如何使用AD7873解决电阻式触摸屏连接问题

如今，手持式个人数字助理（PDA）几乎无处不在。他们不仅对繁忙的高管而且对主流消费者 - 甚至在课堂上 - 都有所帮助！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，仅在今年，全球将售出约1500万台PDA，预计到2004年，年销量将增至3400万台。所有这些PDA装置的一个共同特点是通过手写笔输入数据的方法。电阻式触摸屏。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，保持简短的会议记录等。

触摸屏本身通常是4线（±X和±Y）电阻元件。市场上还有5线电阻屏和电容屏，但它们通常更贵。触摸屏通过A / D转换器（ADC）与主机微处理器连接，例如AD7873和AD7843，它们具有针对应用定制的特殊功能。本文将讨论设计人员在将ADC连接到电阻式触摸屏时所面临的常见应用问题，以及如何使用AD7873解决这些问题。

操作原理和应用细节

触摸屏通常由两层透明电阻材料组成 - 通常是氧化铟锡（ITO）或一些其他形式的电阻聚酯材料，带有用于电极的银墨水。每层的总电阻因供应商而异，但典型的屏幕在100至900欧姆的范围内。这两层堆叠在玻璃绝缘层上，由微小的间隔点隔开。它们与控制器A / D转换器电连接。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。

在测量给定坐标期间，其中一个电阻平面沿其轴通过控制器ADC芯片上的开关供电，另一个平面用于检测坐标的位置动力飞机。对于X坐标测量，X平面通电。 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处，平面短路。感测到的平面上“拾取”的电压与动力平面上的触摸位置成比例。然后使用控制器的ADC转换该电压。

对于Y坐标测量，功率施加到Y平面，X平面用于感测位置，电压被数字化。然后由主机微处理器操作对应于X和Y坐标的数字代码，并且记录触控笔位置所预期的命令，信息或指令。

基本AD7873触摸屏界面

图3显示了AD7873的简化框图。除了作为坐标测量传感器之外，它还提供了许多对PDA功能非常重要的外围功能，包括温度和电池状态测量，触摸检测和压力测量，以及片内2.5V电压基准。

图4显示了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 - 手写笔坐标测量。图3左侧的触摸屏开关组通过所谓的平板电脑引脚X +，Y +，X-和Y-驱动电阻屏。在应用上面简要描述的接口方法时，平板电脑引脚还可以作为屏幕上未激活位置电压的传感器。

在设计实现中考虑了许多因素。首先，开关必须能够向低阻抗屏幕提供电流和从低阻抗屏幕吸收电流。比如说，电源电压为5 V，屏蔽阻抗为200欧姆。当屏幕通电以进行坐标测量时，p-MOS开关到正电源（在X +和Y +引脚上）必须能够提供25 mA电流。类似地，n-MOS开关接地（这些在Y和X-引脚上）必须能够吸收25 mA的电流。必须在布局阶段仔细设计开关的漏极和源极连接，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开关能够使用5V电源提供70欧姆的屏幕。

on - 开关的电阻，大约6欧姆，也提出了一个挑战。例如，当屏蔽阻抗低至100欧姆且最小电源电压为2.7 V时，开关两端的电压降很明显，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的温度和电源电阻，因此转换器必须能够以比例模式操作。图5和图6分别说明了如何在比例和单端工作模式下配置AD7873以进行坐标测量。

使用比例模式，实际的ADC参考值来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平面被供电，ADC的REF +和REF-分别取自Y +和Y-引脚。 A / D转换将是 ratiometric ;即，无论AD7873开关的电压降如何，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：在比例模式下，除了采集阶段外，屏幕必须在实际转换过程中保持供电状态，因为屏幕电压用作ADC参考。或者，在单端转换期间，仅需要在获取输入信号期间为屏幕供电。对于AD7873，这需要3个时钟周期，最差的是总转换时间的20％（假设每转换15个时钟模式 - 这是器件最快的有效吞吐率）。但是，按比例使用，以最快的速率，屏幕将在设备开启时永久供电。如果屏幕电阻为100欧姆并且使用5 V电源，则屏幕将消耗50 mA电流 - 这是电池供电的手持设备中的一个明显考虑因素。

