CN102262489A - 转移电荷以将触摸屏控制器电容转换成电压的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种转移电荷以将触摸屏控制器电容转换成电压的系统和方法。触摸屏控制器系统通过在自身电容测量期间消除相邻行和列之间的互电容以及在互电容测量期间选择性地启用互电容来确定多个同时触摸的实际位置。在自身电容测量期间，控制器系统生成一组候选触摸位置，其中包括真实触摸和鬼影触摸的位置。在互电容测量期间，只测量候选组中的位置，并且根据这些测量来确定实际触摸位置。通过将互电容测量限制到仅为整个触摸面板上位置的较小子集，以线性顺序确定真实触摸位置。同样，通过使用片内积分电容器，本发明的实施方式能够在单个循环中执行每个测量。

Description

转移电荷以将触摸屏控制器电容转换成电压的系统和方法
相关申请
本申请要求2010年4月22日提交的标题为“DifferentialCapacitiVe Touchpad Circuit and Method”、序列号为61/326,830的共同未决的美国临时专利申请的优先权，在此以引用的方式将该申请全文并入。
以下共同拥有、共同提交和共同未决的申请：标题为“Method andApparatus for Improving Dynamic Range of a Touchscreen Controller”的美国专利申请No.XX/XXX,XXX(律师方案号MAXIM-04400)；标题为“Noise Cancellation Technique for Capacitive TouchscreenController Using Differential Sensing”的美国专利申请No.XX/XXX,XXX(律师方案号MAXIM-04600)；标题为“SystemIntegration of Tactile Feedback and Touchscreen Controller forNear-Zero Latency Haptics Playout”的美国专利申请No.XX/XXX,XXX(律师方案号MAXIM-04700)；标题为“Use ofRandom Sampling Technique to Reduce Finger-Coupled Noise”的美国专利申请No.XX/XXX,XXX(律师方案号MAXIM-04800)；以及标题为“Method and Apparatus for Generating Piezoelectric TransducerExcitation Waveforms Using a Boost Converter”的美国专利申请No.XX/XXX,XXX(律师方案号MAXIM-04900)也都以引用的方式将申请的全文并入。
技术领域
本发明涉及人机界面。更具体地，本发明涉及电容式触摸屏。
背景技术
触摸屏或触摸面板提供用于显示输出和接收输入的界面，该结构使得触摸屏或触摸面板非常适于移动电话、个人数字助理、数字音乐播放器和其他紧凑型设备。使用触摸屏，用户可以选择或操纵该触摸屏上显示的项目，诸如按钮、滑块、滚轮和其他屏幕图标。
现有技术的系统使用不同方法来检测物体的存在，诸如电容式电荷转移方法和弛豫OSC方法。例如，在电容式触摸屏中，电荷被转移到感测元件和与其接近的物体。然后读取组合存储的电荷，在阈值以上的电荷指示出物体位于当前正被读取的感测元件之上。通过将感测元件布置成具有行和列的网格图案，可以确定物体在网格上的具体位置。
图1是现有技术的电容式触摸屏100的框图。触摸屏100包括包含多个感测元件101的表面，每个感测元件配置用于感测与其接近的物体(诸如，手指105)的存在。通过检测物体105接近的是感测元件中的哪些感测元件，可以确定物体沿触摸屏100的表面的位置。电容式触摸屏100通过断开和闭合开关A、A’、B、B’、C和C’来转移由测量电路110和115测量并且由计算装置120计算的电荷而发挥作用。本领域技术人员会认识到，电容式触摸屏100需要多个时钟相位和多个电荷转移循环来确定物体是否接近其表面。
触摸屏100存在若干缺点。例如，电荷必须被多次转移到外部电容器CS1和CS2来测量电容变化。这增加了延迟，因此降低了可以支持的最大帧速率。结果，触摸屏100具有有限的灵敏度和减小的信噪比。
