CN103955322A - 一种基于分布式结构的低功耗电容触摸屏控制芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式结构的低功耗电容触摸屏控制芯片，包括数字部分和模拟部分，述数字部分包括相位控制字生产模块、Cordic算法正弦波产生模块、Cordic算法数字解调模块和数字输入输出接口；所述模拟部分包括激励部分、DA转换模块和AD采样模块。用于激励部分的输入的激励信号是有高度可控的复合频率产生，是通过数字频率合成技术来实现的。为产生多种频率相位复合的波形，采用分布式Cordic运算阵列来生成波形幅值。再通过DA输出到差分驱动单元。本发明检测精度高、抗杂散寄生电容性能好、抗环境干扰能力强、不存在电荷注入的问题、大量使用数字电路使得结构简单易于控制，采用分布式并行计算，大幅度降低功耗。

Description

一种基于分布式结构的低功耗电容触摸屏控制芯片

技术领域

本发明公开了一种基于分布式结构的低功耗电容触摸屏控制芯片，具体涉及一种针对特殊电容检测技术的，基于分布式计算的新型结构的低功耗控制芯片，属于芯片制造技术领域。

背景技术

投射式互电容触控屏采用投射式触控技术的互电容检测方法可实现多点触控，其抗干扰能力强的优点使其成为未来的主流。投射式互电容触控技术实现的关键是找到合适的触控检测电路、较优的算法软件来实现触摸位置准确报坐标，并同时能降低成本和功耗。因电容式触控技术在国内真正发展只有2～3年时间，目前技术方案尚未成熟，一些核心技术及专利屏障为触摸屏的进一步发展形成一定的阻碍。

触摸屏控制芯片主要作用是检测电容触摸屏上的电容变化，降低噪音影响，提供高信噪比的有效信号。就检测技术来说目前主要有三种检测方案：开关电容法触摸感应技术、基于弛张振荡的触摸感应技术以及基于电荷转移的触摸感应技术。开关电容触摸感应主要专利被美国Cypress新思等公司所垄断；张驰震荡感应虽无专利壁垒，但是容易受到杂散寄生电容影响，精度难以提高；电荷转移感应电路结构复杂，容易受温度影响严重。而为了提高信噪比，以CypressAtmel公司为代表的美国触控厂商，采用了提高触控屏工作电压(10-12V)的办法，这也大大增加了功耗。如9.75寸实现5点触摸的耗电流在40mA左右，10点触摸则达到了80mA之多。从电路结构上说，以汇顶、敦泰、mstar为代表国产厂商，都是采用MCU+DSP结构，创新突破缓慢、同质化严重。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，采用新型的电容检测技术，配合其特定的电路结构，提供一种基于分布式结构的低功耗电容触摸屏控制芯片。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于分布式结构的低功耗电容触摸屏控制芯片，包括数字部分和模拟部分，其中，所述数字部分包括相位控制字生产模块、Cordic算法正弦波产生模块、Cordic算法数字解调模块和数字输入输出接口；所述模拟部分包括激励部分、DA转换模块和AD采样模块；所述相位控制字生产模块的第一输出端经过Cordic算法正弦波产生模块与DA转换模块相连接，相位控制字生产模块的第二与输出端与Cordic算法数字解调模块的第二输入端相连接，AD采样模块的输出端与Cordic算法数字解调模块的第一输入端相连接，Cordic算法数字解调模块的输出端与数字输入输出接口的输入端相连接，数字输入输出接口的输出端和相位控制字生产模块的输入端相连接；所述激励部分具体为一组由差分共轭的激励结构和反馈结构组成的电容感应电路，激励部分检测电容的大小，并将其放映成对应的电压，激励部分分别与DA转换模块和AD采样模块相连接，所述DA转换模块把数字信号转为模拟信号，所述AD采样模块检测激励返回信号的模拟量与数字量之间的转换。

作为本发明的进一步优选方案，所述DA转换模块为复合频率波形发生器。

作为本发明的进一步优选方案，所述AD采样模块为高速AD采样芯片。

作为本发明的进一步优选方案，所述激励部分的输入激励信号具体为：采用数字频率合成技术产生高度可控的复合频率。

作为本发明的进一步优选方案，采用分布式Cordic运算阵列产生成波形幅值，进而产生频率相位复合的波形。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.检测精度高：在3.3伏的工作电压下，能检测到飞法级别的电容变化，灵敏度达到1飞法/毫伏；

2.抗杂散寄生电容性能好：杂散电容是微小电容变化的10倍-100倍仍然不会影响测量精度；

3.抗环境干扰能力强：对环境的温度不敏感，可任意改变工作频率以降低噪音干扰；

4.无模拟开关结构，完全不存在电荷注入的问题；

5.大量使用数字电路，结构简单，易于控制；

6.采用分布式并行计算，大幅度降低功耗。

附图说明

图1是本发明实施例的激励部分电路图。

图2是本发明实设计思路的逻辑连接示意图。

图3是本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明实施例的激励部分电路图如图1所示，所居实施例为现有技术中一种常见的电路结构，在此不作具体描述。

当运算放大器反馈电阻足够大的时候可以得到近似方程：

$V_{\mathrm{out}}\left(s\right)=\frac{V_s\left(s\right)}{X_{C_1}\left(s\right)}{X}_{C_f}\left(s\right)-\frac{V_s\left(s\right)}{X_{C_2}\left(s\right)}{X}_{C_f}\left(s\right)---\left(1\right)$

$V_{\mathrm{out}}\left(s\right)=V_s\left(s\right)\·X_{C_f}\left(s\right)\·(\frac{1}{X_{C_1}\left(s\right)}-\frac{1}{X_{C_2}\left(s\right)})---\left(2\right)$

