CN102299716A - 取样保持电路及其触控感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种取样保持电路，其是包括有一比率电容以及一控制电路。该取样保持电路是与一电容式触控感测器以及讯号处理器耦接以形成一触控感测装置。在该取样保持电路中，该比率电容，其是具有一第一端以及一第二端，该比率电容是以该第一端与该电容式触控感测器串联。该控制电路，其是与该第二端相耦接。由于本发明的取样保持电路通过该比率电容与电容式触控感测器串连，因此无论该电容式触控感测器的规格如何变化，其二者的等效电容值被箝制在该比率电容值附近，因此能有效增加该取样保持电路的相容性，而可以适用不同规格的电容式触控感测器。

Description

取样保持电路及其触控感测装置

技术领域

本发明是为一种取样保持电路，尤其是关于一种撷取电容式触控感测器所产生的讯号的取样保持电路及其触控感测装置。

背景技术

图1是为习知的自电容(self capacitance)式触控感测器10在自我感测(selfsensing)模式中的动作情形。触控感测器10包含一复数组的相邻平行导电轨101a、101b及101c，如图1所示。在自我感测模式中，一取样保持电路104与一触发电压源105与导电轨101b相连而平行导电轨(trace)101a及101c为断路(open circuit)，而导电轨101a及101c对导电轨101b所产生的互感电容106a与106b在自感测的模式下可以忽略视的。然而当有外力触压于感测器10上对应导电轨101b的位置时，与该导电轨耦接的触感电容器(touch capacitor)103的电容值产生了变化，进而影响了触感电容103。当自电容器102与触感电容103的总和变化超过一个阈值(threshold)时，该取样保持电路104即输出一信号表示该触控感测器10为外物所接触。

同理，图2是为习知的互电容(mutual capacitance)式触控感测器20在交互感测(mutual sensor)模式中的动作情形。触控感测器20仍包含一复数组的相邻平行导电轨201a、201b及201c，如图2所示。在交互感测模式中，一取样保持电路204与导电轨201b相连而平行导电轨201a及201c分别与一触发电压源205a及205b相连。当有外力触压于感测器20上对应相邻导电轨201a与201b之间位置时，触感电容器203电容值产生变化，而导电轨201a与201b间的等效寄生电容202a与202b也产生变化。当寄生电容202a与202b变化超过一个阈值(threshold)时，该取样保持电路204即输出一信号表示该触控感测器20为外物所接触。

然而，不同架构条件下的触控感测器往往需搭配特定规格的取样保持电路，例如，当自电容器102或等效寄生电容202a与202b相对于取样保持电路104或204的取样电容过大或过小时，所述特定规格的取样保持电路必需包含与不同架构条件下的触控感测器的自电容器102或等效寄生电容202a与202b相对应特定电容值的电路设计，这样就限制了取样保持电路与触控感测器的适用范围。

发明内容

本发明提供一种高相容性的取样保持电路及其触控感测装置，该取样保持电路，其是利用电容与电容式触控感测器串联的方式，以解决不同架构条件下的触控感测器需搭配特定规格的取样保持电路的问题，以增加取样保持电路的适用范围。

在一实施例中，本发明提供一种取样保持电路，其是用以撷取一电容式触控感测器所产生的讯号，该取样保持电路包含：一比率电容，其是具有一第一端以及一第二端，该比率电容是以该第一端与该电容式触控感测器串联；以及一控制电路，其是与该第二端相耦接。

在另一实施例中，本发明提供一种触控感测装置，包含：一电容式触控感测器；一取样保持电路，其是与该电容式触控感测器相耦接以输出一撷取讯号，该取样保持电路包括有一比率电容以及一控制电路，该比率电容，其是具有一第一端以及一第二端，该比率电容是以该第一端与该电容式触控感测器串联，该控制电路，其是与该第二端相耦接；以及一讯号处理器，其是与该取样保持电路相耦接以处理该撷取讯号。

