（电路与系统专业论文）面向手持终端的系统芯片中adc+ip核的设计.pdf

东南大学硕士论文 摘要 模数转换器( 简称a d c ) 是模拟电路和数字电路的接口，是手持终端中不可缺少的组 成部分。由于手持终端对便携式、高性能、低功耗、低成本等性能的要求，单片的a d c 芯 片越来越成为系统应用的瓶颈，将a d c 及其它电路i p 核集成在一起成为系统芯片已是大势 所趋。a d c 作为一个数模混合电路，在设计和制造上都是一个相当大的挑战，因此设计一 个与数字工艺兼容的a d c 口核是实现a d c 在系统芯片中集成的重点和关键。 本文设计了一种面向手持终端应用且能与数字电路工艺兼容的a d ci p 核。采用 t 0 p d o w n 的设计方法，分别进行了系统设计、电路模块设计、总体设计与参数模拟仿真和 物理版图设计。在分析g m s k 信号采样和触摸屏信号采样等两个具体的应用基础上，根据 手持终端系统对信号采样的特点和要求，设计了a d ci p 核的系统结构，并确定了系统的各 项性能指标。重点优化设计与实现了各个电路模块，不但保证了电路的性能，而且有效地减 小了芯片面积。采用锁存器型比较器结构有效地提高了比较器的响应速度，在锯齿波电路中， 设计了独特的参数配置分级加权的恒流源电路结构，通过改变锯齿波频率，实现了采样频率 和转换精度的参数可配置，同时也大大地减小了a d c 的版图面积。本文采用先进的数模混 台仿真方法，对各项性能指标进行了具体的模拟和分析，并最终实现了一个参数可配置的 a d c 口核，论文还就a d c 坤核的调用进行了阐述。文中所使用的模型参数和物理规则均 按照t s m c02 5 u mm p w 工艺进行。 本a d ci p 核模拟部分的版酗面积仅8 0 8 83 9 u m 2 ，转换精度可实现1 1 2 位可调( 6 0 m h z 工作时钟) ，采样频率1 3 0 9 k h z 一1 9 1 m h z 可凋，8 位转换精度时，无杂散动态范围为 6 54 2 9 d b ，微分非线性为05 l s b ，各项性能指标均能很好地满足殴计要求。 关键词： 模数转换器、嵌入式微处理器、混合信号、触摸屏采样、联台仿真。 至堕查兰堡! ：笙兰 a b s t r a c t a n a l o gt od i 舀t a lc o n v e 时( a d c ) i s 血ei i l t e 曲c eo fa n a l o ga n dd i 醇a lc h u i t ；n l s 姐 “。s s a r yp a r ti nt h ep o n a b l es y s l e m w i t hm ed e v e l 叩m e n to fs e m i c o n 血c t o rt e c h n o l o 时a f l d d e s i 印t e c l l i l l q u eo fi n t e g m t e dc i r c u i t ，i t ，sat e n d e n c yt oi n t e g r a t ci pc o r e si n t oas o c a sa p a n i c u l a r 圯a d ci sai n i ) 【e d - s i g n a lc i r c u i t ，s i l l c et b e n 血e r ea r em a n yd i m c u l t i e si nd e s 咖a 1 1 d m a n u f a c t 【l r e ，a 1 1 dd e v e l o p i “g 柚a d c 口c o r ec o 1 p a i i b l ew 汕d i g i t a lt e c h n o l o g yi sm ek e yt 0 i n l e g r a t ea d ci n t oas o c i nt h i st 1 1 e s i s ，at e c h n i q u et od e s i g r ia i la d ct pc o r ci ns o cu s e df o r p o r t a b l et e n t l l n a ls y s i e m i si m m d l l c e d a c c o r d 咄t ot o p d 唧ld e s 咖m e t h o d ，血ed e s 咖i sf i n i s h e di nt e 玎no f f o u rs t a g e s ， 丑l c l l l d i n gs y s t e md e s i 弘，c i r c u l tb l o c kd e s i 印，p e r f b m 柚c es 皿u l “0 na i l dl a y o u td e s i 朗b a s e d 0 nt 1 1 ea 衄l y s i so f 咖i d i o 脚h i c a p p l i c a t i 0 1 1 s ，w h i c ha r eg m s ks i g 衄ls a 瑚p l i l l g 孤dt o u c hp a l l e l s i 舯ls a m p l i i l g ，as 嘶a lc o n v e r ta d cs 衄i c 眦i sa d o p t e d 柚dt 1 1 。