$V_{\mathrm{out}}\left(s\right)=V_s\left(s\right)\·\frac{1}{C_{f}s}\·(C_1-C_2)\·s---\left(3\right)$

$V_{\mathrm{out}}\left(s\right)=\frac{C_1-C_2}{C_f}{V}_s\left(s\right)---\left(4\right)$

上述公式中：Vin表示输入信号；Vout表示经差分放大后的输出信号；C₁为待测电容，C₂为标准参考电容；C_f，R_f与运算放大器组成了电荷积分放大电路；Xc₁(s)，Xc₂(s)为电容C₁、C₂的阻抗的频域表达形式；Vs(s)为输入原始载波信号的频域表达形式。

可以看出，电容的微小变化转化为电压的变化经过放大器输出，其数值正比于电容变化差值。杂散电容对参考电容和待测电容的影响是相同的，可以经过差分消除之。

本发明实设计思路的逻辑连接示意图如图2所示，所述基于分布式结构的低功耗电容触摸屏控制芯片包括数字部分和模拟部分，其中，所述数字部分包括相位控制字生产模块、Cordic算法正弦波产生模块、Cordic算法数字解调模块和数字输入输出接口；所述模拟部分包括激励部分、DA转换模块和AD采样模块；所述相位控制字生产模块的第一输出端经过Cordic算法正弦波产生模块与DA转换模块相连接，相位控制字生产模块的第二与输出端与Cordic算法数字解调模块的第二输入端相连接，AD采样模块的输出端与Cordic算法数字解调模块的第一输入端相连接，Cordic算法数字解调模块的输出端与数字输入输出接口的输入端相连接，数字输入输出接口的输出端和相位控制字生产模块的输入端相连接；所述激励部分具体为一组由差分共轭的激励结构和反馈结构组成的电容感应电路，激励部分检测电容的大小，并将其放映成对应的电压，激励部分分别与DA转换模块和AD采样模块相连接，所述DA转换模块把数字信号转为模拟信号，所述AD采样模块检测激励返回信号的模拟量与数字量之间的转换。

本发明实施例的结构示意图如图3所示，整个芯片包括两个主要部分，一个是数字部分，一个是模拟部分。用于激励部分的输入激励信号是由高度可控的复合频率产生，是通过数字频率合成技术来实现的。为产生多种频率相位复合的波形，采用分布式Cordic运算阵列来生成波形幅值。再通过DA输出到差分驱动单元。

所述数字部分包括：

1.一个分布式Cordic算法计算阵列，它用于整体算法的电路化。

2.一个参数化可编程的控制核心，它是整个芯片的工作核心，控制整个芯片的工作。

3.一个线性稳压输出模块LDO，它是整个芯片的电源。

所述模拟部分包括：

(1).一组差分共轭的激励结构、反馈结构的电容感应电路，它是用于检测电容的大小，把电容的大小放映成对应的电压。

(2).一个高度可控的DA，它是一个复合频率波形发生器，负责把数字信号转为模拟信号。

(3).一个高速AD，它是负责检测激励返回信号的模拟信号转数字信号的器件。

每个单元拥有独立的相位控制字和频率控制字，经过配置后可以输出任何频率分量。以其中一个单元作为载波，经过复合单元调制生成带有测试向量的信号，向待测电容(或电容网络)发出；经过电容(或电容网络)后，再经过AD采样幅值，作为Cordic阵列中某些单元的输入，解调信息。只要将解调运算单元的相位控制字和频率控制字恰当调整，经过极座标旋转运算或者双曲旋转运算，就能正确解调出频率或者相位幅值的微小变化。本发明已经经过台湾积体电路制造有限公司的0.18μm工艺流片测试，可以稳定工作在380Mhz时钟频率下，满足设计要求。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于分布式结构的低功耗电容触摸屏控制芯片，其特征在于：包括数字部分和模拟部分，其中，所述数字部分包括相位控制字生产模块、Cordic算法正弦波产生模块、Cordic算法数字解调模块和数字输入输出接口；所述模拟部分包括激励部分、DA转换模块和AD采样模块； 

    所述相位控制字生产模块的第一输出端经过Cordic算法正弦波产生模块与DA转换模块相连接，相位控制字生产模块的第二与输出端与Cordic算法数字解调模块的第二输入端相连接，AD采样模块的输出端与Cordic算法数字解调模块的第一输入端相连接，Cordic算法数字解调模块的输出端与数字输入输出接口的输入端相连接，数字输入输出接口的输出端和相位控制字生产模块的输入端相连接；

所述激励部分具体为一组由差分共轭的激励结构和反馈结构组成的电容感应电路，激励部分检测电容的大小，并将其放映成对应的电压，激励部分分别与DA转换模块和AD采样模块相连接，所述DA转换模块把数字信号转为模拟信号，所述AD采样模块检测激励返回信号的模拟量与数字量之间的转换。

2.如权利要求1所述的一种基于分布式结构的低功耗电容触摸屏控制芯片，其特征在于：所述DA转换模块为复合频率波形发生器。

3.如权利要求1所述的一种基于分布式结构的低功耗电容触摸屏控制芯片，其特征在于：所述AD采样模块为高速AD采样芯片。

4.如权利要求1所述的一种基于分布式结构的低功耗电容触摸屏控制芯片，其特征在于，所述激励部分的输入激励信号具体为：采用数字频率合成技术产生高度可控的复合频率。

5.如权利要求1所述的一种基于分布式结构的低功耗电容触摸屏控制芯片，其特征在于，采用分布式Cordic运算阵列产生成波形幅值，进而产生频率相位复合的波形。