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正确配置ADC与显示屏接口

发表时间:2020-01-30 19:59

  将模拟信息转换为数字信号,主微处理器使用这些数据来决定记录笔在屏幕上的位置。对这种应用,

  触摸屏通常由两层透明的电阻性材料构成,在大多数情况下是用银浆做电极的氧化铟锡(indium tin oxide)或其他电阻性聚酯材料。每层电阻值在不同的厂商间变化很大,但典型的电阻值从100W到900W。在两层之上是玻璃隔离层(见图1)。

  在坐标测量过程中,由控制器ADC通过芯片上的开关对每个电阻平板供电。对X坐标测量时,要对X平板供电。由Y平板读出所供电的平板上记录笔的位置。读出平板上检测到的电压与被供电平板上的记录笔接触的位置成比例。通过对Y平板供电,用X平板读出位置来测量Y坐标。所以,能够从屏幕得到数字化的X坐标和Y坐标。然后,数字编码被主CPU处理,进行字符识别并得到位置信息。

  ADC必须处理的唯一额外特性就是芯片上的开关,这个开关是用来向触摸屏供电的。坐标测量的基本功能是准确的。但是,转换器的设计者要面对许多问题。

  首先,屏幕本身有低的阻抗。可能是100W或更小,这意味着必须仔细设计芯片上的开关。例如,假设系统电源是3.3V,触摸屏是100W。当向屏幕供电时,开关必须能够承受流出或流入33mA电流。

  今天,在现代亚微米IC生产工艺中,为了避免金属的电子迁移问题,对电流密度作了严格的限制。为了避免这些问题,要求仔细设计触摸屏开关的源-漏金属化的版图。PDA生产商应该确保被选择的转换器IC,满足他们最终产品的屏幕阻抗要求。

  芯片上的开关本身引起另一个难题。它们有一个固有的导通电阻,当向屏幕供电时,该导通电阻形成通过开关的电压降。例如,对100W的屏幕,如果芯片上开关的导通电阻值为10W,那么,当一个开关连接到电源,另一个开关连接到地线时,转换器将失去其动态范围的20%,不是全部电压被用到屏幕上。

  另外,屏幕和开关电阻可能有不同的温度系数。所以,温度和电源电压的范围可以变化的相当大。因此,控制器ADC必须在比率计方式下工作。这里,ADC的参考电压直接来自顶层和底层的屏幕节点。这样,动态范围保持不变,并且被转换的模拟输入总是外部电阻的比值,对于内部开关的导通电阻,它的变化是独立的(见图2)。

  当决定转换器在哪种模式下工作,也就是屏幕的功耗时,因为PDA的设计者要做出折衷,所以转换器应该提供所有两种工作模式。在触摸屏的例子中(3.3V电压,100W的屏幕),当工作时,屏幕将消耗100mW功耗。大部分ADC采用跟踪/保持电路采样模拟输入,从存储器件(像电容)上采集信号并保持,然后进行转换。

  采集输入信号的实际时间大约占采集及转换总时间的25%。实际上,当转换器执行实际的A/D转换时,不需要向屏幕供电。仅当取得采样时,才需要向屏幕供电。在单端转换模式下,可以实现。一旦采集到信号,当转换发生的时候,转换器能够关闭屏幕电源并节省100mW功耗。然而,在比率计模式下,由于要向ADC提供参考电压,必须在整个转换过程中向屏幕供电。

  ADC面临的进一步问题是它在不友好的环境中执行转换。对大部分屏幕而言,要求10~12 位的分辨率。对于2.5V的ADC参考电压,在12位的系统中,最低位是610mV。所以必须仔细考虑模拟输入的噪声。

  在PDA中有许多噪声源,这些噪声源能够通过增加信噪比降低分辨率,例如背光电路和LCD面板。屏幕本身能够从外部EMI/RFI源获得噪声。屏幕被实际接触时的机械反弹也是一个潜在的错误源。

  大多数情况下, ADC的扁平引脚必须放置低通滤波器,以便使这些噪声源的影响减到最小。电容值通常是0.01mF。应该注意的是,对于这些滤波器,不推荐使用串联电阻,因为这会增加通过电阻的电压降,从而降低转换器的分辨率。除这些新电容之外,对于X和Y电阻薄膜,也有高达10nF的大寄生电容。

  所有这些电容加起来,增加了屏幕的RC时间常数,这意味着从模拟输入电压到ADC要花更多的稳定时间。转换器需能灵活地处理它。ADC应该有一个较宽的吞吐率(每秒转换的采样数量)范围。在典型的10~12位范围内,ADC必须工作的足够快,使得向屏幕供电的时间减到最小;并且也必须工作的足够慢,确保获得期望精度的模拟输入电压。

  某些设计要求平均值。另一些简单的技术用来延迟采集过程(见图3)。当ADC从屏幕获得输入信号时,转换器时钟停止,来自主处理器的数据转换指令被延迟。一旦得到期望的精度,转换过程能够继续进行。根据转换过程和处理这些稳定时间要求的速度,转换器必须足够灵活。

  另一个问题是通过扁平引脚,从屏幕到转换器的高能电压尖峰放电造成的故障。在PDA生产过程中,屏幕是悬浮的,并且能够积累相当多的电荷。可能会通过转换器的扁平引脚放电,并造成永久性损坏。在工作过程中,屏幕暴露在外,而且ESD也会发生,仍然会通过扁平引脚损坏转换器,致使整个PDA不能使用。因此设计者必须优化在这些引脚上的ESD保护。

  随同基本的坐标转换功能一起,ADC应该提供一些外围的功能。关键的外围特性之一是断电模式的全面整合。在电池供电的手持设备中,屏幕功耗的问题引起严重的电池漏电。当要求供电时,ADC应该仅仅向屏幕供电。为此,在转换器上要实现触感设计,以便仅在实际发生接触时,才加电并提供坐标转换。

  一旦主处理器得到中断信号,应能向ADC发送写信号并告诉它开始转换。只要不再需要其他的片上功能,系统应该给转换器的内部参考电压断电。

  设计师可以使用辅助的ADC输入通道监视电池电压。在电池放电曲线斜率的正常“带电”部分,设备使用的电池放电斜率是平缓的,但是在深度放电部分存在尖峰拐点。例如,图4是锂离子电池的特性曲线。

  对微处理器来说,重要的是知道电池的放电曲线是否接近拐点,以便微处理器能够激活断电和数据保持程序,并且让用户给电池再充电。深度放电会损坏电池,并引起数据保持问题。另外,用于监视环境温度的ADC通道同样非常有用。■ (尔东译)