如今，手持式個(gè)人數(shù)字助理（PDA）幾乎無(wú)處不在。他們不僅受到忙碌的高管的青睞，還受到主流消費(fèi)者的青睞，甚至在課堂上也是如此！它們的易用性和便攜性是其快速增長(zhǎng)成功的關(guān)鍵。最受歡迎的例子包括Palm Pilot系列，Handspring Visor和Sony Clie。據(jù)估計(jì)，僅今年一年，全世界就將售出約15 34萬(wàn)臺(tái)PDA，預(yù)計(jì)到2004年年銷售額將增長(zhǎng)到<> <>萬(wàn)臺(tái)。所有這些PDA單元的一個(gè)共同特點(diǎn)是它們通過(guò)手寫筆和電阻式觸摸屏輸入數(shù)據(jù)的方法。有了它，用戶可以輕松地在他/她的日記中輸入日期，發(fā)送電子郵件，保留會(huì)議速記等。

觸摸屏本身通常是 4 線（±X 和 ±Y）電阻元件。市場(chǎng)上也有5線電阻屏和電容屏，但它們通常更貴。觸摸屏通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）與主機(jī)微處理器接口，例如AD7873和AD7843，它們具有針對(duì)應(yīng)用量身定制的特殊功能。本文將討論設(shè)計(jì)人員在將ADC連接到電阻式觸摸屏?xí)r面臨的常見應(yīng)用問(wèn)題，以及如何利用AD7873解決這些問(wèn)題。

操作理論和應(yīng)用細(xì)節(jié)

觸摸屏通常由兩層透明電阻材料組成——通常是氧化銦錫（ITO）或其他形式的電阻性聚酯材料，電極用銀油墨。每層的總電阻因供應(yīng)商而異，但典型的屏幕在 100 到 900 歐姆范圍內(nèi)。這兩層堆疊在玻璃的隔熱層上，由微小的間隔點(diǎn)隔開。它們通過(guò)電氣方式連接到控制器 A/D 轉(zhuǎn)換器。圖1和圖2以簡(jiǎn)化形式顯示了控制器ADC如何與4線電阻屏接口。

圖1.觸摸屏使用多層電阻膜和保護(hù)涂層夾層。

圖2.手寫筆與四線電阻式觸摸屏接口。描繪了 X 坐標(biāo)測(cè)量值。

在給定坐標(biāo)的測(cè)量過(guò)程中，其中一個(gè)電阻平面通過(guò)控制器ADC芯片上的開關(guān)沿其軸供電，另一個(gè)平面用于檢測(cè)被供電平面上坐標(biāo)的位置。對(duì)于 X 坐標(biāo)測(cè)量，X 平面已通電。Y 平面用于感測(cè)筆在動(dòng)力平面上的位置，如下所示：在筆按下觸摸屏的位置，平面短路。感測(cè)平面上“拾取”的電壓與動(dòng)力平面上的觸摸位置成正比。然后使用控制器的ADC轉(zhuǎn)換該電壓。

對(duì)于 Y 坐標(biāo)測(cè)量，將電源施加到 Y 平面，X 平面用于檢測(cè)位置，并對(duì)電壓進(jìn)行數(shù)字化。然后，對(duì)應(yīng)于X和Y坐標(biāo)的數(shù)字代碼由主機(jī)微處理器操作，并記錄手寫筆位置預(yù)期的命令，信息或指令。

AD7873基本觸摸屏接口

圖3顯示了AD7873的簡(jiǎn)化框圖。除了用作坐標(biāo)測(cè)量傳感器外，它還提供許多對(duì)PDA功能很重要的外設(shè)功能，包括溫度和電池狀況測(cè)量、觸摸檢測(cè)和壓力測(cè)量，以及片內(nèi)2.5 V基準(zhǔn)電壓源。

圖3.AD7873原理框圖

圖4所示為AD7873與4線電阻式觸摸屏接口的典型應(yīng)用圖。首先，讓我們討論基本功能——觸筆坐標(biāo)測(cè)量。圖3左側(cè)的一組觸摸屏開關(guān)通過(guò)所謂的平板電腦引腳X+、Y+、X-和Y-驅(qū)動(dòng)電阻屏。平板電腦引腳在應(yīng)用上面簡(jiǎn)要描述的接口方法時(shí)，還用作來(lái)自屏幕的位置電壓傳感器。

