深度剖析TSC2301：可編程觸摸屏控制器與立體聲音頻編解碼器的完美融合

作為電子工程師，我們總是在尋找那些集多功能于一身，且能為設(shè)計(jì)帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì)的芯片。今天，我要和大家深入探討的就是德州儀器（Texas Instruments）推出的TSC2301，一款高度集成的PDA模擬接口電路，它在觸摸屏控制和音頻編解碼方面展現(xiàn)出了卓越的性能。

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1. 特性概覽

TSC2301集成度極高，擁有SPI?串行接口，支持4線觸摸屏接口，還具備內(nèi)部的屏幕觸摸和鍵盤(pán)按壓檢測(cè)功能，以及觸摸壓力測(cè)量能力。其A/D轉(zhuǎn)換分辨率可編程為8、10或12位，最高采樣率可達(dá)125 kHz，同時(shí)支持直接電池測(cè)量（0到6 V）和片上溫度測(cè)量。此外，它還配備了4x4鍵盤(pán)接口，具備可編程消抖和按鍵屏蔽功能。

在音頻方面，它擁有20位的Delta - Sigma ADC/DAC，動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)98 dB，采樣率最高可達(dá)48 kHz，采用I2S串行接口，并配備立體聲16 - Ω耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)，它還具備全功率關(guān)斷控制、8位電流輸出DAC、片上晶體振蕩器、可編程的低音/中音/高音均衡器、效果處理和6個(gè)GPIO引腳，采用單2.7 - V至3.6 - V電源供電，提供64引腳TQFP和120球MicroStar Junior?BGA兩種封裝形式。

2. 功能模塊詳解

2.1 觸摸屏接口

TSC2301支持4線電阻式觸摸屏配置。通過(guò)在垂直或水平電阻網(wǎng)絡(luò)上施加電壓，利用ADC將屏幕觸摸點(diǎn)的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而確定觸摸位置。它可以測(cè)量觸摸位置（X, Y）和壓力（Z），并在三種不同的A/D轉(zhuǎn)換模式下工作：由TSC2301檢測(cè)觸摸時(shí)自動(dòng)控制轉(zhuǎn)換、主機(jī)響應(yīng)PENIRQ信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換以及主機(jī)完全控制轉(zhuǎn)換。

在測(cè)量觸摸壓力時(shí)，有兩種方法可供選擇。第一種方法需要已知X板電阻、測(cè)量X位置以及對(duì)觸摸屏進(jìn)行兩次額外的跨板測(cè)量（Z2和Z1）；第二種方法需要知道X板和Y板電阻、X和Y位置以及Z1。同時(shí)，由于觸摸屏按壓時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)電壓過(guò)沖和機(jī)械彈跳現(xiàn)象，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間來(lái)確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換器

TSC2301的模擬輸入通過(guò)多路復(fù)用器連接到逐次逼近寄存器（SAR）模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），采用電容重分配架構(gòu)，自帶采樣/保持功能。其獨(dú)特的低導(dǎo)通電阻開(kāi)關(guān)配置可減少驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻引起的誤差。

ADC由控制寄存器控制，可通過(guò)該寄存器設(shè)置通道選擇、掃描操作、平均值、分辨率和轉(zhuǎn)換速率等參數(shù)。轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在相應(yīng)的結(jié)果寄存器中。此外，它還提供三種不同的分辨率（8、10或12位），較低的分辨率可減少轉(zhuǎn)換時(shí)間和功耗。其內(nèi)部時(shí)鐘頻率為8 MHz，可通過(guò)控制寄存器設(shè)置轉(zhuǎn)換時(shí)鐘速率，以滿足不同的分辨率、速度和功耗要求。

2.3 數(shù)字接口

TSC2301通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SPI總線進(jìn)行通信，支持全雙工、同步、串行通信。SPI主設(shè)備生成同步時(shí)鐘并啟動(dòng)傳輸，TSC2301作為從設(shè)備依賴主設(shè)備啟動(dòng)和同步傳輸。通信協(xié)議采用16位命令控制寄存器的讀寫(xiě)操作，命令包含R/W位指定數(shù)據(jù)流向、4位指定內(nèi)存頁(yè)面、6位指定寄存器地址和5位保留位。

