CN103392162B - 电容式触摸感测构架 - Google Patents

Abstract

模拟前端电路在电容测量应用中利用了相干检测。模拟前端电路使用相干检测以测量触摸屏显示器的电容。由将要测量的电容器来调制模拟激励信号。使用相关器来同步解调经调制的信号，该相关器包括离散混合器和离散积分器。激励信号也输入到混合器，以使得调制信号与激励信号相乘。激励信号是模拟信号，其具有正弦波函数或者其它的波形。

Description

电容式触摸感测构架

相关申请

本申请要求享有于2011年2月25日递交的，名称为“Mutual CapacitanceMutual Capacitance Touch-Screen Controller IIC Interface”，由相同的发明人作出的美国临时申请的优先权。本申请以引用的方式合并了序号为61／446944的美国临时申请的全部内容。

技术领域

本发明涉及用于将所测量的电容转换为电压的模拟前端电路。更具体地，本发明涉及具有相关器的模拟前端电路，用于从激励信号中解调测量电容。

背景技术

许多电气装置包括触摸屏型显示器。触摸屏通常是通过手指、手、定位笔或其它的定点设备来检测显示区域内的存在、位置以及触压的显示器。触摸屏使用户能够与显示面板直接交互而不需要任何中间装置，而不是间接地用鼠标或触摸板。触摸屏可以实现在计算机中或者作为终端以访问网络。触摸屏常见于销售点系统、自动取款机（ATM）、移动电话、个人数字助理（PDA）、便携式游戏机、卫星导航装置以及信息家电中。

有很多类型的触摸屏技术。电阻式触摸屏面板由若干层构成，包括由薄的空间间隔开的两层薄的金属导电和电阻层。当某物体触摸触摸屏面板时，在某点连接这些层。响应于物体接触，面板的电学上的行为类似于具有被连接的输出的两个分压器。这导致电流上的变化，其表示为触摸事件并发送给用于进行处理的控制器。

电容式触摸屏面板涂覆有、部分地涂覆有或者构图有一材料，该材料通过传感器传导连续的电流。传感器在水平和垂直轴上均呈现出所存储电子的精确控制的场，以实现电容。人体是导电的，因此影响存储在电容中的电场。当传感器的参考电容被诸如手指之类的另一电容场改变时，位于面板的每个角的电子电路测量参考电容中得到的失真。所测量的涉及触摸事件的信息被发送给控制器，用于进行数学处理。可以用裸露的手指或者用正在由裸露的手握持的导电装置来触摸电容式传感器。电容式传感器也根据接近度来工作，而并非一定要直接接触来触发。在大多数情况下，并不发生对导电的金属表面的直接接触，而是由绝缘玻璃或者塑料层将导电的传感器与用户的身体分隔开。预期由手指触摸的具有电容式按钮的装置可能经常通过如下方式触发：迅速挥动接近于表面的手的手掌而没有触摸。

图1示出了用在电容式触摸屏面板中的示例性的传统的电容式触摸传感器。典型地使用形成为层的诸如ITO（铟锡氧化物）导体之类的透明导体来形成这样的传感器。在图1的示例性结构中，底部导体形成驱动电极X0、X1、X2、X3（也被称为驱动线），并且顶部导体形成感测电极Y0、Yl、Y2、Y3（也被称为感测线）。驱动线和感测线的每个交叉点形成电容器，该电容器具有测量的电容Cm。目标是确定电容式触摸传感器上的触摸位置的估计位置（estimate）。当手指或者其它接地的物体定位在或者接近传感器的交叉点，在该交叉点上测量的电容Cm发生变化。测量的电容Cm是在交叉点上的感测线和驱动线之间的电容。当在交叉点发生触摸事件时，感测线和驱动线之间的一部分场线转向感测线和手指之间。这样，测量的电容Cm在触摸事件期间减小。