圖4.使用AD7873的典型應(yīng)用電路

在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了許多事情。首先，開關(guān)必須能夠向低阻抗屏幕提供和吸收電流。例如，電源為 5 V，屏幕阻抗為 200 歐姆。當(dāng)屏幕為坐標(biāo)測(cè)量供電時(shí)，p-MOS切換到正電源（在X+和Y+引腳上）必須能夠提供25 mA電流。同樣，n-MOS接地開關(guān)（位于Y引腳和X引腳上）必須能夠吸收這25 mA電流。開關(guān)的漏極和源極連接必須在布局階段仔細(xì)設(shè)計(jì)，以避免電遷移問(wèn)題（由于這些節(jié)點(diǎn)中的電流密度很大）。保守設(shè)計(jì)的AD7873開關(guān)能夠采用70 V電源為5歐姆屏幕供電。

開關(guān)的導(dǎo)通電阻約為6歐姆，也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)屏幕阻抗低至100 Ω，最小電源電壓為2.7 V時(shí)，開關(guān)兩端的壓降很明顯，并大大降低了施加到轉(zhuǎn)換器輸入的信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。為了避免轉(zhuǎn)換精度和有效分辨率的相應(yīng)降低，并且由于開關(guān)的導(dǎo)通電阻可能無(wú)法跟蹤屏幕在整個(gè)溫度和電源范圍內(nèi)的電阻，因此轉(zhuǎn)換器必須能夠在比率模式下工作。圖5和圖6分別說(shuō)明了AD7873如何在比率和單端工作模式下配置坐標(biāo)測(cè)量。

圖5.ADC的比例操作與開關(guān)導(dǎo)通電阻壓降無(wú)關(guān)。

圖6.ADC的單端操作。

使用比率模式時(shí)，實(shí)際ADC基準(zhǔn)電壓源取自為屏幕供電的開關(guān)的漏極節(jié)點(diǎn)。例如，如果正在測(cè)量Y坐標(biāo)，則Y平面供電，ADC的REF+和REF-分別取自Y+和Y-引腳。A/D 轉(zhuǎn)換將是比率式的;即，無(wú)論AD7873開關(guān)中的壓降如何，轉(zhuǎn)換結(jié)果將等于測(cè)量點(diǎn)的觸摸屏電阻與總觸摸屏電阻之比。這是確保坐標(biāo)測(cè)量精度的最佳方法。

但需要權(quán)衡：在比率模式下，除了采集階段外，屏幕在實(shí)際轉(zhuǎn)換過(guò)程中還必須保持供電，因?yàn)槠聊浑妷河米鰽DC基準(zhǔn)電壓源。或者，在單端轉(zhuǎn)換期間，只需在采集輸入信號(hào)期間為屏幕供電。對(duì)于AD7873，這需要3個(gè)時(shí)鐘周期，最差情況下是總轉(zhuǎn)換時(shí)間的20%（假設(shè)每次轉(zhuǎn)換模式為15個(gè)時(shí)鐘，這是器件最快的有效吞吐速率）。但是，按比例使用，以這種最快的速度，屏幕將在設(shè)備打開時(shí)永久供電。如果屏幕電阻為 100 歐姆且使用 5V 電源，則屏幕將消耗 50 mA 電流，這在電池供電的手持設(shè)備中是一個(gè)明顯的考慮因素。

考慮到這一困境，AD7873的設(shè)計(jì)旨在為設(shè)計(jì)人員提供四種省電選項(xiàng)選擇，以利用器件的2位選擇性關(guān)斷選項(xiàng)控制更好地管理觸摸屏控制器的總體功耗。

