0. 目录
1. 什么是模拟前端（AFE）？
“模拟前端”（以下简称AFE ）是指在采用微控制器或处理器的系统中，连接模拟和数字的部分。
有些AFE只输入模拟信号，有些只输出模拟信号，有些则两者都做。
1.1 各种 AFE
1. 在音频系统中，这部分（通常由称为编解码器的芯片实现）将来自麦克风的模拟音频信号转换为可以处理和录制的数字信号，或者转换为可以通过扬声器或耳机播放的模拟信号。
2. 在电池管理系统 (BMS) 中，微控制器或处理器控制充电和放电，但还有一个 AFE 部分，用于测量电池电压和电流等模拟值。
每个产品都使用针对其应用量身定制的专用AFE。
它的主要功能包括模数转换器 ( ADC ) 和数模转换器 ( DAC )，以及与输入和输出信号特性相匹配的前置和后置滤波器和放大器。
许多微控制器还内置了用于模拟输入和输出的ADC/DAC。这些微控制器的模拟输入和输出范围为0至3.3V，并且可以执行分辨率约为10至14位的模数转换。
然而，对于工业应用所需的高精度测量，以及更大/更小的正负电压范围和16 位或 24 位输出，需要这里介绍的 AFE。
1.2 工业应用AFE
一般来说，工业应用需要在生产线和过程管理中对模拟信号进行高精度测量。模拟信号也可能需要用于阀门控制等目的进行交换。
工业AFE的模拟输入端连接到各种传感器，例如热电偶和电阻温度检测器（RTD）等温度传感器，以及称重传感器等力传感器和压力传感器。模拟输入端还用于测量纯电压和电流。
需要根据其特性定制电路：
例如，用于温度测量的热电偶输出的电压非常小，因此需要低噪声放大器才能进行高精度测量。
热电阻（RTD）是一种电阻值随温度变化的器件。当通过恒定电流（称为激励电流）时，RTD 会测量电压。然而，如果通过的激励电流过大，RTD 会发热，导致无法进行精确的温度测量，因此只能通过较小的激励电流。由于较小的激励电流只能产生较小的电压，因此需要一个高精度、低噪声的放大器以及一个精确的恒流源来提供激励。
测量力（重量或压力）的称重传感器通过检测施加激励电压的元件中的微小变化（使用惠斯通电桥的电压变化）来工作。这需要高精度、低噪声的放大器。
测量电压或电流时，需要调整输入范围以匹配被测量的对象。
由于这些传感器的特性和它们测量的输出各不相同，之前的工业AFE通过在前端集成针对每个传感器特性量身定制的单独电路来解决这个问题。
1.3 普遍投入的概念
为每个测量目标都配备一个带输入电路的设备效率低下。必须针对每个测量目标开发专用硬件并创建产品线。
如果这些能够标准化，上述问题就能立即得到解决。
NXP 的 AFE 支持“通用”输入。具体来说，它最多可支持八个 +/-12.5V 的单端输入（四个 +/-25V 的差分输入），以及一个内部 PGA（可编程增益调节）。增益倍数可设置为0.2至16倍。此外，内部激励电压和电流源可从任意输入引脚输出。
使用这种芯片，只需最少的外部电路即可制作电路板，并可根据测量目标通过软件轻松切换。NXP 的 AFE（NFAE 系列）芯片还内置了输入保护功能，因此可以最大限度地减少外部元件，无需添加会影响测量精度的保护二极管。
2. NAFE13388 系列
举个具体的例子，我们来看看NXP的AFE13388的特性。NAFE13388是一款AFE，具有8个通用模拟输入（单端或4个差分）和10个GPIO。
与微控制器的接口为SPI（最大频率32MHz）。
该产品系列包括高速NAFE73388 （采样频率高）、4 输入型号（输入较少）、带或不带激励电压和电流源、出厂校准以及 16 位或 24 位输出的型号。
2.1 信号输入/激励电压/电流源/内置参考电压
2.1.1 输入电路
