如今，手持式個人數(shù)字助理（PDA）幾乎無處不在。他們不僅受到忙碌的高管的青睞，還受到主流消費者的青睞，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，僅今年一年，全世界就將售出約15 34萬臺PDA，預(yù)計到2004年年銷售額將增長到<> <>萬臺。所有這些PDA單元的一個共同特點是它們通過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，保留會議速記等。

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

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，由微小的間隔點隔開。它們通過電氣方式連接到控制器 A/D 轉(zhuǎn)換器。圖1和圖2以簡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)測量值。

在給定坐標(biāo)的測量過程中，其中一個電阻平面通過控制器ADC芯片上的開關(guān)沿其軸供電，另一個平面用于檢測被供電平面上坐標(biāo)的位置。對于 X 坐標(biāo)測量，X 平面已通電。Y 平面用于感測筆在動力平面上的位置，如下所示：在筆按下觸摸屏的位置，平面短路。感測平面上“拾取”的電壓與動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。

對于 Y 坐標(biāo)測量，將電源施加到 Y 平面，X 平面用于檢測位置，并對電壓進(jìn)行數(shù)字化。然后，對應(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的簡化框圖。除了用作坐標(biāo)測量傳感器外，它還提供許多對PDA功能很重要的外設(shè)功能，包括溫度和電池狀況測量、觸摸檢測和壓力測量，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)測量。圖3左側(cè)的一組觸摸屏開關(guān)通過所謂的平板電腦引腳X+、Y+、X-和Y-驅(qū)動電阻屏。平板電腦引腳在應(yīng)用上面簡要描述的接口方法時，還用作來自屏幕的位置電壓傳感器。

圖4.使用AD7873的典型應(yīng)用電路

在實現(xiàn)設(shè)計時考慮了許多事情。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)測量供電時，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，以避免電遷移問題（由于這些節(jié)點中的電流密度很大）。保守設(shè)計的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，開關(guān)兩端的壓降很明顯，并大大降低了施加到轉(zhuǎn)換器輸入的信號的動態(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)通電阻可能無法跟蹤屏幕在整個溫度和電源范圍內(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分別說明了AD7873如何在比率和單端工作模式下配置坐標(biāo)測量。

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

圖6.ADC的單端操作。

使用比率模式時，實際ADC基準(zhǔn)電壓源取自為屏幕供電的開關(guān)的漏極節(jié)點。例如，如果正在測量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，無論AD7873開關(guān)中的壓降如何，轉(zhuǎn)換結(jié)果將等于測量點的觸摸屏電阻與總觸摸屏電阻之比。這是確保坐標(biāo)測量精度的最佳方法。

但需要權(quán)衡：在比率模式下，除了采集階段外，屏幕在實際轉(zhuǎn)換過程中還必須保持供電，因為屏幕電壓用作ADC基準(zhǔn)電壓源?；蛘?，在單端轉(zhuǎn)換期間，只需在采集輸入信號期間為屏幕供電。對于AD7873，這需要3個時鐘周期，最差情況下是總轉(zhuǎn)換時間的20%（假設(shè)每次轉(zhuǎn)換模式為15個時鐘，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)備中是一個明顯的考慮因素。

考慮到這一困境，AD7873的設(shè)計旨在為設(shè)計人員提供四種省電選項選擇，以利用器件的2位選擇性關(guān)斷選項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)動器將在兩次轉(zhuǎn)換之間關(guān)閉（對于超過 15 個時鐘的周期）。
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，因為基準(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)行單端測量（如電池和溫度讀數(shù)）時，無需允許基準(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）調(diào)高。

無論使用哪種選項，設(shè)計人員都必須意識到，當(dāng)外部觸摸屏通電時，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)時鐘、2 kSPS吞吐量和4.2 V電源供電時，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。

上面的前三個關(guān)斷選項將特別有用。例如，使用這些選項，在上述條件下，20 kSPS 的吞吐速率會將屏幕功率降低到平均 20 mW。對于來自屏幕的字符識別，20 kSPS 的吞吐率可能是可以接受的，而不會明顯降低性能。但是，一般來說，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。這可能會導(dǎo)致 R-C 時間常數(shù)不可忽略，因此在進(jìn)行屏幕測量之前必須留出時間建立。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好主意，除非采取措施考慮大屏幕 R-C 時間常數(shù)（這將在后面討論）。

對于典型屏幕，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 級保證 12 位無失碼 （NMC） 性能，而成本較低的 A 級提供 11 位 NMC。