与其他现有技术的电容式触摸屏一样，触摸屏100也遭受“鬼影(ghosting)”的影响，在鬼影期间不能解析同时触摸的实际位置。当在多个位置发生同时触摸时，系统仅能够确定发生了若干触摸，即“真实”触摸和“鬼影”触摸。系统不能容易地在真实触摸与鬼影触摸之间进行区分。这种不明确性以及对其进行解析所需的处理随着同时触摸的数量而呈指数增加。
某些电容式触摸屏使用“互电容”来确定同时触摸，该过程感测位于行线和列线的交叉点处的电容。支持互电容测量的系统需要复杂得多的模拟硬件，这会导致更高的功耗、更低的吞吐率、更大的裸片尺寸以及更复杂的信号处理。
发明内容
根据本发明的触摸屏控制器系统支持传感器之间的互电容消除和选择性互电容测量，从而减少对偏移消除电容的需求。这些触摸屏控制器系统还能够消除面板上的鬼影触摸，该特征在无误检测多触摸方面至关重要。进行此项操作无需采取行和列的每个组合之间的互电容测量。
根据本发明的触摸屏控制器系统只需要单个电荷转移循环来检测指示出物体存在的电容变化。这些触摸屏控制器系统使用片上积分电容器，这些片上积分电容器远小于外部积分电容器并且可以更快地充电和放电。这些触摸屏控制器系统可以支持更快的帧速率，可以提高灵敏度，并且不需要针对传感器的任何外部组件。
根据本发明的触摸屏控制器系统将触摸屏面板的传感器电容转换成与其成正比的电压。在复位阶段，驱动系统接地并且将不从外部源拾取噪声。在一个实施方式中，除了反馈路径中的一个开关，所有节点电压承载参考电压或接地。该结构减少了电荷注入效应，因为大多数电荷注入会导致系统的恒定偏移，该偏移可以通过校准来解决。
在本发明的一个方面中，用于感测接近和/或触及触摸屏控制器的表面的一个或更多个物体的触摸屏控制器系统包括接近触摸面板表面布置的多个感测线。邻近的感测线具有互电容。多个电容式感测元件每个都耦合到感测线中的一个感测线。控制逻辑配置用于在自身电容测量阶段将选定感测线与未选定感测线之间的互电容驱动到相同电势，以及在互电容测量阶段将选定感测线与未选定感测线之间的互电容驱动到不同电势。在一个实施方式中，触摸屏控制器系统包括电压测量电路，该电压测量电路将选定的电容式感测元件上的电荷转换成指示出是否有物体与之接近的对应电压。
在本发明的第二方面中，用于感测物体同时存在于触摸面板表面上或接近触摸面板表面的方法包括：单独选择触摸面板的行线和列线来确定物体沿表面的一个或更多个候选位置；以及仅从候选位置读取触摸面板的行线和列线的组合来确定物体沿该表面的一个或更多个实际位置。在一个实施方式中，单独选择行线和列线以及读取行线和列线的组合的步骤在单个集成电路上执行。该方法还包括：当单独读取选定的行线和列线时消除行线和列线之间的互电容；以及当读取行线和列线的选定组合时选择性地启用相邻行线和列线之间的互电容。
在一个实施方式中，确定一个或更多个实际位置包括将候选位置的自身电容测量与对应的互电容测量进行比较。
附图说明
图1是现有技术的触摸屏的示意图。
图2是用于解释本发明原理的具有触摸屏的移动电话的框图。
图3是用于解释本发明原理的示出了触摸屏的若干组件的示意图。
图4是用于解释本发明原理的对电容式触摸屏的组件和寄生电容式元件建模的高层示图。
图5A和图5B分别示出了根据本发明一个实施方式的在复位阶段与测量阶段期间的传感器组件。
图6是根据本发明一个实施方式的偏移电容器的示意图。
图7示出了在复位阶段与测量阶段期间针对图5A和图5B的传感器组件的电压图。
图8A至图8C是根据本发明一个实施方式使用积分操作的传感器组件的示意图。
图9示出了在操作的不同阶段期间图8A至图8C中传感器组件的电压图。
图10示出了用于解释本发明原理的在触摸屏上的多个触摸的实际位置和鬼影位置。
图11示出了根据本发明用于使用自身电容和互电容两者来测量感测元件上电压以消除鬼影的方法的步骤。
图12示出了选择性地启用如图11所示的互电容与自身电容的结合的方法的步骤。
具体实施方式
本发明包括用于减少或消除电容式传感器阵列(诸如，触摸板、触摸屏、触摸滑块等)的输出中的误差的技术，所述传感器包括检测触笔的存在和位置的传感器，以及检测和确定手指位置的传感器。虽然此处描述的说明性实施方式应用于移动电话，但是应当理解电容式触摸传感器可以用于多种设备。这样的设备的示例为便携式设备，诸如个人数字助理(PDA)、全球定位系统(GPS)接收器，以及更大的设备，诸如支持触摸屏的显示器和计算机系统以及电器。
