深入剖析ADS7843：一款出色的觸摸屏控制器

一、引言

在當今的電子設備中，觸摸屏的應用越來越廣泛，從個人數字助理到銷售終端，觸摸屏為用戶帶來了便捷的交互體驗。而ADS7843作為一款專門用于觸摸屏控制的12位采樣模數轉換器（ADC），在其中發(fā)揮著重要作用。本文將對ADS7843進行詳細的剖析，包括其特性、應用、工作原理、電氣特性等方面，希望能為電子工程師們在設計相關產品時提供有價值的參考。

文件下載：ads7843.pdf

二、ADS7843的特性與應用

2.1 特性

• 接口與分辨率：具備4線觸摸屏接口，支持比例轉換，采用單電源供電，電壓范圍為2.7V至5V。擁有高達125kHz的轉換速率，通過串行接口進行通信，可實現(xiàn)可編程的8位或12位分辨率，還配備2個輔助模擬輸入，并且支持全功率關斷控制。
• 低功耗與高速：在125kHz吞吐量速率和+2.7V電源下，典型功耗僅為750μW，還設有關機模式，可將典型功耗降低至0.5μW以下。這種低功耗、高速度的特點，使其非常適合電池供電的系統(tǒng)。
• 封裝與溫度范圍：采用SSOP - 16封裝，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，能適應較為惡劣的環(huán)境。

2.2 應用

ADS7843的應用場景十分廣泛，涵蓋了個人數字助理、便攜式儀器、銷售終端、尋呼機以及觸摸屏顯示器等領域。在這些設備中，它能夠準確地將觸摸信號轉換為數字信號，實現(xiàn)用戶與設備的交互。

三、工作原理

3.1 基本架構

ADS7843是一款經典的逐次逼近寄存器（SAR）ADC，基于電容重新分配架構，本身包含采樣保持功能，采用0.6μs CMOS工藝制造。它需要外部參考電壓和外部時鐘，單電源供電范圍為2.7V至5.25V，外部參考電壓可以在1V至 + VCC之間變化，參考電壓的大小直接決定了轉換器的輸入范圍。

3.2 模擬輸入

模擬輸入通過一個四通道多路復用器提供。獨特的低導通電阻開關配置，使得未選中的ADC輸入通道可以為外部設備提供電源，相應的引腳可以提供接地。通過保持轉換器的差分輸入和差分參考架構，可以消除開關導通電阻誤差。 在轉換器進入保持模式時，+IN和 - IN輸入之間的電壓差會被內部電容陣列捕獲。模擬輸入的輸入電流取決于設備的轉換速率，在采樣期間，源必須為內部采樣電容（典型值為25pF）充電，充電完成后，不再有輸入電流。

3.3 參考輸入

+REF和 - REF之間的電壓差決定了模擬輸入范圍，ADS7843的參考電壓范圍為1V至 + VCC。隨著參考電壓的降低，每個數字輸出代碼的模擬電壓權重也會降低，即LSB（最低有效位）尺寸變小。同時，ADC固有的任何偏移或增益誤差在LSB尺寸方面會顯得更大。 VREF輸入的電壓沒有緩沖，直接驅動ADS7843的電容數模轉換器（CDAC）部分。參考電流會隨著轉換速率和參考電壓的降低而直接減小。

3.4 數字接口

ADS7843的數字接口典型操作由處理器與轉換器之間的串行通信實現(xiàn)，每次通信包含八個時鐘周期，一次完整的轉換需要三次串行通信，共24個時鐘周期。 控制字節(jié)通過DIN引腳提供，其中第一位（S位）必須始終為高，表示控制字節(jié)的開始。接下來的三位（A2 - A0）選擇輸入多路復用器的活動輸入通道，MODE位決定每次轉換的位數（12位或8位），SER/DFR位控制參考模式（單端或差分），最后兩位（PD1 - PD0）選擇掉電模式。

四、電氣特性

在特定的測試條件下（TA = - 40°C至 + 85°C，+VCC = + 2.7V，VREF = + 2.5V，fSAMPLE = 125kHz，fCLK = 16·fSAMPLE = 2MHz，12位模式，數字輸入 = GND或 + VCC），ADS7843展現(xiàn)出了一系列優(yōu)秀的電氣特性：

• 模擬輸入：滿量程輸入跨度為0至VREF，絕對輸入范圍電容為25pF，泄漏電流為0.1μA。
• 系統(tǒng)性能：分辨率為12位，無丟失代碼，積分線性誤差為±2 LSB，偏移誤差和增益誤差都在一定范圍內。
• 采樣動態(tài)：轉換時間為3至12個時鐘周期，采集時間為500個時鐘周期，吞吐量速率為100kHz，多路復用器建立時間為100個時鐘周期等。
• 開關驅動器：Y +、X +的導通電阻為5Ω，Y -、X -的導通電阻為6Ω。
• 參考輸入：范圍為1.0V至 + VCC，電阻為5GΩ，輸入電流為13μA。
• 數字輸入/輸出：邏輯家族為CMOS，邏輯電平符合特定要求，數據格式為直二進制。
• 電源要求：+VCC靜態(tài)電流在不同模式下有所不同，功率耗散也與工作模式和轉換速率有關。

五、功耗與布局考慮

5.1 功耗

ADS7843有全功率（PD1 - PD0 = 11B）和自動掉電（PD1 - PD0 = 00B）兩種主要功率模式。當轉換速率較高時，兩種模式的功耗差異不大；但當DCLK頻率保持在最大速率，而轉換次數減少時，自動掉電模式的功耗優(yōu)勢明顯。 此外，轉換器的參考模式也會影響功耗。在單端參考模式下，外部設備僅在采集期間供電；而在差分參考模式下，外部設備在采集和轉換期間都需要供電，若轉換速率高，會顯著增加功耗。

5.2 布局

為了使ADS7843獲得最佳性能，在布局時需要注意以下幾點：

• 電源與旁路：為ADS7843提供干凈且經過良好旁路的電源，在靠近設備處放置0.1μF陶瓷旁路電容，若 + VCC與電源之間的連接阻抗高，還需使用1μF至10μF的電容。
• 參考電壓：參考電壓也需要用0.1μF電容進行旁路，若參考電壓來自運算放大器，要確保其能驅動旁路電容而不產生振蕩。
• 接地：GND引腳應連接到干凈的接地點，避免靠近微控制器或數字信號處理器的接地點，必要時可直接從轉換器連接接地走線到電源入口或電池連接點。
• 觸摸屏連接：在與電阻式觸摸屏連接時，連接應盡可能短且牢固，以減少誤差。

六、總結

ADS7843以其豐富的特性、優(yōu)秀的性能和廣泛的應用場景，成為了觸摸屏控制領域的一款優(yōu)秀產品。電子工程師們在設計相關產品時，需要充分了解其工作原理、電氣特性、功耗和布局要求，以確保產品的穩(wěn)定性和可靠性。同時，在實際應用中，還需要根據具體需求進行合理的參數配置和優(yōu)化，以達到最佳的性能表現(xiàn)。大家在使用ADS7843的過程中，是否也遇到過一些有趣的問題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。