CN102375625A - 电容式触控板的感测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电容式触控板的感测电路及方法，为解决现有技术中寄生电容严重影响感测电路对交互电容感测时的感度等问题而发明。其方案是：在其取样电路从第一感应电极板感测其与第二感应电极板之间的交互电容以前，利用运算放大器回授补偿该第一感应电极板的寄生电容，因而提升该取样电路感测该交互电容的感度，利于判断该交互电容的变化。

Description

电容式触控板的感测电路及方法

技术领域

本发明涉及一种电容式触控板，特别涉及一种电容式触控板的感测电路及方法。

背景技术

触控功能已经广泛的应用在智能型手机、笔记型计算机、多媒体播放器以及信息家电等范畴上，而电容式的触控感应由于能达到高感度以及低成本，使得市场相继使用电容式的触控感应。二维式的电容式触控板正被广泛的应用在各类电子产品上作为输入装置，但这种触控板在应用上会有多指触控定位、抗水滴及水膜干扰以及显示器干扰等问题。

藉感测感应电极板之间的交互电容(mutual capacitance)，可以达成多指触控定位，提高手指与水滴的辨识的效果。如图1所示，感应电极板10及12之间的电力线构成了交互电容(mutual capacitor)。当手指16靠近时，感应电极板10、12之间的电力线会被人体所形成的大接地电容所吸引，造成感应电极板10、12之间的交互电容值下降，透过侦测此交互电容的变化，可以达到手指16的感测。若是水膜18附在介质14上，由于水膜18为浮动节点，因此电力线由感应电极板10流经水膜18再流进感应电极板12，造成交互电容略微上升。根据交互电容不同的变化特性，可分辨手指16与水膜18。但是感应电极板10、12分别有寄生电容的存在，而寄生电容会严重影响感测电路对交互电容感测时的感度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种侦测电容式触控板的交互电容的感测电路及方法。

根据本发明，一种电容式触控板的感测电路包含切换电路连接该电容式触控板的第一感应电极板，将该第一感应电极板连接电源端或接地端，运算放大器具有第一输入端、第二输入端及输出端，该第一输入端连接参考电压，取样电路连接在该运算放大器的第二输入端及输出端之间，从该第二感应电极板感测该交互电容的变化，以及回授开关连接在该运算放大器的第二输入端及输出端之间，在该取样电路感测该交互电容以前让该运算放大器回授补偿该第二感应电极板的寄生电容。

根据本发明，一种电容式触控板的感测方法包含周期性地将该电容式触控板的第一感应电极板于电源电压及接地电压之间切换，回授补偿该电容式触控板的第二感应电极板的寄生电容，以及从该第二感应电极板感测该第一及第二感应电极板之间的交互电容的变化。

