电阻式触摸屏控制器ADCAD7873应对

如今，手持式个人数字助理（PDA）几乎无处不在。他们不仅受到忙碌的高管的青睐，还受到主流消费者的青睐，甚至在课堂上也是如此！它们的易用性和便携性是其快速增长成功的关键。最受欢迎的例子包括Palm Pilot系列，Handspring Visor和Sony Clie。据估计，仅今年一年，全世界就将售出约15 34万台PDA，预计到2004年年销售额将增长到<> <>万台。所有这些PDA单元的一个共同特点是它们通过手写笔和电阻式触摸屏输入数据的方法。有了它，用户可以轻松地在他/她的日记中输入日期，发送电子邮件，保留会议速记等。

触摸屏本身通常是 4 线（±X 和 ±Y）电阻元件。市场上也有5线电阻屏和电容屏，但它们通常更贵。触摸屏通过模数转换器（ADC）与主机微处理器接口，例如AD7873和AD7843，它们具有针对应用量身定制的特殊功能。本文将讨论设计人员在将ADC连接到电阻式触摸屏时面临的常见应用问题，以及如何利用AD7873解决这些问题。

操作理论和应用细节

触摸屏通常由两层透明电阻材料组成——通常是氧化铟锡（ITO）或其他形式的电阻性聚酯材料，电极用银油墨。每层的总电阻因供应商而异，但典型的屏幕在 100 到 900 欧姆范围内。这两层堆叠在玻璃的隔热层上，由微小的间隔点隔开。它们通过电气方式连接到控制器 A/D 转换器。图1和图2以简化形式显示了控制器ADC如何与4线电阻屏接口。

图1.触摸屏使用多层电阻膜和保护涂层夹层。

图2.手写笔与四线电阻式触摸屏接口。描绘了 X 坐标测量值。

在给定坐标的测量过程中，其中一个电阻平面通过控制器ADC芯片上的开关沿其轴供电，另一个平面用于检测被供电平面上坐标的位置。对于 X 坐标测量，X 平面已通电。Y 平面用于感测笔在动力平面上的位置，如下所示：在笔按下触摸屏的位置，平面短路。感测平面上“拾取”的电压与动力平面上的触摸位置成正比。然后使用控制器的ADC转换该电压。

对于 Y 坐标测量，将电源施加到 Y 平面，X 平面用于检测位置，并对电压进行数字化。然后，对应于X和Y坐标的数字代码由主机微处理器操作，并记录手写笔位置预期的命令，信息或指令。

AD7873基本触摸屏接口

图3显示了AD7873的简化框图。除了用作坐标测量传感器外，它还提供许多对PDA功能很重要的外设功能，包括温度和电池状况测量、触摸检测和压力测量，以及片内2.5 V基准电压源。

图3.AD7873原理框图

图4所示为AD7873与4线电阻式触摸屏接口的典型应用图。首先，让我们讨论基本功能——触笔坐标测量。图3左侧的一组触摸屏开关通过所谓的平板电脑引脚X+、Y+、X-和Y-驱动电阻屏。平板电脑引脚在应用上面简要描述的接口方法时，还用作来自屏幕的位置电压传感器。

图4.使用AD7873的典型应用电路

在实现设计时考虑了许多事情。首先，开关必须能够向低阻抗屏幕提供和吸收电流。例如，电源为 5 V，屏幕阻抗为 200 欧姆。当屏幕为坐标测量供电时，p-MOS切换到正电源（在X+和Y+引脚上）必须能够提供25 mA电流。同样，n-MOS接地开关（位于Y引脚和X引脚上）必须能够吸收这25 mA电流。开关的漏极和源极连接必须在布局阶段仔细设计，以避免电迁移问题（由于这些节点中的电流密度很大）。保守设计的AD7873开关能够采用70 V电源为5欧姆屏幕供电。

