如今，手持式個人數(shù)字助理（PDA）幾乎無處不在。他們不僅對繁忙的高管而且對主流消費者 - 甚至在課堂上 - 都有所幫助！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，僅在今年，全球?qū)⑹鄢黾s1500萬臺PDA，預(yù)計到2004年，年銷量將增至3400萬臺。所有這些PDA裝置的一個共同特點是通過手寫筆輸入數(shù)據(jù)的方法。電阻式觸摸屏。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，保持簡短的會議記錄等。

觸摸屏本身通常是4線（±X和±Y）電阻元件。市場上還有5線電阻屏和電容屏，但它們通常更貴。觸摸屏通過A / D轉(zhuǎn)換器（ADC）與主機微處理器連接，例如AD7873和AD7843，它們具有針對應(yīng)用定制的特殊功能。本文將討論設(shè)計人員在將ADC連接到電阻式觸摸屏?xí)r所面臨的常見應(yīng)用問題，以及如何使用AD7873解決這些問題。

操作原理和應(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）或一些其他形式的電阻聚酯材料，帶有用于電極的銀墨水。每層的總電阻因供應(yīng)商而異，但典型的屏幕在100至900歐姆的范圍內(nèi)。這兩層堆疊在玻璃絕緣層上，由微小的間隔點隔開。它們與控制器A / D轉(zhuǎn)換器電連接。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。

在測量給定坐標(biāo)期間，其中一個電阻平面沿其軸通過控制器ADC芯片上的開關(guān)供電，另一個平面用于檢測坐標(biāo)的位置動力飛機。對于X坐標(biāo)測量，X平面通電。 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處，平面短路。感測到的平面上“拾取”的電壓與動力平面上的觸摸位置成比例。然后使用控制器的ADC轉(zhuǎn)換該電壓。

對于Y坐標(biāo)測量，功率施加到Y(jié)平面，X平面用于感測位置，電壓被數(shù)字化。然后由主機微處理器操作對應(yīng)于X和Y坐標(biāo)的數(shù)字代碼，并且記錄觸控筆位置所預(yù)期的命令，信息或指令。

基本AD7873觸摸屏界面

圖3顯示了AD7873的簡化框圖。除了作為坐標(biāo)測量傳感器之外，它還提供了許多對PDA功能非常重要的外圍功能，包括溫度和電池狀態(tài)測量，觸摸檢測和壓力測量，以及片內(nèi)2.5V電壓基準(zhǔn)。

圖4顯示了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 - 手寫筆坐標(biāo)測量。圖3左側(cè)的觸摸屏開關(guān)組通過所謂的平板電腦引腳X +，Y +，X-和Y-驅(qū)動電阻屏。在應(yīng)用上面簡要描述的接口方法時，平板電腦引腳還可以作為屏幕上未激活位置電壓的傳感器。

在設(shè)計實現(xiàn)中考慮了許多因素。首先，開關(guān)必須能夠向低阻抗屏幕提供電流和從低阻抗屏幕吸收電流。比如說，電源電壓為5 V，屏蔽阻抗為200歐姆。當(dāng)屏幕通電以進行坐標(biāo)測量時，p-MOS開關(guān)到正電源（在X +和Y +引腳上）必須能夠提供25 mA電流。類似地，n-MOS開關(guān)接地（這些在Y和X-引腳上）必須能夠吸收25 mA的電流。必須在布局階段仔細(xì)設(shè)計開關(guān)的漏極和源極連接，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)能夠使用5V電源提供70歐姆的屏幕。

on - 開關(guān)的電阻，大約6歐姆，也提出了一個挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)屏蔽阻抗低至100歐姆且最小電源電壓為2.7 V時，開關(guān)兩端的電壓降很明顯，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的溫度和電源電阻，因此轉(zhuǎn)換器必須能夠以比例模式操作。圖5和圖6分別說明了如何在比例和單端工作模式下配置AD7873以進行坐標(biāo)測量。