附图说明

图1与图2是为习知的电容式触控感测器动作示意图；

图3A是为根据本发明的自电容感测电路实施例示意图；

图3B是为根据本发明的互电容感测电路实施例示意图；

图4A至图4C是为本发明的不同类型取样保持电路示意图；

图5是为本发明的触控感测装置第一实施例示意图；

图6是为本发明的触控感测装置第二实施例示意图；

图7是为本发明的触控感测装置第三实施例示意图；

图8是为本发明的取样保持电路第四实施例示意图；

附图标记说明：

10-自电容式触控感测器；101a～101c-导电轨；102-自电容器；103-触感电容器；104-取样保持电路；105-电压源；106a、106b-互感电容；20-互电容式触控感测器；201a～201c-导电轨；202a、202b-寄生电容；203-触感电容器；204-取样保持电路；205a、205b-电压源；3-触控感测装置；30-取样保持电路；300-控制电路；301-第一端；302-第二端；303-讯号输出端；31-电容式触控感测器；4-触控感测装置；40-电容式触控感测器；41-取样保持电路；410-控制电路；411-第一开关组；4110-运算放大器；412-第二开关组；42-第一端；43-第二端；44-讯号输出端；5-触控感测装置；50-电容式触控感测器；51-取样保持电路；52-讯号处理器；520-比较器；521-模拟数字转换器；522-数字模拟转换器；523-数字滤波器；6-触控感测装置；60-电容式触控感测器；61-取样保持电路；620a～620n-开关；621a～621n-电容器；622-数字模拟转换器；623-反向器；624-开关；625-逻辑电路；7-触控感测装置；70-电容式触控感测器；71-取样保持电路；72-控制电路；720-管线式电路；721-数字模拟转换器；722-模拟数字转换器；723-加法器；724-下一级管线式电路；8-取样保持电路；80-控制电路；800-运算放大器；81-讯号输出端；C1-比率电容；C2-自电容器；C3-触感电容器；C4-取样电容器；C5-互电容器；CI-回受电容；Vc-交流信号产生器；RI-回受电阻；SW1-第一开关；SW2-第二开关。

具体实施方式

请参阅图3A所示，该图是为根据本发明的自电容感测电路实施例示意图。该取样保持电路30包括有一比率电容C1以及一控制电路300。该比率电容C1，其是具有一第一端301以及一第二端302。该控制电路300，其是与该比率电容C1的该第二端302相耦接。

该取样保持电路30是可用以耦接至一电容式触控感测器31上以形成一触控感测装置3。该取样保持电路30，是用以撷取该电容式触控感测器31所产生的讯号并进行处理与运算。该电容式触控感测器31为自电容(self capacitance)式触控感测器。自电容式触控感测器的架构是为熟悉此项技术的人所熟知，如图1所示的架构所示，因此本实施例中，仅以自电容器C2以及触感电容器C3来表示。

该比率电容C1是以该第一端301与该电容式触控感测器31串联。由于，该比率电容C 1的电容值比自电容器C2的电容值小，因此，当该比率电容C1与自电容器C2及触碰感应的电容器C3串联时，设计时自电容器C2的电容值将大于该比率电容C1的电容值，因此无论自电容器C2的规格如何变化，其二者的等效电容值便被箝制在该比率电容C1的电容值附近，因此能有效增加该取样保持电路30的相容性。也就是说，不论该电容式触控感测器31的规格如何变化，只要控制电路300与电容式触控感测器31间串连电容C1，即可将等效电容值箝制在比率电容C1的电容值附近。如此一来，即可让取样保持电路30可以应用各种不同规格的电容式触控感测器31。

在图3A的实施例中，该控制电路300包括有一第一开关SW1、一第二开关SW2以及一交流信号产生器Vc。该第一开关SW1以及该第二开端SW2的一端是共同耦接至比率电容C1的第二端302。而该第一开关SW1的另一端则耦接该交流信号产生器Vc。而第二开关SW2的另一端，其是为讯号输出端，则耦接有一取样电容器C4。该第一开关SW1与第二开关SW2的选择是可以为任意模拟式的开关，例如金属氧化物半导体场效晶体管(metal oxide semiconductor fieldeffect transistor，MOSFET)，或者是运算放大器(operational amplifier)等元件所构成，其是为熟悉此项技术的人所熟知的元件，在此不作赘述。如图3A中的开关控制表可以得知，通过对该第一开关SW1与该第二开关SW2在不同时期(时期1与时期2)的开关控制，该取样保持电路30可以对该电容式触控感测器31进行讯号撷取，并进行讯号处理以判断出触碰位置。

