CN102289332A - 减少电容性触摸屏系统中的电磁干扰 - Google Patents

Abstract

本发明减少电容性触摸屏系统中的电磁干扰。这里公开了用于减少诸如电容性触摸屏之类的互电容测量或传感系统、设备、组件和方法中的电磁干扰的电路和方法的各种实施例。公开了电荷积分器电路和开关电容滤波电路，它们改进了电容性传感器读出电路中的信噪比或者希望的被感测的互电容信号对不希望的EMI信号的比率，而无需增大驱动信号的振幅。这里描述的电荷积分器和开关电容滤波电路的各种实施例使得能够改进对噪声的抗性，而不需要通常与高振幅驱动电路相关联的过度的功率电平，此外所述各种实施例导致了在信号处理的早期增大信噪比。

Description

减少电容性触摸屏系统中的电磁干扰

技术领域

这里描述的本发明的各种实施例一般地涉及电容性感测设备的领域，并且更具体地涉及用于减少或过滤诸如电容性触摸屏之类的互电容测量或传感系统、设备、组件和方法中的电磁干扰的电路和方法。

背景技术

两种主要的电容性感应和测量技术目前被用在大多数触摸板和触摸屏设备中。第一种这样的技术是自电容(self capacitance)的技术。由SYNAPTICS^TM制造的很多设备使用了自电容测量技术，诸如CYPRESSPSOC^TM之类的集成电路(IC)设备也是如此。自电容涉及利用诸如日期为1996年8月6日、标题为“Touch Pad Driven Handheld ComputingDevice”的、授予Bisset等的美国专利No.5,543,588中所描述的那些技术之类的技术，来测量一系列电极板的自电容。

可通过对处在给定电压的物体上积蓄的电荷量(Q＝CV)的检测，来测量自电容。通常通过将已知电压施加到电极并且然后利用电路来测量多少电荷流向此同一电极，来测量自电容。当使外部物体靠近电极时，额外的电荷被吸引至电极。结果，电极的自电容增加。很多触摸传感器被配置以使得接地物体是手指。人体对于电场消失的面而言本质上是电容器，并且通常具有大约100pF的电容。

触摸板和触摸屏设备中使用的第二种主要的电容性传感和测量技术是互电容(mutual capacitance)的技术，在该技术中利用电极的交叉格栅(crossed grid)来执行测量。例如，参见日期为1999年1月19日的、标题为“Methods and Apparatus for Data Input”的、授予Gerpheide的美国专利No.5,861,875。互电容技术被用在由CIRQUE^TM制造的触摸板设备中。在互电容测量中，电容是在两个导体之间测量的，这与自电容测量形成对比，在自电容测量中单个导体的电容被测量，并且自电容测量可能被接近的其他物体所影响。

在电容性触摸屏中，用户的手指表示连接到电场地(electric fieldground)的电极。由于用于为电容性触摸屏供电的开关电源转换器的广泛使用，读出电子地端子(或系统地(system ground))的电势可能相对于与电场地相关联的电压以周期性的方式或非严格周期性的方式而显著地变化。电场电压或电势被假设成在无限远处为零。系统地电压相对于电场地电压的变化可在从电容性触摸屏获取的互电容信号中产生显著干扰，我们在这里将它一般地称为电磁干扰。这样的干扰可被视作由于读出采样时钟与开关电源转换器时钟之间的一般未知的相位关系而引起的“噪声”。对电磁干扰的其他贡献可包括与由各种周围或环境的源在人体和触摸屏中诱导出的所不希望的电荷相关联的“噪声”耦合，其中所述源可以相对于电容性触摸屏驱动信号是异步的。

所需要的是能够减少或以另外的方式过滤电磁干扰的作用的电容性触摸屏系统。

发明内容

在一个实施例中，提供了一种电容性触摸屏系统，所述电容性触摸屏系统包括：触摸屏，所述触摸屏包括布置在行或列中的第一组多个导电的驱动电极、以及布置在相对于第一组多个电极的行或列以一个角度排列的行或列中的第二组多个导电的感测电极，在第一组多个电极和第二组多个电极交叉的位置、在第一组多个电极和第二组多个电极之间存在互电容，这样的互电容在存在着靠近其的一个或多个手指或者触摸器件的情况下改变；至少一个驱动电路，所述至少一个驱动电路可操作地连接至第一组多个电极并且被配置为向其提供具有高和低状态的驱动信号；多个感测电路，每个感测电路可操作地连接至第二组多个电极中的相应电极；系统地，所述系统地与所述电容性触摸屏系统相关联；电场地，所述电场地与所述一个或多个手指或者触摸器件以及所述触摸屏相关联；其中每个感测电路包括电荷积分器电路和开关电容滤波电路，所述电荷积分器电路被配置为接收由第二组多个电极中的相应电极提供的输入信号并且提供积分信号给所述开关电容滤波电路，所述开关电容滤波电路被配置为分别对由所述电荷积分器电路向其传送的第一积分信号和第二积分信号进行采样并且存储在第一电容器和第二电容器中，所述第一积分信号对应于高状态驱动信号并且所述第二积分信号对应于低状态驱动信号，所述开关电容滤波电路被配置为提供输出信号，所述输出信号表示第二组多个电极中的与该感测电路相对应的电极的互电容，并且所述系统地与所述电场地之间的电磁干扰电压被所述开关电容滤波电路基本上从该输出信号中过滤掉。