现在参考图2，示出了根据本发明一个实施方式的移动电话200。移动电话200包括耦合到存储器215的微处理器(μp)214，该存储器215存储了用于由微处理器214执行的程序指令，并且通常包括用于此类程序指令的非易失性存储，以及用于由微处理器214使用的临时存储。存储器215中存储的程序指令包括根据本发明实施方式形成计算机程序产品的程序指令，该计算机程序产品用于确定一个或更多个手指和/或触笔处于集成液晶显示器(LCD)/触摸板212中包括的触摸传感器表面上的位置。LCD/触摸板212根据本发明一个实施方式耦合到触摸板电路220，该触摸板电路220包括同时测量LCD/触摸板212内触摸板的两个或更多元件的电容的能力。备选地，如下文更详细地描述，本发明可以对存在于所述两个或更多元件上的电压进行积分，该电压通常是通过向另一层提供参考电势而产生的。可以提供一个或更多个集成电路用于执行该积分，或者本发明可以包括存储器215中的程序指令用于从电压的同时采样中测量存在于所述两个或多个元件上的电压，并且对该电压进行积分。移动电话200还包括用于将微处理器214耦合到集成LCD/触摸板212中的LCD的显示器控制器216，以及用于提供无线电话通信连接的无线电电路218。移动电话200还包括耦合到麦克风213和扬声器元件211的音频编解码器217，用于提供与用户的语音通信。
根据本发明，直接地或通过测量存在于元件上的电压来同时测量二维触摸板阵列的两个或更多行/列或者一维触摸板阵列(诸如，滑块)的两个或更多元件的电容。减去该测量结果以产生没有共模误差的测量，该共模误差主要归因于入射噪声，诸如由LED的操作、在集成LCD/触摸板212下的任何背光或其他电源以及其他外部环境噪声源而产生的入射噪声。
现在参考图3，根据本发明一个实施方式示出了图2的移动电话200中的触摸板电路220的细节。如在所有附图中，相同的标记表示相同或相似的元件。触摸板电路220包括耦合到8行触摸板元件280的每一行的一对多路复用器260A和260B。示出了单个触摸板元件280，但是应当理解，相等或不相等数量的更多或更少的行和列以及一维触摸板和二维触摸板都可以利用本发明的技术。多路复用器260A从触摸板元件280之中选择第一行/元件。多路复用器260B从触摸板元件280之中选择另一第二行/元件。一对电容测量电路270A和270B各自分别测量多路复用器260A和260B输出处的电容，该电容会由于手指/触笔在选定元件附近的存在而变化，并且将电容转换成对应的电压信号。
控制逻辑电路225提供复位信号Rst用于复位电容测量电路270A和270B，该复位信号Rst使电容测量电路270A和270B准备好进行电容测量。该控制逻辑可以与微处理器214形成为一体。在这种情况下，信号Rst将由微处理器214提供。选择值Sel1和Sel2在多路复用器260A和260B的地址输入处设置用于在执行测量之前选择测量元件。复位信号Rst被撤销(de-assert)，由此允许电容测量电路270A和270B测量相应选定触摸板元件280的电容。电容测量电路270A和270B的输出区别地应用于模数转换器(ADC)240的输入，该ADC 240在采样控制信号Sample信号确立(assert)用于对电容测量电路270A和270B的输出进行采样之后提供对应于在多路复用器270A和270B的输出处测量的电容之间的差异的数字值。因此，多路复用器260A和260B的输出处存在的任何共模噪声和偏移将在ADC 240的输出中被基本消除。
图4是用于解释本发明原理的对图3的触摸板电路220建模的示意图400。该示意图400示出了形成触摸板212的每个交叉行线和列线(例如，R1和C1)都包含互电容CU。每个行线都包含传感器电容(CX)和传感器偏移电容(CXOFF)，两者都耦合接地。为了建模的目的，应当理解可以将CXOFF并入其对应的CX中。
现在参考图5A，示出了图3的电容测量电路270A和270B(共同称为270)的细节。如在本发明的一个实施方式中所提供的，电容测量电路包括由开关S1A至S1D、开关S2A至S2C和开关S3形成的开关网络。反馈或积分电容器CINT由开关S1C和S2B选择性地耦合到运算放大器420。如图5A中所示，当确立复位信号Rst时，开关S3将互电容器CU的输入耦合到接地，并且开关S1B将放大器420的反相输入耦合到参考电压VREF。同样在复位信号Rst的确立期间，开关S2B断开并且开关S1C闭合，从而使得积分电容器CINT被充电到参考电压VREF。同样在复位信号Rst的确立期间，开关S1A闭合，从而将多路复用器260的输出耦合到接地，这样便对选定元件的电容CX以及沿着到选定元件的路径的任何杂散偏移电容CXOFF进行放电。当复位信号Rst由将偏移消除电容器COFF的第二端子接地的开关S1D的激活而被确立时，偏移消除电容器COFF耦合到运算放大器420的反相输入并且充电到参考电压VREF。因此，在稳定时间之后，电容测量电路270中的电容条件使得积分电容器CINT和偏移消除电容器COFF充电到参考电压VREF，并且元件电容CX和任何杂散偏移电容CXOFF被大幅放电。
