16 位 AFE88101 和 14 位 AFE78101 （AFEx8101） 是高度集成、高精度、極低功耗的數模轉換器 （DAC），具有專為傳感器-發射器應用設計的電壓輸出。

AFEx8101 器件包括設計 4 mA 至 20 mA、2 線（環路供電）傳感器發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10 ppm/°C基準電壓源和一個診斷模數轉換器（ADC）。為了滿足本質和功能安全問題，需要外部電壓到電流轉換和功率調節。
*附件：afe78101.pdf

內部診斷ADC復用到多個內部節點，從而實現自動自我健康檢查。該檢查能夠檢測內部偏置源、電源穩壓器、基準電壓源、DAC輸出、芯片溫度和可選外部電壓源的錯誤或故障。如果從診斷ADC、CRC幀錯誤檢查或窗口看門狗定時器檢測到任何故障，器件可以選擇發出中斷，進入與標準NAMUR輸出值或用戶指定的自定義值相對應的故障安全狀態，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

• 低靜態電流：170 μA （典型值）
• 16位或14位單調高性能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 位時的 4-LSB INL
  • 0.07% FSR（最大）TUE，–40°C 至 +125°C
• 用于高級診斷的 12 位 3.84kSPS ADC
• 集成 1.25V 基準電壓源，頻率為 10 ppm/°C
• 內部1.2288MHz振蕩器，帶時鐘輸出
• 數字接口：
  • 串行外設接口 （SPI）
  • 通用異步接收-發射器 （UART）
• 故障檢測：CRC位錯誤檢查、窗口看門狗定時器、診斷ADC
• 寬工作溫度：–55°C 至 +125°C

參數

方框圖

一、產品概述

AFE78101 與 AFE88101（統稱 AFEx8101）是德州儀器推出的 高精度低功耗數模轉換器（DAC） ，專為 4mA20mA 回路供電應用設計，集成電壓基準、診斷 ADC 及故障檢測功能，適用于工業自動化、過程控制中的傳感器變送器場景。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）總未調整誤差（TUE）最大 0.07% FSR（-40~125°C），AFE78101（14 位）非線性誤差（INL）最大 4LSB，支持增益與偏移校準，確保長期穩定性；
• 低功耗運行 ：靜態電流典型值 170μA（PVDD 供電，內部基準使能），休眠模式電流低至 28μA（VDD=5.5V），適配回路供電場景下的低功耗要求；
• 寬供電范圍 ：支持 1.715.5V 供電，1.711.89V 低壓模式下內部 LDO 禁用，2.7~5.5V 高壓模式下內部 LDO 自動啟動，為內核提供 1.8V 穩定電壓。

（二）高集成與診斷能力

1. 集成功能模塊
   • 電壓基準 ：內置 1.25V 高精度基準（溫度系數 10ppm/°C），支持外部基準輸入（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，可監測 2 路外部輸入（AIN0/AIN1）及 8 路內部節點（如 PVDD、VDD、VOUT、溫度傳感器等），用于故障自檢與系統狀態監控；
   • 時鐘與通信 ：內置 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 默認啟用 CRC-8 校驗，提升通信可靠性。
2. 故障檢測與安全機制
   • 多維度故障監測 ：支持 CRC 幀錯誤、窗口看門狗定時器（WDT）超時、基準電壓異常、溫度超限（85°C 警告 / 130°C 錯誤）、ADC 測量超閾值等故障檢測；
   • 報警響應 ：故障觸發時可配置 DAC 輸出告警電壓（如 0.15V/1.25V）、進入 CLEAR 狀態或高阻模式，ALARM 引腳（開漏輸出）同步輸出告警信號，滿足功能安全需求。

（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 - 電流轉換器可實現 4mA~20mA 回路電流輸出；
• 可編程壓擺率 ：支持線性 / 正弦壓擺率控制，步長（1128 碼）與時鐘速率（2400Hz307.2kHz）可調，避免輸出電壓突變導致的回路電流沖擊；
• CLEAR 狀態 ：通過引腳（SCLR/SDI）、寄存器或告警觸發 DAC 快速切換至預設 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）型號差異與封裝

（二）熱學特性

四、電氣規格

（一）DAC 關鍵參數（TA=-40~125°C，VREF=1.25V）

（二）ADC 關鍵參數（TA=25°C，VREF=1.25V）

（三）基準與電源特性

五、功能模塊詳解

（一）DAC 核心模塊

1. 架構與校準
   • 采用電阻串架構，確保輸出單調性，配合輸出緩沖器支持 1mA 源 / 灌電流（短路保護電流 5mA）；
   • 增益校準（DAC_GAIN 寄存器）支持 0.5~1.499985 倍調節，偏移校準（DAC_OFFSET 寄存器）采用 2's 補碼，補償系統誤差；
   • 輸出范圍通過 DAC_CFG.RANGE 配置，CLEAR 狀態下范圍由 DAC_CFG.CLR_RANGE 獨立控制，適配故障場景下的安全輸出。
2. 壓擺率控制
   • 使能 DAC_CFG.SR_EN 后，輸出按設定步長（SR_STEP：1128 碼）與時鐘速率（SR_CLK：2400Hz307.2kHz）階梯變化，壓擺時間計算公式為：Slew****Tim e =Sle**wSte p ×SlewClockRateDeltaCodeChange**?；
   • 支持線性（默認）與正弦壓擺模式（DAC_CFG.SR_MODE=1），正弦模式可優化模擬信號變化特性，減少回路電流沖擊。