在另一个实施例中，提供了一种用于电容性触摸屏系统的处理器，所述电容性触摸屏系统包括：触摸屏，所述触摸屏包括布置在行或列中的第一组多个导电的驱动电极、以及布置在相对于第一组多个电极的行或列以一个角度排列的行或列中的第二组多个导电的感测电极，在第一组多个电极和第二组多个电极交叉的位置、在第一组多个电极和第二组多个电极之间存在互电容，这样的互电容在存在着靠近其的一个或多个手指或者触摸器件的情况下改变；系统地，所述系统地与所述电容性触摸屏系统相关联；电场地，所述电场地与所述一个或多个手指或者触摸器件以及所述触摸屏相关联；所述处理器包括：至少一个驱动电路，所述至少一个驱动电路可操作地连接至第一组多个电极并且被配置为向其提供具有高和低状态的驱动信号；多个感测电路，每个感测电路可操作地连接至第二组多个电极中的相应电极；其中每个感测电路包括电荷积分器电路和开关电容滤波电路，所述电荷积分器电路被配置为接收由第二组多个电极中的相应电极提供的输入信号并且提供积分信号给所述开关电容滤波电路，所述开关电容滤波电路被配置为分别对由所述电荷积分器电路向其传送的第一积分信号和第二积分信号进行采样并且存储在第一电容器和第二电容器中，所述第一积分信号对应于高状态驱动信号并且所述第二积分信号对应于低状态驱动信号，所述开关电容滤波电路被配置为提供输出信号，所述输出信号表示第二组多个电极中的与该感测电路相对应的电极的互电容，并且所述系统地与所述电场地之间的电磁干扰电压被所述开关电容滤波电路基本上从该输出信号中过滤掉。

在又一实施例中，提供了一种减少电容性触摸屏系统中的电磁干扰的方法，所述电容性触摸屏系统包括：触摸屏，所述触摸屏包括布置在行或列中的第一组多个导电的驱动电极、以及布置在相对于第一组多个电极的行或列以一个角度排列的行或列中的第二组多个导电的感测电极，在第一组多个电极和第二组多个电极交叉的位置、在第一组多个电极和第二组多个电极之间存在互电容，这样的互电容在存在着靠近其的一个或多个手指或者触摸器件的情况下改变；系统地，所述系统地与所述电容性触摸屏系统相关联；电场地，所述电场地与所述一个或多个手指或者触摸器件以及所述触摸屏相关联；所述方法包括：利用交替的高和低状态驱动信号顺序地驱动第一组多个电极；利用每个感测电路的电荷积分器电路在高和低状态驱动信号期间感测与第二组多个电极中的每一个相关联的互电容；对于每个电荷积分器电路，向开关电容滤波电路分别提供与高和低状态驱动信号相对应的第一积分信号和第二积分信号；所述开关电容滤波电路分别对所述第一积分信号和所述第二积分信号进行采样并且存储在第一电容器和第二电容器中；利用所述开关电容滤波电路来提供输出信号，所述输出信号表示第二组多个电极中的与该感测电路相对应的电极的互电容，并且所述系统地与所述电场地之间的电磁干扰电压被所述开关电容滤波电路基本上从该输出信号中过滤掉。

这里公开了进一步的实施例，或者在本领域的技术人员已阅读和理解说明书及其附图之后进一步的实施例将会变得显而易见。

附图说明

从下面的说明书、附图和权利要求中，本发明的各种实施例的不同方面将会变得清楚，其中：

图1示出电容性触摸屏系统的一个实施例的横截面视图；

图2示出电容性触摸屏控制器的框图；

图3示出电容性触摸屏系统和主控制器的框图的一个实施例；

图4示出电容性触摸屏系统的一个实施例的示意框图；

图5示出在存在手指触摸的情况下的触摸传感器像素电路的一个实施例；

图6示出在不存在手指触摸的情况下的触摸传感器像素电路的一个实施例；

图7示出具有电荷积分器电路的触摸传感器像素电路的示意图；

图8示出开关电容滤波电路的一个实施例；

图9示出用于图8的电路的定时控制序列的一个实施例；

图10示出针对电荷积分器电路和相应的开关电容滤波电路的一个实施例、以较低的频率获得的电路仿真和分析结果；

图11示出针对电荷积分器电路和相应的开关电容滤波电路的一个实施例、以更宽的频率范围获得的电路仿真和分析结果；

图12示出开关电容滤波电路的另一个实施例；

图13示出开关电容滤波电路的又一个实施例；并且

图14示出针对电荷积分器电路和相应的开关电容滤波电路的三个不同实施例而获得的分析结果。

附图未必符合比例。附图中，类似的标号指类似的部分或步骤。

具体实施方式

如图1所示，电容性触摸屏系统110通常包括在下面的LCD或OLED显示器112，在上面的触敏面板或触摸屏90，设置在触摸屏90之上的保护性覆盖或电介质板95，以及触摸屏控制器、微处理器、专用集成电路(“ASIC”)或CPU 100。注意，除LCD或OLED以外的图像显示器可被设置在显示器112之下。

图2示出触摸屏控制器100的一个实施例的框图。在一个实施例中，触摸屏控制器100可以是根据这里提出的教导而修改的AvagoTechnologies^TM AMRI-5000 ASIC或芯片100。在一个实施例中，触摸屏控制器是被设计为向触摸屏系统提供高精度屏上导航的低功率电容性触摸面板控制器。

可通过将诸如氧化铟锡(ITO)之类的导电材料应用于电介质板的面上，来形成图3和图4所示的电容性触摸屏或触摸面板90，电介质板通常包括玻璃、塑料或另一种合适的电绝缘的且优选地光能透射的材料，并且通常以电极格栅的形状来使电介质板成形。格栅的电容保持电荷，并且用手指触摸面板呈现了到用户身体的电路路径，这引起了电容的改变。

触摸屏控制器100感测和分析这些电容改变的坐标。当触摸屏90被附于具有图形用户界面的显示器时，通过追踪触摸坐标可以进行屏上导航。经常有必要检测多个触摸。通过对接触所希望的分辨率来驱动格栅的尺寸。通常存在另外的盖板95来保护触摸屏90的顶部ITO层，从而形成完整的触摸屏方案(例如参见图1)。

创建触摸屏90的一种方式是将ITO格栅应用在电介质板或衬底的仅一侧。当触摸屏90与显示器配对时，不需要另外的保护性覆盖。这具有如下益处：创建更薄的显示系统，具有改进的透射率(＞90％)，实现更亮和更轻的手持设备。触摸屏控制器100的应用包括但不限于智能电话、便携媒体播放器、移动因特网设备(MID)和GPS设备。