模拟前端（AFE）电路对模拟信号执行信号处理，并且典型地执行模数转换。模拟前端电路可被用于各种应用，包括测量且转换电容为相对应的电压。图2A和2B示出了用于测量外部电容器的电容且将所测量的电容转换为相对应的电压的传统的模拟前端电路的简化的示意性框图。在示例性的应用中，外部电容是存储在图1的电容器Cm中的电荷。图2A示出了第一相位中的电路，图2B示出了第二相位中的电路。在相位1期间，在电容器Cm上收集将要测量的电荷。在相位2期间，将电容器Cm上存储的电荷转移到电容器Cf，并且输出相对应的电压Vout。

参考图2A，电路包括电容器Cm、运算放大器2、开关4、反馈电容器Cf和开关6。在放大器2的负输入端以及因此在电容器Cm的第一端子处的电压是虚地，Vvg。在相位1期间，开关4连接到参考电压Vref，且开关6闭合。闭合开关6使电容器Cf彻底地放电到公知的零状态。电容器Cm两端的电荷是电容Cm的Vvg-Vref倍。

在相位2期间，如图2B所示，开关4接地，且开关6打开。在开关4接地的情况下，电容器Cm两端的电压为零，且电容器Cm上所有的电荷被转移到电容器Cf。输出电压Vout是一信号，其幅度取决于存储在电容器Cm上以及转移到电容器Cf的电荷。如图4所示，输出电压Vout可以被输入到模数转换器（ADC），以便转换为相对应的数字输出值。因为电容器Cf在相位1期间彻底地放电，所以完全由从电容器Cm转移的电荷量来确定存储在电容器Cf上的电荷。如电容器Cf在相位1期间没有彻底地放电到零状态，则电容器Cf将保持对其之前状态的记忆。

输出电压Vout=Vref*Cm/Cf+vn，其中，Vref是公知的内部参考值，vn是由系统测量的不期望的噪声，且Cf是公知的值。因此，可以根据已知值Vref和Cf以及测量的值Vout来确定电容Cm。电容Cm是变化的电容且表示将被测量的电容，例如触摸屏显示器的测量的电容。当手指触摸触摸屏显示器时，电容变化，该变化是正在被测量的外部电容变化。

关于图2A和2B的电路的问题涉及宽频带噪声采样。电路不包括任何噪声滤波，所以在从相位1到相位2的转变中被引入系统的任何噪声包括在转移到电容器Cf的电荷内。该噪声表示为输出电压Vout中的成分“vn”。所以，输出电压Vout不仅是电容Cm的度量，还是噪声的瞬时采样。进一步地，ADC的动态范围需要足够大，以应对（account for）输出电压Vout由于噪声而增大了的幅度。更大的动态范围导致ADC具有更大的面积并且使用更多的电力。

图3示出了图2A和2B的电路的示例性的响应曲线。顶部曲线示出了对应于相位1和相位2的采样时钟。当采样时钟为高（例如1V）时，电路处于相位1（图1），当采样时钟为低（例如0V）时，电路处于相位2（图2）。在示例性的应用中，在采样时钟的上升沿对输入进行采样。在开关4和6从相位2变化到相位1的时刻，对电压Vout进行采样。如图3的中间的曲线所示，在输入信号上存在一些噪声，但是其平均值基本上是常数。采样值预期为常数，例如1V，但是由于噪声，实际的采样输出根据出现在采样时间的瞬时噪声而在所预期的常数值上下变化。在图3的底部的曲线中示出了实际的采样输出上的该变化的示例。如果瞬时噪声为高，则实际采样输出大于预期的常数值，例如采样输出曲线在1V以上的部分。如果瞬时噪声为低，则实际采样输出小于预期的常数值，例如采样输出曲线在1V以下的部分。

在应用中，用于确定电容的变化（例如在触摸屏显示器上的触摸事件）的阈值电压增大，以适应采样输出中的变化。增大阈值电压降低了系统的灵敏度。使用过低以至于无法应对噪声变化的阈值电压会导致错误的触发。