p e r f b m m c es p e c i 6 c a t i o n s 盯e d e 矗n e d a c c o r d i n gt o 血es a i l l p l i n gr e q u i r e l e n to fh a n d h o l ds y s t e m s 0 fc o u r s e ，i ti sv e r v 1 印。咖tt od e s i g n 柚d 叩t i m i z em ec i r c u i tb l o c k sal a i c h e d - t y p ec o m p a m t o ri sb e i n gu s e dt o 1 t n p r o v et h er e s p o n s es p e e d ；u s i “gac h a n 萨a b l ec u r r e ms o u r c e ，t l l es a w t 0 0 t hw a v ec a nb e c h a i l 卫e d b y5 。m “gp a r a r n e t e r s ，t h e r e by c h a n 百n g 血es a m p l i “gf k q u e n c ya n dc o n v e r “n gp r e c i s i o n t h ei p c o r eh a sb e e ni n l p i e m e n t e dmt s m co 2 5 u mm p w t e c h n o l o g yw i i h 血l lc u s t o mt e c l l i l i q u e ，a | 1 d t h ed i g l t a lp a n1 s i m p l e m e n t e dw l ms t a l l d 盯dc e l l s e a c hp e r f o m a n c ep a r a i i l e t e ro fm ea d ci s s i 舢i a t e da i l da n a l y z e dw i m m em i x e 豳g n a lc o - s i m u i a t i o ns 蚴e g yt h ea p p l i c a t i o no f m i si pi n s o ci sa l s oi n m ) d u c e di nt 1 1 i sm e s l s t h 。o 。e r h e a do ft h ea n a l o gp a r ti so n l ya b 叫t8 0 8 8 3 9 u m 2 ，a n dt h es a m p l i n g 船q u e n c yc a i l b ec h a n g e d 的m1 30 9k h zt o1 9l m h z ，c o n v e r t i “gp r e c i s i o nc a nb ec h a n g e df r o m1 c o1 2b j t s a t6 0 m h zc l o c k w h e nu s e di n8b i t 8p r e c l s i o n ，t h ed n l i so 5 l s b ，a n dt h es f d ri s6 5 4 2 9 d b s ol h ea d ci pc o r ec a nb 。p e r f e c t i ys a i i s 丘e dw i l ht h er e q u l r e m e n ti n p o r t a b l et e n i l m a ls y s t e m k e y w o r d s ： a “8 l 。gi 。d i g i t 8 1c 。n v e r t e le m b e d d e dm i c r 。p r o c e s s 。tm i x e ds l g n a l ，t 。u c h e dp a n e l s a m d l e c o s i m u l a t i o n 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：1 堑复f 整 日 期：。，g j 。 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：豆斗导师签名：孵日期：一 东南人学坝i 。论文 1 1a d c 概述 第一章绪论 模数转换器( a m l o gt od i g i t a lc o n v e r i e r 简称a d c ) 是将模拟电信号转换成数字电信 号的元件。自然界的真实信号和物理信号都是模拟信号，如声、光、磁、热和机械参数等等， 在工业生产和科学研究中，常常要对这些系统参数进行采集、加丁和控制。