现在参考图3和图4，在一个实施例中，触摸屏控制器100包括模拟前端，该模拟前端具有连接到触摸屏上的ITO格栅的9条感测和驱动信号线和16条驱动和感测线。触摸屏控制器100将诸如方波、弯曲信号或其他合适类型的驱动信号之类的激励施加于驱动电极，该激励可具有从大约40kHz与大约200kHz之间的范围中选择的频率。AC信号经由互电容耦合到感测线。带有手指的触摸面板90变更了触摸位置处的电容。触摸屏控制器100可同时解析和追踪多个触摸。高的刷新率使主机能追踪快速的接触以及任何另外的移动，而没有可感觉到的延迟。嵌入式处理器过滤数据、识别触摸坐标并且报告它们给主机。嵌入式固件可经由补丁加载(patch loading)来更新。其他数目的驱动和感测线当然被考虑进来，例如8×12和12×20阵列。

根据一个实施例并且如图4所示，ITO格栅可被用在触摸屏90上，并且包括行20a-20p和列10a-10i，其中行20a-20p可操作地连接至感测电路并且列10a-10i可操作地连接至驱动电路。图4示出用于将ITO或其他驱动和感测线路由选择到触摸屏控制器100的一个配置。感测和驱动线的行和列是可交换的。

本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的各种实施例的范围或精神的情况下，除了被修改的AMRI-5000芯片或触摸屏控制器100之外的触摸屏控制器、微处理器、ASIC或CPU可被用在触摸屏系统110中，并且除了这里明确示出的之外的不同数目的驱动和感测线以及不同数目和配置的驱动和感测电极可被使用。

现在参考图5和图6，示出了表示互电容触摸屏中的单个像素传感器的电容性网络电路50和52，其中在图5中触摸屏受到了用户的手指触摸，并且在图6中触摸屏未被用户触摸。通常的触摸屏包括很多这样的电路，每对电路表示感测和驱动线的交叉。在被触摸的像素传感器中，手指电极通过人体电容器C_hb连接到电场地，人体电容器C_hb通常具有大约100pF的值。在沿着行和列X和Y轴设置的两种类型电极、或者任何其他合适布置的驱动和感测电极的语境中示出了图5和图6所示的电路模型。出于清楚和例示的目的，图5和图6示出了与具有X和Y标号的这样的轴相关联的各种类型的电容。

现在描述图5和图6所示的各种类型的电容。在图5中(“被触摸”情况)，C_xyt1表示存在手指触摸的情况下的电极重叠电容，C_xfgt1表示存在手指触摸的情况下的X电极到电场地电容，C_yfgt1表示存在手指触摸的情况下的Y电极到电场地电容，C_fx1表示手指到X电极电容，C_fy1表示手指到Y电极电容，并且C_hb表示人体电容。在图6中，C_xyn表示不存在手指触摸的情况下的X-Y电极重叠电容，C_xfgn表示不存在手指触摸的情况下的X电极到电场地电容，并且C_yfgn表示不存在手指触摸的情况下的Y电极到电场地电容。通过参考图5和图6将会看到，各种电容标号是类似的。

注意，在图5和图6的电路模型中没有考虑像素电阻率。在这样的电路模型中忽略电阻率对于以适当频率或充电时间进行的触摸屏操作而言是有效的，作为示例充电时间的范围可在大约3微秒与大约100微秒之间。每次在驱动信号电势具有被改变的值之后，这样的适当频率或充电时间允许了充足的时间来完成电荷在触摸屏和相关联的获取或感测电子电路中的重新分布。为了描述触摸屏电阻率作用，与每个触摸传感器像素相关联的电容应该利用电阻器而不是理想导体来连接至端子。在一个实施例中，来自触摸屏中的多个驱动电极之中的一个驱动电极连接至电压源。触摸屏的感测电极连接至传感器读出电子电路(或者获取或感测电路)。

在电容性触摸屏中，用户的手指表示连接至电场地的电极。由于用于为电容性触摸屏供电的开关电源转换器的广泛使用，读出电子地端子(或系统地)的电势可能相对于与电场地相关联的电压以周期性的方式或非严格周期性的方式而显著地变化。电场电压或电势被假设成在无限远处为零。系统地电压相对于电场地电压的变化可在从电容性触摸屏获取的互电容信号中产生显著干扰，我们在这里将它一般地称为电磁干扰。这样的干扰可被视作由于读出采样时钟与开关电源转换器时钟之间的一般未知的相位关系而引起的“噪声”。对电磁干扰的其他贡献可包括与由各种周围或环境的源诱导出的所不希望的电荷相关联的“噪声”耦合，其中所述源可以相对于电容性触摸屏驱动信号是异步的。

图7示出表示被人手指触摸的单个触摸传感器像素的电路模型。像素被驱动电极与系统地之间的电压降V_d充电。注意，电场地被标为实心黑三角形。人体电容器的一个端子连接至电场地，并且另一个端子连接至手指电极。通过连接在系统地与电场地之间的电压源V_emi来描述电磁干扰。复位电荷积分器电路61之后，初始条件在电荷积分器电路61的虚地(virtual ground)处被建立，并且电荷在反馈电容器C_f中被收集，该电荷是通过电压源V_d和V_emi由充电电路60诱导出来的。通过电压源V_d和V_emi由充电电容器C_f产生的电荷的比率的表达式在下面的式(1)中示出，其中图5和图6的标号被使用，并且触摸和未触摸状态下的触摸传感器像素的电容分别用C_dst和C_dsnt来表示。注意，C_sf表示触摸状态下的感测电极到手指电容。

$\frac{Q_{\mathrm{signal}}}{Q_{\mathrm{gemi}}}\≅\frac{V_d(C_{\mathrm{dsnt}}-C_{\mathrm{dst}})}{V_{\mathrm{gemi}}{C}_{\mathrm{sf}}}---\left(1\right)$

式(1)示出信噪比(其中电磁干扰或“EMI”表示噪声)直接与驱动和EMI信号振幅的比率成比例。结果，可以通过增大驱动信号的振幅来改进信噪比。下面描述用于通过感测电极和相应的获取或感测电路来实现电子读出的手段和方法，其中在不增大驱动信号的振幅的情况下改进了信噪比。这些技术提高了对噪声的抗性，而没有通过使用高振幅驱动电路来消耗过多的电力。

