正確配置ADC與顯示屏接口

目前，由于四線電阻器件的低成本和簡易性，大部分PDA廠商都用它制造觸摸屏。也有其它類型的觸摸屏，如五線電阻和電容器件。對于與主處理器接口的觸摸屏，來自屏幕的模擬波形首先必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。為完成這一點(diǎn)，設(shè)計師必須使用定制的ADC。
用戶使用記錄筆在屏幕上輸入數(shù)據(jù)。ADC將模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，主微處理器使用這些數(shù)據(jù)來決定記錄筆在屏幕上的位置。對這種應(yīng)用，ADC必須克服許多固有問題。
觸摸屏通常由兩層透明的電阻性材料構(gòu)成，在大多數(shù)情況下是用銀漿做電極的氧化銦錫(indium tin oxide)或其他電阻性聚酯材料。每層電阻值在不同的廠商間變化很大，但典型的電阻值從100W到900W。在兩層之上是玻璃隔離層(見圖1)。
在坐標(biāo)測量過程中，由控制器ADC通過芯片上的開關(guān)對每個電阻平板供電。對X坐標(biāo)測量時，要對X平板供電。由Y平板讀出所供電的平板上記錄筆的位置。讀出平板上檢測到的電壓與被供電平板上的記錄筆接觸的位置成比例。通過對Y平板供電，用X平板讀出位置來測量Y坐標(biāo)。所以，能夠從屏幕得到數(shù)字化的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)。然后，數(shù)字編碼被主CPU處理，進(jìn)行字符識別并得到位置信息。
ADC必須處理的唯一額外特性就是芯片上的開關(guān)，這個開關(guān)是用來向觸摸屏供電的。坐標(biāo)測量的基本功能是準(zhǔn)確的。但是，轉(zhuǎn)換器的設(shè)計者要面對許多問題。
首先，屏幕本身有低的阻抗?？赡苁?00W或更小，這意味著必須仔細(xì)設(shè)計芯片上的開關(guān)。例如，假設(shè)系統(tǒng)電源是3.3V，觸摸屏是100W。當(dāng)向屏幕供電時，開關(guān)必須能夠承受流出或流入33mA電流。
今天，在現(xiàn)代亞微米IC生產(chǎn)工藝中，為了避免金屬的電子遷移問題，對電流密度作了嚴(yán)格的限制。為了避免這些問題，要求仔細(xì)設(shè)計觸摸屏開關(guān)的源-漏金屬化的版圖。PDA生產(chǎn)商應(yīng)該確保被選擇的轉(zhuǎn)換器IC，滿足他們最終產(chǎn)品的屏幕阻抗要求。
芯片上的開關(guān)本身引起另一個難題。它們有一個固有的導(dǎo)通電阻，當(dāng)向屏幕供電時，該導(dǎo)通電阻形成通過開關(guān)的電壓降。例如，對100W的屏幕，如果芯片上開關(guān)的導(dǎo)通電阻值為10W，那么，當(dāng)一個開關(guān)連接到電源，另一個開關(guān)連接到地線時，轉(zhuǎn)換器將失去其動態(tài)范圍的20%，不是全部電壓被用到屏幕上。
另外，屏幕和開關(guān)電阻可能有不同的溫度系數(shù)。所以，溫度和電源電壓的范圍可以變化的相當(dāng)大。因此，控制器ADC必須在比率計方式下工作。這里，ADC的參考電壓直接來自頂層和底層的屏幕節(jié)點(diǎn)。這樣，動態(tài)范圍保持不變，并且被轉(zhuǎn)換的模擬輸入總是外部電阻的比值，對于內(nèi)部開關(guān)的導(dǎo)通電阻，它的變化是獨(dú)立的(見圖2)。
當(dāng)決定轉(zhuǎn)換器在哪種模式下工作，也就是屏幕的功耗時，因?yàn)镻DA的設(shè)計者要做出折衷，所以轉(zhuǎn)換器應(yīng)該提供所有兩種工作模式。在觸摸屏的例子中(3.3V電壓，100W的屏幕)，當(dāng)工作時，屏幕將消耗100mW功耗。大部分ADC采用跟蹤/保持電路采樣模擬輸入，從存儲器件(像電容)上采集信號并保持，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
采集輸入信號的實(shí)際時間大約占采集及轉(zhuǎn)換總時間的25%。實(shí)際上，當(dāng)轉(zhuǎn)換器執(zhí)行實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換時，不需要向屏幕供電。僅當(dāng)取得采樣時，才需要向屏幕供電。在單端轉(zhuǎn)換模式下，可以實(shí)現(xiàn)。一旦采集到信號，當(dāng)轉(zhuǎn)換發(fā)生的時候，轉(zhuǎn)換器能夠關(guān)閉屏幕電源并節(jié)省100mW功耗。然而，在比率計模式下，由于要向ADC提供參考電壓，必須在整個轉(zhuǎn)換過程中向屏幕供電。
