低压 I/O 触摸屏控制器-0T2046 特点： z z z z z z z z z z 与 TSC2046，ADS7846 管脚兼容 2.2V~5.25V 工作电压 1.5V~5.25V 数字 I/O 接口 2.5V 内部参考源 电池检测（0V~6V） 片内温度测量 触摸压力测量 QSPI TM 和 SPI TM3 线接口 低功耗模式 TTSOP-16 QFN-16 封装 应用背景： z z z z z z z 产品型号规格：12 位 A/D 转换器－采样频率 125kHz 个人数字助理 便携式设备 消费终端 寻呼机 电阻式触摸屏 手机 概述 -MT2046 是 4 线触摸屏控制器，如图 1 所示。它支持从 1.5V 到 5.25V 的 低压 I/O 接口。-0T2046 与 TSC2046、ADS7846 的管脚完全兼容。它芯片内部 有 2.5V 参考源、电池检测、温度测量等功能。内部参考源在不使用时，可处于 低功耗状态，可以在低到 2.7V 电压下正常工作，同时可以检测 0~6V 的电池电 压。-0T2046 在 2.7V 工作电压下的（参考源停止工作），功耗小于 0.75mW， 采样频率为 125KHz，可以广泛地应用在 PDA、寻呼机、移动电话等便携式设备 上。该芯片适应温度范围为-400C~+850C。 图 1 -0T2046 结构图 电学特性 0 0 （ 除 非 特 殊 说 明 ， 测 试 条 件 为 TA=-40 C~ +85 C ， VCC=2.7V ， VREF=2.5V 内 部 基 准 源 ， fSAMPLE=125KHz, fCLK=16* fSAMPLE=2MHz，12 位模式，IOVDD=2.7V） 参数 工作条件 最小值 模拟输入 满量程输入范围 绝对输入范围 漏电流 正端—负端 正端 0 −0.2 系统性能 分辨率 无失码 积分非线性误差 失调误差 增益误差 采样性能 转换时间 捕获时间 采样率 开关驱动 导通电阻 典型 值 最大值 单位 VRef +VCC + 0.2 V V uA 0.1 12 11 +2 +6 +4 外接基准电压 12 3 125K Bit Bit LSB LSB LSB 时钟周 期 时钟周 期 Hz Y+，X+ Y-，X驱动电流 5 6 50 参考电压输出 内部基准电压 内部基准源温漂 静态电流 2.45 2.5 15 500 Ω Ω mA 2.55 V ppm/oC uA 参考电压输入 输入范围 1.0 +VCC V 电池检测 输入电压范围 精度 0.5 -2 6.0 +2 V % -3 +3 % -40 +85 温度测量 测温范围 分辨率 精度 数字输入/输出 VIH VIL VOH VOL VBAT=0.5V-5.5V， VREF=2.5V 外部部基准 VBAT=0.5V-5.5V， VREF=2.5V 外部部基准 |IIH|<5uA |IIL|<5uA IOL=-250uA IOL=+250uA IOVDD*0.7 -0.3 IOVDD*0.8 性能指标 操作范围 2.7 2.2 1.5 C C o C o C o C o 1.6 0.3 +2 +3 差分模式 TEMP0 差分模式 TEMP0 o IOVDD+0.3 0.3* OVDD 0.4 V V V V 电源 +VCC IOVDD 静态电流 功耗 温度范围 3.6 5.25 +VCC 280 780 220 内部基准关闭 内部基准开启 fSAMPLE=12.5KHz 低功耗模式 VCC=2.7V 5 2 -40 +85 V V V uA uA uA uA mW o C 极限工作条件（GND=0V；所有电压都是相对于地的。） 