由于叠加原理，驱动电极电压V_d和系统地电压V_emi都独立地对由电荷积分器电路61提供的输出信号作出贡献。假如V_d和V_emi是不相关的，则这些贡献是不相关的。以驱动电极所提供的某重复电压值而发生的、在电荷积分器电路61的输出处采样到的信号包含大约相等的电磁干扰信号贡献，只要采样间隔在时间上比电磁干扰信号的变化短得多即可。

现在讨论被配置为针对相等充电时间来对电荷积分器电路61的输出信号进行采样的电路，其中电压V_d被保持在交替的高和低状态(分别地，V_drh和V_drl)。参考图5和图6并且忽略电荷积分器电路放大器的有限的开环增益，在电荷积分器电路61的输出处的信噪比的表达式被导出如下：

${\left(\frac{S}{N}\right)}_t\≅\frac{|V_{\mathrm{drh}}-V_{\mathrm{drl}}|(C_{\mathrm{xyt}1}+\frac{C_{\mathrm{fx}1}{C}_{\mathrm{fy}1}}{C_{\mathrm{fx}1}+C_{\mathrm{fy}1}+C_{\mathrm{hb}}})}{V_{\mathrm{emi}\_\mathrm{pk}-\mathrm{pk}}(C_{\mathrm{xfgt}1}+\frac{C_{\mathrm{hb}}{C}_{\mathrm{fx}1}}{C_{\mathrm{fx}1}+C_{\mathrm{fy}1}+C_{\mathrm{hb}}})}---\left(2\right)$

其中EMI振幅峰峰值的标号是V_{emi_pk-pk}。式(2)的分子限定了由高和低状态中的驱动电势V_d引起的电荷差。式(2)的分母限定了由于EMI引起的电荷积分器电路61所收集的最小值与最大值之间的差。电荷积分器电路61的传递函数对于EMI谐波和驱动信号二者而言是相同的，因此退出了式(2)。

在不触摸条件下，可获得利用图5和图6的标号的、对信噪比的类似表达式：

${\left(\frac{S}{N}\right)}_n\≅\frac{|V_{\mathrm{drh}}-V_{\mathrm{drl}}|C_{\mathrm{xyn}}}{V_{\mathrm{emi}\_\mathrm{pk}-\mathrm{pk}}{C}_{\mathrm{xfgn}}}---\left(3\right)$

被配置为执行相关采样的开关电容滤波电路62的一个实施例在图8中示出，其中符号‘+’标明了用于切换电路控制信号的逻辑OR操作。处在驱动信号振幅的不同电平(V_drh和V_drl)时，开关电容滤波电路62中的电容器C₁和C₂被图7的电荷积分器电路61的输出所提供的信号充电。用来控制开关电容滤波电路62的命令序列在图9中示出。注意，开关S₁和S₂在逻辑高状态期间被闭合。

描述在相关采样电路已执行其操作之后的EMI信号谱的一个表达式如下：

V_{emi_cs}(ω)＝V_{emi_out}(ω)exp[-jωΔt]-V_{emi_out}(ω)    (4)

其中Δt是样本之间的时间间隔，并且V_{emi_out}是在电荷积分器电路61的输出处呈现的EMI信号。

当式(2)被扩展以包括频域中相关采样的作用时，它变为式(5)：

${\left(\frac{S}{N}\right)}_{\mathrm{tcs}}=\frac{|V_{\mathrm{drh}}-V_{\mathrm{drl}}|(C_{\mathrm{xyt}1}+\frac{C_{\mathrm{fx}1}{C}_{\mathrm{fy}1}}{C_{\mathrm{fx}1}+C_{\mathrm{fy}1}+C_{\mathrm{hb}}})}{{2V}_{\mathrm{emi}0}\left|\sin \right[\frac{{\mathrm{\πf}}_0}{(1/\mathrm{\Δt})}\left]\right|(C_{\mathrm{xfgt}1}+\frac{C_{\mathrm{hb}}{C}_{\mathrm{fx}1}}{C_{\mathrm{fx}1}+C_{\mathrm{fy}1}+C_{\mathrm{hb}}})}---\left(5\right)$

其中V_emi0是在端子‘f_g’端子处的EMI谐波的振幅，并且f₀是谐波振荡频率。虽然式(5)的信噪比仍然与驱动信号振幅差相对于EMI振幅峰峰振幅差的比率成比例，但是它现在包括了由正弦函数描述的谐波频率对样本之间的时间间隔的倒数的比率。此额外项的滤波性质被用来在某些频率范围衰减EMI谐波噪声，并且因此允许对EMI的滤波。

图10示出分别利用图5和图6的电路50和52而获得的仿真结果，其中图5和图6的像素电路被与‘Y’像素端子连接的电压源所驱动，并且利用与‘X’像素端子连接的电荷积分器电路而被感测或读取，接下来电荷积分器电路61的输出被提供给图8的开关电容滤波电路62。电场地(f_g)端子(或者人体自身电容的第二极板)通过电压源V_emi而连接到系统地，该电压源V_emi以表示EMI信号的频率生成谐波振荡。感测或读出电路包括了与图8所示的开关电容滤波电路类似的开关电容滤波电路。具有开环增益10K的理想操作的放大器被用在电荷积分器电路61中，同时电荷积分器电路反馈电容器C_f被指定10pF的值。当逻辑高信号被施加于开关驱动端子时，理想开关闭合。电荷积分器电路61的虚地连接至0.9V的电压源。其他的仿真参数如下：C_xyn＝1.13pF；C_xyt1＝0.876pF；C_fy1＝1.396pF；C_fx1＝1.132pF；C_hb＝100pF。开关S₁和S₂允许利用在电荷积分器电路61的输出处提供的电压来对开关电容滤波电路62中的采样电容器进行充电，其中在电荷积分器电路61的输出处提供的电压具有与在和驱动电压V_d相关联的脉冲的各个边缘处的、从V_drl到V_drh的上升和从V_drh到V_drl的下降相关联的等间距定时t_ch。所使用的采样间隔对于每个电容器而言具有相同的长度(0.9微秒)。在驱动电势电平改变值之前发生到保持模式的切换。当S_c信号的逻辑高发生时，开关电容滤波电路62的电容器中保持的信号之间产生的差被交给开关电容滤波电路62的输出以供进一步处理。注意，S_c信号也被用来复位电荷积分器电路61。驱动信号被配置为在V_drl＝0V与V_drh＝1.8V之间改变。