使用比例模式，實際的ADC參考值來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平面被供電，ADC的REF +和REF-分別取自Y +和Y-引腳。 A / D轉(zhuǎn)換將是 ratiometric ;即，無論AD7873開關(guān)的電壓降如何，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：在比例模式下，除了采集階段外，屏幕必須在實際轉(zhuǎn)換過程中保持供電狀態(tài)，因為屏幕電壓用作ADC參考。或者，在單端轉(zhuǎn)換期間，僅需要在獲取輸入信號期間為屏幕供電。對于AD7873，這需要3個時鐘周期，最差的是總轉(zhuǎn)換時間的20％（假設(shè)每轉(zhuǎn)換15個時鐘模式 - 這是器件最快的有效吞吐率）。但是，按比例使用，以最快的速率，屏幕將在設(shè)備開啟時永久供電。如果屏幕電阻為100歐姆并且使用5 V電源，則屏幕將消耗50 mA電流 - 這是電池供電的手持設(shè)備中的一個明顯考慮因素。

考慮到這種困境，AD7873已經(jīng)存在旨在為設(shè)計人員提供四種斷電選項，以便使用器件的2位選擇性斷電選項控制來更好地管理觸摸屏控制器的整體功耗。

關(guān)閉位設(shè)置

00。轉(zhuǎn)換之間完全斷電。 ADC和內(nèi)部參考都在轉(zhuǎn)換之間斷電。如果選擇了比例模式，觸摸屏驅(qū)動程序?qū)⒃谵D(zhuǎn)換之間關(guān)閉（對于超過15個時鐘的周期）。

01。 ADC在轉(zhuǎn)換之間保持開啟狀態(tài)，但參考電壓關(guān)斷。 （可以使用外部參考。）在轉(zhuǎn)換之間關(guān)閉觸摸屏電源，如在模式00中。

10。 ADC在轉(zhuǎn)換之間關(guān)斷，而內(nèi)部參考保持開啟狀態(tài)。這很有用，因為參考電壓需要大約7μs才能上電。因此，當(dāng)使用內(nèi)部參考進行單端測量（例如電池和溫度讀數(shù)）時，無需允許延遲參考電源。觸摸屏電源在轉(zhuǎn)換之間關(guān)閉，如在模式00中。

11。 ADC和內(nèi)部參考在轉(zhuǎn)換之間保持通電狀態(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改變，或直到CS（轉(zhuǎn)換啟動）變?yōu)楦唠娖健?/p>

無論使用何種選項，設(shè)計人員必須意識到，當(dāng)電源供電時，大部分電源將在外部觸摸屏中耗散。 AD7873本身僅消耗大約2.4 mW ，內(nèi)部參考使能，2 MHz數(shù)據(jù)時鐘，吞吐量為125 kSPS，電源電壓為3.6 V，而100歐姆屏幕正在耗散《 em》 129.6 mW ！因此，轉(zhuǎn)換器消耗的功率不到屏幕功耗的2％。但是，應(yīng)該注意的是，在上面列出的4種情況的前3種中，可以在轉(zhuǎn)換之間關(guān)閉屏幕驅(qū)動開關(guān)。如果應(yīng)用程序可以降低吞吐率（時鐘頻率保持在2 MHz），此功能可以顯著降低平均屏幕功率。

上面的前三個斷電選項將特別有幫助。例如，使用這些選項，在上述條件下，20kSPS的吞吐率將使屏幕功率降低至平均20mW。對于屏幕上的字符識別，20 kSPS的吞吐率可以接受，而性能沒有任何可辨別的降低。但是，一般而言，應(yīng)該預(yù)期響應(yīng)速度的權(quán)衡。屏幕本身可能具有與它們相關(guān)的大寄生電容--10 nF并不罕見。這可能導(dǎo)致不可忽略的R-C時間常數(shù)，因此在進行屏幕測量之前必須允許時間進行穩(wěn)定。出于這個原因，在許多情況下，在轉(zhuǎn)換之間關(guān)閉屏幕可能不是一個好主意 - 除非采取措施來考慮大屏幕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位無缺失代碼（NMC）性能，而低成本A版本提供11位NMC。

