深入剖析AD7873：高精度、低功耗的觸摸屏幕ADC解決方案

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，尋找一款性能卓越、功能全面且適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入剖析Analog Devices公司的AD7873，這是一款專(zhuān)為觸摸屏幕應(yīng)用優(yōu)化的12位逐次逼近型ADC，它憑借眾多出色的特性，在眾多同類(lèi)產(chǎn)品中脫穎而出。

文件下載：AD7873.pdf

AD7873的關(guān)鍵特性

1. 豐富的接口與功能

AD7873具備4線觸摸屏幕接口，能夠與多種觸摸屏幕完美適配，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的觸摸位置檢測(cè)。同時(shí)，其片上集成了溫度傳感器，工作范圍為 -40°C 至 +85°C，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度變化。此外，它還擁有片上2.5V參考電壓源，可直接用于輔助輸入、電池監(jiān)測(cè)和溫度測(cè)量等模式，并且支持直接電池測(cè)量（0V至6V）和觸摸壓力測(cè)量，功能十分強(qiáng)大。

2. 高性能轉(zhuǎn)換能力

該ADC的指定吞吐量速率高達(dá)125 kSPS，能夠快速準(zhǔn)確地完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。采用單電源供電，VCC范圍為2.2V至5.25V，具有良好的電源適應(yīng)性。支持比例式轉(zhuǎn)換模式，可有效消除片上開(kāi)關(guān)電阻帶來(lái)的誤差，提高測(cè)量精度。其可編程的8位或12位分辨率，能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求靈活調(diào)整，滿(mǎn)足不同場(chǎng)景下的精度要求。

3. 低功耗與高速特性

AD7873的功耗表現(xiàn)十分出色，在參考電壓關(guān)閉時(shí)，最大功耗僅為1.37mW；參考電壓開(kāi)啟時(shí)，典型功耗為2.41mW（在125 kSPS和VCC為3.6V的條件下）。此外，它還具備高速串行接口，能夠快速傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)擁有一個(gè)輔助模擬輸入通道，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍。在關(guān)機(jī)模式下，最大電流僅為1μA，有效降低了系統(tǒng)功耗。

4. 多樣的封裝形式

AD7873提供了16引腳的QSOP、TSSOP和LFCSP三種封裝形式，方便工程師根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行選擇，為電路板布局和空間利用提供了更多的靈活性。

技術(shù)參數(shù)解讀

1. 邏輯輸出參數(shù)

在邏輯輸出方面，當(dāng)SOURCE電流為250μA，VCC范圍在2.2V至5.25V，SINK電流為250μA，使用100kΩ上拉電阻時(shí)，輸出高電壓VOH為VCC - 0.2V（最小值），輸出低電壓VOL為0.4V（最大值），PENIRQ輸出低電壓同樣為0.4V（最大值）。浮動(dòng)狀態(tài)下，泄漏電流最大值為±10μA，輸出電容最大值為10pF，輸出編碼為直（自然）二進(jìn)制。

2. 轉(zhuǎn)換速率參數(shù)

轉(zhuǎn)換時(shí)間最大為12個(gè)DCLK周期，跟蹤保持采集時(shí)間最小為3個(gè)DCLK周期，最大吞吐量速率可達(dá)125 kSPS，確保了快速準(zhǔn)確的信號(hào)轉(zhuǎn)換。

3. 電源要求參數(shù)

在指定性能下，+VCC的范圍為2.7V至3.6V，實(shí)際可在2.2V至5.25V范圍內(nèi)正常工作。正常模式下，根據(jù)采樣頻率和參考電壓的不同，ICC電流也有所變化。例如，在采樣頻率為125 kSPS，內(nèi)部參考電壓關(guān)閉，VCC為3.6V時(shí)，最大電流為380μA（典型值為240μA）；內(nèi)部參考電壓開(kāi)啟時(shí)，典型電流為670μA。關(guān)機(jī)模式下，最大電流為1μA（典型值為200nA）。功率耗散方面，在采樣頻率為125 kSPS，內(nèi)部參考電壓關(guān)閉，VCC為3.6V時(shí)，最大功耗為1.368mW；內(nèi)部參考電壓開(kāi)啟時(shí)，典型功耗為2.412mW。關(guān)機(jī)時(shí)，最大功耗為3.6μW（VCC為3.6V）。