参考图10，在如下的式(6)中将会看到，(通过图10的实心黑圆点数据点表示的)所获得的仿真结果极好地符合(通过图10的实连续曲线表示的)从式(5)导出的分析结果：

${\left(\frac{N}{S}\right)}_{\mathrm{nor}}=\frac{V_{\mathrm{ripple}\_\mathrm{pk}-\mathrm{pk}}/<V_{\mathrm{out}}>}{V_{\mathrm{emi}\_\mathrm{pk}-\mathrm{pk}}/|V_{\mathrm{drh}}-V_{\mathrm{drl}}|}=$

$\frac{2\left|\sin \right[\frac{{\mathrm{\&pi;f}}_0}{(1/\mathrm{\&Delta;t})}\left]\right|(C_{\mathrm{xfgt}1}+\frac{C_{\mathrm{hb}}{C}_{\mathrm{fx}1}}{C_{\mathrm{fx}1}+C_{\mathrm{fy}1}+C_{\mathrm{hb}}})}{(C_{\mathrm{xyt}1}+\frac{C_{\mathrm{fx}1}{C}_{\mathrm{fy}1}}{C_{\mathrm{fx}1}+C_{\mathrm{fy}1}+C_{\mathrm{hb}}})}---\left(6\right)$

其中式(6)的右部分表示被正规化的谐波EMI衰减，该衰减是利用式(5)获得的并且在图10中被绘制为连续曲线，同时利用时域SPECTRE^TM程序仿真而仿真出的电路结果以实心黑圆点形式示出。由于由开关电容滤波电路62所实现的相关采样而产生的滤波，在基本低于f_sam(或1/Δt)的频率处的EMI贡献如图10所示被衰减。所产生的EMI谐波衰减也被发现基本是不依赖相位的。图11示出图10所示的仿真和分析结果在更宽范围的频率上的扩展绘图。图11示出开关电容滤波电路62的传递函数类似于梳状陷波器(comb notch filter)，滤波性质受样本之间的时间间隔的控制。

图8的开关电容滤波电路62的修改版本——开关电容滤波电路64在图12和图13中被示出，其中额外的多对电容器被用来对EMI进行滤波。这些额外的多对电容器使得能够在低于和高于相邻样本之间的时间间隔的倒数的频率处调整所产生的滤波传递函数。图12示出具有互相并联地布置的N对电容器的开关电容滤波电路64。图13示出具有互相并联地布置的三对电容器的开关电容滤波电路64。

将相关采样与信号平均在其输出处结合的开关电容滤波电路允许在某些频率处的被改进的EMI衰减，它可受感测或获取电路的参数的控制。主要的这种滤波参数是N、T/Δt和Δt，现在描述关于它们的更多情况。针对多个样本在图12和图13所示的开关电容滤波电路64的输出处被平均的情况、以与式(6)类似的方式而导出了下面所示的式(7)。注意，相对于式(6)，式(7)包含两个额外的参数：N或者说所采样的信号差的对数、以及T/Δt——样本差重复时间对样本之间时间间隔的比率。则式(7)如下：

${\left(\frac{N}{S}\right)}_{\mathrm{nor}}=\left|\frac{2\sin \left[\frac{{\mathrm{\&pi;f}}_0}{f_{\mathrm{sam}}}\right]\sin \left[\frac{{\mathrm{\&pi;f}}_0}{f_{\mathrm{sam}}}\frac{T}{\mathrm{\&Delta;t}}N\right]}{N\sin \left[\frac{{\mathrm{\&pi;f}}_0}{f_{\mathrm{sam}}}\frac{T}{\mathrm{\&Delta;t}}\right]}\right|\frac{(C_{\mathrm{xfgt}1}+\frac{C_{\mathrm{hb}}{C}_{\mathrm{fx}1}}{C_{\mathrm{fx}1}+C_{\mathrm{fy}1}+C_{\mathrm{hb}}})}{(C_{\mathrm{xyt}1}+\frac{C_{\mathrm{fx}1}{C}_{\mathrm{fy}1}}{C_{\mathrm{fx}1}+C_{\mathrm{fy}1}+C_{\mathrm{hb}}})}---\left(7\right)$

通过增加N，增加了传递函数中凹陷(notch)的数目。变化T/Δt使得在其上发生滤波的频率范围能够与面板充电时间(例如3到100微秒)相匹配。样本之间的时间间隔Δt可以变化以使更低或更高带宽的信号能被过滤。

图14示出针对具有一对电容器(由曲线75来表示)、两对电容器(由曲线77来表示)和三对电容器(由曲线79来表示)的开关电容滤波电路64、而从式(7)导出的分析传递函数结果。在驱动循环周期为15μsec的情况下，利用与Δt＝6μsec以及T/Δt＝2.5相对应的控制时间序列参数而获得了图14所示的仿真结果。

现在将会看到，与开关电容滤波电路62或64结合的电荷积分器电路61导致了电容性传感器读出电路中的被改进的信噪比(或者所希望被感测的互电容信号对所不希望的EMI信号的比率)，而无需增大驱动信号的振幅。这里描述的电荷积分器和开关电容滤波电路的各种实施例使得能够改进对噪声的抗性，而不需要通常与高振幅驱动电路相关联的过度的功率电平，此外所述各种实施例导致了在信号处理的早期增大信噪比。

