CN102830882B - 一种电容触摸屏触摸检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种电容式触摸屏的触摸检测方法和检测电路，能够通过程序控制实现对自电容和互电容两种形式的检测，可以响应触摸电容的产生变化并通过一定的信号变化处理，对用户触摸动作作出检测。本发明所述电容触摸屏检测方法，当其用于自电容检测时，获取电容值的步骤包括充电步骤、电荷转移步骤、放大步骤、混频步骤与AD转换步骤；当其用于互电容检测时，将感测信号通过放大器放大电压并同时去除电容性背景噪声，然后将放大电压信号与数字信号混频实现滤除耦合噪声。本发明提出的检测电路检包括：电容电压转换模块、放大模块、混频模块、AD转换模块。

Description

一种电容触摸屏触摸检测电路
技术领域
本发明涉及一种电容式触摸屏的触摸信号检测方法和检测电路，以及相应的触摸屏驱动系统。
背景技术
在目前的触摸屏领域，主要有电阻式触摸屏、光电式触摸屏、表面声波式触摸屏以及电容式触摸屏等结构形式。
电容触摸屏由于其坚固耐用、反应速度快、节省空间、透光率高等优点在各种电子设备领域得到了越来越多的应用，并正在成为市场主流产品。电容式触摸屏采用透明的氧化铟锡(ITO)材料在玻璃基板表面形成电极阵列。根据不同的检测原理，电容式触摸屏分为自电容触摸屏和互电容触摸屏两种：自电容触摸屏通过检测触摸前后电极对地电容的变化确定触控物在触摸屏上的触摸位置；互电容触摸屏通过检测触摸前后两组电极之间电容改变确定触控物在触摸屏上的触摸位置。即自电容触摸屏通过检测电极对地电容改变来触摸检测，而互电容触摸屏通过检测两电极之间的电容改变实现触摸检测。
现有技术里，实现电容触摸屏触摸检测的方法有许多种，不同的实现方法意味着不同的电路结构与信号变化方式。专利文献1(CN101840697A)公开了一种触摸屏检测电路，用于对自电容式触摸屏实现触摸检测，其通过扫描触摸屏电极矩阵的行或列，或者每次同时扫描两行或两列获取行或列的电容差值数据，并对其进行处理实现触摸检测。
发明内容
本发明提出一种电容式触摸屏的触摸检测方法和检测电路，能够通过程序控制实现对自电容和互电容两种形式的检测，可以响应触摸电容的产生变化，接收传感电信号并通过一定的变化处理，从而抑制各种环境噪声、感测噪声的影响，对用户触摸动作作出高精度检测。
本发明提出的检测电路技术方案为：检测电路包括：电容电压转换模块、放大模块、混频模块、AD转换模块。
电容电压转换模块与触摸屏面板电极阵列相连，读出连接到触摸屏面板电极阵列感测线的输出电压，其包括触摸电容、第一电容C1以及多个开关Kc、K1a、K1c、K2a、K2b，以及输入端Vx；放大模块包括一个运算放大器Amp，以及分别连接到运放第一输入端(如运放Amp的(-)端)和输出端之间的第二电容C2和电阻R1、开关K1b；混频模块包括一个混频器Mixer；AD转换模块包括模数转换器ADC。
输入端Vx通过开关K2a与触摸电容相连，开关K2a第一端、第二端分别与输入端Vx、触摸电容相连，Kc第一端与开关K2a第二端相连，第二端与运算放大器第一输入端(如运放Amp的(-)端)相连，其中所述第一电容C1第一端与触摸电容相连，第二端与运算放大器第一输入端相连，运算放大器第二输入端(如运放Amp的(+)端)接地，混频器输入端与运算放大器Amp和数字处理电路输出端相连，输出端与模数转换器ADC的输入端相连。
开关K1a位于开关K2a第一端与第一电容C1第一端之间，开关K2b位于第一电容C1第一端和信号地之间，开关K1c位于第一电容C1第二端和信号地之间。
本发明所述检测电路可以对自电容和互电容两种形势实现电容检测，当用于自电容检测时，Kc打开，而用于互电容检测时，Kc闭合，而其余全部开关打开。
本发明提出一种电容触摸屏检测方法，当其用于自电容检测时，获取电容值的步骤包括充电步骤、电荷转移步骤、放大步骤、混频步骤与AD转换步骤。
上述检测方法中，所述充电步骤由电源向触摸电容充电，电荷转移步骤中基于多个开关的操作实现电容电荷的转移，首先触摸电容的充电电荷分享到触摸电容与第一电容上，。放大步骤中，第一电容上的电荷分享到第一电容和第二电容上，从而将触摸电容剩余电荷转换为与其成正比的电压输出。混频模块通过将放大模块输出电压信号与输出数字信号混频实现滤除噪声，AD转换模块将混频模块的输出模拟信号采样量化为数字信号输出。
本发明提出一种电容触摸屏检测方法，当其用于互电容检测时，获取电容值的方法为：将感测信号接入运算放大器第一输入端(如运放Amp的(-)端)，并利用RC反馈电路偏置运算放大器，从而在放大参考电压的同时去除电容性背景噪声，将运算放大器输出端与混频器输入端相连，将电压信号与输出数字信号混频实现滤除耦合噪声。
本发明相比于现有技术，可以通过程序控制实现自电容、互电容两种形式的检测，扩展性好，集成的混频器可以有效滤除与电容触摸屏耦合的各种噪声提高系统性能。
附图说明
图1为本发明所述触摸屏检测电路的框图。
图2为本发明所述触摸屏检测电路的电路图。
图3为本发明所述检测电路用于自电容检测时的电路原理。
图4为本发明所述检测电路用于互电容检测时的电路原理。
图5为本发明所述检测电路的开关操作时序图。
图6为本发明所述检测电路原理另一实施例。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明所述触摸屏检测电路可以分为若干个功能模块：电容电压转换模块101、放大模块102、混频模块103、AD转换模块104。图2为本发明所述检测电路的电路图，电容电压转换模块与触摸屏面板电极阵列相连，也即与触摸电容相连(具体连接方式参见图4-5)，Tx，Rx是电路芯片封装后的引脚，对于一个N*M的互电容触摸屏，需要有N个发射端Tx，和M个接收端Rx分别与电极矩阵的行线与列线相连，如果是M*M的自电容形式，则将接收端Rx与触摸屏相连，Tx悬空。通过对开关Kc切换的控制可实现自电容、互电容两种检测的切换，当开关Kc断开时为自电容检测，闭合时为互电容检测。