如图5B中所示，当在复位信号Rst被撤销之后确定测量控制信号Meas(这通常通过确保由控制逻辑225生成的非重叠控制信号来执行)时，由于复位信号Rst的撤销，开关S1C和S1B是断开的，并且开关S3将互电容CU耦合到参考电压VREF。开关S2B通过测量控制信号Meas的确立而闭合，从而使得积分电容器CINT耦合在运算放大器420的输出和反相输入之间。由于积分电容器CINT充电到关于输入端子的电压VREF，并且由于运算放大器420的非反相输入也参考至参考电压VREF，因此运算放大器420的初始输出将基本上为零。在测量控制信号Meas的确立期间，开关S2A闭合，并且开关S1A先前在复位信号Rst的撤销时即被断开。同样，当复位信号Rst使得开关S1D断开时偏移消除电容器COFF从接地解耦合，并且当测量控制信号Meas使得开关S2C闭合时偏移消除电容器COFF耦合到先前接地端子处的参考电压VREF。作为开关S2A和S2C闭合的结果，等于COFF*VREF的正电荷量从偏移消除电容器COFF转移到积分电容器CINT，其中COFF是偏移消除电容器COFF的电容；并且等于-CX*VREF的负电荷量从多路复用器260的输出端子转移到积分电容器CINT，其中CX是元件电容CX与任何杂散偏移电容CXOFF的电容总和(基于特定上下文，本领域技术人员应当理解标记(诸如COFF)于何时表示元件、元件的值、元件上的电荷等)。
运算放大器420的输出电压VO等于积分电容器CINT上的输出相关电压加上VREF，其可以从VO＝QF/CINT+VREF计算得到，其中QF是积分电容器CINT上的电荷。当测量控制信号Meas被确立时转移到积分电容器CINT的总电荷为CX*VREF-COFF*VREF＝ΔQF。积分电容器CINT的初始电荷为-CINT*VREF，所以电荷QF的最终值由等式(1)给出：
-CINT*VREF+CX*VREF-COFF*VREF  等式(1)
以及输出电压VO由等式(2)给出：
VO＝(-CINT*VREF+CX*VREF-COFF*VREF)/CINT+VREF＝(CX/CINT-COFF/CINT)*VREF等式(2)
相同的结果可以通过在运算放大器420的反相输入端子处应用电荷守恒获得。因此，输出电压VO与元件的电容加上任何杂散偏移电容成正比。偏移消除电容器COFF提供远离总是负结果的测量偏压，并且积分电容器CINT的相对电容设置测量的动态范围。在本发明的一个实施方式中，积分电容器CINT可以具有相对于电容CX与CXOFF而言高得多的电容，并且开关S1A和S2A由具有比测量控制信号Meas和复位信号Rst更高的频率的独立时钟信号操作。运算放大器420和积分电容器CINT将作为积分器，从而对从多路复用器260的输出处的电容转移的电荷进行积分，以提供额外的噪声过滤。
运算放大器420的反馈因子由CX和COFF与CINT之比来确定。CX是设计者无法控制的外部电容器。该外部电容器可以从非常小的值变到很大的值。COFF用于消除寄生电容CXOFF的效应。在一个实施方式中，如图6中所示，COFF是由单位尺寸电容器制成的电容式数模控制元件。与接通和断开单位电容器相反，根据CX的值，在测量阶段可以改变位于驱动到VREF或接地的COFF底板处指状物(finger)的数量。如果在测量阶段中COFF的某些指状物的底板被驱动到接地，则不存在从这些指状物的净电荷转移，这是因为跨这些指状物的电压在两个循环中保持恒定。反馈因子将由COFF电容器的所有指状物和外部电容器CX来设置。这将显著减少运算放大器的反馈因子的变化。
图6中示出的COFF的实施方式允许对图3中电容测量电路270进行校准。在图6的实施方式中，COFF可以是可编程的。响应于一组数字信号trim，具有公共板的电容器的附加指状物由多个开关SC1至SCN进行选择，从而有效地提供了一组可以用于在校准之后以静态的每元件为基础来调整COFF的可选择电容式元件C1-CN。在一个实施方式中，COFF为了偏移消除而被归零。
