CN103970359A - 一种用于红外触摸屏的光电信号处理电路 - Google Patents

Abstract

一种用于红外触摸屏的光电信号处理电路，在电路中包含有一个指数放大单元，串联在信号处理电路的末端。所述指数放大单元可以全部由晶体管构成，也可以由晶体管与运算放大器构成。在信号处理电路中还可以加入一个最大增益受限的对数放大单元，串联在光电信号处理电路的前端，或者所述指数放大单元的前面。本发明具有电路结构简单、动态范围大、输出状态稳定等优点，能大幅度降低电路调试的工作量，使得信号处理电路对于和接收元件的输出信号强度具有更宽广的适应性。

Description

一种用于红外触摸屏的光电信号处理电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其是用于红外触摸屏信号处理的电子技术领域，涉及一种红外触摸屏中光电信号处理电路的结构。

背景技术

现有红外触摸屏的基本结构，是在边框的两个邻边上安装红外发射管阵列，另外两个邻边安装有红外接收管阵列。两个阵列中的发射管和接收管构成一一对应的对管，再通过同轴和离轴的光线扫描，构成了单个触摸点和多个触摸点的扫描光路系统。与这个光路系统相配合的光电信号处理电路，信号放大部分一般是固定增益或者程控增益放大器。但这种固定增益或数控增益放大器在应用中存在不少问题。

首先，固定增益放大器对元器件参数的离散性和环境的适应性不好。不同的红外接收管所接收到的红外光电信号的强度，与其自身的灵敏度、对面红外发射管的发光强度、照射角度、红外线在屏幕表面和边框表面的反射强度、环境光的亮度等诸多因素有关，因此使用固定增益放大器来处理红外光电信号，常常会出现触摸物遮挡不住扫描光线造成漏判的情况，或者接收管接收到的红外线过弱而不能被触摸屏内的微控制器检测到造成误判的情况。

其次，数控增益放大器虽然能比较有效地解决固定增益放大器所存在的问题，但是数控增益放大器也有自己的缺点。第一，要在扫描检测过程中根据预存的数据表，在不同的接收管被接入电路时不断地调整放大器的增益，既需要切换增益的时间又需要稳定信号的时间，因此会导致扫描周期的延长，降低触摸屏的响应速度；第二针这种调节方式对发射接收管的离散型比较有效，但对变化较大的环境光的适应性依旧不佳；第三这种方式需要多个数控模拟开关或者价格较高的数控电位器，增加了触摸屏中的元器件成本。尽管这是一种理论上比较完美的光电信号放大电路，但在实践中依然会出现很多“莫名其妙”的漏判和误判。

随着各种光路结构的红外触摸屏不断涌现，现有的两种放大器更难适应对新型光路系统所产生的红外光电信号的放大处理的要求。如以申请号为200910109665.5和201110051012.3为代表的中国专利申请所公开的光路系统，其中安装的红外接收管所接收到的光电信号的强度动态范围常常有数倍之大，既有连续变化的情况又有跳跃变化，常常会出现红外线光强较大的位置(距离近而且直射到接收管)，光线被遮挡以后的残余信号的幅度还大于光线较弱的位置(距离远且斜射到接收管)光线没有被遮挡时的幅值，因此不仅固定增益放大器无法适应这样大的幅度变化，而且仅仅使用数控增益的放大器，如果不使用众多的模拟开关或者数字电位器来精密调节增益，也很难很好地适应这种宽广的动态范围，而造成可靠性降低或者调试难度增加的问题。

发明内容

技术方案

为解决现有信号处理技术所存在的问题，本发明公开了一种用于红外触摸屏的光电信号处理电路。本发明的电路中包含有光电接收元件、光电信号放大电路、滤波单元，以及与触摸屏内MCU的输入端口相连接的输出端口，其关键之处在于：光电信号放大电路中包含有一个指数放大单元，串联在信号处理电路之中。

这里的指数放大单元，由线性放大器和指数函数发生元件构成；指数函数发生元件，是晶体二极管，或由集电极与基极连接在一起的晶体三极管构成的等效二极管。

上述指数放大单元，有如下多种可适用于红外触摸屏的最简电路结构可用：

第一种，使用同相或者反相运算放大器构成。这样，所述的线性放大器使用运算放大器；所述二极管或者等效二极管，串联在运算放大器的负反馈回路中运放的反相输入端与参考电位点之间；所述运算放大器的同相输入端是指数放大单元的输入端，与前级电路的输出端相耦合连接。或者，所述二极管或者等效二极管，串联在运算放大器的反相输入端与前级的输出端之间，与前面信号处理电路的输出端耦合连接。