AD转换模块的输出数字信号送入数字(Digital)模块进行处理，数字(Digital)模块主要作用是将每个电容屏触摸电容对应的AD转换输出信号存储成阵列，对比阵列值和基准值，监测出的AD转换输出变化较大的点，即检测出触摸位置，数字(Digital)模块将输出信号同步输出到混频模块。
检测电路的放大模块将电容电压转换信号放大并输出一个频率不变、包含需要量化的电容分量的信号，此信号和数字(Digital)模块给出的同频同步信号通过混频模块实现混频(相乘)，输出包括直流dc分量和输入频率两倍的分量，其余噪声会被转化到其他频率分量，只取直流dc分量和有用谐波分量，将其它噪声分量滤除，从而可以过滤触摸屏耦合噪声，如LCD噪声、电源噪声等。
放大模块中，至少包含一个运算放大器Amp，其可以包括多个放大器分别连接到触摸屏面板沿多个行和列或列布置的多条电极感测线，也可以设置一个放大器，将其构造为通过开关切换将其与多条感测线之一相连，从而为多个感测电容共享。出于简明考虑，图2-4中为1个放大器与1条感测线相连的情况。
如图3所示，当本发明用于自电容检测时，触摸电容Cs为接地电容，并与引脚Rx连接，驱动引脚Tx悬空；Vx接固定电平，可以为芯片工作电压VDD也可以为其他任意电平；电容电压转换模块包括触摸电容Cs、第一电容C1以及多个开关K1a，K2a，K2b，K1c，Kc，以及输入端Vx，输入端与触摸电容Cs相连，放大电路模块包括一个运算放大器Amp，以及分别连接到运放第一输入端(如运放Amp的(-)端)和输出端之间的第二电容C2和电阻R1、开关K1b，其中所述第一电容C1串接在触摸电容与运算放大器第一输入端之间，运算放大器第二输入端(如运放Amp的(+)端)接地，混频模块包括一个混频器Mixer，AD转换模块包括模数转换器ADC，混频器输入端与运算放大器Amp和数字信号输出端相连，输出 端与模数转换器ADC的输入端相连。
本发明提出的电容触摸屏检测方法，其获取自电容值的步骤包括充电步骤、电荷转移步骤、放大步骤、混频步骤与AD转换步骤。开关操作的时序如图5所示，开关K1b，K1c的时序和开关K1a相同，K2b的时序和开关K2a相同。
(1)充电步骤中：T1周期K2a闭合，K1a断开，触摸电容Cs充电到Vx的电压值；
(2)电荷转移步骤中：在T2周期K2a断开，K1a闭合，Cs上电荷在Cs和第一电容C1上分享，分配到Cs和C1上，C1上电压为Vc1＝Vx*Cs/(Cs+C1)；
(3)放大步骤：在T3周期K2a闭合，K1a断开，第一电容C1上的电荷与第二电容C2分享，运算放大器Amp输出电压Vm＝Vc1*C1/C2＝Vx*Cs*C1/((Cs+C1)*C2)，此电压为和触摸电容Cs成正比；从而可以通过检测Vm的大小检测电容变化大小；
(4)混频步骤中，Mixer为混频器单元，混频器将运算放大器Amp输出电压信号与数字信号混频并输出，相当于窄带滤波，从而可以过滤触摸屏耦合噪声，如LCD噪声、电源噪声等；
(5)AD转换步骤中，模数转换器ADC将混频器输出信号采样、量化转换为数字信号供后续的数字电路模块digital处理。其通常选择8位或12位以上的ADC已保证检测精度。
本发明所述检测方法用于互电容检测时，发射端引脚Tx和接收端Rx分别与电极矩阵的行线与列线相连，Vx端接脉冲驱动电压信号。图4中Cc为触摸屏互电容。开关Kc闭合，其余开关全部断开，运算放大器Amp、触摸电容Cc、C2和R1组成滤波器电路，可滤除一部分带外噪声。运算放大器Amp输出信号经过混频器滤除带外噪声，经过模数转换器ADC量化后输入到数字digital模块进行处理。
图6为本发明另一实施例的电路原理，所述电容电压转换模块包括分别包含有感测线开关的多条电容触摸屏电极感测线，其中触摸电容Cs1-Cs3的第1-3感测线通过相应的感测线开关共享一个运算放大器，可以通过程序控制将每个输入通道的输入信号依次切换到所述运算放大器的第一输入端。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电容式触摸屏触摸检测电路，其可通过程序控制分别实现自电容和互电容两种检测，其包括电容电压转换模块、放大模块、混频模块和AD转换模块，其中电容电压转换模块包括触摸电容、第一电容C1以及多个开关Kc、K1a、K1c、K2a、K2b，以及输入端Vx，该电容电压转换模块与触摸屏电极阵列相连，读出触摸屏电极阵列感测线输入信号；放大模块包括至少一个运算放大器以及偏置该放大器的RC反馈电路，其第一输入端接收感测线输入，第二输入端接地，输出端提供输出电压并与数字信号通过混频模块的混频器实现混频输出；混频输出信号通过AD转换模块转换为数字信号。
2.如权利要求1所述的触摸检测电路，放大模块包括至少一个运算放大器Amp，以及分别连接到运放第一输入端和输出端之间的第二电容C2和电阻R1、开关K1b；混频模块包括一个混频器；AD转换模块包括模数转换器ADC。
3.如权利要求1或2所述的触摸检测电路，所述电容电压转换模块包括分别包含有感测线开关的多条电容触摸屏电极感测线，其中每条感测线和相应的感测线开关形成输入通道，可以将每个输入通道的输入信号依次切换到所述运算放大器的第一输入端。
4.如权利要求2所述的触摸检测电路，输入端Vx通过开关K2a与触摸电容相连，开关K2a第一端、第二端分别与输入端Vx、触摸电容相连，Kc第一端与开关K2a第二端相连，第二端与运算放大器第一输入端相连，其中所述第一电容C1第一端与触摸电容相连，第二端与运算放大器第一输入端相连，运算放大器第二输入端接地，混频器输入端与运算放大器Amp和数字处理电路输出端相连，输出端与模数转换器ADC的输入端相连，开关K1a位于开关K2a第一端与第一电容C1第一端之间，开关K2b位于第一电容C1第一端和信号地之间，开关K1c位于第一电容C1第二端和信号地之间。
5.如权利要求4所述检测电路，当用于自电容检测时，Kc打开；而用于互电容检测时，Kc闭合，而其余全部开关打开。
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Denomination of invention: Touch detection circuit of capacitive touch screen