外圍功能 - 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通道包含一個衰減器電路，可將未調(diào)節(jié)的電池電壓電壓除以4并進行數(shù)字化它。 V BAT 輸入引腳可以提供高達6 V的電源。在使用具有非常淺的放電斜率和非常尖銳的膝蓋（例如，鋰離子電池）的電池供電的應(yīng)用中，該功能的準(zhǔn)確性非常重要，因此系統(tǒng)知道電池在其放電曲線中的位置非常重要。任何給定的時間。通常，微處理器指示電池通道每隔幾秒將電池電壓數(shù)字化。如果電池進入其曲線的尖銳放電部分（圖7），它可能會被損壞而無法從這種“深度放電”事件中恢復(fù)。在實踐中，典型的PDA將在達到膝蓋之前很好地標(biāo)記一個狀況并且適當(dāng)?shù)刈龀鲰憫?yīng)。使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，AD7873電池通道的典型精度性能在0至±1％范圍內(nèi)，最差情況誤差為±3％。如果需要更高的精度，用戶可能需要校準(zhǔn)此讀數(shù)，具體取決于電池的放電特性。

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)的溫度是監(jiān)控含有可充電電池的設(shè)備的一個特別重要的參數(shù)。通常，如果在充電期間溫度超過45°C，則需要標(biāo)記微處理器并提供適當(dāng)?shù)膭幼饕员苊庥捎谶^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。

AD7873提供兩種溫度測量模式。第一種是單次轉(zhuǎn)換方法，它對二極管連接的PNP晶體管的結(jié)電壓進行簡單轉(zhuǎn)換，并以恒定電流進行偏置。二極管電壓隨溫度變化約-2.1 mV /°C。通常，讀數(shù)將在PDA的制造期間在25℃下進行工廠校準(zhǔn)。該方法通常提供約0.3°C的分辨率，精度為±2°C。

為避免PDA制造商進行校準(zhǔn)，第二種差分方法是AD7873提供。需要進行兩次轉(zhuǎn)換， Temp 0 和 Temp 1 。使用低二極管偏置電流I 0 執(zhí)行溫度0，并使用偏置電流執(zhí)行溫度1，I 1 = 105 I 0 《 /子》。從Ebers-Moll方程式和使用一些簡單的數(shù)學(xué)，我們可以證明：

公式

其中

k =玻爾茲曼常數(shù)，1.38054×10 -23 eV / K

q 《 / em》 =電子上的電荷，1.602189×10 -19 C

T =開爾文中的絕對溫度

N = I 1 / I 0 ，通常為105，如AD7873所建議。

因此

T （度C）= 2490×Δ V be - 273 K

因為; Δ V be 限制在約142 mV，差分方法的分辨率明顯小于單轉(zhuǎn)換方法的分辨率。實現(xiàn)了約1.6℃的典型分辨率。兩種方法的準(zhǔn)確度通常相同，約為±2°C。圖9繪制了在0到70°C溫度范圍內(nèi)兩種方法的典型精度比較。差分溫度方法的主要優(yōu)點是它不需要PDA制造商進行校準(zhǔn)。

壓力（或更精確的接觸電阻）可以計算通過使用AD7873的許多簡單算術(shù)操作。通過測量X和Y板之間的接觸電阻，可以確定觸控筆或手指或其他物體是否正在產(chǎn)生觸摸響應(yīng)。這提供了凹陷區(qū)域的大小和施加的壓力的指示。觸摸點的面積與觸摸電阻成比例?？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X和Y膜的總電阻是已知的。方程式和圖表可以在數(shù)據(jù)表中找到。