测量电容的各种替换的系统包括对于噪声的考虑。图4示出了使用数字滤波的传统的模拟前端电路的简化的示意性框图。图4的电路包括连接到低噪声放大器（LNA）的输出端的模数转换器（ADC）。将对ADC的电压输入转换为数字值，由包括噪声过滤的数字处理电路对该数字值进行处理。ADC也是在单个时间点（instant in time）进行采样的采样系统。这导致了类似变化的采样输出值，如以上针对图3所述的那样。

图5示出了另一个传统的模拟前端电路的简化的示意性框图。图5的电路与图4的电路相同，只是增加了带通滤波器（BPF）以便在输入到ADC之前对信号进行滤波。BPF试图对存在于电压信号（图3的中间的曲线）中的噪声在输入到ADC之前进行滤波。对来自BPF的经滤波的信号输出执行采样。关于图5的电路的问题在于不同的应用具有不同的噪声频谱。因此，BPF不能是固定的，相反地BPF必须是针对具体应用可调的。并且，BPF应该是能够进行微调的，以适应具有相对窄的频率响应的应用。例如，触摸屏显示器可能具有大约50-400kHz之间的频率响应。如果BPF具有过大的频带宽度，例如50kHz，则滤波器频带宽度可能过宽以至于对于某些应用而言无法有效地滤除噪声。

发明内容

在电容测量应用中模拟前端电路利用了相干检测。在一些应用中，模拟前端电路使用相干检测来测量触摸屏显示器的电容。模拟前端检测电路包括产生模拟激励信号的信号发生器。由将要测量的电容器来调制模拟激励信号。使用相关器同步地解调经调制的信号。在一些实施例中，相关器包括离散混合器和离散积分器。激励信号也输入到混合器，以使得经调制的信号乘以激励信号。在一些实施例中，激励信号是具有正弦波函数的模拟信号。在其它的实施例中，除了正弦波以外可以使用其它的波形。通常，产生激励信号且由将要测量的电容器调制该激励信号，并且在离散的时间周期上将相关信号与经调制的信号混合且对其进行积分。使相关信号与激励信号相关。

在一方面中，电容测量电路包括外部电容器和耦合到外部电容器的相干检测电路。相干检测电路被配置为测量外部电容器的电容，并且将所测量的电容转换为对应的电压输出。相干检测电路可以包括离散混合电路和离散积分电路。相干检测电路还可以包括耦合到外部电容器的信号发生器，其中信号发生器被配置为产生模拟激励信号。相干检测电路还可以包括放大器和耦合到放大器的输入端和输出端的反馈电容器，其中放大器的输入端耦合到外部电容器且放大器的输出端耦合到混合电路。经调制的模拟激励信号可以输入到混合电路的第一输入端，其中经调制的模拟信号包括模拟激励信号，其由外部电容器的电容调制。由信号发生器产生的模拟激励信号还可以输入到混合电路的第二输入端，其中混合电路被配置为将经调制的模拟激励信号与模拟激励信号相乘，并且输出混合的模拟信号。在一些实施例中，可以将相位延迟引入混合的模拟信号。积分电路可以被配置为接收混合的模拟信号且在离散的时间周期上对混合的模拟信号进行积分，以便输出对应的电压输出。时间周期可以是1/f的倍数，其中f是模拟激励信号的频率。

混合电路可以是连续时间混合电路，且积分电路可以是连续时间积分电路。相干检测电路可以是连续时间信号路径，其中，所述连续时间信号路径被配置为从外部电容器接收经调制的模拟信号，并且将所述经调制的模拟信号转换为对应的电压输出。电容测量电路还可以包括触摸屏显示器，其中触摸屏显示器包括外部电容器。相干检测电路可以是模拟同步解调器。

