi) 7.5μVpp，支持 2.5mA sourcing/0.3mA sinking 電流，需外接 70~130nF C0G 電容保證穩(wěn)定；
• 內(nèi)部振蕩器 ：1.2288MHz 精準(zhǔn)振蕩器，室溫誤差 < 0.5%，300μs 內(nèi)達(dá)到 < 1% 誤差穩(wěn)定，為 ADC 轉(zhuǎn)換、SPI/UART 通信提供時(shí)序基準(zhǔn)，支持 CLK_OUT 引腳輸出（可配置分頻）。

三、器件信息與電氣規(guī)格

（一）型號(hào)差異與封裝

（二）熱學(xué)特性（24 引腳 UQFN）

（三）核心電氣參數(shù)（TA=-40~125°C，PVDD=3.3V，VREF=1.25V）

四、功能模塊詳解

（一）DAC 核心模塊

1. 架構(gòu)與輸出特性
   • 采用電阻串架構(gòu) + 輸出緩沖器，輸出阻抗典型值 10mΩ，支持 1mA sourcing/sinking 電流，短路保護(hù)閾值 5mA（短路到 GND/VDD），可驅(qū)動(dòng) 10kΩ 電阻負(fù)載與 100pF 電容負(fù)載無振蕩；
   • 傳輸函數(shù)：VOUT**=(DAC**_COD E ×2.5V**)**/2N（N=16/14，DAC_CODE 范圍 0~2^N-1），支持增益（DAC_GAIN 寄存器）與偏移（DAC_OFFSET 寄存器）校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后需更新 DAC_DATA 使配置生效。
2. 可編程壓擺率控制
   • 支持線性（默認(rèn)）與正弦壓擺模式（DAC_CFG.SR_MODE=1），壓擺步長（1128 碼，DAC_CFG.SR_STEP）與時(shí)鐘速率（2400Hz307.2kHz，DAC_CFG.SR_CLK）可調(diào)，壓擺時(shí)間計(jì)算公式：Sle**w****Tim e =Slew** Step×SlewClockRateDeltaCode** Change**?；
   • CLEAR 狀態(tài)：可通過寄存器（DAC_CFG.CLR）、告警觸發(fā)或引腳（SCLR/SPI 模式、SDI/UBM 模式）快速將 DAC 輸出切換至 DAC_CLR_CODE 預(yù)設(shè)值，支持故障下的安全輸出。

（二）ADC 診斷模塊

1. 工作模式與通道配置
   • 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 ADC_INDEX_CFG 配置轉(zhuǎn)換序列（如 OFFSET→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）量程可通過 ADC_CFG.AIN_RANGE 配置為 01.25V 或 02.5V，轉(zhuǎn)換速率（AIN0/AIN1）支持 3840Hz/2560Hz/1280Hz/640Hz 四檔可調(diào)，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)固定 2560Hz 轉(zhuǎn)換速率。
2. 故障檢測(cè)與校準(zhǔn)
   • 偏移校準(zhǔn)：通過 OFFSET 通道（采樣 VREF/2）測(cè)量 ADC 偏移，結(jié)果以 2's 補(bǔ)碼存儲(chǔ)于 ADC_OFFSET 寄存器，默認(rèn)自動(dòng)補(bǔ)償，可通過 ADC_BYP.OFST_BYP_EN bypass；
   • 超限告警：支持 AIN0/AIN1 / 溫度的高低閾值配置（8 位閾值 + 4 位固定 LSB），故障觸發(fā)需連續(xù) N 次超限（N=ADC_CFG.FLT_CNT+1，18 次），支持 0127LSB hysteresis，避免抖動(dòng)誤告警。

（三）通信接口與控制

1. 多接口靈活配置
   • SPI 模式 ：4 線接口（CS、SCLK、SDI、SDO），時(shí)鐘最高 12.5MHz，支持 Mode1（CPOL=0, CPHA=1）與 Mode2（CPOL=1, CPHA=0），默認(rèn)啟用 CRC-8 校驗(yàn)，SDO 默認(rèn)高阻（需 CONFIG.DSDO=0 啟用讀回）；
   • UBM 模式 ：UART Break 模式，9600 波特率（8 數(shù)據(jù)位 + 1 奇校驗(yàn) + 1 停止位），通過 Break 字符觸發(fā)寄存器訪問，僅支持 UBM 寄存器配置，適用于簡易低速場景；
   • GPIO 復(fù)用 ：7 個(gè) GPIO 引腳可配置為通用 I/O，部分引腳與通信接口復(fù)用（如 GPIO4=SDO、GPIO5=SDI），輸出支持推挽 / 偽開漏，輸入需外接 1kΩ 上下拉電阻。
2. 寄存器自測(cè)試（RBIST）
   • 觸發(fā) TRIGGER.RBIST=1 啟動(dòng)自測(cè)試，對(duì)關(guān)鍵配置寄存器（DAC_CFG、ADC_CFG 等）執(zhí)行 CRC 校驗(yàn)，結(jié)果與 RBIST_CRC 寄存器預(yù)設(shè)值對(duì)比，通過 GEN_STATUS.RBIST_FAIL 上報(bào)故障，測(cè)試期間禁止寄存器讀寫。