附图说明

图1为感应电极板之间的交互电容的变化的示意图；

图2为本发明的感测电路的第一实施例；

图3为图2的开关的时序图；

图4为图2的节点DN与UP的电压波形图；

图5为本发明的感测电路的第二实施例；

图6为图5的开关的时序图；

图7为本发明的感测电路的第三实施例；

图8为图7的开关的时序图；

图9为本发明的感测电路的第四实施例；

图10为图9的开关的时序图；

图11为图9的电路消除低频噪声的示意图；

图12为结合本发明的感测电路的积分三角感测器；以及

图13为应用多组积分三角感测器于二维电容式触控板的系统架构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图2为本发明的感测电路的第一实施例。感应电极板10、12分别具有寄生电容Cp1、Cp2，而两感应电极板10、12之间存在交互电容C1。切换电路20具有开关SW7连接在电源端Vdd及感应电极板10之间，以及开关SW8连接在感应电极板10及接地端之间，开关SW7及SW8分别受控于两个互不重迭(non-overlap)的频率。运算放大器22具有输入端224连接参考电压VREF。开关SW1连接在感应电极板12及运算放大器22的输入端222之间。开关SW6连接在运算放大器22的输入端222及输出端226之间，用以使运算放大器22建立回授机制。取样电路24包括参考电容C2、C3，参考电容C2、C3的一端皆连接运算放大器22的输入端222，开关SW2连接于参考电容C2的另一端与运算放大器22的输出端226之间，开关SW4连接于参考电容C2的另一端与电压源Vdd之间，开关SW3连接于参考电容C3的另一端与运算放大器22的输出端226之间，开关SW5连接于参考电容C2的另一端与接地端之间。本实施例的感测电路一开始将感应电极板12及运算放大器22之间的开关SW1连通以感测交互电容C1。将参考电容C2与C3分别充电至参考电压VREF＝0.5×VDD电压以后，根据开关SW7及SW8的切换频率对交互电容C1进行周期性的电荷转移。在每次参考电容C2或C3对交互电容C1做电荷转移以前，将开关SW6连通运算放大器24的输入端222及输出端226进行回授，将寄生电容Cp2的电压充至VREF，降低为了对寄生电容Cp2补偿而产生感度下降的影响。经过多次周期性对外部感应电容的电荷转移之后，再中断开关SW1，藉量测单元26量测参考电容C2、C3的电荷。量测单元26中有模拟数字转换器(ADC)将参考电容C2、C3的跨压转换成数字信号，以供后级电路了解交互电容C1的电荷变化。

图3为图2的开关的时序图。感测流程一开始，控制开关SW1使运算放大器22的输入端222连接感应电极板12于节点VT。在时相P30中的操作为重设(reset)参考电容C2，将开关SW4及SW6连通，运算放大器22将节点VT的电压拉至参考电压VREF，参考电容C2的两端分别连接电压源VDD及节点VT，使参考电容C2的跨压充到VREF。接着于时相P32中，开关SW2跟着开关SW7连通，让参考电容C2与交互电容C1进行电荷转移。时相P34中，连通开关SW6，让运算放大器22对寄生电容CP2作回授补偿，将节点VT的电压拉回至参考电压VREF。由于初始时需要重设参考电容C3，因此于第一次操作时相P34的同时会连通开关SW5，使参考电容C3两端连接接地端及感应电极板12，把参考电容C3的跨压充到VREF。时相P36中开关SW3跟着开关SW8连通，让参考电容C3与交互电容C1进行电荷转移。时相P38又将开关SW6连通，运算放大器22再对寄生电容CP2作回授补偿，将节点VT的电压拉回到参考电压VREF。接下来只要根据开关SW7及SW8的切换周期性地重复操作时相P32、P34、P36与P38，对交互电容C1进行多次的电荷转移。最后，于时相P40中，中断开关S1且连通开关SW2、SW5，把参考电容C2与C3串联使彼此的电荷相加，再由后方量测单元26转换出与待测的交互电容C1的相关感测资料。

图4为图2的节点DN与UP的电压波形图。根据图3的时序图，取样电路24周期性地重复操作时相P32、P34、P36与P38，参考电容C2、C3对交互电容C1进行多次的电荷转移，而节点DN与UP的电压因为参考电容C2、C3的电荷变化而呈阶梯式的变动，一阶一阶的趋近参考电压VREF。

图5为本发明的感测电路的第二实施例，感应电极板10、12、切换电路20、运算放大器22以及开关SW1、SW6和图2的电路是相同的。取样电路42是将图2的两个参考电容C2、C3简化为一个参考电容C2，同时省略开关SW3，开关SW5直接连接于接地端及运算放大器22的输入端222之间。图6为图5的开关的时序图，其运作方式与图2的实施例相似，只少了与参考电容C3相关的操作。本实施例节点DN的电压波形和图4所示的电压波形雷同。