参考图5A，在一个实施方式中，积分电容器CINT和运算放大器420形成在单个集成电路上。例如，虚线右边的所有元件都在单个集成电路上。应当理解，因为积分电容器CINT是在片内，所以其比现有技术中发挥相似功能的电容器要小，从而减少了对其充电和放电所需的时间。这样的结构降低了触摸屏处理的延迟。
现在参考图7，示出了描绘图5A的电容测量电路400的操作的信号波形图。电压VCF是跨反馈电容器CINT的电压，并且电压VCX是多路复用器260输出处的电压。在复位信号Rst的第一确立期间，在时刻Ta，电压VCF设置为VREF并且电压VCX设置为零。针对第一测量的所描绘的条件为CX＝0.50CINT并且COFF＝0。在时刻Tb，复位信号Rst被撤销并且测量控制信号Meas被确立。电压VCF降至0.5VREF，并且电压VO升到0.5*VREF，这与上文等式(2)一致。同样在时刻Tb，采样控制信号Sample被确立，并且对电容测量电路270A和270B的输出之间的差异值进行采样，继而在采样控制信号Sample的下降沿于时刻TC将它们捕获。由于电容测量电路270A和270B二者的操作除了在它们的输入处存在的电容以外是相同的，因此在图7中只示出了一组波形。在开始于时刻Td的下一测量间隔，CX＝2CINT并且COFF＝CINT。电压VCF降至0，并且电压VO升至VREF，这与上文等式(2)一致。
应当理解，可以增加电荷转移循环的数量用以增加范围或者用以执行积分。
在电容式传感器元件阵列内，行与列之间以及相邻行之间和相邻列之间的互电容可以减少电容测量的有效动态范围，因为在图5A的电容测量电路400中互电容将总是存在或者需要由诸如增加偏移消除电容器CXOFF之类的技术进行消除。为了避免杂散静电噪声对图3中元件280中的未选定元件(即，那些没有被选择值Sel1和Sel2选择的元件)进行充电，未选定元件可以由多路复用器260A和260B中的电路接地。通常，未使用的传感器是接地的。如果未使用的传感器接地，则这将以互电容的形式从传感器接地添加到电容。这将需要更大的偏移消除电容器。在第一阶段中，所有传感器接地。在第二阶段中，经测量的传感器变为VREF，这是因为该传感器耦合到了运算放大器的负端子。如果在第二阶段期间所有未使用的传感器被驱动到VREF，则它们将不向积分器输出贡献任何电荷。这将会减少需要消除的偏移电容而不改变反馈因子。
根据另一实施方式，在传感器电路的输入处测量电容并且产生成比例的电压输出。根据该实施方式，在多个循环对与模拟域中的输入电容成比例的电压进行积分。这将减少微控制器所需的后处理。
图8A至图8C是根据本发明一个实施方式，使用耦合电容器CC用于对与模拟域中输入电容成比例的电压进行积分的传感器电路500的示意图。该方案类似于图5A中所示的电荷转移电路。图5A和图8A中电路的不同之处在于电路500具有将耦合电容器CC耦合到节点VX的开关S2D、跨CC的开关S1E以及将电容器COFF的顶板耦合到参考电压VREF的开关S1F。如在所有附图中，相似标记的元件表示相同或相似的元件。
耦合电容器CC和反馈电容器CINT一起形成积分器电路，该积分器电路起平均器的作用。在每个积分循环期间电荷从CC被转移到CINT上。CINT在多个积分循环中积累该电荷。运算放大器420针对所有积分循环保持CINT上的电荷并且因而保持积分输出。可以执行的积分循环的数量取决于输入处的最大传感器电容CX以及CC/CINT之比。积分循环数量的增加增大了传感器电路500变得饱和并且因而丢失数据的机会。CC的较小值给出低积分增益，但是给出更好的稳定响应。在另一方面，CC的较大值给出更好的增益，但是稳定时间需求亦会增加。
对N(积分循环的数量)的选择是一种系统设计考量，并且是在数字后处理时间、附加裸片面积和模拟稳定时间容忍度之间的权衡。如果针对增加的裸片面积(由于数字后处理)可以容忍具有较低稳定准确度的电路，则该架构将非常适合于这样的电路。
在操作中，反馈电容器CINT在每个通道变换的开始处被充电到VREF。对于接下来的N个积分循环，积分电容器CINT将跨运算放大器420在负端子与输出之间保持连接。
如下文所述，电荷转移发生在3个阶段上。
图8A示出了积分器复位阶段(阶段1)中的电路500，该阶段是通道变换的初始阶段。如图8A中所示，开关S1A-S1F全都闭合，并且开关S2A-S2D全都断开。一旦从通道多路复用器260选出待变换的通道，输入电容CX(CXOFF、Cparasitic和CTOUCH的组合)就被放电到GND。偏移电容COFF被充电到VREF，积分电容CINT被充电到VREF并且耦合电容器CC通过短接其端子并以VREF对其驱动而被放电。运算放大器420处于复位阶段中，这是因为其两个端子都被驱动到VREF并且因此其输出被驱动到GND。