掉電位設(shè)置
00。轉(zhuǎn)換之間的完全斷電。ADC和內(nèi)部基準(zhǔn)在兩次轉(zhuǎn)換之間均關(guān)斷。如果選擇比率模式，觸摸屏驅(qū)動(dòng)器將在兩次轉(zhuǎn)換之間關(guān)閉（對(duì)于超過(guò) 15 個(gè)時(shí)鐘的周期）。
01. ADC在兩次轉(zhuǎn)換之間保持導(dǎo)通，但基準(zhǔn)電壓源斷電。（可以使用外部基準(zhǔn)。觸摸屏電源在轉(zhuǎn)換之間關(guān)閉，如在模式 00 中一樣。
10. ADC在兩次轉(zhuǎn)換之間關(guān)斷，而內(nèi)部基準(zhǔn)保持導(dǎo)通。這很有用，因?yàn)榛鶞?zhǔn)電壓源上電需要大約7 μs。因此，當(dāng)使用內(nèi)部基準(zhǔn)進(jìn)行單端測(cè)量（如電池和溫度讀數(shù)）時(shí)，無(wú)需允許基準(zhǔn)電壓源上電延遲。觸摸屏電源在轉(zhuǎn)換之間關(guān)閉，如在模式 00 中一樣。
11. ADC和內(nèi)部基準(zhǔn)在兩次轉(zhuǎn)換之間保持上電狀態(tài)。在此模式下，觸摸屏的開關(guān)驅(qū)動(dòng)器將保持打開狀態(tài)，直到所選輸入通道或省電模式發(fā)生更改，或者直到 CS（轉(zhuǎn)換啟動(dòng)）調(diào)高。

無(wú)論使用哪種選項(xiàng)，設(shè)計(jì)人員都必須意識(shí)到，當(dāng)外部觸摸屏通電時(shí)，大部分功率將耗散在外部觸摸屏中。啟用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源、7873 MHz數(shù)據(jù)時(shí)鐘、2 kSPS吞吐量和4.2 V電源供電時(shí)，AD125本身的功耗僅為約3.6 mW，而100 Ω屏幕的功耗為129.6 mW！因此，轉(zhuǎn)換器的功耗不到屏幕功耗的2%。但是，應(yīng)該注意的是，在上面列出的 3 種情況中的前 4 種情況下，屏幕驅(qū)動(dòng)器開關(guān)可以在轉(zhuǎn)換之間關(guān)閉。如果應(yīng)用程序允許降低吞吐率（時(shí)鐘頻率保持在2 MHz），則此功能可用于大幅降低平均屏幕功耗。

上面的前三個(gè)關(guān)斷選項(xiàng)將特別有用。例如，使用這些選項(xiàng)，在上述條件下，20 kSPS 的吞吐速率會(huì)將屏幕功率降低到平均 20 mW。對(duì)于來(lái)自屏幕的字符識(shí)別，20 kSPS 的吞吐率可能是可以接受的，而不會(huì)明顯降低性能。但是，一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)該預(yù)料到響應(yīng)速度的權(quán)衡。屏幕本身可能具有與之相關(guān)的大寄生電容——10 nF并不少見。這可能會(huì)導(dǎo)致 R-C 時(shí)間常數(shù)不可忽略，因此在進(jìn)行屏幕測(cè)量之前必須留出時(shí)間建立。因此，在許多情況下，在轉(zhuǎn)換之間關(guān)閉屏幕電源可能不是一個(gè)好主意，除非采取措施考慮大屏幕 R-C 時(shí)間常數(shù)（這將在后面討論）。

對(duì)于典型屏幕，轉(zhuǎn)換器本身的分辨率需要在 10 到 12 位范圍內(nèi)。AD7873提供12位分辨率。B 級(jí)保證 12 位無(wú)失碼 （NMC） 性能，而成本較低的 A 級(jí)提供 11 位 NMC。

外設(shè)功能——電池、溫度和壓力測(cè)量：AD7873支持許多對(duì)PDA至關(guān)重要的重要外設(shè)功能：

專用電池監(jiān)控ADC通道由衰減器電路組成，該電路將未穩(wěn)壓的電池電源電壓分頻4并將其數(shù)字化。可向 V 施加高達(dá) 6 V 的電源.BAT輸入引腳。在使用放電斜率非常淺且膝蓋非常尖銳的電池電源（例如鋰離子電池）的應(yīng)用中，該功能的準(zhǔn)確性非常重要，因此系統(tǒng)在任何給定時(shí)間了解電池在其放電曲線中的位置非常重要。通常，微處理器每隔幾秒鐘指示電池通道對(duì)電池電壓進(jìn)行數(shù)字化。如果電池進(jìn)入其曲線的急劇放電部分（圖7），它可能會(huì)損壞并且無(wú)法從這種“深度放電”事件中恢復(fù)。在實(shí)踐中，典型的PDA會(huì)在到達(dá)膝蓋之前標(biāo)記病情并做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源時(shí)，AD7873電池通道的典型精度性能為0至±1%，最差情況誤差為±3%。在需要更高精度的情況下，用戶可能需要根據(jù)電池的放電特性校準(zhǔn)此讀數(shù)。