为了用电子技术 处理这些信息，先要通过传感器把这些非电量的模拟信号信号变换为相麻的电信号( 电压信 号、电流信号等) ：例如，我们可以用热电偶获取随温度变化的电压，用半导体应变片搂八 桥路获取随机械压力变化的电压。经传感器变换产生的电信号往往仍是模拟信号，对它们的 加工处理通常有模拟处理和数字处理两种方法。 模拟的方法是用模拟电路( 包括模拟计算机) 加工模拟信号，其结果用模拟仪表显示或驱 动执行机构。由于模拟电路对电磁干扰、器件参数的变化比较敏感，因此要实现高精度是比 较困难的，即使能达到高精度，其代价往往是很高的。 随着数字技术的迅速发展和成熟，采用是微处理的数字信号处理技术处理模拟信号己越 来越受到重视，数字信号处理的性能价格比在逐年下降，而处理的效率和效果却在逐步提升。 众所周知，模拟信号系统不能也无法直接与数字信号系统相连，因此，用数字处理的方法来 处理模拟信号必须先把模拟电信号变换为数字电信号( 模数转换) ，再利用数字技术对数字信 号加工处理；处理结果根据需要再变换为模拟电信号( 数模转换) ，以适应后面显示或执行机 构的要求，实现对模拟信号的显示或控制。 例如1 ：业生产中常常需要对系统的温度参数进行控制，如果采_ ； j 数字系统实现其功能， 先_ l j 热电偶或其他温度传感器把系统温度转换成电压，经放人平| j 滤波等预处理，刚模数转换 器把它变换成对应的数字量，再送入数字系统处理，根据系统情况和控制要求产生的处理结 果用数模转换器变换为模拟电压，用来改变晶闸管的导通角，从而控制加热系统的功率，实 现对系统温度参数的控制。 综上所述，数模转换器具有和模数转换器相对应的基本功能。模数转换器使数字系统 能从模拟电子系统获取与模拟信号有单值函数关系的数字信息，而数模转换器则可把数字系 统处理的结果变为对应的模拟信号，并回送给模拟系统以实现对模拟系统工作状态的检测 和控制。 a d c 是数字电子系统和模拟电子系统之间的常用接口电路。a d c 的性能直接影响到整 个系统的性能，同时a d c 往往是系统成本的重要因素，在选用a d c 时不但要考虑它的成 本，而且还要考虑它的性能，必须对各个方面进行折中，咀取得最好的系统性能价格比。 a d c 的性能指标主要有：采样速度、转换精度、功耗、非线性失真以及对a d c 的一些特殊 要求( 如多通道采样、高低温环境f 的稳定l _ 佧、输信号的驱动能力等) 。从采样速度米 分，a d c 可以分为高速平| l 中低速等。高速a d c 的特点是对信号的采样频率特；| j 高有的转 换速度甚至可达每秒l 一2 g 次以上( s a m p l ep e rs e c o n d ，简称s p s ) “这类a d c 往往 h j 与对高频信号的采样，如射频接收机、数字存储示波器等设备中：低速a d c 的转换速度 比较低，但往往通过牺牲速度来换取其它的性能，如高的转换精度或低功耗特性，如 m a x l 4 0 3 。的转换速度只有48 ks p s ，但它的转换精度是1 8 位。从转换精度米分，可分为 om a x i m m a x l 4 0 3d a t a s h e e t 东南大学硕士论义 高精度a d c 和低精度a d c 。高精度a d c 的特点是采样精度很高，有的可以高达2 4 位一 3 2 位的采样精度如这类a d c 往往州与对低频信号进行高精度采样如a d l 8 3 3 转换精 度为2 4 位，用于对语音信号的采样。：低精度a d c 有m a x l 0 8 ，它的转换精度只有6 位。 根据a d c 是否与其它的电路模块集成到一起，还可以分为单片的a d c 芯片和集成的 a d c 模块等。随着微电子技术的发展，系统集成芯片已为大势所趋；所谓系统集成芯片既 是把构成一个系统所需要的各个功能模块集成到一个硅片上，如在一个嵌入式微处理器中可 以集成有处理器内核、l c d 控制器、模数转换器、数模转换器( d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r ， 以下简称d a c ) 、存储控制器、u s b 控制器、串行数据通信接口等各种功能模块。系统集成芯 片必须有面积小、功耗低、i p 可重复应用等特点。模数( a n a l o gt od i g i t a l ，以下简称a d ) 转换器由大量的模拟电路组成，面积和功耗都比较大( 一般为1 0 0 至几百毫瓦不等) ，而且 数模混合电路的干扰问题和混合仿真问题也一直是数模混合电路设计中的一个重点和难点。 因此早期的嵌入式微处理器中，都是集成了大景的数字电路模块，系统中用到的a d c 大都采 用片外解决方案，如摩托罗拉的6 8 e z 3 2 8 。等微处理中都没有集成a d c 模块，在6 8 e z 3 2 8 构 建的手持终端中，对触摸屏信号的采样都是采用外接a d 转换器，产品的成本和功耗都有很 大的增加。近年来，随着1 ：艺的改进和殴计技术的进步，嵌入式处理器中集成的模拟电路越 来越多，如p l l 、a d c 、d a c 等。