输入为单端输入，引脚最多可容纳八个输入，内置多路复用器可配置为接受单端或差分输入，以及激励电压和电流输出。
图中展示了NAFE13388-UIM（NAFE13388通用输入模块）评估板的部分电路图（从右侧的两个接线端子到左侧的AFE输入部分）。如图所示，AFE的结构非常简单，仅包含一个简单的无源滤波器和一个用于在过压时限制电流的电阻。
各种传感器可以直接连接到接线端子上。
该电路板内置保护电路，可防止输入端电源连接错误和静电放电 (ESD) 损坏，因此无需外接保护元件。但是，用作保护元件的二极管的漏电流可能会影响测量结果，因此如果需要外接元件，则必须谨慎选择。NAFE13388 内置的保护元件是漏电流极低的二极管，不会影响测量结果。
无需使用分压器输入更高的电压，也无需使用偏置电路来调整偏移。NAFE13388 可以直接输入 +/-12.5V 的信号，因此无需担心这些电路的精度或发热问题。
2.1.2ADC
AD转换器由三阶ΣΔ调制器和具有各种设置的SINC滤波器组成。
在使用ΣΔ调制器的AD转换中，所需的分辨率是通过对以高采样频率转换为1比特的数据进行下采样来获得的。下采样后获得的分辨率称为“有效位数（ ENOB ）”。下采样率越大，ENOB越高。
使用 NAFE13388 时，要获得 17 位有效位数 (ENOB)，需要将采样率设置为 72 kHz。使用速度更快的 NAFE73388，可以在 144 kHz 的采样率下获得相同的有效位数。要获得 24 位精度，需要 30 Hz (NAFE13388) 或 60 Hz (NAFE73388) 的采样率。
NAFE13388内置高精度参考电压源，用于模数转换，因此无需外部参考电压。其温度补偿环路可在工作温度范围内实现%精度(% FS（全温范围）的精度。模数转换器前端设有一个可设置倍率范围为 0.2 倍至 16 倍的 PGA。单端输入的满量程范围为 +/-12.5V（PGA 增益：0.2 倍）至 +/-0.15625V（PGA 增益：16 倍）。
下图取自 NAFE13388 数据手册，显示了输入端施加 10V 电压时读数随温度的变化。温度补偿回路使测量误差非常小。
2.1.3激励电压/电流源
激励电压和电流可以分别在+/-6mV至+/-12V和+/-977nA至+/-2mA的范围内以12级进行设置，并且可以从任何输入引脚输出。
这意味着，只需重新排列软件即可处理 RTD 和称重传感器等元件，而无需额外的电路。
2.1.4输入重排示例
下面展示了最简单的单端电压测量示例。在本例中，测量的是连接在 AI3N 和 AICOM 端子之间的信号源的电压。
在以下示例中，连接了一个称重传感器。内部激励电压源从 AI3P 端子输出，并将电压施加到桥式电路。测量结果为 AI2P 和 AI2N 端子之间的差分电压。
以下示例展示了如何使用四线连接测量 RTD。在本例中，内部励磁电流源的电流从 AI4P 端子输出，RTD 两端的电压（即 AI1P 和 AI1N 端子之间的差分电压）用于确定电阻值。
最后一个例子是测量AFE芯片的电源电压。连接到内部多路复用器的电源电压可以用ADC测量。
2.2 软件接口
2.2.1 逻辑通道
除了如上所述的输入引脚选择（指定任意引脚为单端输入或差分输入）、激励电压/电流和输出引脚选择之外，还可以集中管理PGA 增益、采样频率/后 SINC 滤波器以及温度补偿环路的开启/关闭等设置。这种管理单元称为逻辑通道，最多可以设置 16 个逻辑通道。这 16 个逻辑通道中的每一个都可以单独进行管理、启用和禁用。
逻辑通道一旦设置完成，便会保留在AFE内部。只需设置或清除16位寄存器中的一位，即可启用或禁用逻辑通道。例如，如上一节示例中的单端电压、称重传感器测量、RTD测量和电源电压等设置，均可使用逻辑通道快速重新组合。