在一个实施例中，并且如图8的开关电容滤波电路62所示，第一和第二电容器C₁和C₂串联地电连接，并且开关电容滤波电路62包括分别与第一和第二电容器相对应的第一和第二输入开关S₁和S₂。第一输入开关S₁被配置为在第二开关S₂断开的时候、当对应于高状态驱动信号的第一积分信号被传送至第一输入开关S₁时闭合并对第一电容器C₁充电。第二输入开关S₂被配置为在第一开关S₁断开的时候、当对应于低状态驱动信号的第二积分信号被传送至第二输入开关S₂时闭合并对第二电容器C₂充电。参考电压V_r通过第三开关(标以作为控制信号的S₁+S₂)而可切换且可操作地连接在第一和第二电容器C₁和C₂之间。这样的第三开关被配置为当第一开关S₁闭合时或者当第二开关S₂闭合时闭合以便提供参考电压V_r给开关电容滤波电路62。注意，这样的第三开关必须当第一开关S₁闭合时或者当第二开关S₂闭合时闭合。开关S₁和S₂决不同时闭合。参考电压V_r通过第四开关(标为图8的最右下开关处的S_c，其中S_c是控制信号)而可切换且可操作地连接至第二电容器C₂，并且开关电容滤波电路还包括输出开关(也标为S_c，该S_c也是控制信号，但是在图8的最右上开关处)。第四开关和输出开关被配置为当第一和第二开关S₁和S₂断开时、但是在第一和第二电容器C₁和C₂已利用第一和第二积分信号被充电并且第三开关已被闭合和断开之后闭合。

在其他实施例中，图8的开关电容滤波电路可被扩展为包括如图12和图13的电路64所示的额外多对电容器，其中每个开关电容滤波电路64包括多对第一和第二电容器，每对第一和第二电容器串联地电连接，各对被布置为互相并联，并且其中仅仅一对电容器在高和低驱动状态的单个周期期间被充电，而且各对利用与高和低驱动状态的序列周期相对应的第一和第二积分信号而被充电。由这样的开关电容滤波电路64提供的输出信号表示了被平均或增强的信噪互电容(signal-to-noise mutualcapacitance)。

此外，触摸屏系统110或处理器100优选地包括如下复位电路：该复位电路被配置为在感测周期已被完成之后排出多个感测和驱动电极中的每一个上的剩余电荷。在一个实施例中处理器是集成电路。作为示例，处理器100可以是作为微处理器、控制器或专用集成电路(ASIC)之一的集成电路，并且可以利用CMOS或BiCMOS工艺来形成。

注意，这里提出的各种教导可应用于例如设置在印刷电路板、柔性板或其他合适的衬底上的光能透射或光不能透射的触摸板。虽然电容性触摸屏90的主要用途被相信很可能在相对小的便携设备及其触摸板或触摸屏的语境中，但是它在更大设备的语境中也可以是有价值的，更大设备例如包括与台式计算机或者诸如训练设备、工业控制盘、家用电器等之类的其他较不便携的设备相关联的键盘。类似地，虽然本发明的很多实施例被相信最可能被配置用于用户手指的操纵，但是一些实施例也可被配置用于其他机构或身体部分的操纵。例如，感测电路可位于键盘的扶手上或键盘的扶手中，并且通过用户的手的根部来使用。此外，电容性触摸屏系统110和电容性触摸屏90的各种实施例在范围上不限于设置在行中的驱动电极以及设置在列中的感测电极。代替地，就感测和驱动电极而言，行和列是可交换的。电容性触摸屏系统110和电容性触摸屏90的各种实施例也能够结合触笔(stylus)来操作，以使得触摸屏90上的触笔接触被检测。系统110和触摸屏90还可被配置为允许检测手指触摸和触笔接触二者。

还应注意，制造和已经制造这里描述的各种组件、设备和系统的方法被包括在本发明的范围内。例如，根据各种实施例，提供了一种减少电容性触摸屏系统中的电磁干扰的方法，所述电容性触摸屏系统包括：触摸屏，所述触摸屏包括布置在行或列中的第一组多个导电的驱动电极、以及布置在相对于第一组多个电极的行或列以一个角度排列的行或列中的第二组多个导电的感测电极，在第一组多个电极和第二组多个电极交叉的位置、在第一组多个电极和第二组多个电极之间存在互电容，这样的互电容在存在着靠近其的一个或多个手指或者触摸器件的情况下改变；系统地，所述系统地与所述电容性触摸屏系统相关联；电场地，所述电场地与所述一个或多个手指或者触摸器件以及所述触摸屏相关联；所述方法包括：利用交替的高和低状态驱动信号顺序地驱动第一组多个电极；利用每个感测电路的电荷积分器电路在高和低状态驱动信号期间感测与第二组多个电极中的每一个相关联的互电容；对于每个电荷积分器电路，向开关电容滤波电路分别提供与高和低状态驱动信号相对应的第一积分信号和第二积分信号；所述开关电容滤波电路分别对所述第一积分信号和所述第二积分信号进行采样并且存储在第一电容器和第二电容器中；以及利用所述开关电容滤波电路来提供输出信号，所述输出信号表示第二组多个电极中的与该感测电路相对应的电极的互电容，并且所述系统地与所述电场地之间的电磁干扰电压被所述开关电容滤波电路基本上从该输出信号中过滤掉。

这样的方法还可包括以下的一个或多个步骤：串联地电连接所述第一电容器和所述第二电容器；在所述开关电容滤波电路中设置分别与所述第一电容器和所述第二电容器相对应的第一输入开关和第二输入开关；将所述第一输入开关配置为在第二开关断开的时候、当对应于高状态驱动信号的所述第一积分信号被传送至所述第一输入开关时闭合并对所述第一电容器充电；将所述第二输入开关配置为在第一开关断开的时候、当对应于低状态驱动信号的所述第二积分信号被传送至所述第二输入开关时闭合并对所述第二电容器充电；通过第三开关而可切换且可操作地连接在所述第一电容器和所述第二电容器之间的参考电压；将所述第三开关配置为当第一开关或第二开关闭合时闭合并且提供所述参考电压给所述开关电容滤波电路；通过第四开关将所述参考电压可切换且可操作地连接至所述第二电容器，并且向所述开关电容滤波电路提供输出开关；当第一开关和第二开关断开时、但是在所述第一电容器和所述第二电容器已利用所述第一积分信号和所述第二积分信号被充电并且所述第三开关已被闭合和断开之后闭合所述第四开关和所述输出开关；配置所述开关电容滤波电路以使得它包括多对第一电容器和第二电容器，每对第一电容器和第二电容器串联地电连接，各对被布置为互相并联；在高和低驱动状态的单个周期期间仅对一对电容器进行充电，而且各对利用与高和低驱动状态的序列周期相对应的第一积分信号和第二积分信号而被充电；以及从所述开关电容滤波电路提供表示被平均或增强的信噪互电容的所述输出信号。