在摩托罗拉最新推出的嵌入式微处理器m c 9 3 2 8 m x l 9 中，就 把触摸屏采样的a d c 集成到其中，这样不但降低了系统的功耗和成本，还大大提高的系统的 可靠性，给用户和系统开发人员带来了很大的方便，提高了产品的市场竞争力。 在手持终端嵌入式微处理器中，a d c 模块除了要具有低功耗、小面积等特点外，作为一 个i p 核，还要体现出工艺兼容性和可重用性。在手持终端中，对a d c 模块的应用要求往往 具有多样化特点，同一个系统中，往往需要多个a d c 模块，或者一个a d c 模块，需要它能满 足对多种信号的采样。针对不同应用，对a d c 模块的性能要求也有所不同。如在触摸屏信号 的采样中，对a d c 的要求是低速( 1 2 5 ks p s ) 、中低采样精度( 8 1 2 位) 。：但对无线接 收信号的采样却有中高采样速度( 1 m h z ) 和低转换精度( 4 位) 要求“。因此在面向手持终 端的嵌入式微处理器中集成一种低成本、低功耗、可配置采样精度和采样频率的a d c 模块是 非常有必要和迫切的。 1 2 论文的主要工作与意义 1 2 1 论文的主要工作 本论文在查阅人量文献资料的基础上，结合分析对比各种不同的a d c 结构，并参照其 它嵌入式s o c 中数模混合电路的设计方法、设计思想，重点讨论面向手持终端的嵌入式微 处理器中a d c 模块的设计。本论文的主要1 j 作既是围绕着该a d c 模块的设计而具体展开。 在改计方法上，本论文采用了白顶至f ( t o p d o w n ) 的设计方法。即先设计系统总 体结构，确定系统s p e c ，然后在s p e c 的框架r 进行各个具体单元模块的设计，最后对各个 单元进行j f ) 调硐i 仿真，以确保系统的总体性能。本文从应_ q j 出发，深入分析手持终端嵌入式 系统对a d c 的应朋特点，兼顾a d c 模块的功耗和成本在分析比较了单片a d c 和嵌入式 系统中a d c 模块的异同的基础上，根据s o c 系统方案的要求，提出了a d c 模块的具体要 a n a i o gd e v l c ei n s ”u m e n ta d l 8 3 3d a t a s h e e f “m o t o r o l ad r a g o n b a l | 6 8 e z 3 2 8 u s e rm a n u a l ”、m o t o r o l ad r a g o n b a 】1m c 9 3 2 8 m x lu s e rm a n u a l o 、a d s 7 8 4 3d a l a s h c c f 东南大学硕士论文 求，并根据要求确定其各项性能参数和指标，然后根据这些要求和指标，对a d c 模块的具 体设计进行了分析和讨论。 在做系统设计之前，先做了大量的调研 ：_ = 作。a d c 的种类繁多，性能各异，除了查找 大量的专业文献之外【i 1 ”，还要查找有关芯片的技术资料对比a d c 芯片和带a d c 模块的 s o c 芯片特点，并在此基础上找到一条适台丁_ 本论文a d c 模块设计的思路和方法。 在做系统故计时，论文首先分析了手持终端系统中的两个具体应用一g m s k 无线接 收信号采样和触摸屏信号的采样并分析对比一些典，弘a d c 结构的结构年特点。根据系统 应j j 对a d c 的具体需求，兼顾a d c 模块的功耗和成本，在分析比较了单片a d c 和嵌入式 系统中a d c 模块的异同的基础上，提出了a d c 模块的具体要求，并根据要求确定其各项 性能参数和指标( 如a d c 的采样速度、转换精度、零失调误差、非线性失真等) 然后设 计了a d c 模块的总体结构。在进行总体结构殴计时，除了选定了a d c 的结构类型外，还 对电路进行分割，确定整个a d c 模块的工作时序和各个电路模块的具体实现方式。 单元电路的设计和仿真是本论文的工作重点。一方面要把系统确定的各项参数指标细分 到各个模块上。另一方面还要选择台适的电路结构，以把各个单元电路的参数对应到具体的 电路上；即使电路结构确定了，也还要优化器件的参数，以满足电路的各项具体要求。单元 电路包括模拟和数字两部分电路。对模拟电路的发计将采用手丁设计电路原理图，用s p i c e 工具进行仿真分析：对数字电路的设计则采用h d l 描述，用标准单元综合的设计方法。最 后将模拟部分和数字部分进行联合仿真。 在单元电路设计完成之扁，还耍将各个模块连结在一起，并对整个a d c 模块的整体性 能参数( 如零失凋、非线性失真、信号嵘卢比、无杂散动态范同等) 进行了仿真测试。此外， 针对a d c 模块在s o c 系统中的虑朋，还建立了与其它s o c 功能模块一起的联台仿真环境。 版图设计与后仿真是a d c 模块设计的最后j 二作。对模拟部分的版幽殴计将根据设计规 则进行手工画版图( 全定制实现) ，由于在系统应用的时候都是用c a d e n c es e 进行自动布局 布线，因此要把模拟电路部分作为一个宏单元，并提供相应的l e f 文件供s e 调用。