4. 絕對(duì)最大額定值

在絕對(duì)最大額定值方面，+VCC至GND的電壓范圍為 - 0.3V至 +7V，模擬輸入電壓、數(shù)字輸入電壓、數(shù)字輸出電壓和VREF至GND的電壓范圍均為 - 0.3V至VCC + 0.3V。除電源引腳外，任何引腳的輸入電流最大值為±10mA（瞬態(tài)電流高達(dá)100mA時(shí)不會(huì)引起SCR閂鎖）。商業(yè)版本（A、B版本）的工作溫度范圍為 - 40°C至 +85°C，存儲(chǔ)溫度范圍為 - 65°C至 +150°C，結(jié)溫為150°C，功率耗散最大值為450mW。在紅外回流焊接時(shí)，不同類(lèi)型的器件有不同的溫度和時(shí)間要求，例如無(wú)鉛器件的峰值溫度為250°C，達(dá)到峰值溫度的時(shí)間為20秒至40秒，升溫速率最大為3°C/秒，降溫速率最大為6°C/秒。

實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景

1. 個(gè)人數(shù)字助理和智能手持設(shè)備

在個(gè)人數(shù)字助理和智能手持設(shè)備中，AD7873的高精度觸摸位置檢測(cè)和低功耗特性能夠?yàn)橛脩?hù)帶來(lái)流暢的觸摸操作體驗(yàn)，同時(shí)延長(zhǎng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。其片上溫度傳感器還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部溫度，確保設(shè)備在安全的工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

2. 觸摸屏顯示器

對(duì)于觸摸屏顯示器，AD7873的快速轉(zhuǎn)換速率和高分辨率能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的觸摸響應(yīng)，為用戶(hù)提供清晰、準(zhǔn)確的觸摸反饋。比例式轉(zhuǎn)換模式可以有效消除因開(kāi)關(guān)電阻帶來(lái)的誤差，提高顯示效果的準(zhǔn)確性。

3. 銷(xiāo)售點(diǎn)終端和尋呼機(jī)

在銷(xiāo)售點(diǎn)終端和尋呼機(jī)等設(shè)備中，AD7873的直接電池測(cè)量功能可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電量，為設(shè)備的正常運(yùn)行提供保障。其低功耗和小封裝形式也符合這些設(shè)備對(duì)空間和功耗的嚴(yán)格要求。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

1. 模擬輸入與采集時(shí)間

在模擬輸入方面，AD7873的輸入信號(hào)通過(guò)片上多路復(fù)用器提供，可選擇不同的模擬輸入通道，如X、Y、Z面板坐標(biāo)、電池電壓或芯片溫度等。當(dāng)轉(zhuǎn)換器進(jìn)入保持模式時(shí)，會(huì)捕獲+IN和 - IN輸入之間的電壓差。輸入電流取決于設(shè)備的轉(zhuǎn)換速率，在采樣期間，源需要為內(nèi)部采樣電容（典型值為37pF）充電。采集時(shí)間方面，當(dāng)模擬輸入源阻抗為零時(shí)，三個(gè)DCLK周期足以將信號(hào)采集到12位水平；當(dāng)存在源阻抗時(shí)，實(shí)際采集時(shí)間需要根據(jù)公式 (t{ACQ}=8.4×(R{IN}+100Ω)×37pF) 計(jì)算，其中 (R_{IN}) 為輸入信號(hào)的源阻抗。