上述实施例应当视作本发明的示例，而非对本发明的范围的限制。除了本发明的上述实施例以外，对详细描述和附图的审阅将会示出存在本发明的其他实施例。因此，未在此明确陈述的、本发明的上述实施例的很多组合、置换、变化和修改将会仍然落在本发明的范围内。

Claims (40)

1.一种电容性触摸屏系统，包括：

触摸屏，所述触摸屏包括布置在行或列中的第一组多个导电的驱动电极、以及布置在相对于第一组多个电极的行或列成一个角度排列的行或列中的第二组多个导电的感测电极，在第一组多个电极和第二组多个电极交叉的位置在第一组多个电极和第二组多个电极之间存在互电容，这样的互电容在存在与其靠近的一个或多个手指或者触摸器件时改变；

至少一个驱动电路，所述至少一个驱动电路可操作地连接至所述第一组多个电极，并且被配置为向其提供具有高和低状态的驱动信号；

多个感测电路，每个感测电路可操作地连接至所述第二组多个电极中的相应电极；

系统地，所述系统地与所述电容性触摸屏系统相关联；

电场地，所述电场地与所述一个或多个手指或者触摸器件和所述触摸屏相关联；

其中，每个感测电路包括电荷积分器电路和开关电容滤波电路，所述电荷积分器电路被配置为接收由所述第二组多个电极中的相应电极提供的输入信号并且提供积分信号给所述开关电容滤波电路，所述开关电容滤波电路被配置为分别对由所述电荷积分器电路向其传送的第一积分信号和第二积分信号进行采样并且存储在第一电容器和第二电容器中，所述第一积分信号对应于高状态驱动信号，所述第二积分信号对应于低状态驱动信号，所述开关电容滤波电路被配置为提供输出信号，所述输出信号表示所述第二组多个电极中的与该感测电路对应的电极的互电容，并且所述系统地与所述电场地之间的电磁干扰电压的被所述开关电容滤波电路基本上从该输出信号中过滤掉。

2.根据权利要求1所述的电容性触摸屏系统，其中，所述第一电容器和所述第二电容器串联地电连接。

3.根据权利要求2所述的电容性触摸屏系统，其中，所述开关电容滤波电路包括分别与所述第一电容器和所述第二电容器相对应的第一输入开关和第二输入开关。

4.根据权利要求3所述的电容性触摸屏系统，其中，所述第一输入开关被配置为在所述第二开关断开的情况下在对应于高状态驱动信号的所述第一积分信号被传送到的时候闭合并对所述第一电容器充电。

5.根据权利要求4所述的电容性触摸屏系统，其中，所述第二输入开关被配置为在所述第一开关断开的情况下在对应于低状态驱动信号的所述第二积分信号被传送的时候闭合并对所述第二电容器充电。

6.根据权利要求5所述的电容性触摸屏系统，其中，参考电压通过第三开关而可切换且可操作地连接在所述第一电容器和所述第二电容器之间。

7.根据权利要求6所述的电容性触摸屏系统，其中，所述第三开关被配置为当第一或第二开关闭合时闭合，以便将所述参考电压提供给所述开关电容滤波电路。

8.根据权利要求7所述的电容性触摸屏系统，其中，所述参考电压通过第四开关而可切换且可操作地连接至所述第二电容器，并且所述开关电容滤波电路还包括输出开关。

9.根据权利要求8所述的电容性触摸屏系统，其中，所述第四开关和所述输出开关被配置为当第一和第二开关断开时、但是在第一和第二电容器已利用第一和第二积分信号被充电并且第三开关已被闭合和断开之后闭合。

10.根据权利要求1所述的电容性触摸屏系统，其中，所述开关电容滤波电路包括多对第一和第二电容器，每对第一和第二电容器串联地电连接，各对被布置为彼此并联。

11.根据权利要求10所述的电容性触摸屏系统，其中，仅仅一对电容器在高驱动状态和低驱动状态的单个周期期间被充电，并且各对利用与高驱动状态和低驱动状态的序列周期相对应的第一积分信号和第二积分信号被充电。

12.根据权利要求11所述的电容性触摸屏系统，其中，由所述开关电容滤波电路提供的所述输出信号表示平均或增强的信噪互电容。

13.一种用于电容性触摸屏系统的处理器，所述电容性触摸屏系统包括：触摸屏，所述触摸屏包括布置在行或列中的第一组多个导电的驱动电极、以及布置在相对于第一组多个电极的行或列成一个角度排列的行或列中的第二组多个导电的感测电极，在第一组多个电极和第二组多个电极交叉的位置在第一组多个电极和第二组多个电极之间存在互电容，这样的互电容在存在与其靠的一个或多个手指或者触摸器件时改变；系统地，所述系统地与所述电容性触摸屏系统相关联；电场地，所述电场地与所述一个或多个手指或者触摸器件和所述触摸屏相关联，所述处理器包括：

至少一个驱动电路，所述至少一个驱动电路可操作地连接至所述第一组多个电极，并且被配置为向其提供具有高和低状态的驱动信号；

多个感测电路，每个感测电路可操作地连接至所述第二组多个电极中的相应电极；

其中，每个感测电路包括电荷积分器电路和开关电容滤波电路，所述电荷积分器电路被配置为接收由所述第二组多个电极中的相应电极提供的输入信号并且提供积分信号给所述开关电容滤波电路，所述开关电容滤波电路被配置为分别对由所述电荷积分器电路向其传送的第一积分信号和第二积分信号进行采样并且存储在第一电容器和第二电容器中，所述第一积分信号对应于高状态驱动信号，所述第二积分信号对应于低状态驱动信号，所述开关电容滤波电路被配置为提供输出信号，所述输出信号表示所述第二组多个电极中的与该感测电路对应的电极的互电容，并且所述系统地与所述电场地之间的电磁干扰电压被所述开关电容滤波电路基本上从该输出信号中过滤掉。