对模拟 集成电路部分，版图设计过程中除了要进行版图设计规则检查和版图电路图对照检查之外， 还进了版图的寄生参数提取，并对提取出来的电路网表做后仿真。 1 2 2 论文的意义 通过本论文，不但建立了一套a d c 设计的流程和方法，而且建立一套s o c 中数模混合电 路设计的流程和方法，实现了集成于面向手持终端嵌入式微处理器中的a d c 模块，并实现了 a d c 模块的参数可配置，为模块的重复使用带来了方便，从而解决嵌入式系统中使用单片a d c 芯片所带来的问题，如功耗，成本，可靠性等。 1 3论文结构 本论文从应用出发，在系统分析各种结构的a d c 的基础上，分析了手持终端嵌入式微 处理中a d c 的应用特点并在具体分析了两个的应_ l j j 的特点和性能要求的基础上，根据需 要确定了a d c 的各项参数，然后确定a d c 的结构并设计成电路。文章按照t o p ，d o w n 的 模拟电路设计方法组织，由浅入深，逐层深入，详实地分析了各个部分的设计过程。整个论 文主要分为 个部分：第一章为绪论，对a d c 的背景和发展状况做了一个总体的描述；第 一章为结构殴计在分析总结符种a d c 的结杜j 特点，以及单片a d c 芯h 和系统集成芯片 a d c 模块的基础上根据手持终端嵌入式微处理中a d c 的廊j h 需求，确定了a d c 模块的 东南人学倾j 。论立 总体的结构和s 口e c ；第三章为单元电路设计与仿真，介绍了各个单元电路模块的参数确定、 电路优化设计和参数仿真；第四章为a d c 总体电路设计与仿真，对各个单元模块连结在一 起，并对整个电路进行数模混合仿真，然后在理解a d c 的各项性能指标的基础上，对它们 进行测试分析，并给出了测试结果i 第五章为版图设计与后仿真，重点介绍了模拟电路的版 图设计，以及对版图进行参数提取之厉的后仿真。第六章是总结与展望对整个论文的工作 进行了总结，并对论文的不足之处提出了改进的意见。论文的最后是完成本论文过程中所参 考的文献和资料。 4 东南人学颂士论文 第二章结构设计 2 1 应用需求分析 在一个系统中，往往需要多种不同性能要求的a d c ，如在嵌入式系统中需要使用a d c 的模块有触摸屏采样、语音采样、无线信号的采样。触摸屏的a d c 要求速度低( 一般为儿 k 赫兹) ，精度要求也不高( 8 至1 2 位精度即可) ：语音采样要求精度高( 1 6 至2 4 位精度) ， 速度低( 一般为几十k 赫兹) ：而无线信号的采样对速度要求高( 低频模拟信号需要上兆赫 兹的采样频率，而中频或射频信号则需要几十兆、几百兆乃至上g h z 的采样频率) ，而对 采样精度的要求不高( 4 至6 位即可) 。 手持终端设备采样模拟信号基本上都要求低速中等采样精度或低精度中等采样频率，如 触摸屏信号的采样，电源电压的采样，温度传感器信号，无线数据接收的低频模拟信号等。 本论文以两个应用作为背景：一个为g m s k 解调芯片中高斯信号采样的模数转换模块一 个为笔式触摸屏信号采样中的模数转换模块。f 面分别介捌两个应用的i 作原理。 2 2 1g m s k 解调芯片的工作原理和对a d c 的应用需求分析 高斯滤波最小频移键控( g a u s s i a n 刚i e r e dm i n i m u ms h i f tk e y i n g 简称g m s k ) 调制 技术是从m s k ( m l n i m u ms h mk e y i g ) 调制的基础上发展起来的一种数字调制方式。其特点 是在数据流送交频率调制器前先通过一个g a u s s 滤波器( 预调制滤波器) 进行预调制滤波， 以减小两个不同频率的载波切换时的调变能量，使得在相同的数据传输速率时频道间距可以 变得更紧密。冈此g s m k 调制的信号频谱紧凑、误码特性好，在数字移动通信中得到了广泛使 用，如现在j “泛使用的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b 订ec o l n 【i 】u n i c a t i o n ) 移动通信体制就是 使用g 惦k 调制方式。近年来由于无线寻呼机的退出，2 5 k l l z 的寻呼信道开放出来作为其它用 途，如无线金融信息的发送。针对这些新的应用，如果依然使用f s k 凋制方式则存在数据传 输速率低的问题，不但让费时间，而且增加了成本。冈此，兼容寻呼信道的g m s k 无线数据 传输系统应运而生( 如江苏华易科技电子有限公司的g m s k 无线信息接收终端) 。这类设备 往往采坩标准调频解调加g m s k 解调的信号解调方式如幽2 1 所示。 r _ 一 r 一 r 一1 - 4混频目低通滤波l _ 塑! ! ! 堕堑- |g m s k 解调i ! ! ! ：堕叫 解码 幽2 1超外差式g m s k 接收电路原理框图 g m s k 解凋是指把高斯波形转换成数字波形。有种方法是现对高斯波形进行刖d 采 样然后通过数字方式进行处理以得到数字输出，如图22 所示”】。其解调过群如图23 所 示。