接下来，如图8B中所示，传感器电路500被置于积分器测量阶段(阶段2)中，该阶段为通道变换的积分阶段。如图8B中所示，开关S1A-S1F全都断开，并且开关S2A-S2D全都闭合。COFF被充电到VX-VREF，CINT被充电到VREF-VO，CC被充电到(VX-VREF)并且运算放大器420的反相端子由运算放大器420的输出驱动到VREF。运算放大器420现在处于激活阶段之中。
在节点VX处应用电荷守恒定律，为寻找VX处的电压而计算以下等式：
CX*VX+COFF*(VX-2*VREF)+CC*(VX-VREF)＝0  等式(3)
(CX+COFF+CC)*VX＝(2*COFF+CC)*VREF       等式(4)
VX＝((2*COFF+CC)/(CX+COFF+CC))*VREF     等式(5)
类似地，在电路500的求和结节点应用Kirchoff电流定律，从而获得针对输出VOUT的等式：
CC*(VREF-VX)+CF*(-VO)＝0     等式(6)
VO＝(CC/CINT)*(VREF-VX)      等式(7)
对于第N个积分循环，给出输出如下：
VO＝∑N((CC/CINT)*(VREF-VX)) 等式(8)
如从等式(8)中所见，从一个电荷转移循环到下一个电荷转移循环的输出中的变化为(CC/CINT)之比。只要CX恒定，节点电压VX便在多个电荷转移循环期间保持恒定。
接下来，如图8C中所示，传感器电路500被置于耦合电容RESET阶段(阶段3)中，该阶段是耦合电容器CC的放电阶段。如图8C中所示，开关S1A、S1D、S1E、S1F和S2B全都闭合，并且开关S1B、S1C、S2A、S2C和S2D全都断开。在耦合电容复位阶段，反馈电容器CINT保持与运算放大器420的输出连接。偏移消除电容器COFF被充电到VREF。底板都被绑定至GND。运算放大器420处于中间循环复位阶段中。在该阶段期间输出保持恒定，因为CINT上的电荷没有改变。
图9是针对电荷转移电路500的时序图，其中N＝4。参考图9和图8A至图8C，Ta指示了阶段1的开始，在Ta期间Ph1变为HIGH。电路500进入积分器的复位阶段。运算放大器420的输出保持在0V，跨CX的电压为零并且CXOFF被充电到VREF。
Tb指示了阶段2的开始，在Tb期间Ph2变为HIGH。Ph1变为低并且在Ph1变为LOW与Ph2变为HIGH之间存在非零非重叠时间。Ph2在N个积分循环期间保持为HIGH。运算放大器420反馈开关为闭合，并且电路500通过串行开关和CC(耦合电容器)连接到传感器电容CX。运算放大器420的输出变为由四个电容器CX、COFF、CC和CINT决定的值，跨CX的电压为VX，该VX由上文等式给出。跨起初被充电到VREF的反馈电容器CINT的电压开始下降。积分器输出继续累积并且VOUT的电压继续升高。输出电压中的阶跃变化由上文等式给出。在N个积分器循环之后提取来自积分器的采样。
仍然参考图9，TC指示了阶段3的开始和阶段2的结束。在非重叠时间之后，开始针对耦合电容器CC的下一放电阶段。该阶段是上文所述的阶段3。在阶段3期间，积分器的输出保持与阶段2一致，同时耦合电容器CC、CXOFF和CX都复位到它们的初始状态。节点VX处的电压被强制到VREF。
针对耦合电容器CC重复阶段3和阶段2的此循环被多次执行，并且积分器的最终输出被采样到模数转换器。这形成了单个平均电压，该电压表示存在于选定通道处的传感器电容。
对于图9的示例，CX＝34pF，COFF＝14.4pF，CC＝12.8pF，CINT＝19.2pF并且VREF＝1V。
VX＝((2*COFF+CC)/(CX+COFF+CC))*VREF
VX＝0.680V
VO＝(CC/CINT)*(VREF-VX)
在伴随积分的输出电压中的阶跃变化为0.213V
对于时刻Td和Te，对下一通道分别重复阶段Ta和Tb。为了清楚起见，对于两个通道所示的CX的值(传感器电容)将不同。
图10示出了用于解释如何根据本发明的原理消除鬼影的触摸面板700。该触摸面板700包含四个重叠行线(R1-R4)和列线(C1-C4)。本领域技术人员将会理解，本发明的原理对具有任意数量的行线和列线的触摸面板起作用，并且通常每个触摸面板具有多于4个的行线和列线。触摸面板700仅示出四个行与列仅仅是为了简化附图。