第二种，所述线性放大器是由晶体三极管构成的共射放大电路；所述二极管或者等效二极管，串联在由所述晶体三级管构成的共射放大电路的基极与发射极所构成的回路之中。

进一步，为得到更适合指数放大单元放大处理的光电信号，在信号处理电路中还可以插入一个最大增益受限的对数放大单元，串联在光电信号处理电路中所述指数放大单元的前面；这个对数放大单元由线性放大器和对数曲线发生元件构成；其中对数曲线发生元件是晶体二级管，或由集电极与基极连接在一起的晶体三极管构成的等效二极管。

这里的指数放大单元，也有若干种可适用红外触摸屏的最简电路结构如下：

第一种，所述线性放大器是运算放大器；所述二极管或者等效二级管，并联在运算放大器负反馈回路中连接运算放大器的输出端与反相输入端的反馈电阻的两端。

第二种，所述线性放大器是三极管共射放大器；所述二极管或等效二级管并联在所述共射放大电路的输入端与参考电位之间；或者所述二级管或等效二极管，并联在所述共射放大电路中三极管的集电极与电源之间的负载电阻的两端。

本发明的指数或则对数放大单元还可以使用更复杂的电路来实现，同时可以具备温度补偿、参数调节的功能，使其适用性更广。其中一种相对简单的结构如下：在所述指数或对数发生单元中，参与指数或对数函数生成的部分的线性放大器，至少包含有两只运算放大器和两只晶体三极管；所述指数或对数发生元件是两只晶体三极管中的一只，另一只三极管用作温度补偿；所述指数发生单元还包含有一个与参考电位相连接的、指数或对数的底数的调节输入端。

更进一步，在某些情况下，还可以使用专用的指数或对数放大器芯片来构建所述的指数或者对数放大单元。

有益效果

由于指数放大器在一定的信号范围内具有输入动态小输出动态大的特点，所以在红外触摸屏的光电信号处理电路中加入指数放大器，能够将比例放大器输出的一定幅值范围之内的光电信号的动态范围扩大，使得被触摸物遮挡的扫描光线的残留输出信号的幅值被进一步减小，而没有被触摸物遮挡的扫描光线所输出的光电信号的幅值则被进一步放大，从而能增加光电信号的“信噪比”，提高了扫描检测的准确率，在能够降低放大电路调试的工作量，提高劳动生产率的同时，还能降低触摸屏的元器件成本。如果在指数放大单元之前再加入最大增益受限的对数放大器，利用对数放大器能够压缩输入信号的动态范围的特点，在一定的最大放大倍数条件下，还能够使得信号处理电路能够适应幅值变化范围较大的扫描光电信号，让没有被遮挡的扫描光线所产生的光电信号的输出幅值大于后面指数放大单元的动态扩展区域，而让被遮挡的扫描光线所产生的残余光电信号的幅值落入后面指数放大单元的动态压缩区域。如果两者结合使用，在一定的条件下，能够进一步减少放大电路的调试工作量，具有提高触摸屏生产的劳动生产率和提升触摸屏可靠性的有益效果。

附图说明

图1：本发明光电信号处理电路的基本结构示意图。

图2a～2d：使用运算放大器构成指数放大单元的几种实施电路图。

图3a～3b：使用晶体管共射放大电路构成指数放大单元的两种实施电路图。

图4a～4b：指数放大单元的输入输出信号对比示意图。

图5：一种参数可调且抑制温漂的指数放大单元的基本电路图。

图6：在本发明信号处理电路中加入对数放大单元的基本结构示意图。

图7a～7d：使用运算放大器构成对数放大单元的几种实施电路图。

图8a～8b：使用晶体管共射放大电路构成对数放大单元的两种实施电路图。

图9：一种参数可调且抑制温漂的对数放大单元的基本电路图。

图10a～10b：对数放大单元的输入输出信号对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的多个实施例。

图1给出了本发明的光电信号处理电路基本结构的方框图。从图中可以看到，本发明的信号处理电路包含有光电信号接收/切换单元101、前置放大/滤波单元102、指数放大单元103、可选的箝位/整型单元104，以及用于控制红外触摸屏工作的微控制器系统(MCU)105。在这个信号处理电路系统中，除了指数放大单元103以外，其余各部分均为现有红外触摸屏中经常使用的常规技术。对于指数放大单元，一般均由线性放大电路和指数函数发生元件构成，本发明给出的实施例均采用这一电路结构，因此下面将针对指数放大单元103给出基本结构和实施例。

