CN104090698A - 差分式互电容测量电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路，包括差分放大器、开关电路、电容补偿电路、互补驱动电路、模数转换电路以及控制电路。与现有技术相比，本发明增加了电容补偿电路以及互补驱动电路，测量时补偿电容与驱动电极分别使用互补的第一脉冲和第二脉冲进行驱动，从而消除了自电容变化量对测量结果的影响，使测量结果仅对于互电容变化量敏感，提高单片玻璃触控面板多点触摸时的信噪比。本发明同时公开了一种用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量方法。

Description

差分式互电容测量电路及方法

技术领域

本发明涉及一种触摸屏信号测量方法，尤其涉及一种用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路及方法。

背景技术

投射电容触摸屏与LCD显示屏通过特殊的工艺贴合在一起，可以形成一个完整的触摸输入并显示输出的人机交互系统。为了使这种人机交互界面(触摸屏+显示屏)更轻薄，成本更低，人们不断对电容触摸屏的结构进行改进。

在传统的多点触摸领域，人们广泛使用如图1(a)所示的双片玻璃触控面板(Sensor+Cover Lens)。这种结构的电容屏需要两层玻璃分别用作盖板玻璃(Cover Lens)和传感器玻璃(Sensor Glass)，触摸屏的驱动电极和感应电极通过镀膜和光刻技术分别被蚀刻在传感器玻璃的两个面上。加工时盖板玻璃、传感器玻璃、LCD面板之间通过光学透明胶(OCA)粘合在一起，形成一种“三明治”结构的人机交互界面。为了降低LCD面板的显示噪声(如AC VCOM电压的干扰)对触控面板的影响，触摸屏的感应电极通常被制造在传感器玻璃远离LCD面板的一侧(外侧)，而传感器玻璃靠近LCD面板的一侧(内侧)则被用来制造驱动电极(驱动电极对噪声不敏感)，这使得感应电极距离显示噪声源较远，受到的干扰较小(有些面板在传感器玻璃和LCD面板贴合时加入专门的气隙(air gap)，以进一步增大LCD面板与感应层的距离)；同时，为了进一步减少显示噪声的干扰，驱动电极通常会被制造成宽的、紧密排列的条状结构，覆盖整个传感器玻璃内侧表面，以便于在LCD面板与感应电极之间形成一个屏蔽层，阻断显示噪声的干扰路径。

然而，上述双片玻璃触控面板虽然具有非常好的噪声屏蔽效果，但工艺复杂、成本高，同时触摸屏较厚，不利于电子产品的轻薄化。针对以上问题，人们提出了采用如图1(b)所示的单片玻璃触控面板(Touch on Lens)取代图1(a)所示的双片玻璃触控面板的方法。这种技术方案是将传感器玻璃直接去掉，而将驱动电极和感应电极直接刻蚀在盖板玻璃的背面，以减少厚度和工艺步骤，节约成本。但是，这种方案存在如下问题：

(1)需要在盖板玻璃的一个平面上同时制造相互垂直的两个方向上的ITO电极(即驱动电极和感应电极)；

(2)触摸屏的感应电极直接贴合在LCD表面，距离显示噪声源非常近，且无法做出屏蔽层来阻断干扰路径，从而通过常用的信号传输方式测量触摸信号时会产生严重的显示噪声干扰。

对于上述第一个问题，目前已有很多种解决办法。例如图2(a)是申请号为201210260421.9、发明名称为具有单层铟锡化合物电极的投射电容触摸屏面板的专利文件中公开的技术方案，具体的，图2(a)公开了采用叉指结构避免电极相交的方法；图2(b)是市场上使用较广泛的一种具有菱形图案的单层ITO电极的电容触摸面板的设计方案，即采用金属“搭桥”的方式实现电极连接。上述两种方案都可以实现在单个平面上制造相互垂直的两个方向上的ITO电极的目的。

对于上述第二个问题，首先参考图3说明通过信号传输方式测量触摸信号时会产生严重的显示噪声干扰的原理，如图3所示，在多点触摸应用中，我们需要逐个扫描触摸屏上每个驱动电极和感应电极的交叉点的互电容，图3只是截取了其中一根驱动电极和一根感应电极的交叉点。每次测量时，都要经历一个电荷初始化过程和测量过程。初始化时，RST开关闭合，驱动电极的初始电压为Vi，电荷被存储在电极交叉点的互电容C_M上，存储的电荷量记为Q_CM