参数 符号 最小 最大 单位 直流电源 Vcc -0.3 +6.0 V 模拟输入电压 VAin -0.3 数字接口电压 IOVDD -0.3 +6.0 V 数字输入电压 VDin -0.3 +IOVDD+0.3V V +Vcc+0.3V V 功耗 Pd 250 mW 最大结温 Tj +150 ℃ 工作环境温度 TA -40 +85 ℃ 存储温度 Tstg -65 +150 ℃ 压焊温度 Tl +300 ℃ *其中 X+，Y+，X-，Y-四管脚经过 8000V 抗静电测试 管脚说明 主要信号说明 TSSOP 管 脚 QFN 管脚号 号 1 5 2 6 3 7 4 8 5 9 6 10 7 11 8 12 9 13 10 14 11 15 名称 功能描述 VCC X+ Y+ XYGND VBAT AUX VREF IOVDD 电源 X+位置输入 Y+位置输入 X-位置输入 Y-位置输入 地 电池检测输入 转换器辅助输入 电压源的输入输出 数字电源 中断 PENIRQ 12 13 14 15 16 1 2 3 DOUT BUSY DIN 16 4 DCLK CS 串行数据输出 数据转换完成信号输出 串行数据输入 片选输入 外接时钟输入 JMT2046 16-pin TSSOP JMT2046 16-pin QFN 图 2 -0T2046 引出端排列图 工作原理 JMＴ2046 是典型的逐次逼近 AD 转换器，该结构基于电容分布式，内部包括 采样/保持功能。JMＴ2046 的基本操作如下图所示。该器件内部集成 2.5V 基准源， JMT2046 图 3 JMＴ2046 应用简图 使用外部时钟，工作电压为单电源 2.7V—5.25V。内部参考电压也可以用 1V+VCC 外部低阻抗的参考电压驱动。参考电压决定转换器的输入范围。 转换器的模拟输入由内部的多路模拟开关提供。转换器提供差分输入，可以 很好的消除触摸屏快关驱动电阻的误差。 表 1 输入控制结构（DIN）单端模式（SER/ DFR 为高） A2 A1 A0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 VBAT AUXIN TEMP Y- X+ Y+ Y 方 向 X 方 向 Z1 方 向 Z2 方 向 +IN （TEMP0） +IN 测 量 +IN +IN 测 量 +IN 测 量 +IN +IN 测 量 X 驱 动 Y 驱 动 关 关 关 开 关 关 X开 Y+ 开 X开 Y+ 开 开 关 关 关 1 1 1 +IN （TEMP1） 关 关 表 2 输入控制结构（DIN）差分模式（SER/ DFR 为低） A2 A1 A0 +REF -REF Y- X+ 0 0 1 Y+ Y- +IN 0 1 1 Y+ X- +IN 1 0 0 Y+ X- 1 0 1 X+ X- Y+ Y 方 向 X 方 向 Z1 方向 Z2 方向 测 量 测 量 测 量 +IN +IN 测 量 驱动 Y+， YY+， XY+， XX+， X- 内部参考电压源 JMＴ2046 具有 2.5V 内部参考电压源，可通过控制位 PD1 来控制开关。一般 内部参考源在单端模式下进行温度测量、电池检测、使用辅助端口的时候才使用。 理想情况触摸屏使用差分模式。如果 JMＴ2046 要和 ADS7843 兼容，必须关闭内部 参考源。 外部参考电压输入 JMＴ2046 的外部参考电压输入范围为 1V- +VCC。随着参考电压的减小，转换 器输出数字码所对应的电压权重相应减小，即 LSB 相应减小。对于 12 位模式， LSB 的大小为输入参考电压除以 4096。随着 LSB 相应减小，转换器的失调误差和 增益误差相应增大。由于参考电压直接驱动内部电容式 DAC，所以输入电流很低。 另有一点需要注意的是在使用差分模式转换数据时，不能使用外部参考电压，只 能使用 VCC 作为正端参考电压。 触摸屏设置 在一些应用中，也许需要外部电容来滤除触摸屏操作过程中产生的噪声（例 如液晶显示器面板或背景照明电路产生的噪声）。这些电容提供低通滤波来减小 噪声，但是会导致对建立时间有要求，因为当面板被触摸时这会显现出增益误差。 有一些措施能减小或消除这种不利的后果。问题是输入或参考电压没有在模数转 换采样和提供数字输出之前建立最终的稳定模式。加之参考电压在测量周期内可 能仍会变化。