2.4 音頻編解碼器

2.4.1 音頻模擬I/O

TSC2301擁有一對(duì)立體聲輸入（LLINEIN和RLINEIN）、一個(gè)單聲道音頻輸入（MICIN）、一對(duì)立體聲線路輸出（VOUTL和VOUTR）、一個(gè)立體聲耳機(jī)輸出放大器（HPL和HPR）以及一個(gè)差分單聲道輸出（MONO +和MONO -）。還包含一個(gè)特殊電路，可根據(jù)寄存器控制在模擬輸出信號(hào)路徑中插入按鍵點(diǎn)擊音效。

2.4.2 音頻數(shù)字I/O

數(shù)字音頻數(shù)據(jù)通過(guò)I2S總線（BCLK、LRCLK、I2SDIN、I2SDOUT）在TSC2301和CPU之間傳輸，但所有寄存器只能通過(guò)SPI總線訪問(wèn)。I2S總線僅工作在從模式，支持四種可編程模式。

2.4.3 音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

TSC2301包含立體聲20位音頻DAC和立體聲20位音頻ADC，兩者必須以相同的采樣率（8 kHz、11.025 kHz、12 kHz、16 kHz、22.05 kHz、24 kHz、32 kHz、44.1 kHz或48 kHz）工作。工作時(shí)需要一個(gè)與I2S總線時(shí)鐘同步的音頻MCLK輸入，內(nèi)部PLL可根據(jù)輸入時(shí)鐘生成合適的數(shù)字時(shí)鐘。

2.4.4 DAC數(shù)字音量控制

DAC數(shù)字效果處理模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)字音量控制，可通過(guò)SPI寄存器獨(dú)立設(shè)置每個(gè)聲道的音量，范圍從0 dB到 - 63.5 dB，以0.5 dB為步長(zhǎng)。還可通過(guò)設(shè)置靜音位獨(dú)立靜音每個(gè)聲道，并采用軟步進(jìn)算法避免音頻輸出出現(xiàn)雜音。

2.4.5 立體聲DAC概述

立體聲DAC由數(shù)字塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字插值濾波器、音量控制、去加重濾波器和可編程數(shù)字效果/低音增強(qiáng)濾波器，隨后是5階單比特?cái)?shù)字Delta - Sigma調(diào)制器和開(kāi)關(guān)電容模擬重建濾波器。通過(guò)增加過(guò)采樣和圖像濾波，在低采樣率下提供增強(qiáng)的性能，抑制量化噪聲和信號(hào)圖像。

2.4.6 音頻ADC

音頻ADC由4階多位模擬Delta - Sigma調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器組成，輸入通過(guò)單極點(diǎn)模擬濾波器進(jìn)行抗混疊。數(shù)字抽取濾波器包含一個(gè)高通IIR濾波器，可去除信號(hào)中的直流或次音頻分量。ADC的信噪比在44.1/48 kHz模式下典型值為88 dB - A。

2.4.7 音頻旁路模式

在音頻旁路模式下，L/RLINEIN模擬輸入可與DAC輸出混合，輸出到線路輸出（VOUTL/R）、耳機(jī)輸出（HPL/R）和單聲道輸出（MONO +/-）。該路徑具有立體聲模擬音量控制，采用軟步進(jìn)邏輯。

2.4.8 差分單聲道輸出（MONO +/-）

差分單聲道輸出可驅(qū)動(dòng)功率放大器，輸出可以是立體聲線路輸出的單聲道混合或左聲道ADC的模擬輸入。

2.4.9 麥克風(fēng)偏置電壓（MICBIAS）

TSC2301提供一個(gè)適合偏置駐極體麥克風(fēng)膠囊的輸出電壓，該電壓始終比芯片電源電壓低1 V，可通過(guò)寄存器控制禁用以降低功耗。

3. 寄存器配置

TSC2301的多個(gè)功能由寄存器控制，包括ADC控制寄存器、DAC控制寄存器、參考寄存器、配置控制寄存器、鍵盤(pán)寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和音頻控制寄存器等。每個(gè)寄存器的不同位用于設(shè)置特定的功能和參數(shù)，例如ADC分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)鐘速率、音量控制、濾波功能等。