Q_CM＝(Vi-Vref)×C_M   (1)

测量过程时，RST开关打开，驱动电压从Vi变化到Vd，存储电荷在互电容C_M和参考电容Cref之间重新分配，根据电荷守恒可知：

(Vd-Vi)×C_M＝(Vout-Vref)×Cref   (2)

进而可以得到输出信号：

$\mathrm{Vout}=\mathrm{Vref}+(\mathrm{Vd}-\mathrm{Vi})\×\frac{C_M}{\mathrm{Cref}}---\left(3\right)$

公式(3)即为电荷传输式测量方法的输出结果，表面上看Vout的输出仅受到互电容C_M的影响(公式中其它量均是已知的或固定的)，可以很好的满足互电容测量的需求。但仔细观察公式(3)的建模过程，会发现图3的在触摸屏与LCD屏之间寄生的干扰电场形成的电容CT并没有被考虑进去，由于在测量过程中CT的另一端与LCD的公共端VCOM相连接，中小尺寸的LCD面板一般都采用AC型VCOM驱动波形来实现液晶极性翻转(防止液晶老化)，这就使得在测量过程中电荷会在触摸屏互电容、Cref电容和CT电容三者之间重新分配，故输出结果与公式(3)的结果差异较大。传统的双片玻璃触控面板可以通过使用屏蔽层或加入气隙的办法来阻断或减小干扰电场形成的电容CT，使得输出结果与公式(3)的结果近似。而在单片玻璃触控面板中，无法使用屏蔽层来阻断干扰电场，也无法使用气隙(会使触摸屏厚度增加)，故触摸信号受显示噪声的干扰较大。

为此，人们提出了一种新的触摸信号测量方式(即直接差分方式的触摸信号测量方法)来抑制显示噪声干扰。直接差分方法的噪声抑制原理如图4所示，其中Cs1，Cs2和CM1，CM2分别是感应电极1和感应电极2的自电容和与驱动电极交叉点的互电容，为了有效抑制LCD显示噪声的干扰，差分方法同时测量两个相邻感应电极1与感应电极2的信号变化量，触摸屏与LCD之间寄生的干扰电场形成的电容CT对两个电极具有相同的干扰强度，干扰噪声被转化成差分放大器的共模电压波动而被抑制，最终测量结果仅保留感应电极1和感应电极2的差模成分，从而使得差分式的触摸信号测量方法具有优异的噪声抑制能力。具体的，采用直接差分方法测量时，也需要两个基本步骤：初始化过程和测量过程。初始化时，感应电极1和感应电极2被充电到Vref，驱动电极电压被初始化为0，存储电荷量被记为Q_X1和Q_X2：

Q_X1＝Vref·(C_M1+C_S1)   (4)

Q_X2＝Vref·(C_M2+C_S2)   (5)

在测量阶段，驱动电极电压从0V上升到VCC电压，电荷保持守恒，则感应电极1和感应电极2的感应电压为：

$V_{X1}=\mathrm{Vref}+\frac{C_{M1}}{C_{S1}+C_{M1}}\mathrm{VCC}---\left(6\right)$

$V_{X2}=\mathrm{Vref}+\frac{C_{M2}}{C_{S2}+C_{M2}}\mathrm{VCC}---\left(7\right)$

从而差分放大器输出结果Vout为：

$\mathrm{Vout}=\mathrm{VCC}(\frac{C_{M1}}{C_{S1}+C_{M1}}-\frac{C_{M2}}{C_{S2}+C_{M2}})---\left(8\right)$

如果触摸屏图形匹配良好，则C_M1＝C_M2，Cs1＝Cs2，无手指触摸时Vout＝0；当有手指触摸时，假设手指作用于感应电极2，则其中和是手指触摸产生的自电容和互电容变化量，此时Vout如下:

$\mathrm{Vout}=\mathrm{VCC}(\frac{C_{M1}}{C_{S1}+C_{M1}}-\frac{C_{M1}-\▿C_M}{C_{S1}+C_{M1}+\▿\mathrm{Cs}-\▿C_M})---\left(10\right)$