实施例1～4

图2a～2d给出了使用运算放大器AMP作为线性放大单元和晶体二极管D、或者由三级管Dt等效晶体二极管所构成的指数放大单元的基本电路。下面分别说明。

图2a是一个同相指数放大单元的实施例。前置放大滤波单元输出的光电信号通过单元的输入端IN耦合输入到运算放大器AMP的同相输入端，反馈电阻Rf和二极管D构成了具有指数函数曲线的反馈网络，通过二极管D连接到参考地Vg。因为二极管D具有单向导电性，因此这个电路单元只对极性为正(对单电源运放而言是参考地Vg，对双电源运放为电源地GND，下面各实施例同此)的输入信号有效，当输入信号极性为负时，只相当于一个缓冲器或者射级跟随器。

图2b是另一个同相指数放大单元的实施例，与图2a不同之处在于用由三极管构成的等效二极管Dt替代二极管D，且极性相反，因此这个电路单元只对极性为负的输入信号有效；当输入信号极性为正时，相当于一个缓冲器或者射级跟随器。当然在此以及后面的电路中，等效二极管Dt完全可以用图2a中的二极管D替换，电路的放大性能基本相同。

图2c是一个反向指数放大单元的实施例。在这个电路中，二极管D与反馈电阻Rf构成了反相指数放大器的反馈网络。与前面的电路相似，这个电路也是单极性的，只对极性为正的输入信号有对数放大作用，对极性为负的输入信号输出为0。

图2d是另一个反向指数放大单元的实施例。与图2c不同之处在于等效二极管Dt的极性相反，因此这个电路单元只对极性为负的输入信号有效；当输入信号极性为正时输出为0。

实施例5～6

图3a与图3b给出了使用以三极管Tr为核心构成的共射放大电路作为线性放大器构成的指数放大单元的基本电路。要说明的这种电路的结构简单成本低，指数特性不如使用运算放大器的精确。但是用在红外触摸屏之中，在某些情况下可以满足实际需求。

图3a是一个这种结构的实施例。由Tr及其基极偏流电阻Rb和集电极负载电阻Rc构成了共射放大电路，指数函数发生元件晶体二极管D连接在三极管Tr的基极。这个电路是单极性的，只对相对于电源地的极性为正的信号有指数放大输出；当输入信号极性为负时，输出电位等于静态工作点的电位。

图3b是这种结构的另一个实施例。与图3a不同之处在于晶体二极管D的位置，连接在三极管Tr的发射极与电源地之间。同图3a，这个电路也是单极性的，只对极性为正的信号有指数放大输出。这个电路与图3a所示的电路相比，指数特性相对软一些，因为二极管中始终有静态电流流过。

图4a～4b是使用图2c所示电路用作指数放大单元时，正极性的输入信号与输出信号的对比示意图。图4a是前置放大单元102一般的输出波形，幅值较高的实线脉冲是扫描光线没有被遮挡时的输出；幅值较低的虚线脉冲是扫描光线被部分或全部遮挡后的输出信号。如果后面不连接指数放大单元而直接使用比较器整型箝位，那么因为元器件参数的离散型、环境的复杂性等原因，被遮挡和没有被遮挡的扫描输出的光电信号之间的幅值有时会相近，这样比较器的阈值电压Vr的设置就比较困难，因此容易出现误判和漏判的现象。当加上输出曲线与前置放大单元的输出电压相适合的指数放大单元以后，输出的波形如图4b所示，没有被遮挡的光电信号的幅值被增强，而被遮挡的光电信号的输出不变(同相放大)或减弱(如图所示的反相放大)。从图中就可以看出，这时如果设置设置后面比较器的阈值电压就很容易了，甚至可以将输出直接输入到触摸屏内MCU的I/O(非A/D变换的情况)接口，这时图1中整型/箝位电路104甚至可以省略。

实施例7

在某些情况下如果追求高精度、参数可调、低温漂等情况下，如图5所示使用多个线性放大器和晶体三极管构成指数放大单元的实施例可以满足要求。这个电路结构使用了两只运算放大器AMP1和AMP2、两只晶体管Tr1和Tr2，以及电阻R1、R2、R3、R4和Rt。两只晶体三级管最好使用封装在一起的孪生管，用以补偿PN结的温漂；电阻Rt使用正温度系数的热敏电阻，用以补偿PN结Um的正温度系数。图中的虚线表示的R1’和R4’是同相输入端的平衡电阻，如果运算放大器的输入电流很小可不用。图中的输入端IN是光电信号的输入端，与前级放大电路的输出端耦合链接；输入端Vref是一个用于调节电路参数的设置端，通过连接不同的外部电位，可以调节指数放大电路的底数，从而改变指数放大单元的输出曲线以适应不同的输入信号和/或对输出幅值的要求。在这种电路中，如果要实现对温漂的精确补偿，三极管Tr1和Tr2最好使用封装在一起得孪生对管。