圖7.典型的電池放電曲線。

溫度測(cè)量是AD7873執(zhí)行的第二個(gè)重要外設(shè)功能。PDA外殼內(nèi)的溫度是包含可充電電池的設(shè)備中需要監(jiān)控的特別重要的參數(shù)。通常，如果在充電過(guò)程中溫度超過(guò)45°C，則需要標(biāo)記微處理器并提供適當(dāng)?shù)牟僮鳎员苊庥捎谶^(guò)熱而對(duì)PDA造成永久性損壞。圖8顯示了用于測(cè)量溫度的方案。

圖8.溫度測(cè)量框圖。

AD7873提供兩種溫度測(cè)量模式。第一種是單轉(zhuǎn)換方法，對(duì)二極管連接的PNP晶體管的結(jié)電壓進(jìn)行簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換，并用恒定電流偏置。二極管電壓隨溫度變化約-2.1 mV/°C。 通常，在PDA制造過(guò)程中，讀數(shù)將在25°C下進(jìn)行工廠校準(zhǔn)。這種方法通常可提供約0.3°C的分辨率和±2°C的精度。

為避免PDA制造商進(jìn)行校準(zhǔn)，AD7873上提供了第二種差分方法。需要進(jìn)行兩次轉(zhuǎn)換，溫度 0 和溫度 1。溫度 0 在二極管偏置電流值較低的情況下執(zhí)行，I0，溫度 1 在偏置電流 I 下執(zhí)行1=105 I0.從埃伯斯-摩爾方程并使用一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)，我們可以證明：

方程

其中

k=玻爾茲曼常數(shù)，1.38054×10-23eV/K
q= 電子上的電荷， 1.602189×10-19C
T = 以開爾文為單位的絕對(duì)溫度
N= I1/我0，典型值為105，建議用于AD7873。

因此

T （攝氏度） = 2490 × ΔV是- 273千米

因?yàn)?ΔV是限制在約142 mV，差分法的分辨率明顯低于單變頻法。典型分辨率約為1.6°C。兩種方法的精度通常相同，約為±2°C。 圖9繪制了兩種方法在0至70°C溫度范圍內(nèi)的典型精度比較。 溫差法的主要優(yōu)點(diǎn)是它消除了PDA制造商的校準(zhǔn)需求。

圖9.差分和單次轉(zhuǎn)換溫度測(cè)量的比較誤差。

壓力（或更準(zhǔn)確地說(shuō)，觸摸電阻）可以使用AD7873通過(guò)多種簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算來(lái)計(jì)算。通過(guò)測(cè)量X和Y板之間的接觸電阻，可以確定觸摸響應(yīng)是由手寫筆還是手指或其他物體產(chǎn)生的。這提供了凹陷區(qū)域的大小和施加壓力的指示。觸摸點(diǎn)的面積與觸摸電阻成正比。可以使用兩種方法。第一個(gè)要求用戶知道X平面膜的總電阻。第二種方法要求知道X和Y膜的總電阻。公式和圖表可在數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。

觸摸即可喚醒 - 筆中斷功能。

圖10顯示了筆中斷功能，該功能向主機(jī)微處理器提供/漏極開路輸出信號(hào)。當(dāng)器件在使能筆中斷的模式下斷電時(shí)，觸摸屏幕將導(dǎo)致PENIRQ引腳上的電壓被拉至地。在此模式下，Y引腳開關(guān)驅(qū)動(dòng)器接地在斷電期間導(dǎo)通;當(dāng)兩個(gè)屏幕接觸時(shí)，X+ 引腳通過(guò) Y 引腳被拉到地，從而啟動(dòng)中斷。AD30的電阻閾值典型值為<7873 kohms。此級(jí)別將確保不會(huì)發(fā)生虛假中斷（例如，如果屏幕不小心刷在用戶的口袋里）。微處理器可以利用此中斷喚醒AD7873并開始坐標(biāo)測(cè)量。通常，PENIRQ引腳電壓將在邏輯高電平時(shí)空閑。PENIRQ引腳上需要一個(gè)10至100°kohms的外部上拉電阻，以實(shí)現(xiàn)該功能的最佳操作。使用漏極開路輸出實(shí)現(xiàn)此功能可確保PENIRQ信號(hào)的上升沿和下降沿都清晰，不受觸摸屏電容（可高達(dá)10 nF）或屏幕電阻本身的影響。

