如今，手持个人数字助理(pda)几乎无处不在。它们不仅受到繁忙的管理人员的青睐，而且受到主流消费者的青睐——甚至在课堂上!它们的易用性和可移植性是它们迅速取得成功的关键。最受欢迎的例子包括Palm Pilot系列，Handspring Visor和索尼Clie。据推算，仅今年一年，PDA的全球销量就将达到1500万台左右，到2004年将达到3400万台。所有这些PDA设备的共同特点是它们通过触控笔和电阻式触摸屏输入数据的方法。有了它，用户可以很容易地在他/她的日记中输入日期，发送电子邮件，速记会议记录等。

触摸屏本身通常是一个4线(±X和±Y)电阻元件。市场上也有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)与主微处理器接口，如AD7873和AD7843，它们具有针对应用量身定制的特殊功能。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的电阻材料组成——通常是氧化铟锡(ITO)或其他形式的电阻聚酯材料，用银墨水作为电极。每层的总电阻因供应商而异，但典型的屏幕在100到900欧姆范围内。这两层被堆叠在一个隔热玻璃层上，由微小的间隔点隔开。它们通过电连接到控制器a /D转换器。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。

在测量给定坐标时，其中一个电阻平面通过控制器ADC芯片上的开关沿其轴向供电，另一个平面用于感知坐标在供电平面上的位置。对于X坐标测量，X平面是通电的。Y平面用于感应触控笔在供电平面上的位置，具体如下:触控笔按下触摸屏的位置为短接平面。在感应平面上“拾取”的电压与触摸在供电平面上的位置成正比。然后使用控制器的ADC转换该电压。

对于Y坐标测量，将功率施加到Y平面，X平面用于感应位置，并将电压数字化。然后由主机微处理器操作与X和Y坐标相对应的数字代码，并记录由触控笔位置指定的命令、信息或指令。

AD7873基本触摸屏接口

图3给出了AD7873的简化框图。除了作为坐标测量传感器外，它还提供了许多对PDA功能很重要的外围功能，包括温度和电池状态的测量、触摸检测和压力测量，以及片上2.5 v电压基准。

图4显示了AD7873与4线电阻触摸屏接口的典型应用图。首先让我们讨论一下基本功能——手写笔坐标测量。图3左侧的一组触摸屏开关通过所谓的平板引脚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，平板引脚在不活动时也用作来自屏幕的位置电压的传感器。

在设计的实现中考虑了许多事情。首先，开关必须能够从低阻抗屏幕输入和接收电流。例如，电源为5v，屏幕阻抗为200欧姆。当屏幕为坐标测量供电时，p-MOS开关到正电源(在X+和Y+引脚上)必须能够供电25 mA。同样地，n-MOS开关到地(这些在Y和X引脚上)必须能够下沉这25ma。在布局阶段必须仔细设计开关的漏极和源极连接，以避免电迁移问题(由于这些节点的电流密度大)。保守设计的AD7873开关能够使用5v电源提供70欧姆的屏幕。

开关的导通电阻约为6欧姆，这也构成了挑战。例如，当屏幕阻抗低至100欧姆，最小电源电压为2.7 V时，开关上的压降是明显的，大大减少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ON电阻可能无法跟踪屏幕在温度和电源上的电阻，转换器必须能够在比率模式下工作。图5和图6分别说明如何配置AD7873在比率和单端操作模式下进行坐标测量。

使用比率模式，实际的ADC参考值取自为屏幕供电的开关的漏极节点。例如，如果测量Y坐标，则Y平面通电，ADC的REF+和REF-分别从Y+和Y-引脚获取。A/D转换将是比例的;即，转换的结果等于测量点的触摸屏电阻与触摸屏总电阻的比值，而不考虑AD7873开关的电压降。这是保证坐标测量精度的最好方法。

但是有一个权衡:在比率模式下，除了采集阶段，屏幕在实际转换过程中必须保持通电，因为屏幕电压被用作ADC参考。或者，在单端转换期间，只需要在采集输入信号期间为屏幕供电。对于AD7873，这需要3个时钟周期，最坏的情况是总转换时间的20%(假设每次转换模式为15个时钟-这是设备最快的有效吞吐率)。然而，按比例使用，在这个最快的速度下，当设备打开时，屏幕将永久供电。如果屏幕电阻为100欧姆，并且使用5v电源，则屏幕将绘制50 ma -这是电池供电的手持设备的明显考虑因素。

