TSC2100：高度集成的触摸屏控制器与音频编解码器

在当今的便携式计算、通信和娱乐设备中，高度集成的芯片解决方案对于提升设备性能和降低成本至关重要。TSC2100 就是这样一款集触摸屏控制与立体声音频编解码功能于一身的芯片，下面我们来详细了解它。

文件下载：TSC2100IDA.pdf

一、TSC2100 概述

TSC2100 是一款高度集成的触摸屏控制器，同时集成了立体声音频编解码器。它采用基于寄存器的架构，通过标准 SPI 总线与基于微处理器的系统轻松集成，所有外设功能都可通过寄存器和板载状态机进行控制。

主要特性

1. 触摸屏处理：具备全自动操作模式，可编程转换器分辨率、速度和平均化，还有可编程自主定时控制。
2. 电池测量：可直接测量电池，接受高达 6V 的输入。
3. 温度测量：片上温度测量功能。
4. 音频编解码：支持高达 48ksps 的立体声音频 DAC 和单声道音频 ADC，高品质 97dB 立体声音频，集成 PLL 实现灵活音频时钟生成，可编程数字音频处理，如低音、高音、均衡等。
5. 输出驱动：片上 325mW、8Ω 扬声器驱动，立体声耳机放大器有无电容输出选项，还有麦克风前置放大器和硬件自动增益控制。
6. 接口：支持 SPI 和 (I^{2}S) 串行接口，具备全功率关断控制，低功耗，48ksps 立体声音频播放时仅 11mW。
7. 封装：提供 32 引脚 TSSOP 和 32 引脚 5×5mm QFN 封装。

应用场景

适用于个人数字助理、智能手机、MP3 播放器等设备。

二、TSC2100 详细功能解析

触摸屏操作

1. 4 线触摸屏坐标测量

TSC2100 支持 4 线电阻式触摸屏配置。通过在垂直或水平电阻网络上施加电压，A/D 转换器测量触摸点的电压，从而确定触摸位置的 X 和 Y 坐标。对于触摸压力（Z）的测量，有两种方法：

• 方法一：需知道 X 板电阻、X 位置测量值以及触摸屏的两个额外交叉面板测量值（Z2 和 Z1），通过公式 (R{TOUCH }=R{X -plate } × frac{X -position }{4096}left(frac{Z{2}}{Z{1}}-1right)) 计算触摸电阻。
• 方法二：需知道 X 板和 Y 板电阻、X 位置和 Y 位置测量值以及 (z{1}) ，通过公式 (R{TOUCH }=frac{R{X -plate } × X -position }{4096}left(frac{4096}{Z{1}}-1right)-R_{Y -plate } timesleft(1-frac{Y -position }{4096}right)) 计算触摸电阻。

2. 触摸屏 A/D 转换器

TSC2100 的模拟输入通过多路复用器连接到逐次逼近寄存器（SAR）A/D 转换器。A/D 架构基于电容重新分配架构，包含采样/保持功能。A/D 由 A/D 转换器控制寄存器控制，可通过该寄存器编程通道选择、扫描操作、平均化、分辨率和转换速率等。

3. 数据格式与参考

输出数据为无符号二进制格式，可通过 SPI 接口从寄存器读取。TSC2100 有内部电压参考，可设置为 1.25V 或 2.5V，也可使用外部参考。

4. 可变分辨率

A/D 转换器提供 8 位、10 位或 12 位三种分辨率。较低分辨率适用于触摸压力等测量，可降低功耗。

5. 转换时钟与转换时间

TSC2100 内部有 8MHz 时钟，用于驱动设备内部的状态机。该时钟可分频为 A/D 转换器提供时钟，用户可根据分辨率、速度和功耗需求选择合适的转换时钟速率。转换时间取决于多种因素，如分辨率、内部转换时钟速率、平均化设置、面板电压稳定时间等。

6. 触摸检测/数据可用

PINTDAV 输出功能可用于检测触摸和数据可用状态。其功能可编程，可设置为笔中断、数据可用或两者兼具。

音频编解码器操作

1. 音频模拟 I/O

TSC2100 有一个单声道音频输入（MICIN）用于麦克风录音，还有一个辅助输入（AUX）可作为第二个麦克风或线路输入。双音频输出驱动可配置为不同功率级别，可驱动 8Ω 扬声器或 16Ω 立体声耳机，还可提供立体声线路电平输出。

2. 音频数字接口

数字音频数据通过串行总线（BCLK、ADWS、DOUT、LRCK、DIN）在 TSC2100 和 CPU 之间传输，支持四种不同格式：右对齐、左对齐、I2S 和 DSP。可工作在主模式或从模式。

