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(jiǎn)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(duì)于與主處理器接口的觸摸屏，來(lái)自屏幕的模擬波形首先必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。為完成這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(hào)，主微處理器使用這些數(shù)據(jù)來(lái)決定記錄筆在屏幕上的位置。對(duì)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(cè)量過程中，由控制器ADC通過芯片上的開關(guān)對(duì)每個(gè)電阻平板供電。對(duì)X坐標(biāo)測(cè)量時(shí)，要對(duì)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(cè)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(duì)Y平板供電，用X平板讀出位置來(lái)測(cè)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(shí)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(gè)開關(guān)是用來(lái)向觸摸屏供電的。坐標(biāo)測(cè)量的基本功能是準(zhǔn)確的。但是，轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)者要面對(duì)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(jì)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(shí)，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(duì)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(jì)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(gè)難題。它們有一個(gè)固有的導(dǎo)通電阻，當(dāng)向屏幕供電時(shí)，該導(dǎo)通電阻形成通過開關(guān)的電壓降。例如，對(duì)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(gè)開關(guān)連接到電源，另一個(gè)開關(guān)連接到地線時(shí)，轉(zhuǎn)換器將失去其動(dòng)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(jì)方式下工作。這里，ADC的參考電壓直接來(lái)自頂層和底層的屏幕節(jié)點(diǎn)。這樣，動(dòng)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(duì)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(shí)，因?yàn)镻DA的設(shè)計(jì)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(shí)，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(chǔ)器件(像電容)上采集信號(hào)并保持，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
采集輸入信號(hào)的實(shí)際時(shí)間大約占采集及轉(zhuǎn)換總時(shí)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(shí)，不需要向屏幕供電。僅當(dāng)取得采樣時(shí)，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(hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)換發(fā)生的時(shí)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(jì)模式下，由于要向ADC提供參考電壓，必須在整個(gè)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(duì)大部分屏幕而言，要求10~12 位的分辨率。對(duì)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(shí)的機(jī)械反彈也是一個(gè)潛在的錯(cuò)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(duì)于這些濾波器，不推薦使用串聯(lián)電阻，因?yàn)檫@會(huì)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(duì)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(lái)，增加了屏幕的RC時(shí)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(shí)間。轉(zhuǎn)換器需能靈活地處理它。ADC應(yīng)該有一個(gè)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(shí)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(jì)要求平均值。另一些簡(jiǎn)單的技術(shù)用來(lái)延遲采集過程(見圖3)。當(dāng)ADC從屏幕獲得輸入信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘停止，來(lái)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(shí)間要求的速度，轉(zhuǎn)換器必須足夠靈活。
另一個(gè)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?huì)通過轉(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(huì)發(fā)生，仍然會(huì)通過扁平引腳損壞轉(zhuǎn)換器，致使整個(gè)PDA不能使用。因此設(shè)計(jì)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(shí)，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(jì)，以便僅在實(shí)際發(fā)生接觸時(shí)，才加電并提供坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。
一旦主處理器得到中斷信號(hào)，應(yīng)能向ADC發(fā)送寫信號(hào)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(jì)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?，設(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(duì)微處理器來(lái)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(huì)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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