因为指数运算电路属现有成熟技术，所以更详细的原理说明可参考大专院校的电子技术教材，在此不再做详细说明。

更进一步，还可以在图1所示的电路中加入另一个非线性放大电路——对数放大器，如图6中的放大单元601。根据对数放大器的特性，该对数放大单元能够适应宽广的输入信号动态范围，尤其适合于如背景技术中以申请号为200910109665.5和20111005 1012.3为代表的中国专利申请所公开的光路系统。

对于对数放大单元，一般也由线性放大电路和对数曲线发生元件构成。下面将针对指数放大单元601给出基本结构和实施例。

实施例8～11

图7a～7d给出了使用运算放大器AMP作为线性放大单元和晶体二极管D、或者由三级管Dt等效晶体二极管所构成的最大增益受限的对数放大单元的基本电路。

图7a是一个反相对数放大单元的实施例。图中，反馈电阻R1、Rf和二极管D构成了具有对数函数曲线的反馈网络，其中Rf的作用就是在输入小信号时二极管D尚未导通的情况下，限制放大电路的最大增益为Rf/R。因为二极管D具有单向导电性，与指数放大单元相似，这个电路单元只对极性为负的输入信号有效。当输入信号极性为正时，运放AMP处于线性放大状态，输出电压＝－(输入电压×Rf/R)。

图7b是另一个反相对数放大单元的实施例，与图7a不同之处在于用由三极管构成的等效二极管Dt替代二极管D且极性相反，类似于图7a，这个电路单元只对极性为正的输入信号呈对数关系输出。

图7c是一个同向对数放大单元的实施例。在这个电路中，二极管D与反馈电阻Rf构成了同相对数放大器的反馈网络,最大增益为Rf/R+1。这个电路也是单极性的，只对极性为正的输入信号有对数放大作用，对极性为负的输入信号,输出电压＝输入电压(Rf/R+1)。

图7d是另一个同向对数放大单元的实施例。与图7c不同之处在于等效二极管Dt的极性相反，类似于图7c，这个电路单元只对极性为负的输入信号呈对数关系输出。

实施例12～13

图8a与图8b给出了使用由三极管Tr构成的共射放大电路作为线性放大器构成的对数放大单元的基本电路。这种电路的结构简单成本低，本身放大倍数有限，对数特性不如使用运放精确。但是用在红外触摸屏之中，在某些情况下可以满足实际需求。

在图8a中，由Tr及其基极偏流电阻Rb和集电极负载电阻Rc构成了共射放大电路，对数函数发生元件晶体二极管D连接在三极管Tr的基极与电源地之间。这个电路是单极性的，只对相对于电源地的极性为正的信号有对数放大输出；当输入信号极性为负时，输出特性与单纯由Tr构成的共射放大电路相同。

图8b是这种结构的另一个实施例。与图3a不同之处在于晶体二极管D的位置，并联在三极管Tr的集电极负载电阻Rc的两端。同图3a，这个电路也是单极性的，只对极性为正的信号有对数放大输出。当输入信号极性为负时，输出特性与图8a电路相同。

实施例14

类似于前面的指数放大单元，对数放大单元也有更精密的结构。如图9所示，是一种能够设定对数输出曲线并能够补偿温度影响的高精度对数放大单元。这个电路结构使用了两只运算放大器AMP1和AMP2、两只晶体管Tr1和Tr2，以及电阻R1、R2、R3、R4和Rt。与指数放大单元相似，两只晶体三级管最好使用封装在一起的孪生管；电阻Rt使用正温度系数的热敏电阻。与图5相似，图9中虚线表示的电阻R1’是运放同相输入端的平衡电阻。图中输入端IN是光电信号的输入端，与前级放大电路的输出端耦合链接；输入端Vref是用于调节电路参数的设置端，通过连接不同的外部电位，可以调节对数放大电路的底数，从而改变对数放大单元的输出曲线以适应不同的输入信号和/或对输出幅值的要求。在这种电路中，如果要实现对温漂的精确补偿，三极管Tr1和Tr2最好使用封装在一起得孪生对管。因为对数运算电路同样属现有成熟技术，所以更详细的原理说明可参考大专院校的电子技术相关教材，在此不再做详细说明。

