16 位 AFE881H1 和 14 位 AFE781H1 （AFEx81H1） 是高度集成、高精度、極低功耗的數模轉換器 （DAC），其電壓輸出專為支持 HART 的傳感器-發射器應用而設計。

AFEx81H1 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HART認證的FSK調制解調器、10 ppm/°C基準電壓源和診斷模數轉換器（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：afe781h1.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。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 220 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：180 μA（典型值）
• 符合 HART 標準的物理層調制解調器
• 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，電流為10 ppm/°C（最大值）
• 內部1.2288MHz振蕩器，帶時鐘輸出
• 數字接口
  • 串行外設接口 （SPI）：DAC 和 HART 的共享總線
  • 通用異步接收-發射器 （UART）：DAC 和 HART 的共享總線
  • 兩者：用于 DAC 的 SPI 和用于 HART 的 UART
• 故障檢測：CRC位錯誤檢查、窗口看門狗定時器、診斷ADC
• 數字DAC壓擺率控制
• 寬工作溫度：–55°C 至 +125°C

參數

方框圖

一、產品概述

AFE781H1 與 AFE881H1（統稱 AFEx81H1）是德州儀器推出的 集成 HART? 調制解調器的高精度低功耗數模轉換器（DAC） ，專為 4mA20mA 回路供電的工業傳感器變送器設計。兩款器件在保留 AFEx8101 核心功能（高精度 DAC、診斷 ADC、電壓基準）的基礎上，新增 HART 協議物理層支持，適用于需要遠程通信與參數配置的過程控制場景，均采用 4mm×4mm 24 引腳 UQFN 封裝，支持 - 55125°C 寬溫工作，其中 AFE881H1 為 16 位分辨率 ， AFE781H1 為 14 位分辨率 。

二、核心特性

（一）高精度與低功耗基礎性能

• DAC 性能 ：AFE881H1（16 位）總未調整誤差（TUE）最大 0.07% FSR（-40125°C），積分非線性（INL）最大 4LSB；AFE781H1（14 位）微分非線性（DNL）最大 1LSB，支持增益（0.51.499985 倍）與偏移（2's 補碼）校準，確保長期穩定性；
• 低功耗運行 ：靜態電流典型值 180μA（PVDD 供電，HART 禁用），HART 發送模式電流增加 10μA，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（需 PVDD 與 VDD 短接），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）HART? 調制解調器核心功能

1. 協議兼容性
   • 符合 HART FSK（頻移鍵控）標準，支持 1200Hz（Mark）/2200Hz（Space）載波頻率，頻率誤差 ±1%（-40~125°C），支持半雙工 / 全雙工模式；
   • 接收靈敏度 80120mVpp（典型 100mVpp），發送輸出幅度 400800mVpp（可編程），支持內部 / 外部帶通濾波，適配工業現場噪聲環境。
2. 通信架構
   • 集成 32×9 位發送 FIFO（FIFO_U2H）與接收 FIFO（FIFO_H2U），支持數據暫存與突發傳輸，避免通信中斷；
   • 提供載波檢測（CD）、請求發送（RTS）、清除發送（CTS）硬件引腳，支持總線仲裁，防止多設備通信沖突；
   • 支持 SPI（最高 12.5MHz）與 UART（9600/1200 波特率）雙接口，可配置 “SPI 控制 DAC+UART 傳輸 HART” 或 “UBM（UART Break 模式）單接口”，兼容 legacy 系統設計。

（三）診斷與功能安全設計

1. 多維度故障監測
   • 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（PVDD、VDD、VOUT、溫度傳感器等），支持超限告警與故障定位；
   • HART 鏈路診斷 ：內置間隙誤差（>11 位時）、幀錯誤、奇偶校驗錯誤檢測，FIFO 溢出 / 空告警，確保通信可靠性；
   • 基礎故障防護 ：保留 CRC 幀校驗（多項式x8**+x2**+ x + 1 ）、窗口看門狗定時器（WDT，53ms~5.12s 超時）、基準電壓異常（±5%）、溫度超限（85°C 警告 / 130°C 錯誤）檢測。
2. 告警響應機制
   • 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；
   • 支持 HART 通信中斷告警，可通過 IRQ 引腳或 UBM 幀上報故障狀態，符合工業設備功能安全需求。

（四）靈活的輸出與控制

• DAC 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 3~25mA 回路電流輸出（4mA 對應 0.4V，20mA 對應 2.0V）；
• 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，避免輸出突變導致的回路電流沖擊；
• CLEAR 狀態 ：通過引腳（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）HART 調制解調器關鍵參數（TA=25°C，PVDD=3.3V）

