深度剖析TSC2301：可編程觸摸屏控制器與立體聲音頻編解碼器的完美融合

作為電子工程師，我們總是在尋找那些集多功能于一身，且能為設計帶來顯著優(yōu)勢的芯片。今天，我要和大家深入探討的就是德州儀器（Texas Instruments）推出的TSC2301，一款高度集成的PDA模擬接口電路，它在觸摸屏控制和音頻編解碼方面展現出了卓越的性能。

文件下載：tsc2301.pdf

1. 特性概覽

TSC2301集成度極高，擁有SPI?串行接口，支持4線觸摸屏接口，還具備內部的屏幕觸摸和鍵盤按壓檢測功能，以及觸摸壓力測量能力。其A/D轉換分辨率可編程為8、10或12位，最高采樣率可達125 kHz，同時支持直接電池測量（0到6 V）和片上溫度測量。此外，它還配備了4x4鍵盤接口，具備可編程消抖和按鍵屏蔽功能。

在音頻方面，它擁有20位的Delta - Sigma ADC/DAC，動態(tài)范圍高達98 dB，采樣率最高可達48 kHz，采用I2S串行接口，并配備立體聲16 - Ω耳機驅動器。同時，它還具備全功率關斷控制、8位電流輸出DAC、片上晶體振蕩器、可編程的低音/中音/高音均衡器、效果處理和6個GPIO引腳，采用單2.7 - V至3.6 - V電源供電，提供64引腳TQFP和120球MicroStar Junior?BGA兩種封裝形式。

2. 功能模塊詳解

2.1 觸摸屏接口

TSC2301支持4線電阻式觸摸屏配置。通過在垂直或水平電阻網絡上施加電壓，利用ADC將屏幕觸摸點的電壓轉換為數字信號，從而確定觸摸位置。它可以測量觸摸位置（X, Y）和壓力（Z），并在三種不同的A/D轉換模式下工作：由TSC2301檢測觸摸時自動控制轉換、主機響應PENIRQ信號啟動轉換以及主機完全控制轉換。

在測量觸摸壓力時，有兩種方法可供選擇。第一種方法需要已知X板電阻、測量X位置以及對觸摸屏進行兩次額外的跨板測量（Z2和Z1）；第二種方法需要知道X板和Y板電阻、X和Y位置以及Z1。同時，由于觸摸屏按壓時可能會出現電壓過沖和機械彈跳現象，需要設置適當的延遲時間來確保測量的準確性。

2.2 A/D轉換器

TSC2301的模擬輸入通過多路復用器連接到逐次逼近寄存器（SAR）模擬 - 數字轉換器（ADC），采用電容重分配架構，自帶采樣/保持功能。其獨特的低導通電阻開關配置可減少驅動開關導通電阻引起的誤差。

ADC由控制寄存器控制，可通過該寄存器設置通道選擇、掃描操作、平均值、分辨率和轉換速率等參數。轉換結果存儲在相應的結果寄存器中。此外，它還提供三種不同的分辨率（8、10或12位），較低的分辨率可減少轉換時間和功耗。其內部時鐘頻率為8 MHz，可通過控制寄存器設置轉換時鐘速率，以滿足不同的分辨率、速度和功耗要求。

2.3 數字接口

TSC2301通過標準SPI總線進行通信，支持全雙工、同步、串行通信。SPI主設備生成同步時鐘并啟動傳輸，TSC2301作為從設備依賴主設備啟動和同步傳輸。通信協議采用16位命令控制寄存器的讀寫操作，命令包含R/W位指定數據流向、4位指定內存頁面、6位指定寄存器地址和5位保留位。

2.4 音頻編解碼器

2.4.1 音頻模擬I/O

TSC2301擁有一對立體聲輸入（LLINEIN和RLINEIN）、一個單聲道音頻輸入（MICIN）、一對立體聲線路輸出（VOUTL和VOUTR）、一個立體聲耳機輸出放大器（HPL和HPR）以及一個差分單聲道輸出（MONO +和MONO -）。還包含一個特殊電路，可根據寄存器控制在模擬輸出信號路徑中插入按鍵點擊音效。

2.4.2 音頻數字I/O

數字音頻數據通過I2S總線（BCLK、LRCLK、I2SDIN、I2SDOUT）在TSC2301和CPU之間傳輸，但所有寄存器只能通過SPI總線訪問。I2S總線僅工作在從模式，支持四種可編程模式。

2.4.3 音頻數據轉換器

TSC2301包含立體聲20位音頻DAC和立體聲20位音頻ADC，兩者必須以相同的采樣率（8 kHz、11.025 kHz、12 kHz、16 kHz、22.05 kHz、24 kHz、32 kHz、44.1 kHz或48 kHz）工作。工作時需要一個與I2S總線時鐘同步的音頻MCLK輸入，內部PLL可根據輸入時鐘生成合適的數字時鐘。

2.4.4 DAC數字音量控制

DAC數字效果處理模塊實現了數字音量控制，可通過SPI寄存器獨立設置每個聲道的音量，范圍從0 dB到 - 63.5 dB，以0.5 dB為步長。還可通過設置靜音位獨立靜音每個聲道，并采用軟步進算法避免音頻輸出出現雜音。