其中a ，d 转换部分必须由硬件l u 路求完成，数字信号处理部分可以川软忭完成也可 以f l | j 埂件完成，如果硬什实现，! j ! | j 擎个结构框幽i j 以如图2 4 所示。，a d 转换器仃天的信 号有如r 一些： 东南大学硕士论文 i lo l o ，1 、 o 八n 卜j 、一。 ) 1 2 u 4 lu 67 8 1 u 雨 i 。lo1o1o i i _ - - - _ _ 一 ) 1 2 i 34678 尉 i _ - - 一 图2 2g m s k 解调的波形效果 间( t ) 间( t ) 输入信号 s n q 图2 3 g m s k 解调算法框图 c l k a d - a dc t r l 一 模拟输入信号。 a d 转换器的时钟信号。 a d 转换器的采样精度和采样频率控制信号。 数字信号 输出信号： d a t ao u t 一a d 转换数据输出信号。 c o ve n d a d 转换结束信号。 g m s k 数字解调模块中a d c 的应用特点有： ( 1 ) 低转换精度要求4 6 位转换精度均可。 ( 2 ) 转换速度中等，根据不同的数据波特率，采样速率可以从l o k h z 一2 m h z 不等。 ( 3 ) 采样频率可调，为了能适戍下不同波特率的信号采样，要求选择不同采样频率。 6 末南大学硕士论文 图2 4g m s k 硬什解调模块结构框图 2 2 2笔式触摸屏的工作原理和对a d c 的应用需求分析 触摸屏的工作原理是通过笔压触摸屏，并产生信号输出，根据输出信号的不同来确定接 触点的位置。现有的触摸屏的种类有：电阻式电容式，表面声波式，红外线式等。电阻 式又可以分为四线平u 五线式。几种触摸屏都有各自的优缺点，但是四线式电阻压力式触摸屏， 生产成本低，安全性好易于使用和维护，用途广泛可以用丁个人数字助理，便携式器件， 移动电爵，销售终端以及触摸屏监视器等等地方。它已经成为最受欢迎的绢件，据凋查它占 所有市场份额的6 0 。下面以四线式电阻压力式触摸屏为代表，介绍触摸羼的i 作原理。 触摸屏是由横向电阻阵列和纵向电阻阵列组成，分别川米表示x 坐标和y 坐标，通过 外面的选择开荚可队方便地选择x 采样年i i y 采样。如剀2 5 所示，当p j 2 、p b 开启，p j l 、 p j 2 荚断时，v c c 0 3 一r 2 一r 3 一q 2 一g n d 形成通路，采样x 坐标，若不考虑晶体管的电阻则 此时采样到的电压为v c c r 3 ，( r 2 + r 3 1 ：同理当p j 2 、p j 3 关断，pj 1 、p j 2 开启刚， v c c - q 5 r 0 - r 1 q 4 g n d 形成通路，采样y 坐标，此时采样到的电压为v c 【r 3 ( r 2 + r 3 ) 。 d 转换器将采样到的x 电压和y 电压转换成数字鼍以后，即可确定被点像素点在屏中的 位置。 东南大学硕士论文 v c c 图2 5四线式电阻压力式触摸屏一【作原理 微处理器读取触摸屏采样的数据是通过中断完成的。当有笔点下时，根据采样开关的 控制顺序，先采样x 坐标，然后采样y 坐标，在采样y 坐标的同时发一个中断信号，如图 2 6 所示。 v c c 笔中 v c c 幽26触摸屏中断信号发生 如前所述为了识别触摸点的坐标，必须先将电压信号转换成数字量。在嵌入式系统中 常见的触摸屏信号采样有两种解决方案：一种是处理器没有带a d c 模块，要采 1 4 单片a d c 芯片进行触摸屏信号的采样；另一种是利 j 嵌入式微处理器集成的a d c 模块进行触摸屏信 号的采样。前者有t i 公司的a d s 7 8 4 3 、a d s 7 8 4 6 等：后者如m o t o r o l a 最新推出的m c 9 3 2 8 似l 嵌入式微处理器等。虽然两者采川的方案不同，但解决的方法部是一样的，r 面介2 “ m c 9 3 2 8 m x l 中触摸屏信号的采样硐i 处理过样。剀27 是m c 9 ： 2 8 m x l 触摸廓! 采样控制部分整体 结构图，通过选择开关的控制分别将x 方向和y 方向的模拟信号接入剑a d c 模块。a d c 东南大学硕士论文 模块可以接成差分输入，也可以接成单端输入，当接成单端输入时，将负输入端和负参考电 压一起接地。图2 8 是整个触摸屏采样的操作流程，分如下一些步骤完成。 图2 7 m c 9 3 2 8 m x l 触摸屏采样控制部分整体结构图 ( 1 ) 总线对笔式控制寄存器( p e nc o n t r o l r e g i s t e r ) 和采样率控制寄存器( s a m p l e r a t ec o n t r o lr e g i s t e r ) 进行初始化操作。 ( 2 ) 能带预热。需要t 1 时间。 ( 3 ) 开关中断和输入选择控制单元( s w i t c hc t r i i n p u ts e l e c tl o g i c ) 对控制寄存 器和采样寄存器中的内容进行操作，发出控制信号给开关电路和输入选择电路。 ( 4 ) 开关电路和输入选择电路根据输入的信号值，建立开关，确定先输入哪个模拟通道的值， 假设按采样顺序为( x ，y ，u ) 。