（四）定時(shí)器與芯片標(biāo)識(shí)

• 定時(shí)器功能 ：通過 TIMER_CFG_0~2 寄存器配置，支持 3 檔時(shí)鐘源（1.2288MHz/1.2kHz/1.171Hz），可生成自定義周期（PERIOD）與占空比（SET_TIME）的信號(hào)，輸出至 CLK_OUT 引腳，適配 PWM 控制、延時(shí)觸發(fā)等場景；
• 唯一芯片標(biāo)識(shí) ：CHIP_ID_MSB（1Ah）與 CHIP_ID_LSB（19h）寄存器存儲(chǔ)唯一芯片 ID，含批次編碼與片內(nèi)編號(hào)，支持器件追溯與防錯(cuò)。

五、典型應(yīng)用場景

（一）PLC/DCS 模擬輸出模塊

• 應(yīng)用架構(gòu) ：AFEx8201 輸出 0~2.5V，經(jīng) XTR305（工業(yè)級(jí)電壓 / 電流輸出驅(qū)動(dòng)器）轉(zhuǎn)換為 ±11V 電壓或 ±25mA 電流，XTR305 通過 IA（儀表放大器）與 OPA（運(yùn)算放大器）實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理，支持負(fù)載故障檢測(cè)（短路 / 開路）；
• 關(guān)鍵配置 ：AFEx8201 通過 SPI 配置 DAC 輸出，ADC 監(jiān)測(cè) XTR305 反饋信號(hào)（如 IMON 引腳的負(fù)載電流鏡像），RBIST 定期校驗(yàn)寄存器完整性，WDT 確保通信不丟失；
• 多通道擴(kuò)展 ：多片 AFEx8201 共享 SCLK/SDI/SDO，獨(dú)立 CS 控制，ALARM 引腳線或連接，減少 MCU GPIO 占用，適配多通道模擬輸出模塊。

（二）4mA~20mA 回路供電變送器

• 壓力 / 溫度變送器 ：傳感器信號(hào)經(jīng)放大后送入 MCU，MCU 通過 SPI 配置 AFEx8201 的 DAC 輸出對(duì)應(yīng)電壓，再經(jīng) OPA333 與 NPN 三極管組成 V-I 轉(zhuǎn)換器，將 0.42.0V 轉(zhuǎn)換為 420mA 電流；
• 故障安全設(shè)計(jì) ：ADC 監(jiān)測(cè) PVDD、VREF、VOUT 等節(jié)點(diǎn)，若發(fā)現(xiàn)異常（如 VREF 超差），觸發(fā) DAC 進(jìn)入 CLEAR 狀態(tài)，輸出 3.375mA（故障低）或 21.75mA（故障高），同時(shí) ALARM 引腳上報(bào)故障。

六、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；
• VDD 濾波 ：VDD 引腳并聯(lián) 1~10μF 電容（低壓模式下 PVDD 與 VDD 短接，需額外并聯(lián) 100nF 陶瓷電容）；
• VREFIO 濾波 ：內(nèi)置基準(zhǔn)啟用時(shí)，VREFIO 引腳需并聯(lián) 70130nF C0G 電容（ESR 10mΩ400mΩ），確?；鶞?zhǔn)穩(wěn)定。

（二）PCB 布局要點(diǎn)

1. 分區(qū)布局
   • 模擬部分（AIN0/AIN1、VREFIO、VOUT）與數(shù)字部分（SPI、GPIO）分開布局，距離≥5mm，避免數(shù)字噪聲耦合；
   • 高功率器件（如 DC/DC、功率三極管）遠(yuǎn)離模擬引腳，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（若適用），長度匹配誤差 < 1mm，并聯(lián) 100pF 電容濾波（僅當(dāng)輸入噪聲較大時(shí)）；
   • 熱焊盤：24 引腳 UQFN 的熱焊盤需連接至 AGND，建議打 4 個(gè) 0.3mm 過孔（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（CONFIG.UART_DIS=1）、啟用 SDO（CONFIG.DSDO=0）、配置 IRQ 引腳（如 CONFIG.IRQ_PIN_EN=1）；
3. 配置 DAC：設(shè)置 DAC_CFG.RANGE=0（0~2.5V）、DAC_GAIN=0x8000（增益 1×）、DAC_OFFSET=0x0000（無偏移），寫入 DAC_DATA=0x0000（對(duì)應(yīng) 0V）；
4. 配置 ADC：啟用 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. 啟動(dòng) RBIST：設(shè)置 TRIGGER.RBIST=1，等待 GEN_STATUS.RBIST_DONE=1，驗(yàn)證 RBIST_FAIL=0（無故障）。