在另一个方面中，电容测量电路包括信号发生器、触摸屏显示器、放大器、反馈电容器、混合电路和积分电路。信号发生器被配置为产生模拟激励信号。触摸屏显示器具有至少一个电容器，其中所述电容器被配置为输入所述模拟激励信号且输出经调制的模拟激励信号，其中根据所述电容器的电容来调制所述模拟激励信号。放大器耦合到电容器且反馈电容器耦合到放大器的输入端和输出端。放大器被配置为输入经调制的模拟激励信号，且输出经放大的经调制的模拟激励信号。混合电路耦合到所述放大器和所述信号发生器，其中所述混合电路被配置为输入所述经放大的经调制的模拟激励信号和与所述模拟激励信号相关的模拟相关信号，并且输出混合的模拟信号。积分电路耦合到所述混合电路，其中，所述积分电路被配置为接收所述混合的模拟信号且在离散的时间周期上对所述混合的模拟信号进行积分以输出电压信号，其中所述电压信号对应于所述电容器的电容。

在另一个方面中，公开了测量电容的方法。该方法包括产生模拟激励信号。该方法也包括对将要测量的电容器施加模拟激励信号，从而对模拟激励信号进行调制。该方法也包括使所述经调制的模拟激励信号与相关信号相关，以便解调所述经调制的模拟激励信号，产生与所述电容器的电容相对应的输出电压，其中，使所述相关信号与所述模拟激励信号相关。使经调制的模拟激励信号与相关信号相关可以包括：混合经调制的模拟激励信号与相关信号，产生混合的模拟信号，并且在时间周期上对混合的模拟信号进行积分，产生输出电压。输出电压可以是直流电压。使所述经调制的模拟激励信号与所述相关信号相关从所述经调制的模拟激励信号中滤除了噪声和干扰。电容器可以测量触摸屏显示器的电容。

附图说明

参考附图介绍了若干示例性实施例，其中相同的部件具有相同的附图标记。示例性的实施例意图示出本发明，而非限制本发明。附图包括以下的图：

图1示出了用于电容式触摸屏面板的示例性的传统的电容式触摸传感器。

图2A和2B示出了用于测量外部电容器的电容且将所测量的电容转换为对应的电压的传统的模拟前端电路的简化的示意性框图。

图3示出了图2A和2B的电路的示例性的响应曲线。

图4示出了使用数字滤波的传统的模拟前端电路的简化的示意性框图。

图5示出了另一个传统的模拟前端电路的简化的示意性框图。

图6示出了使用根据第一实施例的相干检测的模拟前端电路的简化的示意性框图。

图7示出了对于等于300kHz的激励频率f，图6的电路的示例性的频率响应。

具体实施方式

本申请的实施例涉及模拟前端电路。本领域普通技术人员应当了解，以下对模拟前端电路的详细说明仅仅是说明性的，而并非旨在以任何方式作出限制。本领域技术人员受益于本公开内容，能够很容易想到模拟前端电路的其它实施例。

将具体地参考附图中所示的模拟前端电路的实施方式。在所有附图以及以下的详细说明中将使用相同的附图标记来指示相同或类似的部件。为了清楚起见，并未示出且描述这里所介绍的实施方式的所有常规特征。当然，应当理解的是，在任何这样的实际实施方式的开发过程中，必须作出许多针对实施方式的具体决定，以便达到开发者的具体目标，例如符合与应用和商业有关的约束条件，并且这些具体目标在一个实施方式与另一个实施方式以及一个开发者与另一个开发者之间将是不同的。此外，应当理解的是，这样的开发工作可能是复杂且费时的，但是尽管如此，对于受益于本公开内容的本领域普通技术人员来说，将依然是工程的常规工作。