圖 10.筆中斷電路。

將AD7873連接至觸摸屏?xí)r的應(yīng)用問(wèn)題

我們已經(jīng)提到了屏幕功耗與屏幕在獲取坐標(biāo)讀數(shù)之前穩(wěn)定所需的時(shí)間之間的權(quán)衡 - 這是板之間的大寄生電容（在某些情況下約為10nF）的結(jié)果。存在其他潛在錯(cuò)誤源。屏幕本身可以從LCD面板和背光電路中拾取大量噪音。屏幕還可以充當(dāng)天線，拾取來(lái)自外部EMI/RFI源的噪聲。不小心觸摸屏幕時(shí)的機(jī)械反彈也是一個(gè)潛在的錯(cuò)誤來(lái)源。在大多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)人員會(huì)通過(guò)在接地的平板電腦引腳上安裝低通濾波器來(lái)尋求將這種噪聲降至最低。0.01 μF量級(jí)的電容很常見。（需要注意的是，不建議對(duì)這些濾波器使用串聯(lián)電阻，因?yàn)殡娮鑳啥藭?huì)增加壓降，這會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的分辨率）。由于濾波器電容、寄生屏電容等都會(huì)增加濾波的RC時(shí)間常數(shù)，因此不建議在單端模式下進(jìn)行篩網(wǎng)坐標(biāo)測(cè)量。3個(gè)時(shí)鐘周期的采集時(shí)間可能不夠長(zhǎng)，無(wú)法讓屏幕在讀取讀數(shù)之前穩(wěn)定下來(lái)。因此，比率模式要好得多。在該模式下，屏幕在整個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)保持通電狀態(tài)，并且通過(guò)平均讀數(shù)，可以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果——前提是器件在觸摸屏開關(guān)驅(qū)動(dòng)器保持打開狀態(tài)的模式下上電。

無(wú)需求平均值，只需在DIN字的第6位、第7位或第8位之間加入延遲，即可獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，無(wú)需求平均值，如圖12所示。上述討論表明，設(shè)計(jì)人員需要考慮AD7873使用的屏幕類型。該轉(zhuǎn)換器具有足夠的工作模式和速度（最小 DCLK 頻率為 10 kHz），可以在最苛刻的電阻式觸摸屏和環(huán)境下完成其基本工作 - 精確的坐標(biāo)測(cè)量。

圖 11.采集期間的延遲，以允許嘈雜的屏幕信號(hào)穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)人員可能考慮的另一個(gè)問(wèn)題是，由于高能電壓尖峰通過(guò)平板電腦引腳從屏幕放電到轉(zhuǎn)換器而導(dǎo)致的故障。在PDA制造過(guò)程中，屏幕是浮動(dòng)的，可能會(huì)積聚相當(dāng)大的電荷。這種電荷最終可能會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)換器的片劑引腳放電并永久損壞它。然后，在操作過(guò)程中，屏幕暴露在外界，并且可能發(fā)生ESD事件，這可能會(huì)通過(guò)平板電腦引腳損壞轉(zhuǎn)換器，從而使整個(gè)PDA失效。AD7873在平板電腦引腳上內(nèi)置基于可控硅整流器（SCR）的保護(hù)方案，使這些I/O盡可能可靠，免受ESD事件損壞。ESD 結(jié)構(gòu)能夠提供 15kV 保護(hù)，這對(duì) PDA 制造商來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)極具吸引力的功能，可降低現(xiàn)場(chǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)，以及制造過(guò)程中的故障風(fēng)險(xiǎn)。

總結(jié)

AD7873便于從4線電阻式觸摸屏進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量，很好地滿足ADC控制器芯片與觸摸屏接口的特殊要求。除基本坐標(biāo)測(cè)量外，AD7873還為設(shè)計(jì)人員提供電池監(jiān)控、溫度檢測(cè)、觸摸檢測(cè)和壓力測(cè)量功能。我們還討論了設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)時(shí)可能面臨的問(wèn)題，包括屏幕功耗、觸摸屏穩(wěn)定問(wèn)題和潛在的ESD損壞。讀者現(xiàn)在應(yīng)該對(duì)PDA的關(guān)鍵電路的工作原理有一個(gè)很好的了解，并了解設(shè)計(jì)人員任務(wù)的復(fù)雜性，以及設(shè)計(jì)良好的集成電路芯片如何使其更容易。

審核編輯：郭婷