考虑到这种困境，AD7873已经存在旨在为设计人员提供四种断电选项，以便使用器件的2位选择性断电选项控制来更好地管理触摸屏控制器的整体功耗。

关闭位设置

00。转换之间完全断电。 ADC和内部参考都在转换之间断电。如果选择了比例模式，触摸屏驱动程序将在转换之间关闭（对于超过15个时钟的周期）。

01。 ADC在转换之间保持开启状态，但参考电压关断。 （可以使用外部参考。）在转换之间关闭触摸屏电源，如在模式00中。

10。 ADC在转换之间关断，而内部参考保持开启状态。这很有用，因为参考电压需要大约7μs才能上电。因此，当使用内部参考进行单端测量（例如电池和温度读数）时，无需允许延迟参考电源。触摸屏电源在转换之间关闭，如在模式00中。

11。 ADC和内部参考在转换之间保持通电状态。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改变，或直到CS（转换启动）变为高电平。

无论使用何种选项，设计人员必须意识到，当电源供电时，大部分电源将在外部触摸屏中耗散。 AD7873本身仅消耗大约2.4 mW ，内部参考使能，2 MHz数据时钟，吞吐量为125 kSPS，电源电压为3.6 V，而100欧姆屏幕正在耗散《 em》 129.6 mW ！因此，转换器消耗的功率不到屏幕功耗的2％。但是，应该注意的是，在上面列出的4种情况的前3种中，可以在转换之间关闭屏幕驱动开关。如果应用程序可以降低吞吐率（时钟频率保持在2 MHz），此功能可以显着降低平均屏幕功率。

上面的前三个断电选项将特别有帮助。例如，使用这些选项，在上述条件下，20kSPS的吞吐率将使屏幕功率降低至平均20mW。对于屏幕上的字符识别，20 kSPS的吞吐率可以接受，而性能没有任何可辨别的降低。但是，一般而言，应该预期响应速度的权衡。屏幕本身可能具有与它们相关的大寄生电容--10 nF并不罕见。这可能导致不可忽略的R-C时间常数，因此在进行屏幕测量之前必须允许时间进行稳定。出于这个原因，在许多情况下，在转换之间关闭屏幕可能不是一个好主意 - 除非采取措施来考虑大屏幕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位无缺失代码（NMC）性能，而低成本A版本提供11位NMC。

外围功能 - 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通道包含一个衰减器电路，可将未调节的电池电压电压除以4并进行数字化它。 V BAT 输入引脚可以提供高达6 V的电源。在使用具有非常浅的放电斜率和非常尖锐的膝盖（例如，锂离子电池）的电池供电的应用中，该功能的准确性非常重要，因此系统知道电池在其放电曲线中的位置非常重要。任何给定的时间。通常，微处理器指示电池通道每隔几秒将电池电压数字化。如果电池进入其曲线的尖锐放电部分（图7），它可能会被损坏而无法从这种“深度放电”事件中恢复。在实践中，典型的PDA将在达到膝盖之前很好地标记一个状况并且适当地做出响应。使用内部基准电压源，AD7873电池通道的典型精度性能在0至±1％范围内，最差情况误差为±3％。如果需要更高的精度，用户可能需要校准此读数，具体取决于电池的放电特性。

温度测量是AD7873执行的第二个重要外设功能。 PDA外壳内的温度是监控含有可充电电池的设备的一个特别重要的参数。通常，如果在充电期间温度超过45°C，则需要标记微处理器并提供适当的动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。

AD7873提供两种温度测量模式。第一种是单次转换方法，它对二极管连接的PNP晶体管的结电压进行简单转换，并以恒定电流进行偏置。二极管电压随温度变化约-2.1 mV /°C。通常，读数将在PDA的制造期间在25℃下进行工厂校准。该方法通常提供约0.3°C的分辨率，精度为±2°C。

为避免PDA制造商进行校准，第二种差分方法是AD7873提供。需要进行两次转换， Temp 0 和 Temp 1 。使用低二极管偏置电流I 0 执行温度0，并使用偏置电流执行温度1，I 1 = 105 I 0 《 /子》。从Ebers-Moll方程式和使用一些简单的数学，我们可以证明：