可以同时启用多个逻辑通道。在这种情况下，可以使用下一节中描述的测量命令来单独测量每个逻辑通道，也可以按顺序同时测量所有逻辑通道。
2.2.2 测量命令
每个逻辑通道都会执行模数转换。这可以通过软件命令对单个通道执行，也可以对所有已启用的逻辑通道执行单个序列的模数转换，或者以连续循环的方式执行。转换也可以由外部时钟信号触发。此功能还可用于同步多个AFE芯片。
通过循环执行多个逻辑通道转换序列，可以实现测量自动化。转换后的数据存储在每个逻辑通道的寄存器中，因此可以随时读取。每个通道或一系列转换完成的信号都可以输出。这使得数据读取能够与转换同步进行。
2.3 自我诊断功能
2.3.1 电源电压、内部参考电压和激励电压的监测
输入选择多路复用器不仅可以切换输入引脚，还可以切换激励电压、电流源、两个参考电压以及提供给芯片的电源电压。
通过将这些输入配置为逻辑通道并将其集成到模数转换序列中，您可以持续监控自身的运行状态。如果芯片包含出厂校准数据，则芯片发货时的参考电压会写入非易失性存储器区域。这可用于监控产品组装过程中出现的问题以及随时间推移发生的变化。
2.3.2 输入监控
可以为逻辑通道设置信号输入范围。如果输入的电压超出此范围，则会生成警报。
各个传感器与输入端之间可能存在线路断裂的风险。为此，我们提供了一个 65nA 的激励电流源来监测这种情况。启用该电流源并监测电压，即可检查是否存在异常。此外，如果您怀疑电缆老化，即使尚未断裂，也可以通过阻抗变化测量进行监测。
2.3.3 时钟源监测
NAFE13388 在启动时会检查外部时钟输入，如果没有外部时钟输入，则尝试使用晶体振荡器进行振荡。如果晶体振荡器仍然无法工作，则使用内置的 RC 振荡器产生时钟。如果外部时钟或晶体振荡器提供了时钟信号，则将其与内部 RC 振荡器产生的时钟进行比较，如果出现异常情况（例如时钟停止或频率偏差过大），则会发出警报。
2.3.4 温度监测
NAFE13388 还内置了一个温度传感器。该传感器用于校正测量中的漂移，并在达到指定温度时发出警报以保护芯片本身，同时在温度超过一定限值时启动关机保护功能。
2.4 出厂校准和用户校准
在模数转换之后，每个 PGA 增益设置的增益和偏移误差都会在数字域进行校正。共有 16 组寄存器用于存储这些校正系数，每个逻辑通道可以指定一组。如果 NAFE13388 已在工厂进行校准，则每个增益设置的校正系数都已预设，利用这些预设值，无需用户校准即可达到 +/-0.06%FS（典型值，室温）的精度。
如果最终产品所需的精度在此范围内，则可省去发货前耗时费力的校准过程，从而显著节省成本。用户还可以调整此校正系数。用户校准可将精度提高至±0.002%FS 。校准系数会通过设置在逻辑通道指定的寄存器中自动校正，因此无需对读取值进行后处理。此外，还可以人为地调整校正系数，将测量值调整到任意范围。
2.5 评估环境
2.5.1 硬件
这款高性能AFE可使用Arduino扩展板评估板NAFE13388-UIM轻松进行测试。Arduino扩展板连接器可用于连接各种微控制器评估板。
2.5.2 软件
NXP官方软件
首先，为了检查基本操作，您可以使用 NXP 微控制器板： FRDM-MCXN947和 Windows PC，通过 GUI 操作来评估基本功能。
此外， NXP 应用代码中心提供了各种评估和演示代码，用于动态评估/演示，以及用 C 语言编写的驱动层代码示例。对于 NAFE13388，已发布了可在与上述相同的微控制器板 FRDM-MCXN947 上运行的代码，从而可以评估从基本操作到使用 USB、CAN 和以太网进行数据输出的所有功能。
开源代码