图7为本发明的感测电路的第三实施例，感应电极板10、12、切换电路20、运算放大器22以及开关SW1、SW6和图2的电路是相同的。取样电路44是将图2的两个参考电容C2、C3简化为一个参考电容C3，同时省略开关SW2及SW4。图8为图7的开关的时序图，其运作方式与图2的实施例相似，只少了与参考电容C2相关的操作，并且于最后量测单元26在转换与待测的交互电容C1相关的感测资料时，SW6取代原来的SW2，使量测单元26量测到C3的电荷量。本实施例节点UP的电压波形和图4所示的电压波形雷同。

图9为本发明的感测电路的第四实施例，感应电极板10、12、切换电路20、运算放大器22以及开关SW1、SW6和图2的电路是相同的。取样电路46利用开关SUP、SDN的切换使一个参考电容C4取代图2的两个参考电容C2、C3。图10为图9的开关的时序图，其运作方式与图2的实施例相似，但是只在时相P50的操作中重设参考电容C4一次，将开关SDN、SW4及SW6连通，参考电容C4的两端给予电压VDD及参考电压VREF＝0.5×VDD，使参考电容C4的跨压充到VREF。时相P52让参考电容C4对电容C1做电荷转移，时相P54让运算放大器22对寄生电容CP2作回授补偿，将节点VT的电压拉回到参考电压VREF。时相P56将参考电容C2正负端点反接，并对交互电容C1做电荷转移，时相P58将运算放大器22的负输入端以负回授组态拉回参考电压VREF。接下来只要根据开关SW7及SW8的切换周期性地重复操作时相P52、P54、P56与P58，对交互电容C1进行多次的电荷转移。最后，于时相P60中，中断开关SW1，连通开关SW2、SW5，让后级的量测单元26转换出参考电容C4的跨压，以推断交互电容C1的变化。

本发明可适用于一维式及二维式的电容式触控板及电容式触控按键。由于能有效的补偿寄生电容使其对交互电容的感度上升，除了可以抗水滴及水膜干扰以外，在二维式的电容式触控板的应用上还能达到多点触控定位的功效。图2及图9的实施例更有抗噪声的功能。图11为图9的电路抑制或消除低频噪声的示意图。假设低频噪声缓慢的变化，而电路操作频率远高于低频噪声频率，在ψ1与ψ2周期内受到低频噪声的干扰量可以视为皆为+ΔVn。那么在ψ1周期时，噪声会在参考电容C4产生噪声电压，若是ψ2周期持续受到噪声影响，就会如Vnoise的波形，一直累积到参考电容C4上。但是图9的实施例会在ψ2周期时如图11右下方所示，将参考电容C4的电容极性反接，使得因为噪声而造成参考电容C4产生的跨压如VCn的电压波形，把ψ1产生的噪声电压消除，利用此动作达成低频噪声消除。相同的操作概念，若有一连串噪声频率等于或高于电路操作频率的噪声脉冲进入，只要在ψ1与ψ2周期内，噪声脉冲做了等量的高低转态，则此噪声在参考电容C4产生的噪声电压将相互抵销。而图2的实施例则将噪声造成的误差分别存于参考电容C2及C3中，在最后的量测中，参考电容C2及C3的串联消除了噪声所造成的误差。

图12为结合本发明的感测电路的积分三角(sigma-delta)感测器。本发明的感测电路62连接构成交互电容C1的两个感应电极板10与12，根据积分三角的量测方法，量测参考电容C5转移至交互电容C1的电荷量，频率比较器(ClockComparator；CCMP)66比较参考电容C5的电压与参考电压电路68提供的参考电压。当频率比较器66的输出为低准位时，微控制单元(Micro Control Unit；MCU)70控制感测电路62使参考电容C5对外部的交互电容C1做电荷转移，做一次完整周期即完成两次电荷倒出，等效一次拟差动(pseudo differential)感测。当频率比较器66的输出为高准位时，微控制单元70控制数字控制电流源64对参考电容C5补充电荷，参考电容C5的电荷倒出为拟差动型态，而电荷补充为单端(single)型态，组成差动式积分三角感测器(differential sigma-deltasensor)。图13为应用多组积分三角感测单元于二维电容式触控板的系统架构图，利用微控制单元70控制多任务器72同时平行处理多组积分三角感测单元74，提升感测二维电容式触控面板78的速度，并能增加操作次数，经数据闩76求平均以降低噪声干扰，提供二维电容式触控板更实时更稳定的应用。

