AD7877触摸屏幕控制器：功能、特性与应用详解

在电子设计领域，触摸屏幕控制器是实现人机交互的关键组件。今天要介绍的AD7877触摸屏幕控制器，以其丰富的功能和出色的性能，在众多应用场景中展现出独特的优势。

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一、AD7877概述

AD7877是一款12位逐次逼近型ADC，具备同步串行接口和低导通电阻开关，专为驱动触摸屏幕而设计。它采用单电源供电，电压范围为2.7V至5.25V（功能操作可低至2.2V），吞吐量速率可达125kSPS，同时支持直接电池测量、温度和触摸压力测量等功能。该芯片还拥有2.5V片上参考电压，在不使用时可关闭以节省功耗，也可使用外部参考电压。此外，它还有关机模式，最大电流仅为1µA。

二、产品特性

（一）接口与功能特性

1. 4线触摸屏幕接口：能够与4线触摸屏幕完美适配，实现精准的触摸位置检测。
2. LCD降噪特性：通过STOPACQ引脚控制ADC的采集阶段，有效降低LCD屏幕产生的噪声对触摸屏幕测量的影响。
3. 自动转换序列器和定时器：支持自动转换特定输入通道或通道序列，可根据预设间隔进行转换，提高工作效率。
4. 用户可编程转换参数：包括可变采集时间、首次转换延迟和平均次数等，用户可根据实际需求灵活配置。
5. 片上温度传感器：测量范围为 -40°C至 +85°C，提供两种温度测量方法，满足不同精度要求。
6. 片上2.5V参考：为ADC提供稳定的参考电压，也可使用外部参考电压。
7. 片上8位DAC：可用于LCD背光或对比度控制，支持电压和电流输出模式。
8. 3个辅助模拟输入：可用于测量其他模拟信号。
9. 1个专用和3个可选GPIO：方便用户进行外部设备的控制和信号采集。
10. 2个直接电池测量通道：可监测0.5V至5V的电池电压。
11. 3个中断输出：如PENIRQ、ALERT和DAV，方便与主机进行通信和交互。
12. 触摸压力测量：通过简单计算可测量触摸屏幕上的压力。
13. 触摸唤醒功能：在主模式下，屏幕被触摸时自动开始转换序列。

（二）电气特性

1. 分辨率：12位，确保高精度的测量。
2. 线性度：积分非线性（INL）最大为±2 LSB，差分非线性（DNL）最小为 -0.99 LSB，最大为 +2 LSB。
3. 噪声和电源抑制：噪声功率为70µV rms，电源抑制比为70dB。
4. 开关驱动：开关导通电阻为14Ω。
5. 模拟输入：输入电压范围为0至VREF，直流泄漏电流为±0.1µA，输入电容精度为0.3%。
6. 参考输入/输出：内部参考电压为2.44V至2.55V，温度系数为±50 ppm/°C，输入阻抗为1GΩ。
7. 温度测量：分辨率为1.6°C（差分方法）和0.3°C（单转换方法），精度为±4°C（差分方法）和±2°C（单转换方法）。
8. 电池监测：精度为1%，输入阻抗为3.2kΩ，输入电压范围为0.5V至5V。
9. DAC：分辨率为8位，积分非线性为±1 LSB，差分非线性为±1 LSB，支持电压和电流输出模式。
10. 逻辑输入/输出：输入高电压为0.7VDRIVE，输入低电压为0.3VDRIVE，输入电流为±1µA，输入电容为10pF；输出高电压为VDRIVE - 0.2V，输出低电压为0.4V，浮动状态泄漏电流为±10µA，浮动状态输出电容为10pF。
11. 转换速率：转换时间为8µs，吞吐量速率为125kSPS。
12. 电源要求：VCC为2.7V至3.6V（功能操作范围为2.2V至5.25V），VDRIVE为1.65V至VCC，转换模式电流为240µA至900µA，静态电流为150µA，关机模式电流最大为1µA。

三、应用领域

AD7877广泛应用于各种需要触摸屏幕交互的设备，如个人数字助理、智能手持设备、触摸屏幕显示器、销售点终端、医疗设备、手机和寻呼机等。其高性能和低功耗特性使其成为电池供电系统的理想选择。

