CN103823598B - 触控感应电路及方法 - Google Patents

Abstract

一种触控感应电路及方法，该触控感应电路包括：一触控电容器，用以承受一触碰；一触控电容频率侦测单元，用以侦测该触控电容器的一电容输出频率；一参考频率产生单元，用以产生一参考频率；一运算单元，用以计算该电容输出频率与该参考频率的差值的变化率；以及一判断单元，用以在该差值的变化率超过一基准值时判断该触控电容器正被触碰。

Description

触控感应电路及方法

技术领域

本发明关于触控感应技术，更关于提升触控感应灵敏度的技术。

背景技术

触控感应科技的进步让我们的日常生活起了重大的改变。举凡家用电器、手机、计算机等电子装置，其操控接口上的传统机械开关皆已逐渐被触控装置所取代。

就电容式触控装置而言，其目的在于处理人体碰触电容式开关时所产生的电容值变化。由于电容值的变化相当微弱，因此，外界的温度、湿度以及电磁干扰皆可能造成触控装置发生误动作，甚至导致整个装置失效。若触控装置是一手持式产品，不同使用者的不同触控行为都可能造成触控装置产生不一致的反应。此外，触控电路IC在量产时也常因为制程飘移因素而使其触控感应的灵敏度受到影像。

为了避免前述事情，现有技术在生产触控产品时必须一一针对各个产品做测试及微调，才能维持触控装置的品质。然而，此举不仅耗时耗力，也限制了触控装置在电子装置上的应用。

发明内容

本发明提供一种触控感应电路。该触控感应电路包括：一触控电容器，用以承受一触碰；一触控电容频率侦测单元，耦接至该触控电容器，用以侦测该触控电容器的一电容输出频率；一参考频率产生单元，用以产生一参考频率；一运算单元，耦接至该触控电容频率侦测单元及该参考频率产生单元，用以计算该电容输出频率与该参考频率的差值的变化率；以及一判断单元，耦接至该运算单元，用以在该差值的变化率超过一基准值时判断该触控电容器正被触碰。

本发明另提供一种触控感应方法。该触控感应方法包括：侦测一触控电容器的一电容输出频率；产生一参考频率；计算该电容输出频率与该参考频率的差值的变化率；在该差值的变化率超过一基准值时判断该触控电容器正被触碰。

附图说明

图1是依据本发明一实施例的电容式触控感应电路的系统方块图。

图2是依据本发明一实施例的触控电容频率侦测单元120及触控电容器110的示意图。

图3是本发明的切换电容网络取代示意图。

图4是本发明一实施例的充放电电路结构示意图。

图5是依据本发明一实施例的参考频率产生单元130的结构示意图。

图6是依据本发明一实施例的触控感应方法流程图。

附图中的符号简单说明如下：

100：电容式触控感应电路；110：触控电容器；120：触控电容频率侦测单元；130：参考频率产生单元；140：运算单元；150：判断单元；T1、T2、T3、T4：晶体管；122：施密特触发器；124：切换电容网络；126：充放电电路；128：充放电开关；Cswr：接地电容器；Cs：触控电容器的电容值；Cint：参考电容器的电容值；fdet：触控电容的电容输出频率；fref：参考频率；Vin：实际电压；V+：充电电压；V-：放电电压；162：运算放大器；164：电流镜；166：滤波电路；168：滤波电路；112：参考电容器；114：参考电容频率取样单元；132：施密特触发器；134：切换电容网络；136：充放电电路；138：充放电开关；S602~S608：步骤。

具体实施方式

下文为介绍本发明的最佳实施例。各实施例用以说明本发明的原理，但非用以限制本发明。本发明的范围当以权利要求项为准。

为了克服现有技术的缺失、提升电容式触控装置的灵敏度以及抗干扰的能力，本发明提供一种特别的电容式触控感应电路及触控感应方法。下文将参照附图说明本发明的各个实施例。

触控感应电路

图1是依据本发明一实施例的电容式触控感应电路的系统方块图。本发明的电容式触控感应电路100包括一触控电容器110、一触控电容频率侦测单元120、一参考频率产生单元130、一运算单元140以及一判断单元150。其中，该触控电容器110可用以承受使用者的触碰，而其电容值(电容量)C s会因触碰而发生变化。一般来说，当人体触碰电容器110时，其电容值C s会变大。