在一些实施例中，由模拟前端电路来执行电容测量，模拟前端电路使用相干检测（也被称为同步解调或者相关（correlation）），以抑制噪声和/或其它的干扰。图6示出了使用根据第一实施例的相干检测的模拟前端电路的简化的示意性框图。相干检测通常指在特定频率f发送信号，并且在相同的频率f检测信号。其它频率的信号被视为噪声。混合器10和积分器12一起被称为相关器，其执行同步解调或者相关，以抑制噪声和/或干扰。在一些实施例中，混合器包括运算放大器和包括可变电阻器的电阻器对，其中混合器的输出电压是输入电压乘以两个电阻器的比率的函数。在一些实施例中，积分器包括运算放大器，耦合到运算放大器的输入端和输出端的反馈电容器，以及耦合到运算放大器的输入端的电阻器，其中积分器的输出电压等于电阻器和电容器的乘积的倒数再乘以输入电压在时间周期上的积分。或者，可以使用其它传统的混合器和积分器结构。

信号发生器8产生激励信号sin（ωt），其中ω=2πf。激励信号sin（ωt）乘以参考电压Vref。根据测量的电容器的电容Cm来调制所得到的信号Vref*sin（ωt）。该经调制的信号由低噪声放大器9放大，输入到混合器10且与初始的激励信号sin（ωt）混合。混合器10将两个输入信号（经调制且放大的激励信号和激励信号）相乘。然后通过积分器12对相乘后的信号在一时间周期T上进行积分。时间周期Ｔ是周期1/f的倍数。将两个正弦波信号相乘产生了直流电压项（Cm/2Cf)Vref加上两倍频的正弦项，该正弦项当在频率的倍数上积分时抵消，仅剩下直流电压项。这是当仅存在理想信号时的结果。当引入噪声时，噪声也与激励信号sin（ωt）相乘且被积分。输出电压Vout可以表示如下：

$V_{\mathrm{out}}=\frac{C_m}{{2C}_f}{V}_{\mathrm{ref}}\÷\underset{0}{\overset{T}{\∫}}n\left(t\right)\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中T是1/f的倍数，且噪声表示为n（t）。积分器12提供了具有f周围的峰值的带通滤波功能，以便滤除包括在等式（1）中的第二项的噪声。输出电压Vout是直流电压项，其随后可以使用ADC来采样。不存在将要被采样的动态信号。

图7示出了对于等于300kHz的激励频率f，图6的电路的示例性的频率响应。在示例性的应用中，图6的电路配置用于窄带通滤波，且图7的相对应的窄带频率响应示出了该电路在大约300kHz的选择性非常高。其它的频率被滤除。

除了滤除噪声以外，图6所示的相干检测电路还可以容易地适用于产生交替频率的激励信号，从而改变带通功能。该调整并不需要改变LNA、混合器10或者积分器12。简单地改变信号产生器8以在交替频率处产生激励信号。相反，需要调节图5的传统的模拟前端电路中的BPF元件，例如BPF内的电阻器和电容器，以便改变带通功能。

虽然上述应用是根据正弦波来描述的，但是应当理解的是，其它的波形可用来应用相干检测。等式（1）可以概括为：

$V_0={\∫}_0^{T}E\left(t\right)C\left(t\right)\mathrm{dt}+{\∫}_0^{T}n\left(t\right)C\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中E(t)是提供给电容器Cm的激励信号，且C(t)是输入到混合器的相关信号。E(t)和C(t)可以是使得E(t)和C(t)是相关的任何波形。选择E(t)和C(t)以使得E(t)C(t)的积分最大化，且n(t)C(t)的积分最小化。针对噪声的最小相关来选择C(t)。时间周期T是E(t)*C(t)周期的倍数。

图6的模拟前端电路利用了电容测量应用中的相干检测。在示例性的应用中，模拟前端电路使用相干检测来测量触摸屏显示器的电容。模拟前端电路提供了优良的抗噪声和干扰性，并且也提供了较高的信噪比。

图6的模拟前端电路提供连续的时间信号路径，在执行采样处不执行离散采样功能，且然后将电容器上的电荷释放。信号连续地流过混合器和积分器，并且因此没有由于进行时间点采样而引起的混叠。在相关器内完成抗混叠。不需要单独的抗混叠滤波器。

