深入剖析AD7873：高精度、低功耗的触摸屏幕ADC解决方案

在电子工程师的日常设计工作中，寻找一款性能卓越、功能全面且适用于多种应用场景的模数转换器（ADC）至关重要。今天，我们就来深入剖析Analog Devices公司的AD7873，这是一款专为触摸屏幕应用优化的12位逐次逼近型ADC，它凭借众多出色的特性，在众多同类产品中脱颖而出。

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AD7873的关键特性

1. 丰富的接口与功能

AD7873具备4线触摸屏幕接口，能够与多种触摸屏幕完美适配，实现精准的触摸位置检测。同时，其片上集成了温度传感器，工作范围为 -40°C 至 +85°C，可实时监测环境温度变化。此外，它还拥有片上2.5V参考电压源，可直接用于辅助输入、电池监测和温度测量等模式，并且支持直接电池测量（0V至6V）和触摸压力测量，功能十分强大。

2. 高性能转换能力

该ADC的指定吞吐量速率高达125 kSPS，能够快速准确地完成模拟信号到数字信号的转换。采用单电源供电，VCC范围为2.2V至5.25V，具有良好的电源适应性。支持比例式转换模式，可有效消除片上开关电阻带来的误差，提高测量精度。其可编程的8位或12位分辨率，能根据实际应用需求灵活调整，满足不同场景下的精度要求。

3. 低功耗与高速特性

AD7873的功耗表现十分出色，在参考电压关闭时，最大功耗仅为1.37mW；参考电压开启时，典型功耗为2.41mW（在125 kSPS和VCC为3.6V的条件下）。此外，它还具备高速串行接口，能够快速传输数据，同时拥有一个辅助模拟输入通道，进一步拓展了其应用范围。在关机模式下，最大电流仅为1µA，有效降低了系统功耗。

4. 多样的封装形式

AD7873提供了16引脚的QSOP、TSSOP和LFCSP三种封装形式，方便工程师根据不同的设计需求进行选择，为电路板布局和空间利用提供了更多的灵活性。

技术参数解读

1. 逻辑输出参数

在逻辑输出方面，当SOURCE电流为250µA，VCC范围在2.2V至5.25V，SINK电流为250µA，使用100kΩ上拉电阻时，输出高电压VOH为VCC - 0.2V（最小值），输出低电压VOL为0.4V（最大值），PENIRQ输出低电压同样为0.4V（最大值）。浮动状态下，泄漏电流最大值为±10µA，输出电容最大值为10pF，输出编码为直（自然）二进制。

2. 转换速率参数

转换时间最大为12个DCLK周期，跟踪保持采集时间最小为3个DCLK周期，最大吞吐量速率可达125 kSPS，确保了快速准确的信号转换。

3. 电源要求参数

在指定性能下，+VCC的范围为2.7V至3.6V，实际可在2.2V至5.25V范围内正常工作。正常模式下，根据采样频率和参考电压的不同，ICC电流也有所变化。例如，在采样频率为125 kSPS，内部参考电压关闭，VCC为3.6V时，最大电流为380µA（典型值为240µA）；内部参考电压开启时，典型电流为670µA。关机模式下，最大电流为1µA（典型值为200nA）。功率耗散方面，在采样频率为125 kSPS，内部参考电压关闭，VCC为3.6V时，最大功耗为1.368mW；内部参考电压开启时，典型功耗为2.412mW。关机时，最大功耗为3.6µW（VCC为3.6V）。

4. 绝对最大额定值

在绝对最大额定值方面，+VCC至GND的电压范围为 - 0.3V至 +7V，模拟输入电压、数字输入电压、数字输出电压和VREF至GND的电压范围均为 - 0.3V至VCC + 0.3V。除电源引脚外，任何引脚的输入电流最大值为±10mA（瞬态电流高达100mA时不会引起SCR闩锁）。商业版本（A、B版本）的工作温度范围为 - 40°C至 +85°C，存储温度范围为 - 65°C至 +150°C，结温为150°C，功率耗散最大值为450mW。在红外回流焊接时，不同类型的器件有不同的温度和时间要求，例如无铅器件的峰值温度为250°C，达到峰值温度的时间为20秒至40秒，升温速率最大为3°C/秒，降温速率最大为6°C/秒。

