德州仪器ADS7846：触摸屏幕控制器的卓越之选

在当今的电子设备中，触摸屏幕的应用越来越广泛，从个人数字助理到便携式仪器，从销售点终端到手机，触摸屏幕已经成为了人机交互的重要方式。德州仪器（Texas Instruments）的ADS7846触摸屏幕控制器，以其出色的性能和丰富的功能，成为了众多电子工程师的首选。

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一、ADS7846概述

ADS7846是行业标准ADS7843 4线触摸屏幕控制器的下一代版本，与现有的ADS7843 100%引脚兼容，可以直接替换使用，这使得现有应用程序的升级变得非常容易，只需要进行软件更改就可以利用其新增的直接电池测量、温度测量和触摸压力测量等功能。

1.1 主要特性

• 宽电压操作：支持2.2V至5.25V的电源电压，适应不同的电源环境。
• 内部参考电压：内置2.5V参考电压，可用于辅助输入、电池监测和温度测量模式，并且在不使用时可以关闭以节省功耗。
• 多功能测量：支持直接电池测量（0V至6V）、片上温度测量和触摸压力测量。
• 接口方式：采用QSPI™/SPI™ 3线接口，方便与微控制器或数字信号处理器进行通信。
• 自动掉电功能：在不进行转换时自动进入低功耗模式，降低功耗。
• 多种封装形式：提供TSSOP - 16、SSOP - 16、QFN - 16和VFBGA - 48等多种封装形式，满足不同的应用需求。

1.2 应用领域

ADS7846适用于多种应用领域，包括个人数字助理（PDA）、便携式仪器、销售点终端、寻呼机、触摸屏幕显示器和手机等。

二、技术参数

2.1 绝对最大额定值

在使用ADS7846时，需要注意其绝对最大额定值，超过这些额定值可能会导致设备永久性损坏。例如，电源电压（+VCC到GND）的范围为 - 0.3V至 + 6V，模拟输入和数字输入到GND的范围为 - 0.3V至 +VCC + 0.3V，功率耗散最大为250mW等。

2.2 电气特性

在特定的工作条件下（ (T{A}) = - 40°C至 + 85°C， (+V{CC}=+2.7 ~V) ， (V{REF }=2.5 ~V) 内部电压， (f{SAMPLE }=125 kHz) ， (f{C L K}=16 cdot f{SAMPLE }=2 MHz) ，12位模式，数字输入 = GND或 +VCC），ADS7846具有一系列的电气特性。例如，模拟输入的满量程输入跨度为0 - VREF，绝对输入范围为 - 0.2V至 +VCC + 0.2V，电容为25pF，泄漏电流为0.1µA等；系统性能方面，分辨率为12位，无丢失码，积分线性误差为± 2 LSB等。

三、工作原理

3.1 基本架构

ADS7846是一款经典的逐次逼近寄存器（SAR）模数转换器（ADC），基于电容重新分配架构，具有采样保持功能，采用0.6µm CMOS工艺制造。其基本操作由一个内部2.5V参考电压和一个外部时钟控制，从2.7V至5.25V的单电源供电。

3.2 模拟输入

模拟输入通过多路复用器提供，包括X、Y和Z位置坐标、辅助输入、电池电压和芯片温度等。通过低导通电阻的触摸面板驱动开关的独特配置，未选择的ADC输入通道可以为外部设备（如触摸屏幕）提供电源，其伴随的引脚可以提供接地。通过保持转换器的差分输入和差分参考架构，可以消除每个触摸面板驱动开关导通电阻带来的误差。

3.3 内部参考

ADS7846的内部2.5V电压参考可以通过控制位PD1打开或关闭。通常，内部参考电压仅在单端模式下用于电池监测、温度测量和辅助输入。在差分模式下可以实现最佳的触摸屏幕性能。为了与ADS7843保持兼容，需要在启动后将PD1设置为0以确保参考关闭。

3.4 参考输入

参考输入的电压范围为1V至 +VCC，参考电压的大小直接决定了转换器的输入范围。当参考电压降低时，每个数字输出代码的模拟电压权重也会降低，同时ADC固有的任何偏移或增益误差在LSB大小方面会显得更大。因此，在使用较低参考电压时，需要注意提供干净的布局，包括足够的旁路电容、干净的电源、低噪声参考和低噪声输入信号。

3.5 触摸屏幕稳定

在某些应用中，可能需要在触摸屏幕上跨接外部电容来过滤触摸屏幕拾取的噪声，但这会导致触摸屏幕被触摸时出现稳定时间要求，通常表现为增益误差。可以通过停止或减慢ADS7846的DCLK时钟、仅在差分模式下操作ADS7846以及使用15时钟/转换模式等方法来最小化或消除这个问题。