开关的导通电阻约为6欧姆，也带来了挑战。例如，当屏幕阻抗低至100 Ω，最小电源电压为2.7 V时，开关两端的压降很明显，并大大降低了施加到转换器输入的信号的动态范围。为了避免转换精度和有效分辨率的相应降低，并且由于开关的导通电阻可能无法跟踪屏幕在整个温度和电源范围内的电阻，因此转换器必须能够在比率模式下工作。图5和图6分别说明了AD7873如何在比率和单端工作模式下配置坐标测量。

图5.ADC的比例操作与开关导通电阻压降无关。

图6.ADC的单端操作。

使用比率模式时，实际ADC基准电压源取自为屏幕供电的开关的漏极节点。例如，如果正在测量Y坐标，则Y平面供电，ADC的REF+和REF-分别取自Y+和Y-引脚。A/D 转换将是比率式的;即，无论AD7873开关中的压降如何，转换结果将等于测量点的触摸屏电阻与总触摸屏电阻之比。这是确保坐标测量精度的最佳方法。

但需要权衡：在比率模式下，除了采集阶段外，屏幕在实际转换过程中还必须保持供电，因为屏幕电压用作ADC基准电压源。或者，在单端转换期间，只需在采集输入信号期间为屏幕供电。对于AD7873，这需要3个时钟周期，最差情况下是总转换时间的20%（假设每次转换模式为15个时钟，这是器件最快的有效吞吐速率）。但是，按比例使用，以这种最快的速度，屏幕将在设备打开时永久供电。如果屏幕电阻为 100 欧姆且使用 5V 电源，则屏幕将消耗 50 mA 电流，这在电池供电的手持设备中是一个明显的考虑因素。

考虑到这一困境，AD7873的设计旨在为设计人员提供四种省电选项选择，以利用器件的2位选择性关断选项控制更好地管理触摸屏控制器的总体功耗。

掉电位设置
00。转换之间的完全断电。ADC和内部基准在两次转换之间均关断。如果选择比率模式，触摸屏驱动器将在两次转换之间关闭（对于超过 15 个时钟的周期）。
01. ADC在两次转换之间保持导通，但基准电压源断电。（可以使用外部基准。触摸屏电源在转换之间关闭，如在模式 00 中一样。
10. ADC在两次转换之间关断，而内部基准保持导通。这很有用，因为基准电压源上电需要大约7 μs。因此，当使用内部基准进行单端测量（如电池和温度读数）时，无需允许基准电压源上电延迟。触摸屏电源在转换之间关闭，如在模式 00 中一样。
11. ADC和内部基准在两次转换之间保持上电状态。在此模式下，触摸屏的开关驱动器将保持打开状态，直到所选输入通道或省电模式发生更改，或者直到 CS（转换启动）调高。

无论使用哪种选项，设计人员都必须意识到，当外部触摸屏通电时，大部分功率将耗散在外部触摸屏中。启用内部基准电压源、7873 MHz数据时钟、2 kSPS吞吐量和4.2 V电源供电时，AD125本身的功耗仅为约3.6 mW，而100 Ω屏幕的功耗为129.6 mW！因此，转换器的功耗不到屏幕功耗的2%。但是，应该注意的是，在上面列出的 3 种情况中的前 4 种情况下，屏幕驱动器开关可以在转换之间关闭。如果应用程序允许降低吞吐率（时钟频率保持在2 MHz），则此功能可用于大幅降低平均屏幕功耗。

上面的前三个关断选项将特别有用。例如，使用这些选项，在上述条件下，20 kSPS 的吞吐速率会将屏幕功率降低到平均 20 mW。对于来自屏幕的字符识别，20 kSPS 的吞吐率可能是可以接受的，而不会明显降低性能。但是，一般来说，应该预料到响应速度的权衡。屏幕本身可能具有与之相关的大寄生电容——10 nF并不少见。这可能会导致 R-C 时间常数不可忽略，因此在进行屏幕测量之前必须留出时间建立。因此，在许多情况下，在转换之间关闭屏幕电源可能不是一个好主意，除非采取措施考虑大屏幕 R-C 时间常数（这将在后面讨论）。