实际应用场景

1. 个人数字助理和智能手持设备

在个人数字助理和智能手持设备中，AD7873的高精度触摸位置检测和低功耗特性能够为用户带来流畅的触摸操作体验，同时延长设备的电池续航时间。其片上温度传感器还可以实时监测设备内部温度，确保设备在安全的工作温度范围内运行。

2. 触摸屏显示器

对于触摸屏显示器，AD7873的快速转换速率和高分辨率能够实现精准的触摸响应，为用户提供清晰、准确的触摸反馈。比例式转换模式可以有效消除因开关电阻带来的误差，提高显示效果的准确性。

3. 销售点终端和寻呼机

在销售点终端和寻呼机等设备中，AD7873的直接电池测量功能可以实时监测电池电量，为设备的正常运行提供保障。其低功耗和小封装形式也符合这些设备对空间和功耗的严格要求。

设计要点与注意事项

1. 模拟输入与采集时间

在模拟输入方面，AD7873的输入信号通过片上多路复用器提供，可选择不同的模拟输入通道，如X、Y、Z面板坐标、电池电压或芯片温度等。当转换器进入保持模式时，会捕获+IN和 - IN输入之间的电压差。输入电流取决于设备的转换速率，在采样期间，源需要为内部采样电容（典型值为37pF）充电。采集时间方面，当模拟输入源阻抗为零时，三个DCLK周期足以将信号采集到12位水平；当存在源阻抗时，实际采集时间需要根据公式 (t{ACQ}=8.4×(R{IN}+100Ω)×37pF) 计算，其中 (R_{IN}) 为输入信号的源阻抗。

2. 触摸屏稳定时间

在某些应用中，触摸屏可能需要外接电容来过滤噪声，这会导致触摸屏触摸时的稳定时间问题，通常表现为增益误差。解决方法有三种：一是在所需的触摸屏稳定时间内停止或减慢DCLK，使输入和参考在采集时间内稳定；二是仅在触摸屏采用差分模式操作，并将AD7873编程为保持触摸屏驱动器开启且不进入掉电状态，根据稳定时间和数据速率可能需要多次转换，最后一次测量后再将AD7873置于掉电状态；三是使用15 - DCLK周期模式，保持触摸屏驱动器开启，直到处理器命令停止。

3. 内部参考电压

AD7873的内部参考电压为2.5V，可通过VREF引脚供外部使用，但需要先进行缓冲。该参考电压可通过掉电地址（PD1 = 1）开启或关闭，通常仅在单端模式下用于电池监测、温度测量和辅助输入。在无负载情况下，2.5V参考电压的上电时间通常为10µs，建议在VREF引脚使用0.1µF电容以优化性能。当使用外部参考电压时，为获得最佳性能，应关闭内部参考电压，因为关闭内部参考电压时，图27中的SW1会断开，此时VREF引脚的输入阻抗处于GΩ量级；而开启内部参考电压时，VREF引脚的输入阻抗约为260Ω。

4. 测量功能

温度测量

AD7873提供了两种温度测量方法：单转换法和差分转换法。单转换法通过在固定校准温度下对二极管电压进行数字化记录，然后根据二极管温度漂移（约 - 2.1mV/°C）通过外推法估算环境温度，该方法分辨率约为0.3°C，预测精度为±3°C。差分转换法是一种两点测量法，通过对二极管施加不同的偏置电流进行两次测量，利用电压差计算绝对温度，公式为 (Delta V_{BE}=(kT/q)×(ln N)) ，其中k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷，N为偏置电流倍数。该方法可提供更准确的绝对温度测量，精度为±2°C，但分辨率降至约1.6°C。

