ET2046

ET2046Rev2.02007-12-121/16EtekMicroelectronics低电压I/O触摸屏控制电路概述ET2046是4线触摸屏控制器，支持1.5V～5.5V的低压I/O接口。ET2046具有内置2.5V电压源，可用于辅助输入、电池监测和温度检测模式的测量。在不使用时，也可将内置电压源关闭以节约电力。内置电压源最低可工作于2.7V电源电压，同时可检测0V～6V的电池电压。由于ET2046有着低功耗（在电源电压为2.7V时小于0.75mW）、高速度（最高采样率可到125KHz）和内置芯片驱动等特点，使其成为带电阻式触摸屏的个人数字助理（PDAs）、BP机、移动电话和其它便携式设备的理想选择。ET2046可工作于-40℃～85℃。功能特点z管脚与ADS7846兼容z工作电压：2.2V～5.25Vz1.5V到5.25V数字I/O接口z内置2.5V电压源z可直接测量电池电压（0V～6V）z片上内置温度测量z触摸压力测量zQSPITM和SPITM3线接口z自动节电z封装形式：SSOP16(ET2046S)，QFN16(ET2046Y)管脚排列图12345678910111213141516ET2046+VCCX+Y+X-Y-GNDVBATAUXDCLKCSDINBUSYDOUTPENIRQIOVDDVREF12345678910111213141516BUSYDINCSDCLK+VCCX+Y+X-Y-GNDVBATAUXDOUTPENIRQIOVDDVREFET2046SSOP16(ET2046S)QFN16(ET2046Y)ET2046Rev2.02007-12-122/16管脚说明序号SSOP16QFN16管脚名称功能说明15+VCC电源。26X+X+输入。37Y+Y+输入。48X-X-输入。59Y-Y-输入。610GND地。711VBAT电池监测输入。812AUX到ADC的辅助输入。913VREF电压参考源输入/输出。1014IOVDD数字I/O电源输入。1115PENIRQ触摸笔中断。1216DOUT串行数据输出。数据在DCLK的下降沿移出。当CS为高时，此输出是高阻态。131BUSYBUSY输出。当CS为高时，此输出是高阻态。142DIN串行数据输入。若CS为低，数据在DCLK的上升沿被锁入寄存器。153CS片选输入。控制转换时间和使能串行输入/输出寄存器。CS为高=Power-Down模式(ADConly)。164DCLK外部时钟输入。此时钟用于SAR转换过程和同步串行数据I/O。功能框图ET2046Rev2.02007-12-123/16功能说明ET2046是一个经典的逐次逼近寄存器模数转换器（SARADC）。此架构基于电荷重分配原理，固有采样保持功能。ET2046的基本工作原理如下图所示。此器件内置一个2.5V的电压源，使用外部时钟，可用2.7V到5.25V的电源供电。内部源可被外部低阻抗1V到+VCC的电压源所驱动。源电压的值直接决定了转换器的输入范围。转换器的模拟输入（X-，Y-和Z坐标，辅助输入，电池电压和芯片温度）通过一个多路选择器提供。一个独特的低导通电阻触摸屏驱动开关允许一个未被选择的ADC输入通道为外部器件提供电源，另一个相邻的通道提供地，例如触摸屏。通过维持转换器的差分输入和差分参考结构，可减低触摸屏驱动开关导通电阻所带来的误差（若这是特定测量条件下的一个误差来源）。模拟输入图1模拟输入上图展示了ET2046上的多路输入选择器，ADC的差分输入和转换器的差分参考方式。表1和表2显示了A2、A1、A0和SER/DFR控制字之间的关系及ET2046的配置。此控制字由串口DIN提供。当转换器进入保持模式，+IN和-IN输入的电压差由内部的电容阵列所捕获。模拟输入的电流由器件的转换速率所决定。在采样周期，源必须对内部采样电容（典型值为25pF）充电。在电容完全充电后就不会再有输入电流。从模拟源到转换器的传输速率是一个转换速率的函数。