考虑到这一困境，AD7873的设计为设计人员提供了四种断电选项的选择，以更好地管理触摸屏控制器的整体功耗，使用该设备的2位选择性断电选项控制。

下电钻头设置
00。转换之间的全功率关闭。在转换之间，ADC和内部基准都关闭电源。如果选择比率模式，触摸屏驱动程序将在转换之间关闭(周期超过15个时钟)。
01。ADC在转换之间保持开启状态，但参考电源关闭。(可以使用外部参考文献。)触摸屏电源在转换之间关闭，如模式00。
10。ADC在转换之间断电，而内部引用保持开启。这是有用的，因为参考需要大约7µs上电。因此，当使用内部基准进行单端测量(如电池和温度测量)时，不需要允许基准上电延迟。触摸屏电源在转换之间关闭，如模式00。
11。ADC和内部参考在转换之间保持通电状态。在这种模式下，触摸屏的开关驱动器将保持打开，直到所选的输入通道或断电模式改变，或直到CS(转换启动)被调高。

无论使用何种选项，设计师都必须意识到，当外部触摸屏通电时，大部分功率将在其上耗散。在启用内部参考、2 mhz数据时钟、吞吐量为125 kSPS和3.6 v电源的情况下，AD7873本身的功耗仅为2.4 mW，而100欧姆屏幕的功耗为129.6 mW !因此，转换器耗散不到2%的功率耗散在屏幕上。然而，应该注意的是，在上面列出的4种情况中的前3种情况下，屏幕驱动开关可以在转换之间关闭。如果应用程序允许降低吞吐率(时钟频率保持在2 MHz)，则此功能有助于大幅降低平均屏幕功率。

上面的前三个断电选项将特别有用。例如，使用这些选项，在上述条件下，20 kSPS的吞吐率将使屏幕功率降低到平均20 mW。对于屏幕上的字符识别，20 kSPS的吞吐率可能是可以接受的，而不会对性能造成任何明显的影响。然而，一般来说，响应速度的权衡应该是预料之中的。屏幕本身可能具有与之相关的较大寄生电容- 10nf并不罕见。这可能会导致一个不可忽略的R-C时间常数，因此在进行筛管测量之前必须留出一段时间来沉淀。由于这个原因，在许多情况下，在转换之间关闭屏幕电源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)。

决议对于典型的屏幕，转换器本身需要在10到12位范围内。AD7873提供12位分辨率。B级保证12位无丢失代码(NMC)性能，而成本较低的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至关重要的外设功能:

专用电池监测ADC通道由衰减器电路组成，衰减器电路将未调节电池供电电压除以4并将其数字化。一个高达6伏的电源可以应用到V(BAT)输入引脚。该功能的准确性对于使用具有非常浅的放电斜率和非常尖锐的电池电源(例如锂离子电池)的应用非常重要，因此对于系统来说，在任何给定时间了解电池在其放电曲线中的位置非常重要。通常，微处理器指示电池通道每隔几秒钟将电池电压数字化。如果电池进入其曲线的急剧放电部分(图7)，它可能会损坏，并且无法从这种“深度放电”事件中恢复。在实践中，典型的pda会在到达膝盖之前就标记出病情，并做出适当的反应。使用内部基准，AD7873电池通道将在0至±1%范围内提供典型的精度性能，最坏情况误差为±3%。在需要更高精度的地方，用户可能需要根据电池的放电特性校准此读数。

温度测量是AD7873第二个重要的外设功能。在包含可充电电池的设备中，PDA外壳内的温度是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操作，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。第一种是单转换方法，对二极管连接的PNP晶体管的结电压进行简单转换，偏置恒定电流。二极管电压将随温度变化约-2.1 mV/°C。通常，在PDA制造期间，re将在25°C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。

为了避免PDA制造商的校准，AD7873上提供了第二个差分方法。需要两个转换，Temp 0和Temp 1。温度0在二极管偏置电流I(0)的低值下执行，温度1在偏置电流I(1)=105 I(0)下执行。根据Ebers-Moll方程，使用一些简单的数学方法，我们可以证明:

方程

在哪里

k =玻尔兹曼常数1.38054×10(-23)eV/ k
q =电子的电荷，1.602189×10(-19) C
T=绝对温度，单位是开尔文
N= I(1)/I(0)，一般为105，建议采用AD7873。

因此

T(℃)= 2490 × 得尔塔 V(be) - 273 K

因为;得尔塔 V(be)被限制在142 mV左右，差分法的分辨率明显低于单变换法。实现了约1.6°C的典型分辨率。两种方法的精度通常相同，约为±2°C。图9绘制了两种方法在0到70°C温度范围内的典型精度比较。差温法的主要优点是它消除了PDA制造商校准的需要。