图6的模拟前端电路比传统的模拟前端电路（例如图2A、2B、4和5的模拟前端电路）使用更少的电力。耦合到图6的模拟前端电路的ADC不要求与诸如图4中使用的ADC之类的ADC同样多的电力，即对有源模拟信号进行采样。耦合到图6的模拟前端电路的ADC可能更慢且更不精确。

已经通过结合细节的具体实施例对本申请进行了描述，以促进对模拟前端电路的结构和操作的原理。可以互换在各个附图中示出且描述的多个部件以达到需要的结果，并且本说明书也应当理解为包括这样的互换。因此，在此参考具体实施例及其详述并不是要限制所附权利要求的范围。对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以对被选择用于列举的实施例作出修改。

Claims (10)

1.一种电容测量电路，包括：

外部电容器；

放大器，具有输入端和输出端，所述放大器包括设置在所述输入端与所述输出端之间的反馈电容器，所述放大器的输入端耦合到所述外部电容器，所述放大器被配置为对由所述外部电容器提供给所述放大器的输入端的经调制的激励信号进行放大，所述经调制的激励信号是根据所述外部电容器的电容而调制成的；以及

相关器，被配置为对所述经调制的激励信号进行同步解调，所述相关器包括混合电路和积分器电路，所述混合电路耦合到所述放大器的输出端，所述混合电路被配置为将所述经调制的激励信号乘以初始的未经调制的模拟激励信号以产生混合信号，并且所述积分器电路耦合到所述混合电路，所述积分器电路被配置为在离散的时间周期上对所述混合信号进行积分以产生与所述外部电容器的电容相对应的输出电压，

其中所述时间周期是1/f的倍数，其中f是所述模拟激励信号的频率。

2.根据权利要求1所述的电容测量电路，进一步包括耦合到所述外部电容器的信号发生器，其中所述信号发生器被配置为产生所述模拟激励信号。

3.根据权利要求2所述的电容测量电路，其中，由所述信号发生器产生的所述模拟激励信号输入到所述混合电路。

4.根据权利要求1所述的电容测量电路，其中所述混合电路包括连续时间混合电路。

5.根据权利要求1所述的电容测量电路，其中所述积分器电路包括连续时间积分电路。

6.根据权利要求1所述的电容测量电路，其进一步包括触摸屏显示器，其中所述触摸屏显示器包括所述外部电容器。

7.一种电容测量电路，包括：

信号发生器，其被配置为产生模拟激励信号；

触摸屏显示器，其具有至少一个电容器，其中所述电容器被配置为输入所述模拟激励信号且输出经调制的模拟激励信号，其中根据所述电容器的电容来调制所述模拟激励信号；

耦合到所述电容器的放大器和耦合到所述放大器的输入端和输出端的反馈电容器，其中，所述放大器被配置为输入所述经调制的模拟激励信号且输出经放大的经调制的模拟激励信号；

混合电路，其耦合到所述放大器和所述信号发生器，其中所述混合电路被配置为输入所述经放大的经调制的模拟激励信号和所述模拟激励信号，并且基于所述经放大的经调制的模拟激励信号和所述模拟激励信号输出混合的模拟信号；以及

积分电路，其耦合到所述混合电路，其中，所述积分电路被配置为接收所述混合的模拟信号且在离散的时间周期上对所述混合的模拟信号进行积分以输出电压信号，其中所述电压信号对应于所述电容器的电容，其中所述时间周期是1/f的倍数，其中f是所述模拟激励信号的频率。

8.一种测量电容的方法，该方法包括：

产生模拟激励信号；

将所述模拟激励信号施加到将要测量的电容器，其中基于所述电容器的电容来调制所述模拟激励信号；

通过混合电路将经调制的模拟激励信号与所述模拟激励信号相乘，以产生混合信号；以及

通过积分电路在时间周期上对所述混合信号进行积分以产生与所述电容器的电容相对应的输出电压，其中所述时间周期是1/f的倍数，其中f是所述模拟激励信号的频率。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述输出电压包括直流电压。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述电容器测量触摸屏显示器的电容。