2.4.5 立體聲DAC概述

立體聲DAC由數字塊實現數字插值濾波器、音量控制、去加重濾波器和可編程數字效果/低音增強濾波器，隨后是5階單比特數字Delta - Sigma調制器和開關電容模擬重建濾波器。通過增加過采樣和圖像濾波，在低采樣率下提供增強的性能，抑制量化噪聲和信號圖像。

2.4.6 音頻ADC

音頻ADC由4階多位模擬Delta - Sigma調制器和數字抽取濾波器組成，輸入通過單極點模擬濾波器進行抗混疊。數字抽取濾波器包含一個高通IIR濾波器，可去除信號中的直流或次音頻分量。ADC的信噪比在44.1/48 kHz模式下典型值為88 dB - A。

2.4.7 音頻旁路模式

在音頻旁路模式下，L/RLINEIN模擬輸入可與DAC輸出混合，輸出到線路輸出（VOUTL/R）、耳機輸出（HPL/R）和單聲道輸出（MONO +/-）。該路徑具有立體聲模擬音量控制，采用軟步進邏輯。

2.4.8 差分單聲道輸出（MONO +/-）

差分單聲道輸出可驅動功率放大器，輸出可以是立體聲線路輸出的單聲道混合或左聲道ADC的模擬輸入。

2.4.9 麥克風偏置電壓（MICBIAS）

TSC2301提供一個適合偏置駐極體麥克風膠囊的輸出電壓，該電壓始終比芯片電源電壓低1 V，可通過寄存器控制禁用以降低功耗。

3. 寄存器配置

TSC2301的多個功能由寄存器控制，包括ADC控制寄存器、DAC控制寄存器、參考寄存器、配置控制寄存器、鍵盤寄存器、數據寄存器和音頻控制寄存器等。每個寄存器的不同位用于設置特定的功能和參數，例如ADC分辨率、轉換時鐘速率、音量控制、濾波功能等。

4. 操作模式

4.1 觸摸屏測量

TSC2301提供三種觸摸屏轉換模式：

• TSC2301檢測觸摸時自動控制轉換：TSC2301檢測到觸摸后，自動啟動轉換過程，依次測量Y和X坐標，若需測量壓力，還會測量Z1和Z2值。這種模式可充分利用集成的觸摸屏處理功能，減少主機處理器的處理開銷和中斷次數。
• 主機響應PENIRQ信號啟動轉換：TSC2301檢測到觸摸并發(fā)出PENIRQ信號，主機響應后選擇觸摸屏掃描功能，然后轉換過程按上述方式進行。這種模式需要主機更多的控制，一般不推薦。
• 主機完全控制轉換：主機控制轉換的各個方面，包括開啟驅動、設置延遲時間和啟動轉換等。

4.2 溫度測量

TSC2301提供兩種溫度測量模式：第一種需要在已知溫度下進行校準，通過測量二極管電壓來預測環(huán)境溫度，分辨率為0.3°C/LSB；第二種采用兩次測量（差分）方法，無需校準，分辨率為2°C/LSB。

4.3 電池測量

TSC2301可以監(jiān)測電池電壓，其輸入電壓可通過分壓電路調整，以適應A/D轉換器的輸入范圍。測量過程需要設置適當的參考電壓和延遲時間。

4.4 輔助測量

兩個輔助電壓輸入可用于測量外部電壓，輸入范圍為0 V至VREF，測量過程與電池測量類似。

4.5 端口掃描

端口掃描模式可同時對兩個電池輸入和兩個輔助輸入進行采樣和轉換，完成后DAV引腳置低，通知主機讀取數據。

4.6 D/A轉換器

TSC2301的板載8位DAC可通過連接在ARNG引腳和地之間的電阻控制輸出電流，用于LCD對比度控制等應用。

4.7 鍵盤接口

TSC2301的鍵盤接口適用于4x4矩陣鍵盤，通過控制寄存器設置掃描速率和消抖時間，掃描結果存儲在鍵盤數據寄存器中。

5. 布局建議

在進行TSC2301的電路設計時，布局至關重要。由于其基本SAR架構對電源、參考、接地連接和數字輸入上的毛刺或突然變化敏感，因此需要確保電源干凈且充分旁路，為每個電源引腳靠近芯片放置0.1 - μF陶瓷旁路電容，必要時添加1 - μF至10 - μF電容。同時，要保持音頻參考引腳VREF +/VREF - 干凈無噪聲，可添加去耦電容和串聯電阻。HPGND引腳應連接到干凈的接地點，避免與微控制器或數字信號處理器的接地過近。在使用電阻式觸摸屏時，要確保轉換器與觸摸屏之間的連接短而牢固，減少接觸電阻變化帶來的誤差。

總結

TSC2301憑借其豐富的功能和高度的集成性，為電子工程師在觸摸屏控制和音頻處理應用中提供了一個強大而靈活的解決方案。通過深入了解其特性、功能模塊、寄存器配置和操作模式，并遵循布局建議，我們可以充分發(fā)揮其性能，設計出更優(yōu)秀的電子產品。大家在實際應用中是否也遇到過類似多功能芯片的設計挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。