4. 操作模式

4.1 觸摸屏測(cè)量

TSC2301提供三種觸摸屏轉(zhuǎn)換模式：

• TSC2301檢測(cè)觸摸時(shí)自動(dòng)控制轉(zhuǎn)換：TSC2301檢測(cè)到觸摸后，自動(dòng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程，依次測(cè)量Y和X坐標(biāo)，若需測(cè)量壓力，還會(huì)測(cè)量Z1和Z2值。這種模式可充分利用集成的觸摸屏處理功能，減少主機(jī)處理器的處理開(kāi)銷和中斷次數(shù)。
• 主機(jī)響應(yīng)PENIRQ信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換：TSC2301檢測(cè)到觸摸并發(fā)出PENIRQ信號(hào)，主機(jī)響應(yīng)后選擇觸摸屏掃描功能，然后轉(zhuǎn)換過(guò)程按上述方式進(jìn)行。這種模式需要主機(jī)更多的控制，一般不推薦。
• 主機(jī)完全控制轉(zhuǎn)換：主機(jī)控制轉(zhuǎn)換的各個(gè)方面，包括開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)、設(shè)置延遲時(shí)間和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換等。

4.2 溫度測(cè)量

TSC2301提供兩種溫度測(cè)量模式：第一種需要在已知溫度下進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)測(cè)量二極管電壓來(lái)預(yù)測(cè)環(huán)境溫度，分辨率為0.3°C/LSB；第二種采用兩次測(cè)量（差分）方法，無(wú)需校準(zhǔn)，分辨率為2°C/LSB。

4.3 電池測(cè)量

TSC2301可以監(jiān)測(cè)電池電壓，其輸入電壓可通過(guò)分壓電路調(diào)整，以適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。測(cè)量過(guò)程需要設(shè)置適當(dāng)?shù)膮⒖茧妷汉脱舆t時(shí)間。

4.4 輔助測(cè)量

兩個(gè)輔助電壓輸入可用于測(cè)量外部電壓，輸入范圍為0 V至VREF，測(cè)量過(guò)程與電池測(cè)量類似。

4.5 端口掃描

端口掃描模式可同時(shí)對(duì)兩個(gè)電池輸入和兩個(gè)輔助輸入進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，完成后DAV引腳置低，通知主機(jī)讀取數(shù)據(jù)。

4.6 D/A轉(zhuǎn)換器

TSC2301的板載8位DAC可通過(guò)連接在ARNG引腳和地之間的電阻控制輸出電流，用于LCD對(duì)比度控制等應(yīng)用。

4.7 鍵盤(pán)接口

TSC2301的鍵盤(pán)接口適用于4x4矩陣鍵盤(pán)，通過(guò)控制寄存器設(shè)置掃描速率和消抖時(shí)間，掃描結(jié)果存儲(chǔ)在鍵盤(pán)數(shù)據(jù)寄存器中。

5. 布局建議

在進(jìn)行TSC2301的電路設(shè)計(jì)時(shí)，布局至關(guān)重要。由于其基本SAR架構(gòu)對(duì)電源、參考、接地連接和數(shù)字輸入上的毛刺或突然變化敏感，因此需要確保電源干凈且充分旁路，為每個(gè)電源引腳靠近芯片放置0.1 - μF陶瓷旁路電容，必要時(shí)添加1 - μF至10 - μF電容。同時(shí)，要保持音頻參考引腳VREF +/VREF - 干凈無(wú)噪聲，可添加去耦電容和串聯(lián)電阻。HPGND引腳應(yīng)連接到干凈的接地點(diǎn)，避免與微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器的接地過(guò)近。在使用電阻式觸摸屏?xí)r，要確保轉(zhuǎn)換器與觸摸屏之間的連接短而牢固，減少接觸電阻變化帶來(lái)的誤差。

總結(jié)

TSC2301憑借其豐富的功能和高度的集成性，為電子工程師在觸摸屏控制和音頻處理應(yīng)用中提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的解決方案。通過(guò)深入了解其特性、功能模塊、寄存器配置和操作模式，并遵循布局建議，我們可以充分發(fā)揮其性能，設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的電子產(chǎn)品。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否也遇到過(guò)類似多功能芯片的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。