（二）DAC 與 ADC 核心參數（TA=-40~125°C，VREF=1.25V）

（三）電源與基準特性

五、功能模塊詳解

（一）HART? 調制解調器模塊

1. 架構與工作模式
   • 發送路徑 ：數據經 SPI/UART 寫入發送 FIFO（FIFO_U2H），調制器通過查找表（LUT）生成 32/128 步正弦波，實現 1200Hz（邏輯 1）/2200Hz（邏輯 0）FSK 輸出，支持輸出幅度（400~800mVpp）與分辨率（32/128 步 / 周期）可編程；
   • 接收路徑 ：外部 HART 信號經 RX_IN（內部濾波）或 RX_INF（外部濾波）輸入，解調后存入接收 FIFO（FIFO_H2U），支持載波檢測（CD）與自動增益控制，確保弱信號穩定接收；
   • 雙工模式 ：默認半雙工（通過 RTS/CTS 控制收發切換），支持內部全雙工（MOD_OUT 與 RX_INF 內部短接，用于自檢）與外部全雙工（外部短接，用于系統測試）。
2. FIFO 與通信控制
   • 發送 FIFO（FIFO_U2H）與接收 FIFO（FIFO_H2U）均為 32×9 位（8 位數據 + 1 位奇偶校驗），支持水位閾值告警（如 FIFO_U2H 低于閾值時觸發 IRQ），避免數據溢出 / 空；
   • 通信仲裁：通過 RTS 引腳（硬件）或 MODEM_CFG.RTS 位（軟件）請求發送，CD 引腳檢測總線空閑狀態，僅當總線無載波時才允許發送，防止沖突。

（二）DAC 與 ADC 核心模塊

1. DAC 功能增強
   • 架構與 AFEx8101 一致（電阻串架構 + 輸出緩沖器），支持線性 / 正弦壓擺率控制，步長（1128 碼）與時鐘速率（2400Hz307.2kHz）可調，壓擺時間計算公式為：Slew****Tim e =Sle**wSte p ×SlewClockRateDeltaCodeChange**?；
   • CLEAR 狀態：可通過引腳（SDI，UBM 模式）、寄存器（DAC_CFG.CLR）或告警觸發，輸出預設 CLEAR 碼（DAC_CLR_CODE），范圍由 DAC_CFG.CLR_RANGE 獨立控制，適配故障場景下的安全輸出。
2. ADC 診斷功能
   • 支持直接模式（單次觸發）與自動模式（連續循環），通過 ADC_INDEX_CFG 配置轉換序列（如 OFFSET→AIN0→溫度→VREF→VOUT），默認轉換所有 8 路內部節點 + 2 路外部輸入；
   • 新增 HART 鏈路監測：ADC 可間接監測 MOD_OUT 輸出電壓（通過 SD4 通道），判斷 HART 發送是否正常，結合 FIFO 狀態（如 FIFO_H2U_EMPTY_FLAG）實現通信故障診斷。

（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），時鐘最高 12.5MHz，默認啟用 CRC-8 校驗，支持讀取 HART FIFO 與配置寄存器，適用于高速控制場景；
   • UART 模式 ：支持 9600 波特率（UBM 模式，用于寄存器訪問）與 1200 波特率（HART 通信），UBM 模式下通過 “Break 字符 + 數據幀” 實現寄存器讀寫，可與 HART 數據 interleaving 傳輸；
   • SPI+UART 混合模式 ：SPI 配置 DAC/ADC，UART 傳輸 HART 數據，兼容離散 HART 架構的固件復用，減少開發成本。
2. 中斷與狀態監測
   • 新增 MODEM_STATUS 寄存器，記錄 HART 通信狀態（如 CD_ASSERT、FIFO_LEVEL_FLAG、GAP_ERR），支持 IRQ 引腳（可配置為 UARTOUT 或 SDO）上報，減少 CPU 輪詢開銷；
   • 支持內存內置自測試（MBIST），用于校驗 FIFO SRAM 完整性，測試結果通過 GEN_STATUS.MBIST_DONE/MBIST_FAIL 上報。

六、典型應用場景

（一）HART?-enabled 4mA~20mA 變送器

• 應用架構 ：AFEx81H1 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）；HART 信號通過 MOD_OUT 耦合至電流回路，實現遠程參數配置（如量程校準）與故障上報；
• 關鍵器件 ：采用 TPS60402 作為隔離 DC/DC（提供 3.3V 隔離電源），ISO7021/ISO7041 實現數字信號隔離，TLVH431B 作為分流調節器，確保回路電流穩定；
• 通信流程 ：主機通過 HART 協議發送命令，AFEx81H1 接收后存入 FIFO_H2U，MCU 讀取 FIFO 數據并執行相應操作（如修改 DAC 輸出），結果通過 FIFO_U2H 回傳主機。

（二）工業傳感器遠程監測

• 壓力 / 溫度變送器 ：傳感器信號經放大后送入 MCU，MCU 通過 SPI 配置 AFEx81H1 的 DAC 輸出對應電流；HART 模塊支持遠程讀取傳感器數據（如實時溫度）、修改采樣率、校準零點 / 量程，減少現場維護成本；
• 故障診斷 ：ADC 監測 PVDD、VREF、VOUT 等節點，若發現異常（如 VREF 超差），觸發 DAC 輸出 3.375mA（故障低）或 21.75mA（故障高），同時通過 HART 上報故障類型（如 “VREF 故障”）。