从公式(10)可以看出，直接差分方法的测量结果受到自电容变化量和互电容变化量叠加的影响，这就会使得在多点触摸应用时产生“鬼点”(一种由于自电容变化量导致的非触摸点虚假触摸信号)，而且当多个手指位于同一个感应电极时，即的变化量远远大于互电容变化量时，输出信号Vout主要受到的影响，互电容变化量的影响几乎消失，即“鬼点”信号的强度几乎与实际触摸点的信号强度相同，信噪比下降严重。

因此，急需一种可以解决上述问题的单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路，以消除自电容变化量对测量结果的影响，使测量结果仅对于互电容变化量敏感，提高单片玻璃触控面板多点触摸时的信噪比。

本发明的另一目的是提供一种用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量方法，以消除自电容变化量对测量结果的影响，使测量结果仅对于互电容变化量敏感，提高单片玻璃触控面板多点触摸时的信噪比。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路，所述玻璃触控面板包括多个横向排布的感应电极以及多个纵向排布的驱动电极，所述差分式互电容测量电路包括差分放大器、开关电路、控制电路、电容补偿电路以及互补驱动电路，所述差分放大器包括输入端S、输入端N以及差分输出端，用于线性放大输入端S和输入端N之间的电压差并输出，所述开关电路与所述感应电极、控制电路、输入端S以及输入端N连接，所述开关电路用于在所述控制电路的控制下选择任意相邻的两感应电极并分别与所述输入端S和输入端N连接，所述电容补偿电路的一端与所述互补驱动电路连接，另一端与所述输入端S以及输入端N连接，所述电容补偿电路用于提供与所述玻璃触控面板电极间的初始互电容的电容值相同的补偿电容，所述互补驱动电路与所述驱动电极以及控制电路连接，用于提供波形极性互补的第一脉冲和第二脉冲，所述第一脉冲和第二脉冲中的一者用于驱动所述补偿电容，另一者用于驱动所述驱动电极，所述控制电路与所述开关电路、互补驱动电路、电容补偿电路以及差分放大器连接，用于控制所述互补驱动电路驱动所述补偿电容和任一所述驱动电极，控制所述差分放大器将由于互补驱动所述玻璃触控面板电极间的互电容和所述补偿电容所导致的电压差模量线性放大输出以得到一差分电压信号。

与现有技术相比，本发明单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路，增加了电容补偿电路以及互补驱动电路，电容补偿电路用于提供与玻璃触控面板电极间的初始互电容的电容值相同的补偿电容，互补驱动电路用于提供波形极性互补的第一脉冲和第二脉冲，测量时，补偿电容和驱动电极使用互补的第一脉冲和第二脉冲进行驱动，而差分放大器将由于互补驱动玻璃触控面板电极间的互电容和补偿电容所导致的电压差模量线性放大输出，从而消除了自电容变化量对测量结果的影响，使测量结果仅对于互电容变化量敏感，提高了单片玻璃触控面板多点触摸时的信噪比。

较佳地，所述差分放大器具体为可编程增益差分放大器，所述电容补偿电路具体为可编程电容阵列，所述可编程电容阵列与所述控制电路连接，用于在所述控制电路的控制下自动调节电容值以得到与所述玻璃触控面板感应电极与驱动电极间的初始互电容的电容值相同的所述补偿电容。当补偿电容与初始互电容匹配时，测量阶段，采用互补驱动的方法将会使玻璃触控面板电极间寄生的互电容中存储的电荷全部转移至补偿电容，不会有多余的电荷转移至感应电极的自电容上，从而使测量结果仅对玻璃触控面板电极间寄生的互电容变化量敏感。

较佳地，所述开关电路具体为模拟多路开关电路，所述模拟多路开关电路包括多路开关，多路所述开关的一端分别与多路所述感应电极连接，多路所述开关的另一端与所述输入端S和输入端N连接，用于在所述控制电路的控制下选择任意相邻的两所述感应电极。

较佳地，所述用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路还包括参考电压产生电路和初始化开关，所述初始化开关的一端与所述参考电压产生电路连接、另一端与所述差分放大器的输入端S和输入端N连接，所述参考电压产生电路用于提供参考电压。

较佳地，所述用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路还包括差分数据转换电路与接口电路，所述差分数据转换电路的输入端与所述控制电路及所述差分放大器的输出端连接，所述差分数据转换电路的输出端与所述接口电路连接，所述差分数据转换电路用于将所述差分放大器输出的差分电压信号转换为数字信号，并通过所述接口电路输出。