四、工作原理

（一）触摸屏幕原理

4线触摸屏幕由两层柔性、透明的电阻涂层组成，通过交替施加X和Y方向的激励电压，测量接触点的电压，从而确定触摸位置。AD7877通过控制开关切换激励电压，并使用ADC对电压进行测量和转换。

（二）测量方法

1. 单端方法：将触摸屏幕激励电压施加到X+和X - 或Y+和Y - ，测量Y+或X+的电压。该方法的优点是可在信号采集后关闭触摸屏幕激励电压，节省功耗；缺点是对VCC和VREF的匹配要求较高，开关电压降可能引入误差。
2. 比例方法：将ADC参考的负输入连接到Y - ，正输入连接到Y+，屏幕激励电压作为ADC的参考。该方法的优点是不受开关电压降和屏幕电压长期变化的影响，精度较高；缺点是屏幕必须始终供电。

（三）触摸压力测量

通过测量X和Y板之间的接触电阻来估算触摸压力。有两种计算方法，都需要进行三次触摸屏幕转换。

（四）温度测量

提供单转换方法和差分转换方法。单转换方法基于硅二极管的温度系数，需要在已知温度下进行校准；差分转换方法通过两次测量二极管电压差来计算温度，无需校准。

（五）电池测量

可监测两个输入的电池电压，通过内部2:1分压电路将5V电池电压转换为2.5V输入到ADC。测量结果存储在相应的寄存器中。

五、寄存器配置

（一）控制寄存器

1. 控制寄存器1：包含ADC通道地址、SER/DFR位（选择触摸屏幕测量的单端或差分方法）、寄存器读取地址和ADC模式位。在开始转换前，应最后编程该寄存器。
2. 控制寄存器2：设置定时器、参考、极性、首次转换延迟、平均次数和采集时间。

（二）序列器寄存器

有两个序列器寄存器，分别控制从模式和主模式下的测量序列。通过设置相应的位，可以选择要测量的通道。

（三）中断

1. 数据可用输出（DAV）：当ADC完成转换并将新数据写入结果寄存器时，DAV信号变低，表示有新数据可用。主机应在DAV为低时读取结果寄存器。
2. 笔中断（PENIRQ）：屏幕被触摸时，PENIRQ信号变低，向主机发出中断请求。

（四）8位DAC

用于LCD对比度控制，可配置为电压输出或电流输出模式。通过写入DAC寄存器的地址1110b来更新DAC数据。

六、串行接口

AD7877通过3线串行外设接口（SPI）进行控制，包括数据输入引脚（DIN）、数据输出引脚（DOUT）和数据时钟引脚（DCLK）。芯片选择引脚（CS）用于启用或禁用串行接口。

（一）写入数据

数据以16位字的形式写入AD7877，前4位为寄存器地址，后12位为数据。不同的寄存器地址有不同的功能。

（二）写入时序

CS必须为低才能进行写入操作，写入时需要输入16个时钟脉冲，数据在DCLK的上升沿时钟输入。

（三）读取数据

数据在CS下降沿后出现在DOUT引脚，MSB在CS下降沿时钟输出，后续数据位在DCLK下降沿时钟输出。

（四）VDRIVE引脚

串行接口相关引脚的电源电压与主VCC电源分开，连接到VDRIVE引脚，允许AD7877直接连接到供电电压低于其最小工作电压的处理器。

七、GPIO配置

AD7877有一个专用的通用逻辑输入/输出引脚（GPIO4），三个辅助模拟输入也可重新配置为GPIOs。通过扩展写入模式访问相关的控制寄存器和数据寄存器，可对GPIO进行配置，包括使能、方向、极性和中断使能等。

八、接地和布局

建议将AGND和DGND引脚在PCB上尽可能靠近芯片短接。对于芯片级封装的PCB设计，应遵循特定的布局指南，如焊盘尺寸、热焊盘设计和热过孔使用等。

九、总结

AD7877触摸屏幕控制器以其丰富的功能、高精度的测量和低功耗特性，为各种触摸屏幕应用提供了强大的解决方案。通过合理配置寄存器和使用其各种特性，工程师可以实现高效、稳定的触摸屏幕控制。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的测量方法、配置寄存器，并注意接地和布局，以确保系统的性能和可靠性。你在使用AD7877的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。