如图3B所示，该图是为根据本发明的互电容感测电路实施例示意图。在本实施例中，取样保持电路41与电容式触控感测器40构成一互电容触控感测电路4。该电容式触控感测器40，是属于互电容式触控感测器，其是以电容符号C5来表示。同样地，该取样保持电路41具有一比率电容C1以及一控制电路410。该比率电容C1是以一第一端42与该电容式触控感测器40相串连。该控制电路410更包括有一第一开关组411以及一第二开关组412，其中该第一开关组411是具有一第一开关SW1以及一运算放大器4110，其是为具有电容C6的运算放大器。而第二开关组412也具有一第三开关SW1以及一第四开关SW2。同样地，该第一、第三与第四开关系可选择为任意模拟式的开关。如图3B中的开关控制表可以得知，通过对该第一与第三开关SW1与该第二开关SW2在不同时期(时期1与时期2)的开关控制，该取样保持电路41可以对该电容式触控感测器40进行讯号撷取，由讯号输出端44输出讯号，并进行讯号处理以判断出触碰位置。请参阅图4A至图4C所示，该图是为本发明的取样保持电路示意图，其中图4A是为自感式取样保持电路，而图4B与图4C是分别为不同的互感式取样保持电路示意图。其中在图4A中的架构基本上与图3A是相同的，在图4A的架构中，其讯号输出端303可以耦接任何的讯号处理电路，至于耦接甚么样的讯号处理电路实施例，容后再述。此外，根据图4A的开关控制表可以得知，通过对该第一开关SW1与该第二开关SW2在不同时期(时期1、时期2与时期3)的开关控制，该取样保持电路30可以对该电容式触控感测器31进行讯号撷取，并由讯号输出端303输出取样讯号以进行讯号处理以判断出触碰位置。

请参阅图4B所示，该比率电容C1的第二端43，与该第一开关组411相耦接，而该电容式触控感测器40则与该第二开关组412相耦接。如图4B中的开关控制表可以得知，通过对该第一开关、第三开关SW1与该第二开关、第四开关SW2在不同时期(时期1与时期2)的开关控制，该取样保持电路41可以对该电容式触控感测器40进行讯号撷取。至于时期3则代表该讯号输出端44耦接至不同的讯号处理元件时，而有不同的开关控制，并进行讯号处理以判断出触碰位置。如图4C所示，本实施例基本上与图4B类似，差异的是，在图4C中的开关控制表，在每一时期的开关状态与图4B所示的开关控制状态相反。

请参阅图5所示，该图是为本发明的触控感测装置第一实施例示意图。该触控感测装置5包括有：一电容式触控感测器50、一取样保持电路51以及一讯号处理器52。该电容式触控感测器50，是可为自电容或者是互电容式触控感测器。该取样保持电路51，其是与该电容式触控感测器相耦接以输出一撷取讯号，该取样保持电路的结构是如图4A至图4C所示的电路架构，在此不作赘述。该讯号处理器52为一三角积分调变(Delta sigma)架构的模拟数字转换器，其是与该取样保持电路相耦接以处理该撷取讯号。在图5的实施例中，该讯号处理器52包括有一比较器520以及一模拟数字转换器(analog-to-digital converter，ADC)521。该比较器520，其是与该取样保持电路51的一讯号输出端SOUT相耦接。该模拟数字转换器521，其是与该比较器520相耦接以接收该比较器520的输出。其中，该比较器520的输出经由一反馈电容CI反馈至该讯号输出端SOUT，该模拟数字转换器521的输出经由一数字模拟转换器(digital-to-analogconverter，DAC)522转换后反馈至该讯号输出端SOUT。此外，该模拟数字转换器521更耦接有数字滤波器523以产生一数字输出讯号。要说明的是，该讯号输出端SOUT是指图4A的讯号输出端303与图4B至图4C中的讯号输出端44。

在图5的实施例中，当该电容式触控感测器为如图4A的自电容式触控感测器时，在时期1时，SW1短路，SW2断路，则对自电容器C2、触感电容器C3与比率电容C1进行充电，然后在时期2时，由于第一开关SW1断路，SW2短路，因此充饱的电荷便会与C3将由电荷守恒定律得到一电位输入至模拟数字转换器521以及数字模拟转换器522内的电容器。如果当该电容式触控感测器为如图4B的互电容式触控感测器时，则在时期1时，将SW1短路，SW2断路，以先对比率电容C1与互电容器C5进行充电，然后在时期2时，由于第一开关SW1断路，SW2短路，将电荷由该比率电容C 1与互电容器C5由电荷守恒定律得到一电位输入至模拟数字转换器521以及数字模拟转换器522的电容器。如果为图4C的状态时，则于时期1对互电容C5以及比率电容C1进行重置(reset)，然后再于时期2对互电容C5、比率电容C1以及模拟数字转换器521与数字模拟转换器522内的电容器进行充电。