如图1所示，本发明的触控电容频率侦测单元120耦接至该触控电容器110，可用来侦测该触控电容器110的一电容输出频率fdet。图2是依据本发明一实施例的触控电容频率侦测单元120及触控电容器110的示意图。在此实施例中，本发明的触控电容频率侦测单元120包括一施密特触发器(Schmitttrigger)122、一切换电容网络124、一充放电电路126以及一组充放电开关128。本发明采用施密特触发器122用以做为一振荡架构，其耦接至前述触控电容器110，目的在于因应电容值Cs的变化产生双稳态振荡信号，以做为后续数字信号处理之用。如图3所示，现有技术中常以一电阻将施密特触发器122的输入端与输出端连接起来。然而，为了能够更精准的控制触控电容器110所产生的电容输出频率fdet，本发明另以该切换电容网络124取代现有的电阻，以利于更加精准地控制其阻值，后文将再详述。虽然此实施例以切换电容网络124取代传统电阻，然而，本领域技术人员可了解到本发明不必以此为限。本发明的切换电容网络124连接至该施密特触发器122的输入端，包括两个切换晶体管T1及T2以及一接地电容器Cswr。该两个切换晶体管T 1及T2皆连接至一节点P，并以一切换频率fswr轮流开启及关闭，而该接地电容器Cswr则连接于该节点P与接地端之间。由此可知，本发明的切换电容网络124的等效电阻值Rswr将等于：1/(Cswr×fswr)。因此，施密特触发器122最后输出的电容输出频率fdet可表示为fdet=1/(K×Rswr×Cs)，此即表示fdet/fswr=(1/K)×(Cswr/Cs)，其中K为常数，其值约为0.69。从此式可了解到，通过控制本发明的切换电容网络124中两晶体管开关T1及T2间的切换频率fswr，即可产生适当大小的电容输出频率fdet。本发明切换电容网络124的设计不仅将触控电容器110所输出的信号予以数字化，其更能精确地将电容输出频率控制在适当范围，将有助于提升整体触控感应电路100对触碰感应的灵敏度。

本发明的充放电电路126通过充放电开关128以及前述切换电容网络124耦接至该触控电容器110，目的在于提供一充电电压V+及一放电电压V-至该触控电容器110上。请一并参照图2与图4，其中，图4是本发明一实施例的充放电电路结构示意图。本发明的充放电电路126至少包括一运算放大器162以及一电流镜164。其中该运算放大器162耦接至该触控电容器110，用以接收该触控电容器110的实际电压Vin。明确地说，本发明的运算放大器162是一单一增益放大(unit gain)器，其可用以确保电阻R1与电阻R2相连接的节点X上的电压与实际电压值相同。该电流镜164以一输入端A连接至一电源VDD，并以一输出端B串联至一第一电阻R1，而该第一电阻R1又串联至一第二电阻R2。在一实施例中，该第一电阻R1与该第二电阻R2具有相同的电阻值。其中，该第一电阻R1与该第二电阻R2相连接的节点X可接收该触控电容器110上的实际电压Vin。如图4所示，由于该第一电阻R1与该第二电阻R2具有相同的电阻值，因此电流I可在两电阻上形成相同的跨压ΔV，使得该第一电阻R 1可在节点B上输出该放电电压V-，其值等于Vin-ΔV，并使得该第二电阻R2可在节点Y上输出该充电电压V+，其值等于Vin+ΔV。最后，充放电开关128中的晶体管T3以及T4会配合对触控电容器110充放电的时机轮流开启及关闭。明确地说，当对触控电容器110充电时，晶体管T3开启，而晶体管T4关闭；而当对触控电容器110放电时，晶体管T3关闭，而晶体管T4开启。本发明充放电电路126的设计，其目的在于迅速平衡触控电容110的电压电平、提升充放电的品质，亦具有提升本发明触控感应电路100灵敏度的功效。如图4所示，在某些实施例中，本发明的充放电电路126还包括滤波电路166及168，目的在于进一步稳定所输出的充放电电压的电压电平，然而，此实施例中滤波电路166及168的电路架构仅为方便说明，本发明不必以特定的滤波电路为限。

本发明的参考频率产生单元130可用以产生一参考频率fref。其中，参考频率产生单元130的目的在于产生一个与触控电容频率侦测单元120所侦测到的电容输出频率fdet相近但不相等的参考频率fref。图5是依据本发明一实施例的参考频率产生单元130的结构示意图。在此实施例中，该参考频率产生单元130包括一参考电容器112以及一参考电容频率取样单元114。其中，该参考电容器112的电容值为Cint，其值应与前述触控电容器110电容值相近但不相等。在一最佳实施例中，该参考电容频率取样单元114应与前述触控电容频率侦测单元120有着相同电路结构，至少包括一施密特触发器(Schmitt trigger)132、一切换电容网络134、一充放电电路136以及一组充放电开关138。由于本领域技术人员可参照前文关于触控电容频率侦测单元120的实施例了解参考频率产生单元130的工作原理及实施方式，故本文不在赘述。由于参考频率产生单元130可与触控电容频率侦测单元120在相同的制程环境中被制造于相同的集成电路上，因此制程飘移因素对整个集成电路所造成的不良影像将可被适当地消除。