Claims (10)

1.一种电容式触控板的感测电路，该电容式触控板具有第一及第二感应电极板，二者之间形成交互电容，其特征在于，该感测电路包含：

切换电路连接该第一感应电极板，将该第一感应电极板连接电源端或接地端；

运算放大器具有第一输入端、第二输入端及输出端，该第一输入端连接参考电压；

取样电路连接在该运算放大器的第二输入端及输出端之间，从该第二感应电极板感测该交互电容的变化；以及

回授开关连接在该运算放大器的第二输入端及输出端之间，在该取样电路感测该交互电容以前让该运算放大器回授补偿该第二感应电极板的寄生电容。

2.如权利要求1的感测电路，其特征在于，该切换电路包括：

第一开关连接在该第一感应电极板及电源端之间；以及

第二开关连接在该第一感应电极板及接地端之间。

3.如权利要求1的感测电路，其特征在于，更包括感测开关连接在该第二感应电极板及该运算放大器的第二输入端之间。

4.如权利要求1的感测电路，其特征在于，该取样电路包含：

参考电容具有第一端及第二端，该第一端连接该运算放大器的第二输入端；

第一开关连接于该参考电容的第二端及接地端之间；以及

第二开关连接于该参考电容的第二端及该运算放大器的输出端之间。

5.如权利要求1的感测电路，其特征在于，该取样电路包含：

参考电容具有第一端及第二端，该第一端连接该运算放大器的第二输入端；

第一开关连接于该参考电容的第二端及电源端之间；

第二开关连接于该参考电容的第二端及该运算放大器的输出端之间；以及

第三开关连接于该参考电容的第一端及接地端之间。

6.如权利要求1的感测电路，其特征在于，该取样电路包含：

第一及第二参考电容，皆连接该运算放大器的第二输入端；

第一开关连接于该第一参考电容及电源端之间；

第二开关连接于该第二参考电容及接地端之间；

第三开关连接于该第一参考电容及该运算放大器的输出端之间；以及

第四开关连接于该第二参考电容及该运算放大器的输出端之间。

7.如权利要求1的感测电路，其特征在于，该取样电路包含：

参考电容具有第一端及第二端；

第一开关连接于该参考电容的第一端及电源端之间；

第二开关连接于该参考电容的第二端及接地端之间；

第三开关连接于该参考电容的第一端及该运算放大器的输出端之间；

第四开关连接于该参考电容的第二端及该运算放大器的输出端之间；

第五开关连接于该参考电容的第二端及该运算放大器的第二输入端之间；以及

第六开关连接于该参考电容的第一端及该运算放大器的第二输入端之间。

8.一种电容式触控板的感测方法，该电容式触控板具有第一及第二感应电极板，二者之间存在交互电容，其特征在于，该感测方法包含：

周期性地将该第一感应电极板于电源电压及接地电压之间切换；

在感测该交互电容以前回授补偿该第二感应电极板的寄生电容；以及

从该第二感应电极板感测该交互电容的变化。

9.如权利要求8的感测方法，其中该从该第二感应电极板感测该交互电容的变化的步骤包含：

利用参考电容对该交互电容进行电荷转移；以及

量测参考电容的电荷，判断该交互电容的变化。

10.如权利要求9的感测方法，其特征在于，该利用参考电容对该交互电容进行电荷转移的步骤包含将该第一感应电极板从该电源电压切换至该接地电压，并将该第二感应电极板连接至该参考电容的第一端，因而引起该参考电容的第二端的电压发生变化。

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