相应的，本发明还提供了一种用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量方法，所述玻璃触控面板包括多个横向排布的感应电极以及多个纵向排布的驱动电极，包括以下步骤：

选择相邻的两感应电极，两所述感应电极分别接入差分放大器的输入端S和输入端N；

选择任一所述驱动电极并以极性互补的两驱动脉冲分别驱动补偿电容和所述驱动电极，其中两补偿电容分别与差分放大器的输入端S和输入端N连接，两所述补偿电容与所述玻璃触控面板电极间的初始互电容的电容值相同；

初始化阶段，将两所述感应电极、输入端S和输入端N以及两所述补偿电容预充到一参考电压，所述补偿电容与所述玻璃触控面板电极间的互电容存储电荷；

测量阶段，所述补偿电容与所述互电容上存储的电荷重新分配，从而导致所述差分放大器的输入端S和输入端N的电压变化，所述差分放大器将所述输入端S和输入端N间的电压差模量线性放大输出以得到一差分电压信号；

根据所述差分电压信号计算当前互电容变化量。

较佳地，在所述初始化阶段，所述补偿电容的驱动脉冲为VCC，所述驱动电极的驱动脉冲为GND，在所述测量阶段，所述补偿电容的驱动脉冲为GND，所述驱动电极的驱动脉冲为VCC。

较佳地，所述“选择相邻的两感应电极”之前还包括：

调整电容补偿电路以使所述补偿电容与所述玻璃触控面板驱动电极与感应电极间的初始互电容的电容值相同。

较佳地，所述“所述差分放大器将所述输入端S和输入端N间的电压差模量线性放大输出以得到一差分电压信号”之后还包括：

将所述差分电压信号转换为数字信号并通过接口电路输出。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1a为双片玻璃触控面板的结构图。

图1b为单片玻璃触控面板的结构图。

图2a为具有单层铟锡化合物电极的投射电容触摸屏面板的示意图。

图2b为具有菱形图案的单层ITO电极的电容触摸面板的示意图。

图3为现有技术中电荷传输测量方法的电路结构图。

图4为现有技术中直接差分测量方法的电路结构图。

图5为本发明用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路的结构图。

图6为图5所示的用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路一实施例的结构框图。

图7为图6所示的用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路的电路原理图。

图8为图7中控制电路的状态转换图。

图9为图7中互补驱动电路的电路图。

图10为图7中差分模数转换器的内部结构原理图。

图11为图7中接口电路的内部结构原理图。

图12为本发明用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量方法的流程图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

请参考图5，本发明相对现有技术中直接差分测量方法，增加了补偿电容Cp，并在测量时对补偿电容Cp采用与驱动电极互补(极性相反)的驱动波形进行驱动，从而消除了自电容变化量对测量结果的影响，使测量结果仅对于互电容变化量敏感，提高了单片玻璃触控面板多点触摸时的信噪比。其中，测量时需要根据每个玻璃触控面板驱动电极与感应电极间的初始互电容C_M的大小调整补偿电容Cp的电容值，使得补偿电容Cp近似等于初始互电容C_M，初始互电容C_M是指无手指触摸时各个感应电极与驱动电极的交叉点的电容值，对于特定触控面板初始互电容C_M是一个确定的数值。