可以采取的措施一是为满足触摸屏建立时间的要求停止或降低 JMT2046 的 DCLK。这一措施允许输入或参照在获取阶段（JMT2046 的 3 个时 钟周期，见图 7）具有稳定的值。这一措施既可以应用在单端模式也可以应用在 差分模式。措施二仅可以应用于 JMT2046 的差分模式，即触摸屏处于测量模式 或命令JMT2046 处在保持模式（触摸屏保持开通状态），并且不会处于低功耗 模式（PD0=1）.这些变换的发生取决于建立时间的要求和 JMT2046 的数据速 率。一旦转换所需的数据确定，处理器就会命令 JMT2046 在最后一次测量时转 为低功耗模式。这个以过程需要 X 坐标，Y 坐标和 Z 坐标的测量。措施三是在 每一转换模式的 15 个时钟周期内进行操作，这与模数转换和固定触摸屏在工作 模式直到处理器命令它停止相交叠。 温度测量 在电池充电时，需要测量周边环境的温度。应用于JMT2046的温度测量技 术依赖于半导体结工作在某一固定电流的特性。前置二极管电压（VBE）相对于 温度具有良好的特性，应用中通过知道+25 C 的VBE值并监控当温度变化时电压 的Δ值，能预测到周围环境的温度。JMT2046提供两种工作模式，第一种工作 模式需要在已知的温度条件下进行校准，但是仅仅需要一个阅读模式来预测周边 的环境温度。在这一测量周期二极管开启。二极管的电压与多路选择器MUX连 接，通过ADC地址A2=0,A1=0,和A0=0（详细情况请见表1和图4），将正向偏压 数字化。这一电压是在+25 C 时通过二极管电流为20μA时的典型值。二极管的 电压绝对值变化范围为几毫伏。然而这一电压的温度系数(TC)几乎恒定在 –2.1mV/ C 。在最后结果的测试中，使用者出于校准的目的将二极管的电压被固 定在已知的室温下。结果是相等的温度测量结果0.3/LSB（在12位的模式下）。 第二种工作模式不需要测试温度校准，但使用一种双测量方法来消除绝对温度的 校准需要以达到2 C 的精度。这种模式需要地址为A2 = 1, A1= 1, 和 A0 = 1的 二次转换和91倍大小的电流。第一次和第二次的电压差使用91倍的偏置电流由 方程式（1）表述： kT • ln( N ) q （1） 这里 ： N为电流倍数=91。 K=波尔兹曼常数（ 1.38054 • 10 q=电子荷（ 1.602189 • 10 −19 −23 电子伏/开尔文温度） C） T=开尔文温度 这种方法能提供比第一种模式节省至少1.6 C /LSB的绝对温度测量方法。方程式 为： K = qi V (k iln( N )) （2） 这里： V = V ( I g1 ) − V ( I1 )(inmV ) ∴ K = 2.573 K / mV i V C = 2.573 • V (mV ) − 273 K 注释：为每个二极管温度测量的偏置电流仅仅作用于3个时钟周期（在获取模式）， 在功耗上不会引起明显的增加，特别是当温度测量只是偶尔发生的时候。 图4 温度测量功能模块图 电池测量 JMT2046具有一项额外的功能即从稳压器（dc/dc转换器）对面监测电池电 压，如图7所示。电池电压的变化范围从0V到6V，固定供给JMT2046电压2.7V， 3.3V。输入电压（ VBAT ）用4除，即将5.5V电池电压用1.375V电压代替用于模数 转换器。这一设计简化了多路选择器和控制逻辑。为了使功耗最低，除法器只作 用于取样周期当A2 = 0, A1 = 1, 和A0 = 0（见表1 控制位和JMT2046的结构之 间的关系）。 图5 电池测量功能模块图 压力测量 JMT2046具有测量触摸压力的功能。为了判断是笔还是手指触摸，需要决 定触摸的压力。一般来说，这项测试不需要很高的性能；所以推荐使用8位的解 决方案。（不管怎样这里使用12位的解决方案）。测量有几种不同的方法。 JMT2046支持两种方法，第一种方法需要知道X平面的电阻，需从X方向测量和 触摸屏两个额外的交叉平面测量（Z1和Z2），如图6中所示。