公式

其中

k =玻尔兹曼常数，1.38054×10 -23 eV / K

q 《 / em》 =电子上的电荷，1.602189×10 -19 C

T =开尔文中的绝对温度

N = I 1 / I 0 ，通常为105，如AD7873所建议。

因此

T （度C）= 2490×Δ V be - 273 K

因为; Δ V be 限制在约142 mV，差分方法的分辨率明显小于单转换方法的分辨率。实现了约1.6℃的典型分辨率。两种方法的准确度通常相同，约为±2°C。图9绘制了在0到70°C温度范围内两种方法的典型精度比较。差分温度方法的主要优点是它不需要PDA制造商进行校准。

压力（或更精确的接触电阻）可以计算通过使用AD7873的许多简单算术操作。通过测量X和Y板之间的接触电阻，可以确定触控笔或手指或其他物体是否正在产生触摸响应。这提供了凹陷区域的大小和施加的压力的指示。触摸点的面积与触摸电阻成比例。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X和Y膜的总电阻是已知的。方程式和图表可以在数据表中找到。

通过触摸唤醒 - 笔中断功能。

图10说明笔中断功能，它为主机微处理器提供低电平有效的开漏输出信号。当器件在启用笔中断的模式下关闭时，屏幕上的触摸将导致PENIRQ引脚上的电压被拉至地。在此模式下，断电期间Y-引脚开关驱动器接地;当两个屏幕接触时，X +引脚通过Y-引脚接地，从而启动中断。 AD7873的触摸电阻阈值通常小于30kΩ。该级别将确保不会发生虚假中断（例如，如果屏幕被意外地刷在用户的口袋中）。微处理器可以使用该中断唤醒AD7873并开始坐标测量。通常，PENIRQ引脚电压将在逻辑高时空闲。 PENIRQ引脚需要一个10至100°KΩ范围的外部上拉电阻，以实现功能的最佳运行。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（可能高达10 nF）或屏幕电阻本身的影响。

将AD7873连接到触摸屏时的应用问题

我们已经提到了屏幕功耗与屏幕在坐标之前稳定所需的时间之间的权衡可以采用读数 - 由于板之间的大寄生电容（在某些情况下约为10nF）。存在其他潜在错误来源。屏幕本身可以从LCD面板和背光电路中吸收大量噪音。屏幕还可以充当天线，从外部EMI / RFI源获取噪声。不小心触摸屏幕时的机械反弹也是潜在的错误来源。在大多数情况下，设计人员将通过在平板电脑引脚上安装低通滤波器来接地，以尽量减少噪音。大约0.01μF的电容器是常见的。 （重要的是要注意，不建议对这些滤波器使用串联电阻，因为它会降低转换器的分辨率，因为电阻上会增加电压降）。由于滤波电容，寄生屏电容等都会增加屏幕的RC时间常数，因此不建议在单端模式下进行屏幕坐标测量。 3个时钟周期的采集时间可能不够长，无法在读取数据之前使屏幕稳定下来。因此，比例模式要好得多。在该模式下，屏幕在整个转换周期内保持供电状态，并且通过平均读数，可以获得准确的结果 - 前提是设备在触摸屏开关驱动器保持打开的模式下通电。

如图12所示，通过在DIN字的第6位，第7位或第8位之间加一个延迟，只需延迟转换器的采集时间，就可以得到准确的结果而不需要求平均值。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），可以进行基本的工作精确坐标测量 - 具有最苛刻的电阻式触摸屏和环境。

另一个设计人员可能会考虑的问题是由于高能电压尖峰从屏幕通过平板电脑引脚释放到转换器而导致故障。在PDA制造期间，屏幕是浮动的并且可能产生相当大的电荷。这种电荷最终会通过转换器的平板电脑引脚放电并永久性地损坏它。然后，在操作期间，屏幕暴露于外界，并且可能发生ESD事件，这可能通过平板电脑引脚损坏转换器 - 使得整个PDA无用。 AD7873在平板电脑引脚上采用基于硅控整流器（SCR）的保护方案，使这些I / O尽可能强大，防止ESD事件损坏。 ESD结构能够实现15kV的保护 - 这对PDA制造商来说是一个很有吸引力的特性，可以降低现场故障风险以及制造过程中的风险。