通過觸摸喚醒 - 筆中斷功能。

圖10說明筆中斷功能，它為主機微處理器提供低電平有效的開漏輸出信號。當(dāng)器件在啟用筆中斷的模式下關(guān)閉時，屏幕上的觸摸將導(dǎo)致PENIRQ引腳上的電壓被拉至地。在此模式下，斷電期間Y-引腳開關(guān)驅(qū)動器接地;當(dāng)兩個屏幕接觸時，X +引腳通過Y-引腳接地，從而啟動中斷。 AD7873的觸摸電阻閾值通常小于30kΩ。該級別將確保不會發(fā)生虛假中斷（例如，如果屏幕被意外地刷在用戶的口袋中）。微處理器可以使用該中斷喚醒AD7873并開始坐標(biāo)測量。通常，PENIRQ引腳電壓將在邏輯高時空閑。 PENIRQ引腳需要一個10至100°KΩ范圍的外部上拉電阻，以實現(xiàn)功能的最佳運行。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（可能高達10 nF）或屏幕電阻本身的影響。

將AD7873連接到觸摸屏?xí)r的應(yīng)用問題

我們已經(jīng)提到了屏幕功耗與屏幕在坐標(biāo)之前穩(wěn)定所需的時間之間的權(quán)衡可以采用讀數(shù) - 由于板之間的大寄生電容（在某些情況下約為10nF）。存在其他潛在錯誤來源。屏幕本身可以從LCD面板和背光電路中吸收大量噪音。屏幕還可以充當(dāng)天線，從外部EMI / RFI源獲取噪聲。不小心觸摸屏幕時的機械反彈也是潛在的錯誤來源。在大多數(shù)情況下，設(shè)計人員將通過在平板電腦引腳上安裝低通濾波器來接地，以盡量減少噪音。大約0.01μF的電容器是常見的。 （重要的是要注意，不建議對這些濾波器使用串聯(lián)電阻，因為它會降低轉(zhuǎn)換器的分辨率，因為電阻上會增加電壓降）。由于濾波電容，寄生屏電容等都會增加屏幕的RC時間常數(shù)，因此不建議在單端模式下進行屏幕坐標(biāo)測量。 3個時鐘周期的采集時間可能不夠長，無法在讀取數(shù)據(jù)之前使屏幕穩(wěn)定下來。因此，比例模式要好得多。在該模式下，屏幕在整個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)保持供電狀態(tài)，并且通過平均讀數(shù)，可以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果 - 前提是設(shè)備在觸摸屏開關(guān)驅(qū)動器保持打開的模式下通電。

如圖12所示，通過在DIN字的第6位，第7位或第8位之間加一個延遲，只需延遲轉(zhuǎn)換器的采集時間，就可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果而不需要求平均值。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），可以進行基本的工作精確坐標(biāo)測量 - 具有最苛刻的電阻式觸摸屏和環(huán)境。

另一個設(shè)計人員可能會考慮的問題是由于高能電壓尖峰從屏幕通過平板電腦引腳釋放到轉(zhuǎn)換器而導(dǎo)致故障。在PDA制造期間，屏幕是浮動的并且可能產(chǎn)生相當(dāng)大的電荷。這種電荷最終會通過轉(zhuǎn)換器的平板電腦引腳放電并永久性地?fù)p壞它。然后，在操作期間，屏幕暴露于外界，并且可能發(fā)生ESD事件，這可能通過平板電腦引腳損壞轉(zhuǎn)換器 - 使得整個PDA無用。 AD7873在平板電腦引腳上采用基于硅控整流器（SCR）的保護方案，使這些I / O盡可能強大，防止ESD事件損壞。 ESD結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)15kV的保護 - 這對PDA制造商來說是一個很有吸引力的特性，可以降低現(xiàn)場故障風(fēng)險以及制造過程中的風(fēng)險。