ET2046Rev2.02007-12-124/16表1输入配置（DIN），单端参考源模式（SER/DFR为高）表2输入配置（DIN），差分参考源模式（SER/DFR为低）内部参考ET2046内置一个2.5V的电压参考源，可通过控制字PD1开启和关闭。一般此参考源只用于单端模式下的电池监测、温度测量和辅助输入的测量。而差分模式下可优化对触摸屏的测量。为了与ADS7843兼容，内部参考电压源必须关闭。因此，在上电后，必须写入一个PD1=0来保证源的关闭。图2内部源的简化图参考输入在+REF和-REF之间的电压差决定了模拟输入的工作范围。ET2046在1V～+VCC电压源下工作。有几处与电压源输入和其宽电压范围相关的关键点需要注意。当源电压下降时，每一个数字输出码所对应的模拟输入值也相应下降。这与最低有效位（LSB）相关，1LSB对应于在12Bit模式下的源电压除以4096的值。当源电压下降时，由于LSB的值也降低，导致此ADC固有的失调误差和增益误差将上升。例如，在2.5V电压源下转换器的失调误差为2LSBs，而在1V的电压源下其误差可达5LSBs。但在两种情况下，器件失调误差的绝对值是相同的，都为1.22mV。在较低的参考电压下，其版图必须仔细设计，有增加足够的滤波电容，使用低噪声、低ripple的电源供电，若使用外部电压参考源，必须使用低噪声参考源，并且要用低噪声的输入信号。输入VREF口的电压直接驱动数模转换器（CDAC）的电容部分。故输入电流极低（典型值13μA）。这儿有几个有关屏蔽测量但开关驱动导通时的参考源的关键点需要注意。为便于说明，请参见图1。此应用图表示了ET2046用于测量电阻式触摸屏。为测量设备在Y方向上的当前值，需要将X+输入连接到ADC，打开Y+和Y-驱动，再量化X+上的电压（见图3所示的模块图）。对这一测量，X+引线电阻并不影响转换（它影响建立时间，但此阻值一般很小其影响可忽略）。但是由于Y+和Y-间的电阻相当低，Y驱动的导通电阻会有一些影响。综上所述，不管触摸屏上的触点设备指在哪儿都不能使输入为0V或全量程，因为一些电压已经损失在内部开关上了。另外，内部的开关电阻并不会和触摸屏的电阻联动，因此增加了一个额ET2046Rev2.02007-12-125/16外的误差源。图3单端参考源的简化框图（SER/DFR=1，Y开关使能，X+模拟输入）这一情况可由图5所示来补救。在置SER/DFR=0后，+REF和-REF直接连在了Y+和X+上，相应地使模数转换器进入比率转换状态。转换的结果将是外部电阻的百分比，而与外部电阻和内部开关导通电阻比率的变化无关。注意在使用比率模式时要考虑到功耗问题。图4差分参考源的简化框图（SER/DFR=0，Y开关使能，X+模拟输入）差分模式下需要注意的最后一点是必须使用+VCC而不是VREF作为+REF的源。在不需要用比率模式时，可以使用高精度的参考源和单端模式来测量。在特定情况下，可以从一个高精度参考源来启动转换器。大多数的参考源都可以为ET2046提供足够的电力，但可能不能为外部负载（如电阻式触摸屏）提供足够的电力。触摸屏的建立在某些情况下，可能需要在触摸屏上跨接电容来消除触摸屏工作时产生的噪声（例如从背光电路或LCD面板上产生的噪声）。这些电容提供了一个低通滤波器来减小噪声，但在屏被触摸时会引起建立时间的问题，通常会表现为一个增益误差。要消除或减轻这一影响有几种方法。问题的症结在于输入和（或）参考源在ADC采样输入并提供数字输出时并没有达到最终的稳定值。另外，参考源在转换过程中可能还ET2046Rev2.02007-12-126/16在变化。第一种选择是在要求的触摸屏建立时间内停止或减慢ET2046的DCLK信号。这就使得输入和参考源在确认周期（ET2046中为3个时钟周期，见图8）中能达到稳定值。这在单端模式和差分模式下都可以使用。第二种选择是使ET2046只在测量触摸屏时工作在差分模式下并配置ET2046使其始终处于工作状态（触摸屏驱动开启）而不进入Power-Down状态（PD0=1）。