14.根据权利要求13所述的处理器，其中，所述第一电容器和所述第二电容器串联地电连接。

15.根据权利要求14所述的处理器，其中，所述开关电容滤波电路包括分别与所述第一电容器和所述第二电容器相对应的第一输入开关和第二输入开关。

16.根据权利要求15所述的处理器，其中，所述第一输入开关被配置为在所述第二开关断开的情况下在对应于高状态驱动信号的所述第一积分信号被传送到的时候闭合并对所述第一电容器充电。

17.根据权利要求16所述的处理器，其中，所述第二输入开关被配置为在所述第一开关断开的情况下在对应于低状态驱动信号的所述第二积分信号被传送到的时候闭合并对所述第二电容器充电。

18.根据权利要求17所述的处理器，其中，参考电压通过第三开关而可切换且可操作地连接在所述第一电容器和所述第二电容器之间。

19.根据权利要求18所述的处理器，其中，所述第三开关被配置为当第一或第二开关闭合时闭合，以便将所述参考电压提供给所述开关电容滤波电路。

20.根据权利要求19所述的处理器，其中，所述参考电压通过第四开关而可切换且可操作地连接至所述第二电容器，并且所述开关电容滤波电路还包括输出开关。

21.根据权利要求20所述的处理器，其中，所述第四开关和所述输出开关被配置为当第一和第二开关断开时、但是在第一和第二电容器已利用第一和第二积分信号被充电并且第三开关已被闭合和断开之后闭合。

22.根据权利要求13所述的处理器，其中，所述开关电容滤波电路包括多对第一和第二电容器，每对第一和第二电容器串联地电连接，各对被布置为彼此并联。

23.根据权利要求22所述的处理器，其中，仅仅一对电容器在高驱动状态和低驱动状态的单个周期期间被充电，而且各对利用与高驱动状态和低驱动状态的序列周期相对应的第一积分信号和第二积分信号被充电。

24.根据权利要求23所述的处理器，其中，由所述开关电容滤波电路提供的所述输出信号表示平均或增强的信噪互电容。

25.根据权利要求13所述的处理器，还包括复位电路，所述复位电路被配置为在感测周期完成之后排出第二组多个电极中的每一个上的剩余电荷。

26.根据权利要求13所述的处理器，其中，所述处理器是集成电路。

27.根据权利要求26所述的处理器，其中，所述集成电路是微处理器、控制器或专用集成电路之一。

28.根据权利要求26所述的处理器，其中，所述集成电路是利用CMOS或BiCMOS工艺来形成的。

29.一种减少电容性触摸屏系统中的电磁干扰的方法，所述电容性触摸屏系统包括：触摸屏，所述触摸屏包括布置在行或列中的第一组多个导电的驱动电极、以及布置在相对于第一组多个电极的行或列成一个角度排列的行或列中的第二组多个导电的感测电极，在第一组多个电极和第二组多个电极交叉的位置在第一组多个电极和第二组多个电极之间存在互电容，这样的互电容在存在与其靠近的一个或多个手指或者触摸器件时改变；系统地，所述系统地与所述电容性触摸屏系统相关联；电场地，所述电场地与所述一个或多个手指或者触摸器件和所述触摸屏相关联；所述方法包括：

利用交替的高状态驱动信号和低状态驱动信号顺序地驱动第一组多个电极；

利用用于每个感测电路的电荷积分器电路在高状态驱动信号和低状态驱动信号期间感测与第二组多个电极中的每一个电极相关联的互电容；

针对每个电荷积分器电路，向开关电容滤波电路提供分别与高状态驱动信号和低状态驱动信号相对应的第一积分信号和第二积分信号；

所述开关电容滤波电路分别对所述第一积分信号和所述第二积分信号进行采样并且存储在第一电容器和第二电容器中；

利用所述开关电容滤波电路来提供输出信号，所述输出信号表示所述第二组多个电极中的与该感测电路相对应的电极的互电容，并且所述系统地与所述电场地之间的电磁干扰电压被所述开关电容滤波电路基本上从该输出信号中过滤掉。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述第一电容器和所述第二电容器串联地电连接。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述开关电容滤波电路包括分别与所述第一电容器和所述第二电容器相对应的第一输入开关和第二输入开关。

32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述第一输入开关在所述第二开关断开的情况下在对应于高状态驱动信号的所述第一积分信号被传送到的时候闭合并对所述第一电容器充电。

33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述第二输入开关在所述第一开关断开的情况下在对应于低状态驱动信号的所述第二积分信号被传送到的时候闭合并对所述第二电容器充电。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，参考电压通过第三开关而可切换且可操作地连接在所述第一电容器和所述第二电容器之间。

35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第三开关当第一或第二开关闭合时闭合，以便将所述参考电压提供给所述开关电容滤波电路。

36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述参考电压通过第四开关而可切换且可操作地连接至所述第二电容器，并且所述开关电容滤波电路还包括输出开关。

37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述第四开关和所述输出开关当第一和第二开关断开时、但是在第一和第二电容器已利用第一和第二积分信号被充电并且第三开关已被闭合和断开之后闭合。

38.根据权利要求29所述的方法，其中，所述开关电容滤波电路包括多对第一和第二电容器，每对第一和第二电容器串联地电连接，各对被布置为彼此并联。

39.根据权利要求38所述的方法，其中，仅仅一对电容器在高驱动状态和低驱动状态的单个周期期间被充电，而且各对利用与高驱动状态和低驱动状态的序列周期相对应的第一积分信号和第二积分信号被充电。

40.根据权利要求39所述的方法，其中，由所述开关电容滤波电路提供的所述输出信号表示平均或增强的信噪互电容。

Images