图10a～10b给出了使用图7c所示的电路作为对数放大单元时，其输入与输出信号的对比。图10a是输入端幅值离散性很大的光电信号，图中幅值在Vr线以下以虚线表示的信号是被阻挡的扫描光线所产生的残余光电信号；幅值超过Vr线以实线表示的信号是不同角度或距离的扫描光线所产生的光电信号。与图4a所示的情况相似，在光电信号的离散性很大的情况下，仅仅使用线性放大器很难区分没有被阻挡的弱扫描信号和被阻挡的强扫描信号。因为对数放大器的输入动态范围宽广在此设置了最大增益，经过对数放大器放大以后，限制最强扫描信号被阻挡的残余值在后续指数放大单元的增益大于1的输入值以下；但没有被阻挡的弱扫描信号的幅值，则被放大到后面指数放大单元的高增益输出的输入值段；而更强的，如没有被阻挡的强扫描信号的幅值则被压缩为一个相对平均的电平水平。这样，对数单元的输出如图10b所示，更适合指数放大单元再次放大处理。

更进一步，在某些情况下，比如对电路的性能要求高、参数可调、但同时要求占用尽量小的PCB面积，这时可以使用专用的指数或对数放大器芯片来构建指数或者对数放大单元。这种电路的结构可参阅相关专用芯片的应用资料，在此不再详细说明。

最后应说明的是，因为从电路理论上来看，同功能的电路单元几乎有无限种的具体结构来实现，所以本发明给出的实施例只是一些最常用的电路结构。因此本发明的技术方案不局限于上述实施例的具体结构，在不脱离本发明的技术思想的范围内进行等同变换、代替或劣化，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于红外触摸屏的光电信号处理电路，包含有光电接收元件、光电信号放大电路、滤波单元，以及与触摸屏内MCU的输入端口相连接的输出端口，其特征在于：所述光电信号放大电路中包含有一个指数放大单元，串联在信号处理电路之中；所述指数放大单元，由线性放大器和指数函数发生元件构成；所述指数函数发生元件，是晶体二极管或者由集电极与基极连接在一起的晶体三极管构成的等效二极管。

2.根据权利要求1所述的光电信号处理电路，其特征在于：所述线性放大器是运算放大器；所述二极管或者等效二极管，串联在运算放大器的负反馈回路中运放的反相输入端与参考电位点之间；所述运算放大器的同相输入端是指数放大单元的输入端，与前级电路的输出端相耦合连接。

3.根据权利要求1所述的光电信号处理电路，其特征在于：所述线性放大器是运算放大器；所述二极管或者等效二极管，串联在运算放大器的反相输入端与前级的输出端之间，与前面信号处理电路的输出端耦合连接。

4.根据权利要求1所述的光电信号处理电路，其特征在于：所述线性放大器是由晶体三极管构成的共射放大电路；所述二极管或者等效二极管，串联在由所述晶体三级管构成的共射放大电路的基极与发射极所构成的回路之中。

5.根据权利要求1所述的光电信号处理电路，其特征在于：在所述信号处理电路中还包含有一个最大增益受限的对数放大单元，串联在光电信号处理电路中所述指数放大单元的前面；所述对数放大单元由线性放大器和对数曲线发生元件构成；所述对数曲线发生元件是晶体二级管由集电极与基极连接在一起的晶体三极管构成的等效二极管。

6.根据权利要求5所述的光电信号处理电路，其特征在于：所述线性放大器是一只运算放大器；所述二极管或者等效二级管，并联在运算放大器负反馈回路中连接运算放大器的输出端与反相输入端的反馈电阻的两端。

7.根据权利要求5所述的光电信号处理电路，其特征在于：所述线性放大器是三极管共射放大器；所述二极管或等效二级管并联在所述共射放大电路的输入端与参考电位之间。

8.根据权利要求5所述的光电信号处理电路，其特征在于：所述线性放大器是三极管共射放大电路；所述二级管或等效二极管，并联在所述共射放大电路中三极管的集电极与电源之间的一个负载电阻的两端。

9.根据权利要求1或5所述的光电信号处理电路，其特征在于：在所述指数或对数发生单元中，参与指数或对数函数生成的部分的线性放大器，至少包含有两只运算放大器和两只晶体三极管；所述指数或对数发生元件是两只晶体三极管中的一只，另一只三极管用作温度补偿；所述指数发生单元还包含有一个与参考电位相连接的、指数或对数的底数的调节输入端。

10.根据权利要求1或5所述的光电信号处理电路，其特征在于：指数或者对数发生单元是专用的指数或对数放大器芯片。