3.6 温度测量

ADS7846提供两种温度测量模式。第一种模式需要在已知温度下进行校准，但只需要一次读数就可以预测环境温度，使用PENIRQ二极管进行测量，温度分辨率为0.3°C/LSB（12位模式）。第二种模式不需要测试温度校准，使用两次测量方法来消除绝对温度校准的需要，并实现2°C的精度，分辨率为1.6°C/LSB。

3.7 电池测量

ADS7846可以监测电压调节器（DC/DC转换器）另一侧的电池电压，电池电压范围为0.5V至6V，输入电压（ (V_{BAT}) ）被除以4，以便6.0V的电池电压在ADC中表示为1.5V，从而简化了多路复用器和控制逻辑。为了最小化功耗，分压器仅在采样期间（ (A 2=0) ， (A1 = 1) ， (A 0=0) ）开启。

3.8 压力测量

ADS7846支持两种触摸压力测量方法。第一种方法需要知道X板电阻、测量X位置以及对触摸屏幕进行两次额外的跨面板测量（ (Z{1}) 和 (Z{2}) ）；第二种方法需要知道X板和Y板电阻、测量X位置和Y位置以及 (Z_{1}) 。

四、数字接口

4.1 控制字节

ADS7846的数字接口通过控制字节来控制转换、寻址、ADC分辨率、配置和掉电等功能。控制字节由8位组成，包括起始位S、通道选择位A2 - A0、模式位MODE、单端/差分参考选择位SER/DFR和掉电位PD1 - PD0。

4.2 转换时序

每个转换需要24个时钟周期，其中前8个时钟周期用于提供控制字节，之后进入采集模式，再经过3个时钟周期进入转换模式，完成12位的模数转换。如果是比率转换（SER/ (overline{DFR}=0) ），则需要13个时钟周期完成转换结果的最后一位。

4.3 不同转换模式

ADS7846支持16时钟/转换和15时钟/转换模式。16时钟/转换模式可以允许转换n + 1的控制位与转换n重叠，实现每16个时钟周期进行一次转换；15时钟/转换模式是最快的时钟方式，但大多数微控制器和数字信号处理器的串行接口无法提供15个时钟周期的串行传输，可用于现场可编程门阵列（FPGA）或专用集成电路（ASIC）。

4.4 8位转换模式

当需要更快的吞吐量且数字结果不是非常关键时，可以使用8位转换模式。切换到8位模式后，每个转换可以提前4个时钟周期完成，不仅缩短了转换时间，还可以提高时钟速率，从而使转换速率提高2倍。

五、功耗与布局

5.1 功耗

ADS7846有全功率（ (PDO=1{B}) ）和自动掉电（ (PDO=O{B}) ）两种主要功耗模式。在全速运行且16时钟/转换时，两种模式的差异可以忽略不计；但当DCLK频率保持在最大值而转换次数减少时，自动掉电模式可以显著降低功耗。此外，转换器的参考模式也会影响功耗，差分参考模式下外部设备在采集和转换期间都需要供电，可能会增加功耗。

5.2 布局建议

为了获得最佳性能，ADS7846的电路布局需要注意以下几点：

• 电源要干净且有良好的旁路电容，0.1µF陶瓷旁路电容应尽可能靠近设备放置，若 (+VCC) 与电源之间的连接阻抗较高，可能还需要1µF至10µF的电容。
• (V_{REF}) 引脚通常不需要旁路电容，因为内部参考由内部运算放大器缓冲。
• GND引脚必须连接到干净的接地点，理想情况下应使用专门的模拟地平面。
• 在与电阻式触摸屏幕连接时，连接应尽可能短且牢固，以减少误差。
• 对于触摸屏幕应用中的噪声问题，可以使用带有底层金属层接地的触摸屏幕和滤波电容来减少噪声。

六、PENIRQ输出

PENIRQ输出用于检测触摸屏幕是否被触摸。在掉电模式（ (PD0 =0) ）下，Y - 驱动器开启，将触摸屏幕的Y平面连接到GND。当屏幕被触摸时，X + 输入通过触摸屏幕被拉到地，PENIRQ输出变低，触发处理器的中断。在X、Y和Z位置测量周期内，PENIRQ输出被禁用。

七、封装与订购信息

ADS7846提供多种封装形式，包括SSOP - 16、TSSOP - 16、QFN - 16和VFBGA - 48等。在订购时，需要注意不同封装的相关信息，如最大积分线性误差、指定温度范围、封装标记和订购编号等。

ADS7846作为一款功能强大的触摸屏幕控制器，具有丰富的功能和出色的性能，无论是在性能、功能还是功耗方面都表现出色。电子工程师在设计触摸屏幕相关的应用时，可以充分考虑ADS7846的特点，以实现最佳的设计效果。你在使用ADS7846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。