需要d m c n t 的时间单位后。然后对数据进行采样。 ( 5 ) 采样过的值x 经过a d c ，转换为数字信号。 ( 6 ) 转换结果先存入笔式采样寄存器中。上述( 4 ) ，( 5 ) 两步所需要d s c n t 的时间单位 ( 7 ) 如果中断寄存器中的p d r e1 市有效，则发出中断信号，提醒系统有数据存在寄存器中。 ( 8 ) 转换结果选与比较寄存器中的刊定值比较，并同时发山笔升或笔落中断信号。 ( 9 ) 检查采样存储寄存器中是否已满如果已满，! i l l l 向系统发出中断信号。 ( 1 0 ) 检查该a s p 模块是否处于手动模式( m a n u a l ) ，如果是，j i | i j 回到步骤( 1 ) 重新等 待初始化。 ( 1 1 ) 如果是自动模式( a u l d ) ，则进入i d l e 状态。 ( 1 2 ) 同到步骤( 2 ) 。 触摸屏信号采样a d c 的特点有： ( 1 ) 输入信号共模范围大。 ( 2 ) 采样速度低，由于触摸屏采样的信号是笔压f 和抬起的信号，笔动作的频率通常都任 l o o h z f ，同时微处理器对采样信号的响应是通过中断进行的，中断请求不能太频繁， 否则处理器会因为过于频繁的响应中断丽没法处理其它事务。 ( 3 ) 采样精度要求中等常_ l 触摸屏的最高分辨率为4 0 9 6 4 0 9 6 ，闻此对a d 的采样精度 东南大学硕士论文 要求最高能达到1 2 位即可满足任何要求，通常的手持设备中采样的触摸屏分辨率为1 6 0 2 4 0 ，因此手持设备采样频率的典型应用有8 位即可。 图2 8触摸屏采样的操作流稃 2 2 3手持终端嵌入式微处理器中a d c 模块的应用需求 针对手持终端嵌入式微处理器中的具体应用，这里要设计的是一个中低采样频率和中低 转换精度的a d c 模块。一方面要能满足诸如g m s k 解调中对g a u s s 信号的采样，另一方面 又要能实现对触摸屏信号的采样，因此，a d c 模块要兼顾它们的应用需求，以便于实现不 同场合的应用。现从输入信号的动态范围、采样频率和转换精度米具体分析a d c 模块的应 用需求。 ( 1 ) 输入信号动态范围：g m s k 的解调中，a d c 的输入信号动态范围较小，而且在信号 的接收电路中增加一个线性放大电路，就很容易实现对输入信号的放火，以确保输入信号在 a d c 的输入动态范围之内。住触摸屏信号的采样中，触摸屏信号的输出幅度比较人，为丁 满足这个要求，a d c 的输入动态范罔要人丁或等丁笔式触摸所的输山信号动态范罔。在p 面的结构致计中将对a d c 的输入信号动态范隅进行具体讨论。 ( 2 ) 采样频率：笔式触摸屏信号采样中，需要采样笔压r 和笔抬起的信号：笔动作的频 率比较低，通常都在1 0 0 h z 以f 。而在g m s k 解调电路中，需要采样接收到的g a u s s 信号： g a u s s 信号的最大频率是与信号的波特率相关的，而且为了能实现对信号的积分运算采样 频率往往都要比输入信号的频率高好几倍，如果数据传输的最高速率为96 k 以1 6 倍信号 波特率的速度进行采样，则采样需要的最高频率为1 5 3 6 m h z ，设计时可以考虑提高到 2 m h z 。为了适应不同的采样频率要求，a d c 的采样频率需要可以调牡。 ( 3 ) 转换精度：在g m s k 信号的采样中，对转换精度的要求很低只要4 6 位即可。触 0 堡堕叁兰些! ! 堡苎 摸屏的精度比较高t 最高精度往往可以达到1 2 位。因此要把转换精度设计成可调，而且最 高精度最好能达到1 2 位。在一般的手持设备中屏的点阵一般都小于4 8 0 像素，即一般有 9 位转换精度就可以满足要求。这里选择在采样频率晟低时能达到1 2 位转换精度，以便满 足更多的应用。 2 2 典型的a d c 结构分析 a d c 的种类繁多，性能结构各异。从转换精度上分：有高精度、中等精度和低精度a d c 等多种：从转换速度上分：有高速、中速和低速等多种；从结构上分：有并行转换式、逐次 逼近式、流水线结构方式、过采样a d c 和串行转换形式等多种；而且每一种还有自己的派 生系列。但总的来说，a d c 的结构决定其性能，因此在设计a d c 之前，首先对比分析一下 各种a d c 结构的性能特点。 2 1 1 输入信 并行a d c 1 兰堂堡兰皇竺卜_ 一陟 0 8 7 5 咋 07 5 0 k j 妒 o6 2 5 n 轸 05 0 0 虬轸 编码电路 03 7 5 以轸 o2 5 0 咋势 0 1 2 5 n 爿一 幽29 3 位f l a s ha d c 结构 并行转换a d c 也称之为f l a s h a d c 。住所有的a d c 结构中，f l a s h a d c 是最快的， 同时这种结构也是最容易理解的。如图2 9 所示它由采样保持电路、参考l h 乐、比较器编 l l 东南大学硕士论文 和编码电路组成。一个n 位的f l a s h a d c 需要2 “一1 个比较器和2 “一1 个参考电压。