外設(shè)功能——電池、溫度和壓力測量：AD7873支持許多對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），它可能會損壞并且無法從這種“深度放電”事件中恢復(fù)。在實踐中，典型的PDA會在到達(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，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。

溫度測量是AD7873執(zhí)行的第二個重要外設(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，如果在充電過程中溫度超過45°C，則需要標(biāo)記微處理器并提供適當(dāng)?shù)牟僮?，以避免由于過熱而對PDA造成永久性損壞。圖8顯示了用于測量溫度的方案。

圖8.溫度測量框圖。

AD7873提供兩種溫度測量模式。第一種是單轉(zhuǎn)換方法，對二極管連接的PNP晶體管的結(jié)電壓進(jìn)行簡單的轉(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制造過程中，讀數(shù)將在25°C下進(jìn)行工廠校準(zhǔn)。這種方法通?？商峁┘s0.3°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

因為;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)換溫度測量的比較誤差。

壓力（或更準(zhǔn)確地說，觸摸電阻）可以使用AD7873通過多種簡單的算術(shù)運(yùn)算來計算。通過測量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。觸摸點的面積與觸摸電阻成正比?？梢允褂脙煞N方法。第一個要求用戶知道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。當(dāng)器件在使能筆中斷的模式下斷電時，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)動器接地在斷電期間導(dǎo)通;當(dāng)兩個屏幕接觸時，X+ 引腳通過 Y 引腳被拉到地，從而啟動中斷。AD30的電阻閾值典型值為<7873 kohms。此級別將確保不會發(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)測量。通常，PENIRQ引腳電壓將在邏輯高電平時空閑。PENIRQ引腳上需要一個10至100°kohms的外部上拉電阻，以實現(xiàn)該功能的最佳操作。使用漏極開路輸出實現(xiàn)此功能可確保PENIRQ信號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，拾取來自外部EMI/RFI源的噪聲。不小心觸摸屏幕時的機(jī)械反彈也是一個潛在的錯誤來源。在大多數(shù)情況下，設(shè)計人員會通過在接地的平板電腦引腳上安裝低通濾波器來尋求將這種噪聲降至最低。0.01 μF量級的電容很常見。（需要注意的是，不建議對這些濾波器使用串聯(lián)電阻，因為電阻兩端會增加壓降，這會降低轉(zhuǎn)換器的分辨率）。由于濾波器電容、寄生屏電容等都會增加濾波的RC時間常數(shù)，因此不建議在單端模式下進(jìn)行篩網(wǎng)坐標(biāo)測量。3個時鐘周期的采集時間可能不夠長，無法讓屏幕在讀取讀數(shù)之前穩(wěn)定下來。因此，比率模式要好得多。在該模式下，屏幕在整個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)保持通電狀態(tài)，并且通過平均讀數(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)動器保持打開狀態(tài)的模式下上電。

無需求平均值，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，無需求平均值，如圖12所示。上述討論表明，設(shè)計人員需要考慮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)測量。

圖 11.采集期間的延遲，以允許嘈雜的屏幕信號穩(wěn)定。

設(shè)計人員可能考慮的另一個問題是，由于高能電壓尖峰通過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制造過程中，屏幕是浮動的，可能會積聚相當(dāng)大的電荷。這種電荷最終可能會通過轉(zhuǎn)換器的片劑引腳放電并永久損壞它。然后，在操作過程中，屏幕暴露在外界，并且可能發(fā)生ESD事件，這可能會通過平板電腦引腳損壞轉(zhuǎn)換器，從而使整個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 PDA 制造商來說是一項極具吸引力的功能，可降低現(xiàn)場故障風(fēng)險，以及制造過程中的故障風(fēng)險。

總結(jié)

AD7873便于從4線電阻式觸摸屏進(jìn)行坐標(biāo)測量，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)測量外，AD7873還為設(shè)計人員提供電池監(jiān)控、溫度檢測、觸摸檢測和壓力測量功能。我們還討論了設(shè)計人員在設(shè)計此類系統(tǒng)時可能面臨的問題，包括屏幕功耗、觸摸屏穩(wěn)定問題和潛在的ESD損壞。讀者現(xiàn)在應(yīng)該對PDA的關(guān)鍵電路的工作原理有一個很好的了解，并了解設(shè)計人員任務(wù)的復(fù)雜性，以及設(shè)計良好的集成電路芯片如何使其更容易。

審核編輯：郭婷