3. ADC/DAC 采样率

音频控制 1 寄存器确定音频 DAC 和 ADC 的采样率，可设置为相同或不同的采样率。

4. 字选择信号

LRCK 和 ADWS 信号指示传输的声道。

5. 位时钟（BCLK）信号

BCLK 可配置为 256 - S 传输模式和连续传输模式。

6. 音频数据转换器

包括立体声音频 DAC 和单声道音频 ADC，最大采样率可达 53kHz，支持多种标准音频速率。通过灵活的时钟生成和内部可编程插值，可获得多种采样率。

7. PLL

片上 PLL 可从系统中的多种时钟生成所需的内部 ADC 和 DAC 操作时钟，支持 2MHz 至 50MHz 的 MCLK，可通过寄存器编程实现精确的采样率生成。

8. 单声道音频 ADC

模拟前端包括模拟 MUX 和可编程增益放大器（PGA），可选择 MICIN 或 AUX 作为输入，还可选择差分输入。ADC 采用 delta - sigma 调制器，集成数字抽取滤波器，可去除高频内容并降采样音频数据。自动增益控制（AGC）可根据输入信号调整 PGA 增益，保持输出信号幅度恒定。

9. 立体声音频 DAC

每个声道包括数字音频处理块、数字插值滤波器、数字 delta - sigma 调制器和模拟重建滤波器。通过增加过采样和图像滤波，可在低采样率下提供增强的性能。DAC 有数字音量控制块，可实现可编程增益，采用软步进算法实现音量平滑变化。

10. 音频输出驱动

可配置为低功率模式或高功率模式，默认低功率模式。高功率模式下，每个输出驱动可向 16Ω 耳机扬声器负载提供高达 30mW 功率，也可驱动 8Ω 扬声器。输出驱动还具备可编程短路检测/保护功能。

11. 音频输出驱动上电爆音减少方案

TSC2100 实现了爆音减少方案，可通过编程控制，减少音频输出驱动上电和下电时的可听杂音。

12. 音频混合

包括数字侧音控制和模拟混音功能，可将 ADC 输出与 DAC 输入混合。

13. 按键音

通过寄存器控制可在模拟输出信号路径中插入方波信号，用于生成按键音。

SPI 数字接口

TSC2100 的所有控制寄存器通过标准 SPI 总线编程，支持全双工、同步、串行通信。

通信协议

通过 16 位命令控制寄存器的读写，命令包含读写位、页面地址、寄存器地址等信息。

内存映射

TSC2100 有多个 16 位寄存器，分为数据页（Page 0）和控制页（Page 1 和 Page 2），用于存储转换结果和控制设备功能。

控制寄存器

详细描述了每个寄存器的功能，包括触摸屏 ADC 控制、状态、参考控制、复位控制、音频控制等。

三、布局建议

为了获得最佳性能，TSC2100 的物理布局需要注意以下几点：

1. 电源：电源要干净且充分旁路，在设备附近放置 0.1µF 陶瓷旁路电容，若电源引脚与系统电源之间阻抗高，可能还需要 1 - 10µF 电容。
2. 参考电压：VREF 引脚通常不需要旁路电容，但可用于降低参考噪声。若使用外部参考电压，要确保其能驱动旁路电容而不产生振荡。
3. 接地：接地引脚要连接到干净的接地点，避免靠近微控制器或数字信号处理器的接地点，理想情况下使用专门的模拟接地平面。
4. 触摸屏连接：与电阻式触摸屏的连接要尽可能短且牢固，避免松动连接导致的误差。
5. 噪声处理：对于可能存在的 EMI 噪声，可采用带接地金属层的触摸屏和滤波电容来减少噪声，但要注意电容会增加屏幕稳定时间。

四、转换时间计算

文档中给出了不同操作模式下的转换时间计算公式，包括触摸屏转换（触摸检测启动和主机启动）、非触摸屏测量操作和端口扫描操作等。

五、音频编解码器滤波器频率响应

文档提供了 ADC 数字滤波器、DAC 通道数字滤波器、去加重滤波器等的频率响应图，有助于工程师了解音频编解码的性能。

六、PLL 编程

给出了不同 MCLK 下 PLL 寄存器的编程示例，方便工程师根据系统需求配置 PLL 以生成合适的采样时钟。

七、封装信息

TSC2100 提供 TSSOP 和 QFN 两种封装，文档详细介绍了封装的尺寸、引脚信息、包装数量、环保要求等。

总之，TSC2100 是一款功能强大、集成度高的芯片，为便携式设备的设计提供了全面的触摸屏控制和音频编解码解决方案。工程师在使用时，需根据具体应用需求合理配置寄存器，注意布局和转换时间等因素，以充分发挥其性能。你在实际设计中是否也遇到过类似的集成芯片呢？你是如何应对其复杂的功能配置和布局要求的？欢迎在评论区分享你的经验。