ADC面臨的進(jìn)一步問題是它在不友好的環(huán)境中執(zhí)行轉(zhuǎn)換。對大部分屏幕而言，要求10~12 位的分辨率。對于2.5V的ADC參考電壓，在12位的系統(tǒng)中，最低位是610mV。所以必須仔細(xì)考慮模擬輸入的噪聲。
在PDA中有許多噪聲源，這些噪聲源能夠通過增加信噪比降低分辨率，例如背光電路和LCD面板。屏幕本身能夠從外部EMI/RFI源獲得噪聲。屏幕被實(shí)際接觸時的機(jī)械反彈也是一個潛在的錯誤源。
大多數(shù)情況下， ADC的扁平引腳必須放置低通濾波器，以便使這些噪聲源的影響減到最小。電容值通常是0.01mF。應(yīng)該注意的是，對于這些濾波器，不推薦使用串聯(lián)電阻，因?yàn)檫@會增加通過電阻的電壓降，從而降低轉(zhuǎn)換器的分辨率。除這些新電容之外，對于X和Y電阻薄膜，也有高達(dá)10nF的大寄生電容。
所有這些電容加起來，增加了屏幕的RC時間常數(shù)，這意味著從模擬輸入電壓到ADC要花更多的穩(wěn)定時間。轉(zhuǎn)換器需能靈活地處理它。ADC應(yīng)該有一個較寬的吞吐率(每秒轉(zhuǎn)換的采樣數(shù)量)范圍。在典型的10~12位范圍內(nèi)，ADC必須工作的足夠快，使得向屏幕供電的時間減到最??；并且也必須工作的足夠慢，確保獲得期望精度的模擬輸入電壓。
 某些設(shè)計要求平均值。另一些簡單的技術(shù)用來延遲采集過程(見圖3)。當(dāng)ADC從屏幕獲得輸入信號時，轉(zhuǎn)換器時鐘停止，來自主處理器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令被延遲。一旦得到期望的精度，轉(zhuǎn)換過程能夠繼續(xù)進(jìn)行。根據(jù)轉(zhuǎn)換過程和處理這些穩(wěn)定時間要求的速度，轉(zhuǎn)換器必須足夠靈活。
另一個問題是通過扁平引腳，從屏幕到轉(zhuǎn)換器的高能電壓尖峰放電造成的故障。在PDA生產(chǎn)過程中，屏幕是懸浮的，并且能夠積累相當(dāng)多的電荷?？赡軙ㄟ^轉(zhuǎn)換器的扁平引腳放電，并造成永久性損壞。在工作過程中，屏幕暴露在外，而且ESD也會發(fā)生，仍然會通過扁平引腳損壞轉(zhuǎn)換器，致使整個PDA不能使用。因此設(shè)計者必須優(yōu)化在這些引腳上的ESD保護(hù)。
隨同基本的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能一起，ADC應(yīng)該提供一些外圍的功能。關(guān)鍵的外圍特性之一是斷電模式的全面整合。在電池供電的手持設(shè)備中，屏幕功耗的問題引起嚴(yán)重的電池漏電。當(dāng)要求供電時，ADC應(yīng)該僅僅向屏幕供電。為此，在轉(zhuǎn)換器上要實(shí)現(xiàn)觸感設(shè)計，以便僅在實(shí)際發(fā)生接觸時，才加電并提供坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。
一旦主處理器得到中斷信號，應(yīng)能向ADC發(fā)送寫信號并告訴它開始轉(zhuǎn)換。只要不再需要其他的片上功能，系統(tǒng)應(yīng)該給轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部參考電壓斷電。
設(shè)計師可以使用輔助的ADC輸入通道監(jiān)視電池電壓。在電池放電曲線斜率的正?！皫щ姟辈糠郑O(shè)備使用的電池放電斜率是平緩的，但是在深度放電部分存在尖峰拐點(diǎn)。例如，圖4是鋰離子電池的特性曲線。
對微處理器來說，重要的是知道電池的放電曲線是否接近拐點(diǎn)，以便微處理器能夠激活斷電和數(shù)據(jù)保持程序，并且讓用戶給電池再充電。深度放電會損壞電池，并引起數(shù)據(jù)保持問題。另外，用于監(jiān)視環(huán)境溫度的ADC通道同樣非常有用?！?nbsp; (爾東譯)

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