使用方程式（3） 来计算触摸电阻： RTOUCH = RX − Plate i X − Position ⎛ Z 2 ⎞ ⎜ − 1⎟ 4096 ⎝ Z1 ⎠ (3) 第二种方法需要知道X平面和Y平面的电阻，测量X方向，Y方向和Z1方向。使用 方程式（4）来计算触摸电阻： RTOUCH = RX − Plate i X − Position 4096 Y − Position − 1) − RY − Plate (1 − ( ) 4096 4096 Z1 (4) 图6 压力测量功能模块图 数字接口 JMT2046 数字接口的工作时序如图 7 所示。图中的信号假设是由微处理器 或者数字信号发生器通过基本串行接口输入。每个信号源和转换器之间的如 SPI， SSI，或者微线之类的同步串行接口传输都包括 8 个时钟周期。一次完整的转换 需要 3 次串行传输即总共 24 个 DCLK 端的时钟周期。 在第一次 8 个时钟周期里，通过 DIN 端提供控制位的输入。当接受到足够的 多路选择和参考输入的相关信息后，芯片进入采样模式；必要时，触摸屏驱动开 关可保持打开。在 3 个以上的时钟周期之后，输入相关的控制位读入完成，芯片 进入转换模式，也就是说，输入采样保持电路处在保持模式，此时触摸屏驱动开 关关闭（单端模式下）。接下来的 12 个时钟周期完成实质上的从模拟信号到数字 信号的转换。如果转换器采用差分模式（DFR），则在转换过程中触摸屏驱动开 关打开，并且第 13 个时钟周期会影响转换结果的最后一位。最后几位无关紧要 的输出（DOUT 为低电平）会占用 3 个以上的时钟周期。 控制位 表 3 所示的 DIN 端的输入控制位为 JMT2046 提供了转换开始，寻址，ADC 精度选择，转换模式选择和功耗模式选择等不同的控制选择。图 9，表 3 和表 4 对控制位组中的各个位的顺序和功能做了详细的描述和说明。 表 3. 控制位组中不同位的顺序 Bit 7 （MSB） Bit 6 Bit 5 Bit 4 A2 A1 A0 S Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 （LSB） MODE SER/DFR PD1 PD0 表 4. 控制位组中不同位的功能描述 BIT NAME DESCRIPTION 7 S 起始位。当 DIN 第一位输入位为高电平时确定转换位组开始输入。在 12 位转换精度下，可每 15 个时钟周期输入一个新的控制位组；在 8 位转换 精度下，则可缩短为 11 个时钟周期。 6－4 A2－A0 通道选择位。与 SER/DFR 位组合输入，用来控制多路选择器的输入，触 摸屏驱动开关和参考输入（参照表 1 和表 2） 3 MODE 12 位精度和 8 位精度选择位。控制下一次转换的输出有效位数：低电平 为 12 位输出，高电平位 8 位输出。 2 SER/DFR 单端和差分模式选择位。与 A2－A0 位组合输入，用来控制多路选择器 的输入，触摸屏驱动开关和参考输入（参照表 1 和表 2） 1－0 PD1-PD0 功耗模式选择位。详细说明见表 5。 起始位－控制位组的第一位，即 S 位，必须为高电平才能表示控制位组为有效输 入。JMT2046 忽略 DIN 端所有无效的输入，直到检测到有效的起始位。 地址位－接下来的 3 位（A2，A1 和 A0）的组合能灵活选择多选器（如表 1，表 2），触摸屏和参考的输入。 精度位－精度位选择 ADC 的输出位数。低电平时，输出为 12 位精度；高电平， 则输出位 8 位精度。 模式位－模式位控制参考电压模式，单端（高电平）或者差分（低电平）输入。 差分模式也就是 ratiometric 转换模式，比较适合用于最优化性能的 X 坐标，Y 坐 标和压力的测量。参考电压由开关驱动产生，和触摸屏端的电压基本一样。在这 种情况下，由于 ADC 的参考电压就是触摸点的电压，因此需要一个参考电压。 