2. 觸摸屏穩(wěn)定時(shí)間

在某些應(yīng)用中，觸摸屏可能需要外接電容來(lái)過(guò)濾噪聲，這會(huì)導(dǎo)致觸摸屏觸摸時(shí)的穩(wěn)定時(shí)間問(wèn)題，通常表現(xiàn)為增益誤差。解決方法有三種：一是在所需的觸摸屏穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)停止或減慢DCLK，使輸入和參考在采集時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定；二是僅在觸摸屏采用差分模式操作，并將AD7873編程為保持觸摸屏驅(qū)動(dòng)器開(kāi)啟且不進(jìn)入掉電狀態(tài)，根據(jù)穩(wěn)定時(shí)間和數(shù)據(jù)速率可能需要多次轉(zhuǎn)換，最后一次測(cè)量后再將AD7873置于掉電狀態(tài)；三是使用15 - DCLK周期模式，保持觸摸屏驅(qū)動(dòng)器開(kāi)啟，直到處理器命令停止。

3. 內(nèi)部參考電壓

AD7873的內(nèi)部參考電壓為2.5V，可通過(guò)VREF引腳供外部使用，但需要先進(jìn)行緩沖。該參考電壓可通過(guò)掉電地址（PD1 = 1）開(kāi)啟或關(guān)閉，通常僅在單端模式下用于電池監(jiān)測(cè)、溫度測(cè)量和輔助輸入。在無(wú)負(fù)載情況下，2.5V參考電壓的上電時(shí)間通常為10μs，建議在VREF引腳使用0.1μF電容以?xún)?yōu)化性能。當(dāng)使用外部參考電壓時(shí)，為獲得最佳性能，應(yīng)關(guān)閉內(nèi)部參考電壓，因?yàn)殛P(guān)閉內(nèi)部參考電壓時(shí)，圖27中的SW1會(huì)斷開(kāi)，此時(shí)VREF引腳的輸入阻抗處于GΩ量級(jí)；而開(kāi)啟內(nèi)部參考電壓時(shí)，VREF引腳的輸入阻抗約為260Ω。

4. 測(cè)量功能

溫度測(cè)量

AD7873提供了兩種溫度測(cè)量方法：?jiǎn)无D(zhuǎn)換法和差分轉(zhuǎn)換法。單轉(zhuǎn)換法通過(guò)在固定校準(zhǔn)溫度下對(duì)二極管電壓進(jìn)行數(shù)字化記錄，然后根據(jù)二極管溫度漂移（約 - 2.1mV/°C）通過(guò)外推法估算環(huán)境溫度，該方法分辨率約為0.3°C，預(yù)測(cè)精度為±3°C。差分轉(zhuǎn)換法是一種兩點(diǎn)測(cè)量法，通過(guò)對(duì)二極管施加不同的偏置電流進(jìn)行兩次測(cè)量，利用電壓差計(jì)算絕對(duì)溫度，公式為 (Delta V_{BE}=(kT/q)×(ln N)) ，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，q為電子電荷，N為偏置電流倍數(shù)。該方法可提供更準(zhǔn)確的絕對(duì)溫度測(cè)量，精度為±2°C，但分辨率降至約1.6°C。

電池測(cè)量

AD7873可以監(jiān)測(cè)0V至6V的電池電壓，電池電壓通過(guò)VBAT引腳輸入，經(jīng)過(guò)4分頻后以1.5V的電壓呈現(xiàn)給ADC。為節(jié)省功率，僅在對(duì)VBAT引腳的電壓進(jìn)行采樣時(shí)，分頻器才會(huì)開(kāi)啟。

壓力測(cè)量

通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算，AD7873可以測(cè)量施加在觸摸屏上的壓力。以12位分辨率模式為例，可以通過(guò)兩種方法計(jì)算觸摸電阻 (R{TOUCH}) 。第一種方法需要知道X板的總電阻 (R{XPLATE}) ，并進(jìn)行三次觸摸屏轉(zhuǎn)換（測(cè)量X位置、Z1位置和Z2位置），計(jì)算公式為 (R{TOUCH}=(R{XPLATE})×(X{POSITION}/4095)×[(Z{2}/Z{1}) - 1]) 。第二種方法需要知道X板和Y板的電阻，同樣進(jìn)行三次觸摸屏轉(zhuǎn)換（測(cè)量X位置、Y位置和Z1位置），計(jì)算公式為 (R{TOUCH}=left{(R{XPLATE}/Z{I})×(X{POSITION}/4095)×[(4096/Z{I}) - 1]right} - [R{YPLATE}×(Y{POSITION}/4095)]) 。

