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)用場景的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）至關(guān)重要。今天，我們就來深入剖析Analog Devices公司的AD7873，這是一款專為觸摸屏幕應(yīng)用優(yōu)化的12位逐次逼近型ADC，它憑借眾多出色的特性，在眾多同類產(chǎn)品中脫穎而出。

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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，實現(xiàn)精準(zhǔn)的觸摸位置檢測。同時，其片上集成了溫度傳感器，工作范圍為 -40°C 至 +85°C，可實時監(jiān)測環(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)測和溫度測量等模式，并且支持直接電池測量（0V至6V）和觸摸壓力測量，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)確地完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(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，可有效消除片上開關(guān)電阻帶來的誤差，提高測量精度。其可編程的8位或12位分辨率，能根據(jù)實際應(yīng)用需求靈活調(diào)整，滿足不同場景下的精度要求。

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，最大功耗僅為1.37mW；參考電壓開啟時，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)，同時擁有一個輔助模擬輸入通道，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，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)換時間最大為12個DCLK周期，跟蹤保持采集時間最小為3個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，最大電流為380μA（典型值為240μA）；內(nèi)部參考電壓開啟時，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，最大功耗為1.368mW；內(nèi)部參考電壓開啟時，典型功耗為2.412mW。關(guān)機(jī)時，最大功耗為3.6μW（VCC為3.6V）。

4. 絕對最大額定值

在絕對最大額定值方面，+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時不會引起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，不同類型的器件有不同的溫度和時間要求，例如無鉛器件的峰值溫度為250°C，達(dá)到峰值溫度的時間為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。

實際應(yīng)用場景

1. 個人數(shù)字助理和智能手持設(shè)備

在個人數(shù)字助理和智能手持設(shè)備中，AD7873的高精度觸摸位置檢測和低功耗特性能夠為用戶帶來流暢的觸摸操作體驗，同時延長設(shè)備的電池續(xù)航時間。其片上溫度傳感器還可以實時監(jiān)測設(shè)備內(nèi)部溫度，確保設(shè)備在安全的工作溫度范圍內(nèi)運行。

2. 觸摸屏顯示器

對于觸摸屏顯示器，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關(guān)電阻帶來的誤差，提高顯示效果的準(zhǔn)確性。

3. 銷售點終端和尋呼機(jī)

在銷售點終端和尋呼機(jī)等設(shè)備中，AD7873的直接電池測量功能可以實時監(jiān)測電池電量，為設(shè)備的正常運行提供保障。其低功耗和小封裝形式也符合這些設(shè)備對空間和功耗的嚴(yán)格要求。

設(shè)計要點與注意事項

1. 模擬輸入與采集時間

在模擬輸入方面，AD7873的輸入信號通過片上多路復(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，會捕獲+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。采集時間方面，當(dāng)模擬輸入源阻抗為零時，三個DCLK周期足以將信號采集到12位水平；當(dāng)存在源阻抗時，實際采集時間需要根據(jù)公式 (t{ACQ}=8.4×(R{IN}+100Ω)×37pF) 計算，其中 (R_{IN}) 為輸入信號的源阻抗。

2. 觸摸屏穩(wěn)定時間

在某些應(yīng)用中，觸摸屏可能需要外接電容來過濾噪聲，這會導(dǎo)致觸摸屏觸摸時的穩(wěn)定時間問題，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)定時間內(nèi)停止或減慢DCLK，使輸入和參考在采集時間內(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)動器開啟且不進(jìn)入掉電狀態(tài)，根據(jù)穩(wěn)定時間和數(shù)據(jù)速率可能需要多次轉(zhuǎn)換，最后一次測量后再將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)動器開啟，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。該參考電壓可通過掉電地址（PD1 = 1）開啟或關(guān)閉，通常僅在單端模式下用于電池監(jiān)測、溫度測量和輔助輸入。在無負(fù)載情況下，2.5V參考電壓的上電時間通常為10μs，建議在VREF引腳使用0.1μF電容以優(yōu)化性能。當(dāng)使用外部參考電壓時，為獲得最佳性能，應(yīng)關(guān)閉內(nèi)部參考電壓，因為關(guān)閉內(nèi)部參考電壓時，圖27中的SW1會斷開，此時VREF引腳的輸入阻抗處于GΩ量級；而開啟內(nèi)部參考電壓時，VREF引腳的輸入阻抗約為260Ω。