同时的“真实”触摸发生在行R1与列C1的交叉点(“R1C1”)，以及发生在行4和列4的交叉点(R4C4)，如由实圈所示。按顺序扫描所有行线和列线的系统感测如由轮廓705和710所示的触摸，即，在列C1与C4和行R1与R4上的触摸。轮廓705和710指示了触摸可能发生在这些行线和列线的任何交叉点处，即，发生在组合R1C1、R1C4、R4C1和R4C4处。其上没有发生触摸的组合(R1C4和R4C1)被称作“鬼影触摸”，如由阴影圈所示。应当理解，同时真实触摸的数量越多，必须处理并且从考虑中消除的鬼影触摸的数量就越多。
根据本发明的原理，系统按顺序扫描单独行线和列线(自身电容)来确定一组“候选”触摸位置(例如，该组包含R1C1、R1C4、R4C1和R4C4)。接下来，使用互电容对这些组合并且仅是对这些组合进行感测。只有真实触摸位置将指示其上存在物体。通过这种方式，本发明的实施方式只需要以线性顺序(例如，行数+列数，这是由于必须要考虑的互电容触摸的数量大体相当)进行搜索，以从鬼影触摸中分辨出真实触摸。
在互电容模式中，步骤与上文所述的步骤相比发生了变化，以允许互电容的消除。
再次参考图5A和图5B，在复位阶段中，CX被放电、CINT被充电到-VREF并且COFF被充电到VREF。所有未选定的线的CU均被放电，并且选定的线的CU(例如，CU-R1C1)被充电到-VREF。在测量阶段中，CINT耦合到运算放大器420，并且CX连接到运算放大器420的负端子。所有CU的两个末端均连接到VREF，所以它们的电荷不会变化。选定的行的CU(通过开关S3)被充电到VREF。运算放大器420针对选定行的输出由等式(8)给出：
VO＝Constant*VREF*CU-R1C1/CINT+VREF*(CX-COFF)/CINT    等式(9)
在该示例中，常数等于2，因为极性翻转放大了互电容效应。
比较等式(2)和(9)，显而易见，VO包含等式(2)的自身电容测量。如下文所解释，指示出线之间互电容的这两个等式之间的差异可以用于将鬼影触摸与真实触摸区分开。
在一个实施方式中，选定的传感器(即，针对列测量的一行和针对行测量的一列)在放电阶段期间被驱动到VREF，并且在积分阶段期间被驱动到接地。备选地，选定的传感器可以一直保持接地，在这种情况下常数的值为1。
输出可以由ADC转换成数字代码。当从互电容测量(等式(9))减去来自正常测量(例如，由上文等式(2)给出)的数字输出时，可以推导出行与列之间的互电容。当存在多个同时触摸时，该结果用于解决位置方面的不明确性。
图11是根据本发明一个实施方式利用自身电容和互电容二者来确定接近触摸传感器的物体位置的过程步骤的流程图。在开始步骤801之后，在步骤805中该过程选择下一行(例如，R1)进行读取。在步骤805中，复位阶段，该过程对所有线的互电容(例如，连接到R1-R4和C1-C4中的每一个的电容式感测元件)进行复位，并且在步骤815中该过程对当前选定线上的传感器充电并且读取其上的电压。高于预定阈值的电压指示出选定线上存在物体。在步骤820中，该过程确定是否有额外的线要读取。如果有，则该过程循环回到步骤805。否则，过程继续到步骤825。步骤805、810和815是自身电容测量阶段的一部分，其中所有线均被单独读取。
在步骤825中，过程确定是否存在感测到触摸的多个位置。如果过程确定有物体同时存在于多个位置，则该处理必须考虑并排除任何鬼影触摸。如果只存在一个触摸，则无需考虑鬼影触摸。因此，如果在步骤830中过程确定其必须标识并排除鬼影位置，则该过程继续到步骤835。否则，过程跳至步骤840，并在步骤840结束。在步骤835中，过程排除任何鬼影位置，继而继续到步骤840。
图12示出了根据本发明一个实施方式的步骤835的更详细组件。组件835开始于步骤850，其中对参数初始化，诸如通过将“下一”候选位置设置为第一候选位置。接下来，在步骤851中，过程选择性地在下一候选位置处启用互电容(例如，上文等式(9))，并且在步骤852中，确定该读数与在互电容被禁用时的对应读数之间的差异。在步骤853中，过程确定是否存在任何差异，并且如果存在，则前进到步骤854，其中位置被分类为“真实”触摸位置。从步骤854，过程继续到步骤855。在步骤853中，如果过程确定在两个读数之间没有差异，则该过程将该位置标识为“鬼影”位置，从而将其排除出真实触摸位置，并且前进到步骤855。在步骤855中，过程确定是否存在任何更多的候选位置要检查。如果存在，则过程循环回到步骤851。否则，过程前进到步骤856，并在步骤856结束。