回到图1。本发明最主要的优势来自于所提供的运算单元140，其可进一步提升本发明触控感应的灵敏度，并消除制程飘移的影响。明确地说，本发明的运算单元140可计算触控电容频率侦测单元120所侦测到的电容输出频率fdet与参考频率产生单元130所产生的参考频率fref的差值的变化率。举例来说，假设当触控电容器110未受到触碰时，触控电容频率侦测单元120所侦测到的电容输出频率fdet的值为10kHz；而当触控电容器110受到触碰时，触控电容频率侦测单元120所侦测到的电容输出频率fdet的值会变为9kHz(一般来说，当人体触碰电容器110时，其电容值会变大，而其输出频率会变小)，此外，假设本发明的参考频率产生单元130所提供的参考频率fref为11kHz(与电容输出频率fdet相近但不相等)，其值不受触控行为的影响。现有技术中，多以侦测电容输出频率fdet的变化率的方式判断是否正在受到触碰，就此例而言，侦测电容输出频率fdet的变化率仅为(9kHz-10kHz)/10kHz=10%，相当容易受到制程飘移以及各种干扰而被忽略，造成触控感应不良。与现有技术不同的是，本发明运算单元140会先将电容输出频率fdet扣除参考频率fref而取得一差值后，再计算该差值因触碰所产生的变化率(后文简称为“差值变化率”)。就此例而言，其差值变化率为(2kHz-1kHz)/1kHz=100%，为前者10%的10倍，其相当于将原先的灵敏度放大10倍，极有利于触碰行为的侦测与感应。本发明的运算单元140主要可由一减法器与一除法器所组成(图未示)，由于其电路实施方式繁多，故本文将不再赘述其电路细节。

本发明的判断单元150可预先将适当的差值变化率储存成一基准值。之后，每当运算单元140所计算得到的差值变化率超过前述基准值时，本发明的判断单元150即可判断该触控电容器110正在被触碰，完成整个触控感应的动作。值得注意的是，外界环境的变化(例如电源电力的变化、环境温度、湿度的变化)皆会对前述差值变化率造成影响。因此，在某些实施例中，本发明的运算单元140可针对前述不同的环境分别计算其差值变化率，而判断单元150即可将不同环境下的差值变化率储存为基准值，如此一来，本发明即可满足动态运算的需求。

触控感应方法

除了前述触控感应电路，本发明另提供一种触控感应方法。图6是依据本发明一实施例的触控感应方法流程图。本发明的触控感应方法600包括：在步骤S602中，侦测一触控电容器的一电容输出频率；在步骤S604中，产生一参考频率；在步骤S606中，计算该电容输出频率与该参考频率的差值的变化率；在步骤S607中，进行基准值计算，以及在步骤S608中，当该差值的变化率超过一基准值时判断该触控电容器正被触碰。值得注意的是，在一理想实施例中，步骤S604所产生的参考频率应与该电容输出频率相近但不相等。由于本领域技术人员可参照前文关于触控感应电路的内容理解并实施本发明的触控感应方法600中的各个步骤，故本文将不再赘述本方法的其它各种实施例。

以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种触控感应电路，其特征在于，包括：

一触控电容器，用以承受一触碰；

一触控电容频率侦测单元，耦接至该触控电容器，用以侦测该触控电容器的一电容输出频率；

一参考频率产生单元，用以产生一参考频率；

一运算单元，耦接至该触控电容频率侦测单元及该参考频率产生单元，用以计算该电容输出频率与该参考频率的差值的变化率；以及

一判断单元，耦接至该运算单元，用以在该差值的变化率超过一基准值时判断该触控电容器正被触碰，

其中，该参考频率相近但不相等于该电容输出频率。

2.根据权利要求1所述的触控感应电路，其特征在于，该触控电容频率侦测单元还包括一施密特触发器，其以一输入端串联至该触控电容器的一输出端。

3.根据权利要求2所述的触控感应电路，其特征在于，该触控电容频率侦测单元还包括一切换电容网络，其中该切换电容网络连接至该施密特触发器的输入端。

4.根据权利要求3所述的触控感应电路，其特征在于，该切换电容网络还包括：

两切换晶体管，皆连接至一节点，以一切换频率轮流开启及关闭；以及

一接地电容器，连接于该节点与一接地端之间。

5.根据权利要求1所述的触控感应电路，其特征在于，该触控电容频率侦测单元还包括一充放电电路，耦接至该触控电容器，用以提供一充电电压及一放电电压至该触控电容器。

6.根据权利要求5所述的触控感应电路，其特征在于，还包括一组充放电开关，耦接于该充放电电路以及该触控电容器之间，用以控制该充放电电路。

7.根据权利要求6所述的触控感应电路，其特征在于，该充放电电路还包括：

一电流镜，其以一输入端连接至一电源，并以一输出端串联至一第一电阻，而该第一电阻又串联至一第二电阻，其中该第一电阻与该第二电阻连接于一节点；该节点用以接收该触控电容器的一实际电压，而该第一电阻用以输出该放电电压，而该第二电阻用以输出该充电电压。

8.根据权利要求7所述的触控感应电路，其特征在于，该第一电阻与该第二电阻具有相同的电阻值。

9.根据权利要求1所述的触控感应电路，其特征在于，该参考频率产生单元还包括：

一参考电容器；以及

一参考电容频率取样单元，耦接至该参考电容器，用以侦测该参考电容器的一电容输出频率，其中该参考电容频率取样单元与该触控电容频率侦测单元具有相同的电路结构。

10.一种触控感应方法，其特征在于，包括：

侦测一触控电容器的一电容输出频率；

产生一参考频率；

计算该电容输出频率与该参考频率的差值的变化率；

在该差值的变化率超过一基准值时判断该触控电容器正被触碰，

其中，该参考频率相近但不相等于该电容输出频率。