此外，作为开源软件发布的代码还包括可在 NXP 微控制器板FRDM-MCXN947 、 FRDM-MCXN236 、FRDM -MCXA156和FRDM-MCXA153上运行的示例，这些示例也可用于验证操作。
此外，配备 NXP 高性能微控制器 i.MX RT1050 的微控制器评估板IMXRT1050-EVKB提供了使用MicroPython 的驱动程序和应用程序示例。
NAFE13388-UIM 可以与 Arduino 微控制器 板配合使用，作为“Arduino 扩展板”进行测试。上述各种 FRDM-MCX 系列的驱动程序已移植到 Arduino SDK 环境 ，并且已公开提供可 在 Arduino UNO R3 、 Arduino UNO R4 Minima 和 Arduino UNO R4 WiFi 上运行的示例代码（草图）。
2.6 应用说明
NAFE 系列还有各种应用笔记可供参考。 “使用 NXP AFE 进行工业应用测量”AN14102_JA（日文应用笔记）介绍了连接传感器和寄存器设置的具体示例，用于自诊断、电压测量、电流测量、使用 4 线/3 线/2 线 RTD 和热电偶进行温度测量，以及使用称重传感器进行重量测量。
我们还提供应用说明，其中包含有关各种测量方法和演示代码的更详细信息。请访问以下页面的“应用说明”部分： https://www.nxp.jp/products/NAFEx3388
3. 总结
NAFE13388 是一款单芯片、高精度模拟前端芯片，具有八个软件可配置输入。
通过制作一块配备该芯片的简易输入电路电路板，即可利用软件对其进行配置，以支持多种测量目标。单端输入电压为+/-12.5V（差分输入为+/-25V），芯片内部也内置了必要的保护电路，从而最大限度地减少了外部元件的数量，并最大限度地降低了影响成本和测量误差的因素。
此外，它还配备了多种自诊断功能，完全能够满足日益增长的功能安全需求。内置功能可用于检查被测对象的连接状态、安装状态以及AFE（自动前端设备）的运行情况。
尽管这是一款高性能芯片，但评估起来却非常简单。您可以使用 Arduino 扩展板和 NXP 微控制器，通过 PC 上的图形用户界面 (GUI) 软件来检查其运行情况。此外，您还可以使用更接近实际应用的示例代码进行动态评估。更重要的是，该开源代码支持多种微控制器。
对于使用模拟传感器的测量，我们推荐 NXP 的 AFE：NAFE13388，它具有硬件和软件简单、灵活性强的特点，并可实现高精度测量！
4. 参考资料
- 产品页面：高度可配置的 8 通道 ±25 V 通用输入模拟前端，带激励功能
- 评估板： NAFE13388-UIM 8通道通用输入AFE Arduino扩展板
- 相关信息： SPI总线概述（日语博客）
- 相关信息：安装 MCUXpresso IDE 和 SDK（日文博客）
变更历史记录：
2025年10月29日：第一版
2026年2月5日：评估环境 → 软件 → 开源代码部分：新增支持的Arduino开发板类型。更新图片。
2026-06-21：添加了目录和章节编号。
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微控制器内置的通用 AD 转换器无法用于高精度测量工业应用所需的各种传感器、电压和电流。
尽管多家公司已推出专为“工业用途”设计的产品，但这些产品距离集成所有必要功能仍相去甚远。特别是输入电路，需要使用分立电路，这使得精度保证和设备小型化变得困难。此外，功能安全问题（未来将变得至关重要）也一直是亟待解决的一大挑战。
恩智浦半导体的工业模拟前端NAFE13388能够轻松解决这些问题。它还能简化产品线和优化制造流程，从而降低成本。