根据建立时间得要求和ET20460的速率进行数次转换。一旦达到需要的转换次数，则处理器命令ET2046在进行最后一次转换后进入Power-Down状态。这一过程可在X方向，Y方向和Z方向的测量中实现。第三种选择是使器件工作在15个时钟每转换周期的模式下，以此可使ADC保持连续工作状态，保持触摸屏驱动始终打开直到从处理器收到停止指令。温度的测量在某些应用下（如电池充电时）需要测量绝对温度。ET2046的温度测量技术源自一个工作在固定电流下的半导体结的特性。二极管结的正向电压（VBE）与温度有着很好的相关性。在实际应用时，可通过已知25℃时VBE的值并监测VBE随温度变化时的偏移值就可得到此时的绝对温度。ET2046提供了两种工作方式。第一种模式需要有一个在已知温度下的电压值作为标准，但只需要一次测量就可得到绝对温度值。在这一测量过程中会使用一个二极管（开启）。在20℃并有20μA的电流流过二极管时，此电压的典型值为600mV。此二极管电压的绝对值会有mV级的偏差。然而，此电压的温度系数（TC）是很固定的，为2.1mV/℃。在最终的产品测试中，为了记忆用作标准的此特定电压，器件将会被存储在一个已知室温的房间中。此种方式下可使测量的结果精度达到0.3℃/LSB（在12-Bit模式下）。图5温度测试模式的原理图第二种测量方法不需要测试温度标准，但要用两次温度测量过程来消除无温度标准的影响，可达到2℃的精度。此模式下需要有第二次转换，此时流过二极管的电流将是第一次的91倍。第一次和第二次转换的压差由下式(1)所表示：qKT·ln(N)(1)其中：N为电流比值=91K=玻尔兹曼常数（1.38054·10-23电子伏/开尔文温度）q=电子电量（1.602189·10-19C）T=开氏温度这一模式以降低精度为代价提供了一个测量温度的改进方法。求解开氏温度的方程为：ET2046Rev2.02007-12-127/16开氏温度＝q·ln(N))*k(VΔ(2)其中：△V=V(I91)-V(I1)(单位为mV)开氏温度=2.573开尔文/mV·△V℃＝2.573·△V(mV)-273开尔文电池电压的测量ET2046具有在稳压器（DC/DC转换器）的一边监测电池电压的能力，见图6。电池电压可从0V变化到6V，同时保持供给ET2046的电压为2.7V或3.3V等。输入电压被除以4故5.5V的电池电压输入到ADC中是1.375V。这样就简化了多路选择器和控制逻辑。为了使功耗达到最小，此分压器只在A2=0，A1=1和A0=0时的采样周期中才工作。图6电池监测功能框图压力监测使用ET2046同样也可以监测触摸的压力。为了区别是用手还是用笔触屏，需要测量触摸的力度。一般情况下，此测量不需要很高的精度，故推荐使用8-Bit精度模式（但现所示的计算过程以12-Bit精度模式为例）。有多种方法来测量压力。ET2046支持其中的两种方法。第一种方法需要已知X平面的电阻，测量X的位置并加测触摸屏上的两个额外平面位置（Z1和Z2），如图7所示。利用方程(3)即可计算触摸电阻：RTOUCH＝RPlateX−·)1ZZ(4096PositionX12−−(3)第二种方法需要已知X平面和Y平面的电阻，测量X方向，Y方向的位置和Z1。利用方程(4)也能得到触摸电阻：RTOUCH=)4096PositionY1(R)1Z4096(4096PositionXRPlateY1PlateX−−−−−•−−(4)ET2046Rev2.02007-12-128/16图7压力测量的框图数字接口ET2046数字接口的典型工作方式见图8。图8转换时序图，每转换周期24个时钟，8位总线接口。ET2046Rev2.02007-12-129/16此图假设数字信号源于一个带有串口的微控制器或数字信号处理器。在处理器和转换器之间的每一次通信，例如SPI，SSI或MicrowireTM同步