对于典型屏幕，转换器本身的分辨率需要在 10 到 12 位范围内。AD7873提供12位分辨率。B 级保证 12 位无失码 （NMC） 性能，而成本较低的 A 级提供 11 位 NMC。

外设功能——电池、温度和压力测量：AD7873支持许多对PDA至关重要的重要外设功能：

专用电池监控ADC通道由衰减器电路组成，该电路将未稳压的电池电源电压分频4并将其数字化。可向 V 施加高达 6 V 的电源.BAT输入引脚。在使用放电斜率非常浅且膝盖非常尖锐的电池电源（例如锂离子电池）的应用中，该功能的准确性非常重要，因此系统在任何给定时间了解电池在其放电曲线中的位置非常重要。通常，微处理器每隔几秒钟指示电池通道对电池电压进行数字化。如果电池进入其曲线的急剧放电部分（图7），它可能会损坏并且无法从这种“深度放电”事件中恢复。在实践中，典型的PDA会在到达膝盖之前标记病情并做出适当的反应。使用内部基准电压源时，AD7873电池通道的典型精度性能为0至±1%，最差情况误差为±3%。在需要更高精度的情况下，用户可能需要根据电池的放电特性校准此读数。

图7.典型的电池放电曲线。

温度测量是AD7873执行的第二个重要外设功能。PDA外壳内的温度是包含可充电电池的设备中需要监控的特别重要的参数。通常，如果在充电过程中温度超过45°C，则需要标记微处理器并提供适当的操作，以避免由于过热而对PDA造成永久性损坏。图8显示了用于测量温度的方案。

图8.温度测量框图。

AD7873提供两种温度测量模式。第一种是单转换方法，对二极管连接的PNP晶体管的结电压进行简单的转换，并用恒定电流偏置。二极管电压随温度变化约-2.1 mV/°C。 通常，在PDA制造过程中，读数将在25°C下进行工厂校准。这种方法通常可提供约0.3°C的分辨率和±2°C的精度。

为避免PDA制造商进行校准，AD7873上提供了第二种差分方法。需要进行两次转换，温度 0 和温度 1。温度 0 在二极管偏置电流值较低的情况下执行，I0，温度 1 在偏置电流 I 下执行1=105 I0.从埃伯斯-摩尔方程并使用一些简单的数学，我们可以证明：

方程

其中

k=玻尔兹曼常数，1.38054×10-23eV/K
q= 电子上的电荷， 1.602189×10-19C
T = 以开尔文为单位的绝对温度
N= I1/我0，典型值为105，建议用于AD7873。

因此

T （摄氏度） = 2490 × ΔV是- 273千米

因为;ΔV是限制在约142 mV，差分法的分辨率明显低于单变频法。典型分辨率约为1.6°C。两种方法的精度通常相同，约为±2°C。 图9绘制了两种方法在0至70°C温度范围内的典型精度比较。 温差法的主要优点是它消除了PDA制造商的校准需求。

图9.差分和单次转换温度测量的比较误差。

压力（或更准确地说，触摸电阻）可以使用AD7873通过多种简单的算术运算来计算。通过测量X和Y板之间的接触电阻，可以确定触摸响应是由手写笔还是手指或其他物体产生的。这提供了凹陷区域的大小和施加压力的指示。触摸点的面积与触摸电阻成正比。可以使用两种方法。第一个要求用户知道X平面膜的总电阻。第二种方法要求知道X和Y膜的总电阻。公式和图表可在数据手册中找到。