再请参考图6至图7，描述了本发明用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路100一实施例的结构原理，其中玻璃触控面板包括多个横向排布的感应电极X1～Xn以及多个纵向排布的驱动电极Y1～Yn，差分式互电容测量电路100包括差分放大器10、开关电路11、电容补偿电路12、互补驱动电路13以及控制电路14。具体地，差分放大器10为可编程增益差分放大器，差分放大器10包括输入端S、输入端N以及差分输出端，用于线性放大输入端S和输入端N输入的电压的电压差并通过差分输出端输出；开关电路11与感应电极X1～Xn、控制电路14、输入端S以及输入端N连接，开关电路11用于在控制电路14的控制下从感应电极X1～Xn中选择任意相邻的两感应电极，经开关电路11选择的任意相邻的两感应电极分别与输入端S和输入端N连接；电容补偿电路12的一端与互补驱动电路13连接，另一端与输入端S以及输入端N连接，电容补偿电路12用于提供补偿电容Cp，补偿电容Cp与初始互电容C_M的电容值相同；互补驱动电路13与驱动电极Y1～Yn、电容补偿电路12以及控制电路14连接，用于提供波形极性互补的第一脉冲和第二脉冲，第一脉冲和第二脉冲中的一者用于驱动补偿电容Cp，另一者用于驱动驱动电极Y1～Yn中的任一者；控制电路14与开关电路11、互补驱动电路13、电容补偿电路12以及差分放大器10连接，用于控制开关电路11从感应电极X1～Xn中选择任意相邻的两感应电极(如选择感应电极X4、X5)，同时控制互补驱动电路13驱动某一驱动电极(如驱动电极Y2)，控制差分放大器10将由于互补驱动玻璃触控面板电极间寄生的互电容和补偿电容所导致的电压差模量线性放大，同时抑制共模变化量，得到一仅与互电容变化量相关的差分电压信号并输出；控制电路14控制互补驱动电路13依次驱动驱动电极Y1～Yn时，即可得到一行电极交叉点的输出测量，当对所有相邻的两感应电极重复上述步骤后，即完成了整个触控面板上所有电极交叉点的数据测量。当补偿电容与初始互电容匹配C_M时，测量阶段，采用互补驱动的方法将会使玻璃触控面板电极间寄生的互电容中存储的电荷全部转移至补偿电容，不会有多余的电荷转移至感应电极的自电容上，从而使测量结果仅对玻璃触控面板电极间寄生的互电容变化量敏感。

其中，控制电路14是一个有限状态机，使用图8所示的状态转换图描述控制电路14的工作原理。如图8所示，待机状态下，若有测量指令发出，则重新配置驱动电极和感应电极(如选择相邻的两感应电极以及一驱动电极)，之后测量电路初始化，然后执行测量，最后回到待机状态。

具体的，如图7所示实施例中，互补驱动电路13的输出端DM与电容补偿电路12的输入端连接，互补驱动电路13的输出端D1～Dn分别与驱动电极Y1～Yn连接，互补驱动电路13通过输出端DM提供驱动补偿电容Cp的第二脉冲(如负向脉冲)，并通过输出端D1～Dn提供驱动驱动电极Y1～Yn的第一脉冲(如正向脉冲)，当然，互补驱动电路13也可以通过输出端DM提供驱动补偿电容Cp的第一脉冲(如正向脉冲)，并通过输出端D1～Dn提供驱动驱动电极Y1～Yn的第二脉冲(如负向脉冲)。其中，如图9所示，为图7中互补驱动电路13一实施例的电路图，从图8可以看出，互补驱动电路13输入一驱动信号，经过电路中各元件的处理，使得输出端DM与输出端D0～Dn输出的驱动脉冲极性互补。

具体的，电容补偿电路12为可编程电容阵列，可编程电容阵列与控制电路14连接，用于在控制电路14的控制下，通过软件调节电容值以得到与感应电极和驱动电极的交叉点的初始互电容C_M的电容值近似相同的补偿电容Cp。开关电路11为模拟多路开关电路，多路开关分别与感应电极X1～Xn连接，开关电路11可以在控制电路14的控制下选通任意相邻的两感应电极(如X1、X2或X3、X4或X6、X7)。

较优的，用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路100还包括参考电压产生电路15、初始化开关16、差分数据转换电路17以及接口电路18。参考电压产生电路15用于提供测量初始化阶段的参考电压Vref，具体地，结合图5与图7，图7中电容补偿电路12用于提供图5中所示补偿电容Cp，图7中参考电压产生电路15产生的参考电压Vref用于在初始化阶段对感应电极和补偿电容Cp进行初始化，图7中差分放大器10的输入端S与差分输出端之间的电容C1即相当于图5中差分放大器的输入端A与差分输出端之间的参考电容Cref，图7中输入端N与差分输出端之间的电容C2相当于图5中差分放大器的输入端B与差分输出端之间的参考电容Cref；初始化开关16的一端与参考电压产生电路15的输出端连接，另一端与差分放大器10的输入端S和输入端N连接，初始化开关16闭合时，输入端S和输入端N相当于接入电压Vref；差分数据转换电路17的输入端与控制电路14及差分放大器10的输出端连接，差分数据转换电路17的输出端与接口电路18连接，差分数据转换电路17用于将差分放大器10的输出信号转换为数字信号，并通过接口电路18输出。具体的，差分数据转换电路17包括差分模数转换器ADC，差分模数转换器ADC的内部结构原理图如图10所示，图10中输入端VINP和输入端VINN与差分放大器10的输出端连接，图10中ADC数据输出端与接口电路18连接；接口电路18的内部接口原理图如图11所示，接口电路18接收ADC数据输出端的数字信号并串行输出，此外，接口电路18还包括控制寄存器堆、接口控制有限状态机等单元。