（二）診斷 ADC 與故障監測

1. ADC 功能
   • 支持直接模式（單次觸發轉換）與自動模式（連續循環轉換），通過 ADC_INDEX_CFG 配置轉換通道序列（如 AIN0→溫度→VREF→VOUT），默認轉換所有 8 路內部節點 + 2 路外部輸入；
   • 外部輸入（AIN0/AIN1）支持 01.25V/02.5V 量程（PVDD≥2.7V 時可切換），溫度傳感器測量范圍 - 55~125°C，精度 ±5°C，可觸發高溫告警。
2. 故障檢測與響應
   • CRC 與 WDT ：SPI 通信默認啟用 CRC-8 校驗（多項式x8**+x2**+ x + 1 ），WDT 支持 53ms~5.12s 超時窗口，超時觸發 WD_FLT 告警；
   • 告警動作配置 ：通過 ALARM_ACT 寄存器設置故障響應（無動作 / CLEAR 狀態 / 告警電壓 / 高阻），例如 VREF 異常時可配置 DAC 輸出 0.15V（低壓模式）或 0.3V（高壓模式），符合 NAMUR 標準；
   • 狀態寄存器 ：ALARM_STATUS 記錄告警類型（如 VREF_FLT、THERM_ERR_FLT），GEN_STATUS 記錄系統狀態（如 ADC_BUSY、RESET），支持掩碼控制（ALARM_STATUS_MASK/GEN_STATUS_MASK），避免無關告警觸發 IRQ。

（三）電源與通信接口

1. 電源管理
   • 高壓模式（PVDD≥2.7V）：內部 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，確保內核供電穩定；
   • 電源防護：建議在 PVDD 引腳串聯保險絲（如 100mA）、并聯 TVS 管（如 36V 雙向），抵御電壓瞬變。
2. 通信接口
   • SPI ：4 線接口（CS、SCLK、SDI、SDO），支持模式 1（CPOL=0、CPHA=1）與模式 2（CPOL=1、CPHA=0），時鐘最高 12.5MHz，讀操作需先啟用 SDO（CONFIG.DSDO=0）；
   • UART ：僅支持 9600 波特率（8 位數據 + 1 位奇校驗 + 1 位停止位），通過 UBM（UART Break Mode）觸發通信，適用于簡易低速場景；
   • 多器件配置 ：支持多片級聯，共享 SCLK/SDI/SDO，獨立 CS 控制，ALARM 引腳可線或連接，減少 MCU GPIO 占用。

六、典型應用場景

（一）4mA~20mA 回路變送器

• 應用架構 ：AFEx88101 輸出 0.32.5V（高壓模式），經 OPA333 運算放大器與 NPN 三極管組成電壓 - 電流轉換器，將電壓轉換為 325mA 電流（4mA 對應 0.4V，20mA 對應 2.0V）；
• 關鍵器件 ：采用 TLVH431B 作為分流調節器，TPS60402 作為隔離 DC/DC，ISO7021/ISO7041 實現數字信號隔離，滿足工業現場的隔離與抗干擾需求；
• 電流預算 ：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）可滿足要求。

（二）傳感器信號調理

• 壓力 / 溫度變送器 ：傳感器輸出經放大后送入 AFEx88101 的 DAC，通過校準寄存器補償傳感器誤差，診斷 ADC 監測傳感器供電與輸出，確保信號可靠性；
• 故障安全設計 ：若 ADC 檢測到傳感器開路（AIN0 輸入超量程），觸發 DAC 進入 CLEAR 狀態，輸出 3mA 故障電流，符合工業安全標準。

七、設計指南

（一）電源與去耦

• PVDD 去耦 ：靠近 PVDD 引腳并聯 100nF 陶瓷電容（X7R 材質）+10μF 鉭電容，抑制高頻噪聲；
• VREFIO 濾波 ：內置基準使能時，VREFIO 引腳需并聯 70130nF C0G 電容（ESR 10mΩ400mΩ），確保基準穩定；
• 地平面設計 ：建議采用獨立模擬地（AGND）與數字地（DGND），單點連接至 PVDD 地，避免數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）與數字部分（SPI、UART）分開布局，距離≥5mm；
   • 高功率器件（如 DC/DC、功率三極管）遠離模擬引腳，避免熱耦合影響基準精度；
   • 熱敏器件（如電阻串、基準電路）遠離發熱元件（如 LDO、LED），確保溫度測量準確。
2. 關鍵引腳處理
   • VOUT 引腳：布線寬度≥0.5mm，避免串聯電阻（輸出阻抗典型 10mΩ），負載電容≤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 100pF 電容濾波（僅當輸入噪聲較大時）；
   • 熱焊盤：24 引腳 UQFN 的熱焊盤需連接至 AGND，建議打 4 個 0.3mm 過孔（間距 1mm），增強散熱。

（三）初始化配置流程

1. 上電后等待 POR 完成（<100μs），發送 RESET 命令（SW_RST=0xAD），確保寄存器復位；
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：設置 DAC_CFG.RANGE=0（全量程）、DAC_GAIN=0x8000（增益 1×）、DAC_OFFSET=0x0000（無偏移），寫入 DAC_DATA=0x0BA2（對應 4mA）；
4. 配置 ADC：啟用 ADC 緩沖（ADC_CFG.BUF_PD=0）、設置轉換速率（CONV_RATE=0，3840Hz）、啟動自動轉換（TRIGGER.ADC=1）；
5. 配置 WDT：設置 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，將關鍵寄存器（如 DAC_DATA、ADC_INDEX_CFG）寫入 OTP（通過 TRIGGER.SHADOWLOAD=1）。