在单端模式下，转换器的参考电压一直是 VREF 和 GND 端之间的压差（详见表 1， 表 2）。 如果用单端模式来测量 X 坐标，Y 坐标和触点压力，则需要一个外部参考电 压并且由这个电压来提供参考。需要注意的是，在单端模式下，尤其当电源电压 高于 2.7V 时，输入电压不能超过内部参考电压。差分模式只能用于 X 坐标，Y 坐标和触点压力测试。其他功能只能通过单端模式来实现。 PD0 和 PD1－表 5 描述了功耗和内部参考电压的工作情况设置。内部参考的工 作与否可以和 ADC 独立开来。这就给出了额外的时间以便内部参考电压在进行 转换之前稳定到最终的电平值。当内部参考休眠的话需确定留出足够的唤醒时 间。ADC 则能瞬间开始正常工作而不需要唤醒时间。当内部参考处于休眠状态 时，BUSY 端输出高电平。当转换完成时，需要向 JMT2046 输入一个附加信号 来使参考电压关断。 图 7. 转换时序，每次转换 24 个时钟周期，8 位总线接口。无延时的 DCLK 信号和专用串行 端口 NOTES： （1）检测 Y－坐标时，X＋被选中且 driver1 打开，driver2 关断。检测 X－坐标时， Y＋被选中且 driver1 关断，driver2 打开。进入 PD0=0 的省电模式时，Y－将打开。 (2)当 PD0＝1（非省电模式）时，driver 都保持打开直到选择的输入通道，参考模式或者省 电模式发生改变，或者 CS 变高。 表 5 功耗模式控制 PD1 PD0 PENIRQ DESCRIPTION 0 0 Enabled 在两次转换之间休眠。每次转换结束后，转换器进入低功耗模式。 在下一次转换前，芯片迅速进入正常状态并且不需要额外的延时， 最开始的转换仍有效。当休眠时，Y 端开关打开。 0 1 Disabled 参考电压关断，ADC 正常工作 1 0 Enabled 参考电压打开，ADC 休眠 1 1 Disabled 芯片一直正常工作（参考电压和 ADC 都正常工作） 笔触中断输出 笔触中断的功能如图8所示。在PD0=0的省电模式下，Y－端驱动打开，并且 将触摸屏的Y－平面接地。PENIRQ输出通过两个传输门连接到X+输入端。当触摸 屏幕时，X+输入端通过触摸屏被拉到地。 在大多数JMＴ2046模型中，内部上拉电阻值通常是50K欧，但是在工艺和温度 变化的情况下会在36K欧和67K欧之间变化。为了保证PENIRQ电路能够获得一个 0.35VDD的逻辑低电平，X+和Y-端之间的总电阻值必须小于21K欧。 -90版本的JMＴ2046采用如其编号所示的90K欧的上拉电阻，使得X+和Y-端之 间的总电阻值可以高至30K欧。注意上拉电阻越大，PENIRQ对触摸屏接触的响应 时间就越大。因此客户端软件应该把这个问题考虑进去。 流流经触摸屏到地使 PENIRQ 输出低电平，并作为一个中断信号的开始输入 到处理器。在测量 X－，Y－和 Z－坐标的过程中，X＋输入端与 PENIRQ 的内 部上拉电阻使断开的，这能消除从内部上拉电阻流经触摸屏的尖峰电流，从而消 除误差。 此外，在 X-，Y-，Z-坐标的测量过程中，PENIRQ 无效，保持低电平。在电 池监测，辅助输入和芯片温度的测量过程中，PENIRQ 无效，并保持高电平。如 果对ＪＭT2046 写入的最后一个控制位组中包含 PD0=1 的信息，则笔触中断输出 的功能被禁止，当屏幕被触摸时无法检测到。如果要在这些情况下重新恢复输入 笔中断输出的功能，则需要向 JMＴ2046 写入一个包含有 PD0=0 信息的控制位组。 如果写给 JMＴ2046 的最后一个控制字中包含有 PD0=0 信息，那么输入笔中断输出 功能将在转换结束的时候恢复。被转换数据的 bit 1 从ＪＭT2046 输出后的 DCLK 的下降沿到来时，转换过程结束。 无论何时当处理器向ＪＭT2046 发送控制字时，都建议处理器应当同时屏蔽掉 中断 PENIRQ。这是为了防止本节讨论过的 PENIRQ 不起作用时出现的中断端的 虚假触发信号。 图 8. 笔触中断功能框图