参考图5至图7所示的用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路100，本发明用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量方法的基本步骤如下：(1)选择相邻的两感应电极，两感应电极分别接入差分放大器的输入端S和输入端N；(2)选择任一驱动电极并以互补的第一脉冲和第二脉冲分别驱动补偿电容和驱动电极，在一个脉冲周期内，将补偿电容Cp的驱动脉冲为VCC、驱动电极的驱动脉冲为GND这一阶段称为初始化阶段，将补偿电容的驱动脉冲为GND、驱动电极的驱动脉冲为VCC这一阶段称为测量阶段；(3)在初始化阶段，将相邻的两感应电极、输入端S和输入端N以及两补偿电容Cp预充到一参考电压Vref，两补偿电容Cp分别与输入端S和输入端N连接，其中补偿电容Cp的电容值与初始互电容C_M的电容值相同；(4)测量阶段，由于补偿电容Cp的驱动端和玻璃触控面板电极间的互电容驱动端(即驱动电极)的脉冲发生变化(即补偿电容Cp的驱动脉冲由VCC变为GND，互电容的驱动脉冲由GND变为VCC)，初始化阶段存储在这两个电容上的电荷发生转移重分配，导致输入端S和输入端N的电压发生变化，差分放大器10将输入端S和输入端N的电压差模量放大输出，其中放大后的电压差模量信号近似只与互电容变化量有关；(5)根据输出的电压差模量信号计算互电容变化量。

具体的，请参考图12，包括以下步骤：

步骤S101，调整电容补偿电路12，使得补偿电容Cp近似等于初始互电容C_M；

步骤S102，初始化阶段，通过互补驱动电路13的DM端为补偿电容Cp提供驱动电压VCC，通过互补驱动电路的Di(Di为D1至Dn中的任一个)为驱动电极Yi提供驱动电压GND；

步骤S103，控制电路14控制开关电路11选通触控面板上任意两条相邻的感应电极(如感应电极X1和X2)；

步骤S104，初始化开关16闭合，差分放大器10的输入端S、输入端N、感应电极X1、感应电极X2和补偿电容Cp均被充电到参考电压Vref；

步骤S105，测量阶段，通过互补驱动电路13的DM端为补偿电容Cp提供驱动电压GND，通过互补驱动电路的Di(Di为D1至Dn中的任一个)为驱动电极Yi提供驱动电压VCC，从而初始化阶段存储在玻璃触控面板电极间的互电容以及补偿电容Cp上的电荷发生转移重分配，导致输入端S和输入端N的电压发生变化，差分放大器10将输入端S和输入端N的电压差线性放大输出，差分放大器10线性放大输出得到的差分电压信号为与互电容变化量相关的电压值，之后通过差分数据转换电路(本实施例中具体为差分量化器)将差分放大器10输出的差分电压信号转化为数字信号输出；

步骤S106，根据该输出信号计算触摸点的互电容变化量。

上述步骤S101至步骤S106即为测量某一个电极交叉点的当前互电容变化量的具体过程。当选定两相邻感应电极后，依次选择驱动电极Y1、Y2、Y3….Yn，然后重复上面步骤即可完成一行电极交叉点的互电容变化量的测量；当所有的两相邻感应电极(如感应电极X2和X3)均重复上面的行测量步骤后，即完成了整个触控面板上所有电极交叉点的互电容变化量的测量。

具体的，上述步骤中对每一个电极交叉点的互电容测量时，都包括初始化和测量两个步骤：

初始化阶段，驱动电极Yi(1≦i≦n)的驱动电压为GND，补偿电容Cp的驱动电压为VCC，开关电路11选择需要被测量的两个相邻感应电极(如感应电极X1和X2)，然后初始化开关16(即图6中开关K1和K2)闭合，此时差分放大器10的输入端S、输入端N、感应电极X1、感应电极X2和补偿电容Cp均被充电到参考电压Vref，存储在感应电极X1和感应电极X2上的电荷量分别为：