每 一个比较器将采样输入信号和一个参考电压进行比较并得到一个输出，如果大于参考电压则 输出1 否则输出o ，这样整个比较结构输出早现山一种有规律温度计编码格式，即r 面为 1 ，上面为o ，如表2 1 所示。比较器的输出经过编码逻辑进行编码就可以得到正常的数据 输出。这种f l a s ha d c 的比较器个数和参考电压与n 成指数关系，因此当n 比较大时， 需要使用大量的比较器和参考电压，不但占用了大量的芯片面积，而且电路功耗也非常大， 同时参考电压的精度也难以保证。因此，并行转换结构a d c 的应用范围受到一定的限制， 常常在小于8 位精度的场合用。 表2 13 位f l a s h a d c 的输出及其编码 v lc tgc 5 c c ；c ?c ib 1既 v 。 o 1 2 5 uoo000o0o00 o1 2 5 v 一 vr 02 5 v 。00o00o100l 02 5 v r ( v t ( 0 3 7 5 v r0o000ll0l0 0 3 7 5 v - vr ( o 5 0 v 。0000lll 0 ll 05 0 v 。( v - 06 2 5 v 。oool1lllo0 o 6 2 5 v - v - 07 5 0olll1ll01 o7 5 u vz o8 7 5 u l1 l ll l 1l l l 输 信号 图21 0二级f l a s h a d c 结构 司 东南大学硕士论文 有一种改进的结构是使用二级结构，第一级产生高 l 的数据位输出，第二级产生低越 的数据位输出，合并起来即得到 ，= i + 肥的数据位输出，如图2 1 0 所示。二级结构需要 2 m + 2 儿一2 个比较器和参考电压，因此面积和功耗都有很大的减小。但相对而言，其电 路结构依然比较复杂占用芯片面积大，而且其转换速度也会有所降低。 2 1 2 分级转换模数转换器( s u b r a n g i n ga d c ) 分级转换模数转换器是f l a s h a d c 的个衍生，它是一种包含多个两级f l a s h a d c 的结构，因此可以把两级的模数转换器扩展到多级结构。这样，不但可以大大减少了比较器 和参考电压的个数，有效地控制芯片的功耗，而且便于把转换精度做高( 可达1 0 位以上) ， 但是它的转换时问也相应地随着级数的增加而相应地增加。整个结构如图2 1 l 所示，输入 信号分别经过第。级、第l 级、第2 级等各个阶段进行转换，前一级输出的残余信号作为后 一级的输入信号但每一级都有对应的数字量输出，从前往后依次为高位数据到低位数据递 减。每个转换级中，比较器输出的数据也往往是温度编码，可以对每一级的输出单独进行编 码，其编码方法同表2 1 所示的编码方法一样。 厂面赢面 j 歹一 扮一 至三二 _ 一 至习卜一一 二至口 | ! 竺竺竺& 图2 儿分级转换 d c 2 1 3逐次逼近型模数转换器( s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o na d c ) 逐次逼近型模数转换器也称之为s a r ( s u c c e s s i v ea p p x l m a t i o nr e g i s i c r ) a d c 。如图 21 2 所示，整个逐次逼近a d c 由采样保持电路、数模转换器、比较器和数字逻辑控制电路 等部分组成。根据连续逼近的原理，用连续接近寄存器的数据作为d a c 的数据输入，d a c 产生一个模拟信号去逼近输入采样信号，调整连续接近寄存器的值，也就可以d a c 的输出， 随剑与输入信号相匹配。此时连续接近寄存器的值就是a d c 的转换输出值。在逐次逼近 a d c 中，每次转换只有一次采样保持d a c 有一组控制信号控制，这种a d c 结构的原理 查堕查兰丝! ：笙兰 比较简单。由于d 转换过程只使用一个比较器，但一次a d 转换需要多个时钟周期才能 完成，因此转换速度比较低，适宜于低速进度较高的场合。逐次逼近a d c 中需要使用一个 d a c ，如果使用电流型d a c ，则会带来较大的功耗，如果使用电荷型d a c ，则由于使用大 量的权电容而大大增加芯片面积，同时d a c 的精度线性度和精度也直接影响到整个a d c 的精度，因此，如果要实现比较高的转换精度，其电路结构会变得很复杂。 信号输入 图2 1 2 逐次逼近a d c 结构 2 1 4 流水线结构模数转换器( p i p e l i n e a d c ) 流水线结构模数转换器也称为p i p e l i n ea d c ，是现在使用较广泛的一种a d c 结构。根 据流水线作业的原理将整个a d 转换过程分成若干个流水级，在时钟的控制r ，各级流水 协调工作，每一级流水都会产生一位输出，输入信号经过 ，级流水以后就会产生 ，位数据输 山。为了提高提高a d 转换的精确度，减少单级转换误差给整个转换带米的影响，在流水线 结构a d c 的每一级中往往使用1 5 的a d c 和d a c 组合而成( 所谓1 5 位是指输出的两位数据 中，只有三种组合，第四种组合不