压力(或者更准确地说，触摸电阻)可以通过使用AD7873进行一些简单的算术操作来计算。人们可以通过测量X和Y板之间的接触电阻来确定触摸响应是由触控笔还是手指或其他物体产生的。这提供了凹陷区域的大小和施加的压力的指示。触点的面积与触阻成正比。可以使用两种方法。第一个要求用户知道X平面膜的总阻力。第二种方法要求已知X膜和Y膜的总电阻。公式和图表可以在数据表上找到。

用触控笔中断功能唤醒。

图10说明了笔中断函数，它向主机微处理器提供一个低激活的开漏输出信号。当部件在笔中断使能的模式下断电时，触摸屏幕将导致PENIRQ引脚上的电压被拉到地。在这种模式下，Y引脚对地开关驱动器在断电时打开;当两个屏幕接触时，X+引脚通过Y引脚拉到地，从而启动中断。AD7873的触阻阈值通常为30 khm。这个级别将确保不会发生虚假中断(例如，如果屏幕在用户口袋中被意外擦过)。微处理器可以使用这个中断唤醒AD7873并开始坐标测量。正常情况下，PENIRQ引脚电压将在逻辑高时空闲。在PENIRQ引脚上需要一个10至100°kohms范围内的外部上拉电阻，以实现该功能的最佳操作。使用开漏输出实现此功能，可确保PENIRQ信号的上升沿和下降沿都是锐利的，不受触摸屏电容(可达10 nF)或屏幕电阻本身的影响。

AD7873连接触摸屏时的应用问题

我们已经提到了在屏幕的功耗和屏幕在进行坐标调整之前所需的时间之间的权衡，这是板之间较大寄生电容(在某些情况下约为10nF)的结果。存在潜在错误的其他来源。屏幕本身可以接收到来自LCD面板和背光电路的大量噪音。屏幕也可以作为天线，从外部EMI/RFI源拾取噪声。当不小心触摸屏幕时，机械反弹也是一个潜在的错误来源。在大多数情况下，设计人员将通过在平板引脚上安装低通滤波器来尽量减少这种噪声。0.01µF数量级的电容器是常见的。(重要的是要注意，这些滤波器不建议使用串联电阻，因为它会降低转换器的分辨率，因为电阻上增加了电压降)。因为滤波电容、寄生屏电容等都起到增加屏RC时间常数的作用，所以不建议在单端模式下进行屏坐标测量。3个时钟周期的采集时间可能不够长，不足以让屏幕在拍摄前稳定下来。由于这个原因，比率模式要好得多。在这种模式下，屏幕在整个转换周期内保持通电状态，通过平均功率，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状态的模式下通电。

通过在DIN字的第6位、第7位或第8位之间延迟转换器的采集时间，也可以在不需要平均的情况下获得准确的结果，如图12所示。上述讨论表明，设计人员需要考虑与AD7873一起使用的屏幕类型。转换器有足够的工作模式和速度(最小DCLK频率为10 kHz)来完成其基本工作-精确的坐标测量-与最苛刻的电阻触摸屏和环境。

设计人员可能考虑的另一个问题是由于屏幕通过平板引脚释放到转换器的高能电压尖峰而导致的故障。在PDA制造过程中，屏幕是浮动的，会积累相当多的电荷。这种电荷最终可能通过转换器的平板引脚放电并永久损坏它。然后，在操作过程中，屏幕暴露在外界，并且可能发生ESD事件，这可能会通过平板电脑引脚损坏转换器-使整个PDA无用。AD7873在平板引脚处包括一个基于硅控整流器(SCR)的保护方案，以使这些I/ o尽可能健壮，防止ESD事件的损坏。ESD结构能够提供15kv的保护，这对PDA制造商来说是一个很有吸引力的特性，可以降低现场以及制造过程中的故障风险。

总结

AD7873便于从4线电阻触摸屏进行坐标测量，很好地满足了将ADC控制器芯片连接到触摸屏的特殊要求。除了基本的坐标测量功能外，AD7873还为设计人员提供电池监测、温度传感、触摸检测和压力测量功能。我们还讨论了设计师在设计此类系统时可能面临的问题，包括屏幕消耗的功率、触摸屏沉降问题和潜在的ESD损害。读者现在应该对PDA的关键电路是如何工作的有了很好的了解，并且对设计者任务的复杂性有了一定的认识——以及一个设计良好的集成电路芯片如何使它变得更容易。