4. 測量功能

溫度測量

AD7873提供了兩種溫度測量方法：單轉(zhuǎn)換法和差分轉(zhuǎn)換法。單轉(zhuǎn)換法通過在固定校準(zhǔn)溫度下對二極管電壓進(jìn)行數(shù)字化記錄，然后根據(jù)二極管溫度漂移（約 - 2.1mV/°C）通過外推法估算環(huán)境溫度，該方法分辨率約為0.3°C，預(yù)測精度為±3°C。差分轉(zhuǎn)換法是一種兩點測量法，通過對二極管施加不同的偏置電流進(jìn)行兩次測量，利用電壓差計算絕對溫度，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)確的絕對溫度測量，精度為±2°C，但分辨率降至約1.6°C。

電池測量

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

壓力測量

通過簡單計算，AD7873可以測量施加在觸摸屏上的壓力。以12位分辨率模式為例，可以通過兩種方法計算觸摸電阻 (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（測量X位置、Z1位置和Z2位置），計算公式為 (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（測量X位置、Y位置和Z1位置），計算公式為 (R{TOUCH}=left{(R{XPLATE}/Z{I})×(X{POSITION}/4095)×[(4096/Z{I}) - 1]right} - [R{YPLATE}×(Y{POSITION}/4095)]) 。

5. 筆中斷請求

PENIRQ輸出為CMOS邏輯開漏輸出，通過連接一個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，PENIRQ輸出變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)微處理器的中斷。在檢測到START位后，筆中斷功能會被禁用，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)束前也會被START位再次禁用，因此在這種模式下PENIRQ功能通常無效。

6. 控制寄存器

控制字通過DIN引腳提供給ADC，其中S位必須設(shè)置為1以啟動控制字，AD7873在檢測到START位之前會忽略DIN線上的任何輸入。A2、A1和A0三位用于選擇輸入多路復(fù)用器的活動輸入通道、觸摸屏驅(qū)動器和參考輸入。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位置和壓力觸摸測量，而其他測量通常需要單端模式。PD0和PD1為電源管理位，通過編程這兩位可以選擇不同的電源管理選項，實現(xiàn)參考電壓和ADC的獨立開關(guān)控制，從而在轉(zhuǎn)換之間實現(xiàn)節(jié)能。

7. 串行接口

AD7873的串行接口通過串行時鐘（DCLK）提供轉(zhuǎn)換時鐘并控制信息的傳輸。一次完整的轉(zhuǎn)換可以在24個DCLK周期內(nèi)完成，CS信號用于啟動數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換過程。在轉(zhuǎn)換過程中，前8個DCLK周期用于通過DIN引腳向控制寄存器寫入數(shù)據(jù)，接下來的3個DCLK周期為采集階段，之后進(jìn)入轉(zhuǎn)換階段，再用12個DCLK周期進(jìn)行轉(zhuǎn)換并輸出結(jié)果，最后3個DCLK周期輸出3個尾隨零。此外，還可以采用16個或15個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)定時間要求較低，時鐘速率可以提高50%，綜合起來可使轉(zhuǎn)換速率翻倍。

總結(jié)

總的來說，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、多種測量功能和靈活的電源管理選項，使其成為觸摸屏幕應(yīng)用以及其他需要高精度模擬信號轉(zhuǎn)換的理想選擇。在實際設(shè)計過程中，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)，同時注意模擬輸入、觸摸屏穩(wěn)定時間、參考電壓等方面的設(shè)計要點，以充分發(fā)揮AD7873的性能優(yōu)勢，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)設(shè)計。你在使用類似ADC芯片的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。