触摸即可唤醒 - 笔中断功能。

图10显示了笔中断功能，该功能向主机微处理器提供/漏极开路输出信号。当器件在使能笔中断的模式下断电时，触摸屏幕将导致PENIRQ引脚上的电压被拉至地。在此模式下，Y引脚开关驱动器接地在断电期间导通;当两个屏幕接触时，X+ 引脚通过 Y 引脚被拉到地，从而启动中断。AD30的电阻阈值典型值为<7873 kohms。此级别将确保不会发生虚假中断（例如，如果屏幕不小心刷在用户的口袋里）。微处理器可以利用此中断唤醒AD7873并开始坐标测量。通常，PENIRQ引脚电压将在逻辑高电平时空闲。PENIRQ引脚上需要一个10至100°kohms的外部上拉电阻，以实现该功能的最佳操作。使用漏极开路输出实现此功能可确保PENIRQ信号的上升沿和下降沿都清晰，不受触摸屏电容（可高达10 nF）或屏幕电阻本身的影响。

图 10.笔中断电路。

将AD7873连接至触摸屏时的应用问题

我们已经提到了屏幕功耗与屏幕在获取坐标读数之前稳定所需的时间之间的权衡 - 这是板之间的大寄生电容（在某些情况下约为10nF）的结果。存在其他潜在错误源。屏幕本身可以从LCD面板和背光电路中拾取大量噪音。屏幕还可以充当天线，拾取来自外部EMI/RFI源的噪声。不小心触摸屏幕时的机械反弹也是一个潜在的错误来源。在大多数情况下，设计人员会通过在接地的平板电脑引脚上安装低通滤波器来寻求将这种噪声降至最低。0.01 μF量级的电容很常见。（需要注意的是，不建议对这些滤波器使用串联电阻，因为电阻两端会增加压降，这会降低转换器的分辨率）。由于滤波器电容、寄生屏电容等都会增加滤波的RC时间常数，因此不建议在单端模式下进行筛网坐标测量。3个时钟周期的采集时间可能不够长，无法让屏幕在读取读数之前稳定下来。因此，比率模式要好得多。在该模式下，屏幕在整个转换周期内保持通电状态，并且通过平均读数，可以获得准确的结果——前提是器件在触摸屏开关驱动器保持打开状态的模式下上电。

无需求平均值，只需在DIN字的第6位、第7位或第8位之间加入延迟，即可获得准确的结果，无需求平均值，如图12所示。上述讨论表明，设计人员需要考虑AD7873使用的屏幕类型。该转换器具有足够的工作模式和速度（最小 DCLK 频率为 10 kHz），可以在最苛刻的电阻式触摸屏和环境下完成其基本工作 - 精确的坐标测量。

图 11.采集期间的延迟，以允许嘈杂的屏幕信号稳定。

设计人员可能考虑的另一个问题是，由于高能电压尖峰通过平板电脑引脚从屏幕放电到转换器而导致的故障。在PDA制造过程中，屏幕是浮动的，可能会积聚相当大的电荷。这种电荷最终可能会通过转换器的片剂引脚放电并永久损坏它。然后，在操作过程中，屏幕暴露在外界，并且可能发生ESD事件，这可能会通过平板电脑引脚损坏转换器，从而使整个PDA失效。AD7873在平板电脑引脚上内置基于可控硅整流器（SCR）的保护方案，使这些I/O尽可能可靠，免受ESD事件损坏。ESD 结构能够提供 15kV 保护，这对 PDA 制造商来说是一项极具吸引力的功能，可降低现场故障风险，以及制造过程中的故障风险。

总结

AD7873便于从4线电阻式触摸屏进行坐标测量，很好地满足ADC控制器芯片与触摸屏接口的特殊要求。除基本坐标测量外，AD7873还为设计人员提供电池监控、温度检测、触摸检测和压力测量功能。我们还讨论了设计人员在设计此类系统时可能面临的问题，包括屏幕功耗、触摸屏稳定问题和潜在的ESD损坏。读者现在应该对PDA的关键电路的工作原理有一个很好的了解，并了解设计人员任务的复杂性，以及设计良好的集成电路芯片如何使其更容易。

审核编辑：郭婷