在已确定实际触摸位置之后，这些位置可以被传送到将它们用作输入的任何下游应用程序。
根据本发明，触摸屏控制器使用单个集成电路来执行自身电容测量和互电容测量二者，以通过线性数量的测量来解析多个同时触摸。控制器在自身电容阶段期间消除互电容，并且在互电容阶段期间选择性地启用互电容。在两个阶段中，控制器将触摸屏中的传感器电容转换成与其成正比的电压。根据本发明的触摸屏消除了互电容效应，并由此具有增加的动态范围。
本领域技术人员很容易理解，可以对实施方式进行其他修改，而不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (16)

1.一种用于感测一个或更多个与触摸面板的表面接近的物体的触摸屏控制器系统，包括：
多个感测线，其接近所述触摸面板的表面布置，其中相邻感测线具有互电容；
多个电容式感测元件，每个电容式感测元件耦合到所述感测线中的一个感测线；以及
控制逻辑，配置用于选择要读取的感测线，并且在自身电容测量阶段期间将选定的感测线与未选定的感测线之间的互电容驱动到相同电势，以及在互电容测量阶段期间将选定的感测线与未选定的感测线之间的互电容驱动到不同电势。
2.根据权利要求1所述的触摸屏控制器系统，其中所述感测线被布置为形成网格图案的行线和列线。
3.根据权利要求1所述的触摸屏控制器系统，其中所述自身电容测量阶段包括单独地读取每个所述电容式感测元件上的电容以确定是否有物体与之接近。
4.根据权利要求1所述的触摸屏控制器系统，其中所述互电容测量阶段包括读取电容感测元件的组合上的电容以确定是否有物体与之接近。
5.根据权利要求1所述的触摸屏控制器系统，进一步包括电压测量电路，所述电压测量电路将选定的电容式感测元件上的电荷转换成指示出是否有物体与之接近的对应电压。
6.根据权利要求5所述的触摸屏控制器系统，其中所述电压测量电路包括具有反馈环路的运算放大器，所述反馈环路包括积分电容器，其中所述运算放大器和所述积分电容器形成在单个集成电路上。
7.根据权利要求6所述的触摸屏控制器系统，其中所述电压测量电路包括与所述积分电容器并联的偏移消除电容器。
8.根据权利要求7所述的触摸屏控制器系统，其中所述偏移消除电容器配置用于向所述运算放大器提供最小反馈因子，用于缓和由外部寄生电容器中的变化所引起的反馈因子中的变化。
9.根据权利要求6所述的触摸屏控制器系统，进一步包括耦合电容器，其中所述控制逻辑配置用于在连续积分循环期间将电荷从所述耦合电容器转移到所述积分电容器。
10.根据权利要求5所述的触摸屏控制器系统，其中所述电压测量电路生成与所述物体和所述积分电容器的电容成比例的电压差。
11.一种感测同时存在于触摸面板的表面上或者与触摸面板的表面接近的物体的方法，包括：
单独选择要读取的所述触摸面板的行线和列线，以确定所述物体沿所述表面的一个或更多个候选位置；以及
仅从所述候选位置读取所述触摸面板的行线和列线的组合，以确定所述物体沿所述表面的一个或更多个实际位置。
12.根据权利要求11所述的方法，其中单独选择行线和列线和读取行线和列线的组合的步骤在单个集成电路上执行。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括当单独读取选定的行线和列线时消除所述行线和列线之间的互电容，以及当读取行线和列线的选定组合时选择性地启用相邻行线和列线之间的互电容。
14.根据权利要求12所述的方法，其中确定一个或更多个实际位置包括将所述候选位置的自身电容测量与对应的所述候选位置的互电容测量进行比较。
15.根据权利要求11所述的方法，其中单独读取行线和列线以及读取行线和列线的组合各自都在单个积分循环中执行。
16.一种在感测线被选定用于读取时消除触摸屏中感测线之间的互电容以确定其上存在物体的方法，所述方法包括：
在复位阶段和测量阶段期间将未选定的感测线的互电容维持在公共电势，以由此消除所述未选定的感测线之间的互电容；以及
在所述复位阶段和测量阶段期间将选定的感测线的互电容充电到不同电势，其中所述不同电势均与所述公共电势不同，由此在所述复位阶段和测量阶段二者期间产生所述选定的感测线与所述未选定的感测线之间的互电容。
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