如图6所示，该图是为本发明的触控感测装置第二实施例示意图。该触控感测装置6包括有一取样保持电路60、一电容式触控感测器61以及一讯号处理器62。该电容式触控感测器61，是可为自电容或者是互电容式触控感测器。该取样保持电路60，其是与该电容式触控感测器61相耦接以输出一撷取讯号，该取样保持电路60的电路架构是如图4A至图4C所示的结构，在此不作赘述。图6的取样保持电路60的讯号输出端SOUT耦合到讯号处理器62，其是更包括有一复数组的电容器621a～621n，且该复数组的电容器620a～620n与一复数组的开关620a～620n组成一电容式数字模拟转换器622。该电容式数字模拟转换器622进一步耦合到一反向器623，反向器623经由一开关624而形成一闭回路而该反向器623的输出进一步耦合到一分组及组合(segmentation and reassembly，SAR)逻辑电路625以进一步控制该电容式数字模拟转换器622。

要说明的是，如果该电容式触控感测器61为如图4A所示的自电容式触控感测器时，首先在时期1时，SW1短路，SW2断路，先对自电容器C2、触感电容器C3与比率电容C1进行充电，然后在时期2时，由于第一开关SW1断路，SW2短路，因此充饱的电荷便会与C3将由电荷守恒定律得到一电位输入至数字模拟转换器622内的电容器。最后再于时期3进行位元转换(bit-cycling)的动作，以完成一次讯号处理的程序。如果当该电容式触控感测器为如图4B的互电容式触控感测器时，则在时期1时，先对比率电容C1与互电容器C5进行充电，然后在时期2时，将电荷由该比率电容C1与互电容器C5由电荷守恒定律得到一电位输入至数字模拟转换器622的电容器。最后再于时期3进行位元转换(bit-cycling)的动作。如果为图4C的状态时，则于时期1对互电容C5以及比率电容C1进行重置(reset)，然后再于时期2对互电容C5、比率电容C1以及数字模拟转换器622内的电容器进行充电。最后再于时期3进行位元转换(bit-cycling)的动作。

请参阅图7所示，该图是为本发明的触控感测装置第三实施例示意图。在本实施例中，该触控感测装置7包括有一电容式触控感测器70、一取样保持电路71以及一讯号处理器72。该电容式触控感测器70，是可为自电容或者是互电容式触控感测器。该取样保持电路71，其是与该电容式触控感测器70相耦接以输出一撷取讯号，该取样保持电路的结构是如图4A至图4C所示的结构，在此不作赘述。图7的取样保持电路71的讯号输出端SOUT进一步耦合到该讯号处理电路72。本实施例中，该讯号处理电路72，是为一多级管线式电路，每一级管线式(pipeline)电路720进一步包含一数字模拟转换器721、模拟数字转换器722及一加法器723。该加法器723更耦接至下一级的管线式电路724，其细部结构是如管线式电路720所示，在此不作赘述。

要说明的是，如果该电容式触控感测器70为如图4A所示的自电容式触控感测器时，首先在时期1时，先对自电容器C2、触感电容器C3与比率电容C1进行充电，然后在时期2时，电荷便会与C3将由电荷守恒定律得到一电位输入至数字模拟转换器721内的电容器。最后再于时期3由该模拟数字转换器722进行模拟数字转换，以完成一次讯号处理的程序。如果当该电容式触控感测器为如图4B的互电容式触控感测器时，则在时期1时，先对比率电容C1与互电容器C5进行充电，然后在时期2时，将电荷由该比率电容C1与互电容器C5由电荷守恒定律得到一电位输入至数字模拟转换器721的电容器。最后再于时期3由该模拟数字转换器722进行模拟数字转换。如果为图4C的状态时，则于时期1对互电容C5以及比率电容C1进行重置(reset)，然后再于时期2对互电容C5、比率电容C1以及数字模拟转换器721内的电容器进行充电。最后再于时期3由该模拟数字转换器722进行模拟数字转换。