Effective date of registration: 20151020

Granted publication date: 20150513

Pledgee: Industrial Commercial Bank of China Ltd Zhongguancun Beijing branch

Pledgor: Beijing Jichuang Northern Technology Co.,Ltd.

Registration number: 2015990000885

PLDC Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model
C56 Change in the name or address of the patentee
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: 100088, No. 4, No. 31 middle third ring road, Haidian District, Beijing, building No. 13 (Teste building)

Patentee after: BEIJING CHIPONE NORTH TECHNOLOGY CO., LTD.

Address before: 100088, No. 4, No. 31 middle third ring road, Haidian District, Beijing, building No. 13 (Teste building)

Patentee before: Beijing Jichuang Northern Technology Co.,Ltd.

PC01 Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right
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Date of cancellation: 20190409

Granted publication date: 20150513

Pledgee: Industrial Commercial Bank of China Ltd Zhongguancun Beijing branch

Pledgor: BEIJING CHIPONE NORTH TECHNOLOGY CO., LTD.

Registration number: 2015990000885

PM01 Change of the registration of the contract for pledge of patent right
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Change date: 20190409

Registration number: 2015990000885

Pledgor after: BEIJING CHIPONE NORTH TECHNOLOGY CO., LTD.

Pledgor before: Beijing Jichuang Northern Technology Co.,Ltd.