Q_X1＝Vref×(C_M1+C_S1)+(Vref-VCC)×Cp   (11)

Q_X2＝Vref×(C_M2+C_S2)+(Vref-VCC)×Cp   (12)

测量阶段，驱动电极Yi的电压由GND变为VCC，补偿电容Cp的驱动电压由VCC变为GND，此时，初始化阶段存储在玻璃触控面板电极间的互电容以及补偿电容Cp上的电荷发生转移重分配，导致输入端S和输入端N的电压发生变化，根据电荷守恒原理，可以得到感应电极X1和感应电极X2上的电压为：

$V_{X1}=\mathrm{Vref}+\frac{C_{M1}-\mathrm{Cp}}{C_{S1}+C_{M1}+\mathrm{Cp}}\mathrm{VCC}---\left(13\right)$

$V_{X2}=\mathrm{Vref}+\frac{C_{M2}\mathrm{Cp}}{C_{S2}+C_{M2}+\mathrm{Cp}}\mathrm{VCC}---\left(14\right)$

根据等式(13)和(14)可以得到差分放大器10的输出为：

$\mathrm{Vout}=A*\mathrm{VCC}(\frac{C_{M1}-\mathrm{Cp}}{C_{S1}+C_{M1}+\mathrm{Cp}}-\frac{C_{M2}-\mathrm{Cp}}{C_{S2}+C_{M2}+\mathrm{Cp}})---\left(15\right)$

其中A为差分放大器10的增益，从等式(15)可以看出，当触控面板图形匹配良好且无手指触摸时，则C_M1＝C_M2＝C_M，Cs1＝Cs2＝Cs，故Vout＝0；当触控面板图形匹配良好且有手指触摸时，假设手指作用于感应电极2，则 其中和是手指触摸产生的自电容和互电容变化量，此时Vout如等式(16)：

$\mathrm{Vout}=A*\mathrm{VCC}(\frac{C_{M1}-\mathrm{Cp}}{C_{S1}+C_{M1}+\mathrm{Cp}}-\frac{C_{M1}-\▿C_M-\mathrm{Cp}}{C_{S1}+C_{M1}+\mathrm{Cp}+\▿\mathrm{Cs}-\▿C_M})---\left(16\right)$

由于匹配阶段电容补偿电路12在控制电路14的控制下提供的补偿电容Cp与初始互电容C_M近似大小相同，故公式(16)可以修正为：

$\mathrm{Vout}=A*\mathrm{VCC}\left(\frac{{\▿C}_M}{C_S+{2C}_M+\▿\mathrm{Cs}-\▿C_M}\right)---\left(17\right)$

由于触摸所引发的自电容和互电容变化量远远小于C_S+2C_M，故公式(17)可以被再次工程近似为：

$\mathrm{Vout}=A*\mathrm{VCC}\left(\frac{\▿C_M}{C_S+{2C}_M}\right)---\left(18\right)$

公式(18)中VCC、Cs、C_M均是已知的，故根据测量信号Vout可以得到互电容变化量的值，再根据还可以得到触摸时，互电容C_M2的值。

从公式(18)的结果和推导过程得出如下结论：

(1)改进后的测量方法，输出结果近似的仅与互电容变化量相关，与自电容变化量无关；

(2)输出结果与互电容变化量有近似线性关系；

(3)从公式(18)的推导过程来看，本发明的测量误差决定于两个因素：①C_M与Cp的接近程度；②要远小于C_S+2C_M；

而C_M与Cp的接近程度可以通过软件调节来得到误差很小的值。对于②，目前的绝大多数5寸以上触摸屏，5指以内的应用，误差不超过5％。因此，本发明用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量方法，基本消除了自电容变化量对测量结果的影响，使测量结果仅对于互电容变化量敏感，从而提高了单片玻璃触控面板多点触摸时的信噪比。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (9)