如图8所示，该图是为本发明的取样保持电路第四实施例示意图。在本实施例中，该取样保持电路8是为与互电容式触控感测器耦接的实施例。该取样保持电路8具有一比率电容C1以及一控制电路80。在该互电容器C5的一侧串联一比率电容C1。本实施例的特征在于，代表该互电容式触控感测器的互电容器C5的电容值变化经由该比率电容C1耦合至该控制电路80积分后输出一模拟讯号由该讯号输出端81输出。该控制电路80，其是进一步包含一运算放大器800、一反馈电容CI以及一反馈电阻RI，该运算放大器800的一电讯输入端是与该比率电容C1的一端相耦接，该反馈电容CI与反馈电阻RI是相并联，且其两端分别与比率电容C1的一端以及该运算放大器800的输出端相耦接。本实施例中该运算放大器800可除了兼具有开关的功能之外，更可以作为一微积分器。

以上所述，仅为本发明的实施例，当不能以的限制本发明范围。即大凡依本发明权利要求范围所做的均等变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围，故都应视为本发明的进一步实施状况。

Claims (10)

1.一种取样保持电路，其是用以撷取一电容式触控感测器所产生的讯号，其特征在于，该取样保持电路包含：

一比率电容，其是具有一第一端以及一第二端，该比率电容是以该第一端与该电容式触控感测器串联；以及

一控制电路，其是与该第二端相耦接。

2.根据权利要求1所述的取样保持电路，其特征在于，该控制电路更包括有一运算放大器、一反馈电容以及一反馈电阻，该运算放大器的一电讯输入端是与该第二端相耦接，该反馈电容与反馈电阻相并联，且其两端分别与该第二端以及该运算放大器的输出端相耦接。

3.根据权利要求1所述的取样保持电路，其特征在于，该控制电路更包括有：

一第一开关；

一第二开关；以及

其中，该第一开关与该第二开关相耦合于该第二端。

4.根据权利要求1所述的取样保持电路，其特征在于，该控制电路更包括有一第一开关组以及一第二开关组，其中该第一开关组是具有一第一开关以及一第二开关，该第一开关与该第二开关相耦合于该第二端，该第二开关组具有一第三开关以及一第四开关，其是与该电容式触控感测器相耦接。

5.一种触控感测装置，其特征在于，包含：

一电容式触控感测器；

一取样保持电路，其是与该电容式触控感测器相耦接以输出一撷取讯号，该取样保持电路包括有一比率电容以及一控制电路，该比率电容，其是具有一第一端以及一第二端，该比率电容是以该第一端与该电容式触控感测器串联，该控制电路，其是与该第二端相耦接；以及

一讯号处理器，其是与该取样保持电路相耦接以处理该撷取讯号。

6.根据权利要求5所述的触控感测装置，其特征在于，该电容式触控感测器是为自电容式触控感测器，该控制电路更包括有：

一第一开关；

一第二开关；以及

其中，该第一开关与该第二开关相耦合于该第二端。

7.根据权利要求5所述的触控感测装置，其中该电容式触控感测器是为互电容式触控感测器，该控制电路更包括有一第一开关组以及一第二开关组，其中该第一开关组是具有一第一开关以及一第二开关，该第一开关与该第二开关系相耦合于该第二端，该第二开关组距有一第三开关以及一第四开关，其是与该电容式触控感测器相耦接。

8.根据权利要求5所述的触控感测装置，其特征在于，该讯号处理器是更包括有：

一电容式数字模拟转换器，其具有复数组电容器，以及分别与该复数组电容器以及该取样保持电路的一讯号输出端相耦接的复数组开关；

一反向器，其是与该电容式数字模拟转换器相耦接；以及

一分组及组合逻辑电路，其是分别与该反向器以及该电容式数字模拟转换器相耦接，该分组及组合逻辑电路是控制该电容式数字模拟转换器。

9.根据权利要求5所述的触控感测装置，其特征在于，该讯号处理器是更包括有：

一比较器，其是与该取样保持电路的一讯号输出端相耦接；以及

一模拟数字转换器，其是与该比较器相耦接以接收该比较器的输出；

其中该比较器的输出经由一反馈电容反馈至该讯号输出端，该模拟数字转换器的输出经由一数字模拟转换器转换后反馈至该讯号输出端。

10.根据权利要求5所述的触控感测装置，其特征在于，该讯号处理器是为一多级管线式电路，其是与该取样保持电路的一讯号输出端相耦接，每一级级管线式电路进一步包含一数字模拟转换器、模拟数字转换器及一加法器。

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