5. 筆中斷請(qǐng)求

PENIRQ輸出為CMOS邏輯開(kāi)漏輸出，通過(guò)連接一個(gè)10kΩ至100kΩ的上拉電阻，正常情況下輸出為高電平。當(dāng)觸摸屏被觸摸時(shí)，PENIRQ輸出變?yōu)榈碗娖剑|發(fā)微處理器的中斷。在檢測(cè)到START位后，筆中斷功能會(huì)被禁用，直到第四次DCLK下降沿后，PENIRQ輸出恢復(fù)高電平。需要注意的是，如果控制寄存器的寫(xiě)操作與數(shù)據(jù)讀取重疊，即使在控制寄存器中啟用了PENIRQ功能，在轉(zhuǎn)換結(jié)束前也會(huì)被START位再次禁用，因此在這種模式下PENIRQ功能通常無(wú)效。

6. 控制寄存器

控制字通過(guò)DIN引腳提供給ADC，其中S位必須設(shè)置為1以啟動(dòng)控制字，AD7873在檢測(cè)到START位之前會(huì)忽略DIN線上的任何輸入。A2、A1和A0三位用于選擇輸入多路復(fù)用器的活動(dòng)輸入通道、觸摸屏驅(qū)動(dòng)器和參考輸入。MODE位設(shè)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率，0為12位分辨率，1為8位分辨率。SER/DFR位控制參考模式，1為單端模式，0為差分（比例式）轉(zhuǎn)換模式，差分模式適用于X位置、Y位置和壓力觸摸測(cè)量，而其他測(cè)量通常需要單端模式。PD0和PD1為電源管理位，通過(guò)編程這兩位可以選擇不同的電源管理選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)參考電壓和ADC的獨(dú)立開(kāi)關(guān)控制，從而在轉(zhuǎn)換之間實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

7. 串行接口

AD7873的串行接口通過(guò)串行時(shí)鐘（DCLK）提供轉(zhuǎn)換時(shí)鐘并控制信息的傳輸。一次完整的轉(zhuǎn)換可以在24個(gè)DCLK周期內(nèi)完成，CS信號(hào)用于啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換過(guò)程。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，前8個(gè)DCLK周期用于通過(guò)DIN引腳向控制寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)，接下來(lái)的3個(gè)DCLK周期為采集階段，之后進(jìn)入轉(zhuǎn)換階段，再用12個(gè)DCLK周期進(jìn)行轉(zhuǎn)換并輸出結(jié)果，最后3個(gè)DCLK周期輸出3個(gè)尾隨零。此外，還可以采用16個(gè)或15個(gè)DCLK周期進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以提高吞吐量。將MODE位設(shè)置為1可以使AD7873工作在8位模式，從而加快轉(zhuǎn)換速度，吞吐量可提高25%，并且由于內(nèi)部穩(wěn)定時(shí)間要求較低，時(shí)鐘速率可以提高50%，綜合起來(lái)可使轉(zhuǎn)換速率翻倍。

總結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，AD7873是一款性能卓越、功能豐富且應(yīng)用廣泛的ADC芯片。其高精度、低功耗、多種測(cè)量功能和靈活的電源管理選項(xiàng)，使其成為觸摸屏幕應(yīng)用以及其他需要高精度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇芯片的工作模式和參數(shù)，同時(shí)注意模擬輸入、觸摸屏穩(wěn)定時(shí)間、參考電壓等方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以充分發(fā)揮AD7873的性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。你在使用類(lèi)似ADC芯片的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。