1.一种用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路，所述玻璃触控面板包括多个横向排布的感应电极以及多个纵向排布的驱动电极，所述差分式互电容测量电路包括差分放大器、开关电路和控制电路，所述差分放大器包括输入端S、输入端N以及差分输出端，用于线性放大两输入端的电压差并输出差分信号，所述开关电路与所述感应电极、控制电路、输入端S以及输入端N连接，所述开关电路用于在所述控制电路的控制下选择任意相邻的两感应电极并分别与所述差分放大器输入端S和输入端N连接，其特征在于，所述差分式互电容测量电路还包括电容补偿电路和互补驱动电路，所述电容补偿电路的一端与所述互补驱动电路连接，另一端与所述输入端S以及输入端N连接，所述电容补偿电路用于提供与所述玻璃触控面板电极间的初始互电容的电容值相同的补偿电容，所述互补驱动电路与所述控制电路连接，用于提供波形极性互补的第一脉冲和第二脉冲，所述第一脉冲和第二脉冲中的一者用于驱动所述补偿电容，另一者用于驱动所述驱动电极，所述控制电路与所述开关电路、互补驱动电路、电容补偿电路以及差分放大器连接，用于控制所述互补驱动电路驱动所述补偿电容和任一所述驱动电极，控制所述差分放大器将由于互补驱动所述补偿电容和所述玻璃触控面板电极间的互电容所导致的电压差模量线性放大输出以得到一差分电压信号。

2.如权利要求1所述的用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路，其特征在于，所述差分放大器具体为可编程增益差分放大器，所述电容补偿电路具体为可编程电容阵列，所述可编程电容阵列与所述控制电路连接，用于在所述控制电路的控制下自动调节电容值以得到与所述玻璃触控面板感应电极与驱动电极间的初始互电容的电容值相同的所述补偿电容。

3.如权利要求1所述的用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路，其特征在于，所述开关电路具体为模拟多路开关电路，所述模拟多路开关电路包括多路开关，多路所述开关的一端分别与多路所述感应电极连接，多路所述开关的另一端与所述输入端S和输入端N连接，用于在所述控制电路的控制下选择任意相邻的两所述感应电极。

4.如权利要求1所述的用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路，其特征在于，还包括参考电压产生电路和初始化开关，所述初始化开关的一端与所述参考电压产生电路连接、另一端与所述差分放大器的输入端S和输入端N连接，所述参考电压产生电路用于提供参考电压。

5.如权利要求1所述的用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量电路，其特征在于，还包括差分数据转换电路与接口电路，所述差分数据转换电路的输入端与所述控制电路及所述差分放大器的输出端连接，所述差分数据转换电路的输出端与所述接口电路连接，所述差分数据转换电路用于将所述差分放大器输出的所述差分电压信号转换为数字信号，并通过所述接口电路输出。

6.一种用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量方法，所述玻璃触控面板包括多个横向排布的感应电极以及多个纵向排布的驱动电极，其特征在于，包括以下步骤：

选择相邻的两感应电极，两所述感应电极分别接入差分放大器的输入端S和输入端N；

选择任一所述驱动电极并以极性互补的两驱动脉冲分别驱动补偿电容和所述驱动电极，其中两补偿电容分别与差分放大器的输入端S和输入端N连接，两所述补偿电容与所述玻璃触控面板电极间的初始互电容的电容值相同；

初始化阶段，将两所述感应电极、输入端S和输入端N以及两所述补偿电容预充到一参考电压，所述补偿电容与所述玻璃触控面板电极间的互电容存储电荷；

测量阶段，所述补偿电容与所述互电容上存储的电荷重新分配，从而导致所述差分放大器的输入端S和输入端N的电压变化，所述差分放大器将所述输入端S和输入端N间的电压差模量线性放大输出以得到一差分电压信号；

根据所述差分电压信号计算当前互电容变化量。

7.如权利要求6所述的用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量方法，其特征在于，在所述初始化阶段，所述补偿电容的驱动脉冲为VCC，所述驱动电极的驱动脉冲为GND，在所述测量阶段，所述补偿电容的驱动脉冲为GND，所述驱动电极的驱动脉冲为VCC。

8.如权利要求6所述的用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量方法，其特征在于，所述“选择相邻的两感应电极”之前还包括：

调整电容补偿电路以使所述补偿电容与所述玻璃触控面板驱动电极与感应电极间的初始互电容的电容值相同。

9.如权利要求6所述的用于单片玻璃触控面板多点触摸的差分式互电容测量方法，其特征在于，所述“所述差分放大器将所述输入端S和输入端N间的电压差模量线性放大输出以得到一差分电压信号”之后还包括：

将所述差分电压信号转换为数字信号并通过接口电路输出。