电池测量

AD7873可以监测0V至6V的电池电压，电池电压通过VBAT引脚输入，经过4分频后以1.5V的电压呈现给ADC。为节省功率，仅在对VBAT引脚的电压进行采样时，分频器才会开启。

压力测量

通过简单计算，AD7873可以测量施加在触摸屏上的压力。以12位分辨率模式为例，可以通过两种方法计算触摸电阻 (R{TOUCH}) 。第一种方法需要知道X板的总电阻 (R{XPLATE}) ，并进行三次触摸屏转换（测量X位置、Z1位置和Z2位置），计算公式为 (R{TOUCH}=(R{XPLATE})×(X{POSITION}/4095)×[(Z{2}/Z{1}) - 1]) 。第二种方法需要知道X板和Y板的电阻，同样进行三次触摸屏转换（测量X位置、Y位置和Z1位置），计算公式为 (R{TOUCH}=left{(R{XPLATE}/Z{I})×(X{POSITION}/4095)×[(4096/Z{I}) - 1]right} - [R{YPLATE}×(Y{POSITION}/4095)]) 。

5. 笔中断请求

PENIRQ输出为CMOS逻辑开漏输出，通过连接一个10kΩ至100kΩ的上拉电阻，正常情况下输出为高电平。当触摸屏被触摸时，PENIRQ输出变为低电平，触发微处理器的中断。在检测到START位后，笔中断功能会被禁用，直到第四次DCLK下降沿后，PENIRQ输出恢复高电平。需要注意的是，如果控制寄存器的写操作与数据读取重叠，即使在控制寄存器中启用了PENIRQ功能，在转换结束前也会被START位再次禁用，因此在这种模式下PENIRQ功能通常无效。

6. 控制寄存器

控制字通过DIN引脚提供给ADC，其中S位必须设置为1以启动控制字，AD7873在检测到START位之前会忽略DIN线上的任何输入。A2、A1和A0三位用于选择输入多路复用器的活动输入通道、触摸屏驱动器和参考输入。MODE位设置模数转换器的分辨率，0为12位分辨率，1为8位分辨率。SER/DFR位控制参考模式，1为单端模式，0为差分（比例式）转换模式，差分模式适用于X位置、Y位置和压力触摸测量，而其他测量通常需要单端模式。PD0和PD1为电源管理位，通过编程这两位可以选择不同的电源管理选项，实现参考电压和ADC的独立开关控制，从而在转换之间实现节能。

7. 串行接口

AD7873的串行接口通过串行时钟（DCLK）提供转换时钟并控制信息的传输。一次完整的转换可以在24个DCLK周期内完成，CS信号用于启动数据传输和转换过程。在转换过程中，前8个DCLK周期用于通过DIN引脚向控制寄存器写入数据，接下来的3个DCLK周期为采集阶段，之后进入转换阶段，再用12个DCLK周期进行转换并输出结果，最后3个DCLK周期输出3个尾随零。此外，还可以采用16个或15个DCLK周期进行转换，以提高吞吐量。将MODE位设置为1可以使AD7873工作在8位模式，从而加快转换速度，吞吐量可提高25%，并且由于内部稳定时间要求较低，时钟速率可以提高50%，综合起来可使转换速率翻倍。

总结

总的来说，AD7873是一款性能卓越、功能丰富且应用广泛的ADC芯片。其高精度、低功耗、多种测量功能和灵活的电源管理选项，使其成为触摸屏幕应用以及其他需要高精度模拟信号转换的理想选择。在实际设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择芯片的工作模式和参数，同时注意模拟输入、触摸屏稳定时间、参考电压等方面的设计要点，以充分发挥AD7873的性能优势，实现高效、稳定的系统设计。你在使用类似ADC芯片的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。