CN104285198A - 用于电容式触摸屏的触笔和触笔电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电容式触摸屏的有源触笔电路，所述电路包括反相电荷积分器电路和反相放大器。为了减少所述有源触笔电路的电源消耗，触摸屏感测电路在所述电容式触摸屏处感测驱动线路电压的增加，并且在检测到所述增加时，将电源连接至所述反相电荷积分器和所述反相放大器。可实施自动增益控制电路以根据所述电容式触摸屏的所述灵敏度调节所述有源触笔电路的增益。公开了一种双顶端有源/无源触笔，其中测量在使用期间流过所述无源顶端的电荷以设定所述有源触笔顶端电路的增益。

Description

用于电容式触摸屏的触笔和触笔电路
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2012年4月29日提交的美国临时专利申请No.61/639,951和于2012年9月7日提交的美国非临时专利申请No.13/607,051的权益，所述专利申请的公开内容以引用方式并入。
背景技术
本发明的实施例涉及触笔技术，并且具体地讲，涉及使触笔和电容式触摸屏之间能够相互作用的电路。电容式触摸屏和触笔技术的一家制造商包括新思公司(SYNAPTICS,INC.)，其公司总部位于加利福尼亚州圣克拉拉斯科特大道3120号，邮编95054(3120 Scott Blvd.,Santa Clara,CA 95054)。
标题为“Passive stylus for capacitive sensors”(用于电容式传感器的无源触笔)的美国专利No.8,125,469在其说明书摘要中公开了用于电容式传感器的无源触笔，该无源触笔包括顶端和轴部。顶端被配置成与电容式感测设备电耦合并且与触笔轴部物理且电耦合。顶端包括接触表面、支撑区域和柔性区域。接触表面被配置成接触与电容式感测设备相关联的设备表面。柔性区域设置在接触表面和支撑区域之间。柔性区域包括硬度梯度。支撑区域被配置成为柔性区域提供结构支撑。
标题为“Stylus input capacitive touchpad sensor”(触笔输入电容式触摸板传感器)的美国专利No.5,942,733在其说明书摘要中公开了电容式触摸板，该电容式触摸板包括基板材料(诸如印刷电路板型层合材料)，该基板材料具有设置在其第一面上在第一(X)方向上延伸的多根第一平行导电迹线，以及设置在其相对的第二面上在通常正交于第一方向的第二(Y)方向上延伸的多根第二平行导电迹线。将压力导电材料层设置在基板的面中的一者的上方。将在其背部表面上具有导电涂层的保护层设置在压力导电材料的顶部表面的上方，以保护压力导电材料。在另选实施例中，电容式触摸传感器包括刚性基板材料，该刚性基板材料具有设置在其一个面上的导电材料。将压力导电材料层设置在基板上的导电材料的上方。将柔性材料设置在压力导电材料层的上方，该柔性材料具有设置在其第一面上在第一(X)方向上延伸的多根第一平行导电迹线，以及设置在其相对的第二面上在第二(Y)方向上延伸的多根第二平行导电迹线。将保护层设置在压力导电材料的顶部表面的上方，以保护压力导电材料。在另一个实施例中，用气隙取代压力导电材料层并且通过触摸板周边处的框架支撑上部层。
标题为“Paintbrush stylus for capacitive touch sensor pad”(用于电容式触摸传感器板的画笔式触笔)的美国专利No.5,488,204在其说明书摘要中公开了接近传感器系统，该接近传感器系统包括具有传感器矩阵阵列的触摸传感器板，该传感器矩阵阵列在连接至传感器板的水平导体和垂直导体上具有特征电容。电容根据一个或多个对象与传感器矩阵的接近度而变化。将由于对象的接近而引起的每个节点在矩阵的X和Y方向上的电容变化转变为一组在X和Y方向上的电压。通过电路处理这些电压以形成电信号，该电信号代表对象的轮廓的形心，即其在X和Y维度中的位置。采用在体系结构中固有可用的降噪技术和背景电平设定技术。使用导电的画笔型触笔以在与触摸传感器板相关联的显示器上产生漆样笔触。
标题为“Trackpad pen for use with computer touchpad”(用于与计算机触摸板一起使用的触摸板笔)的美国专利No.7,612,767在其说明书摘要中公开了用于与手指激活的计算机触摸板一起使用的笔或触笔，其使用电容耦合的电压信号来模拟手指在触摸板上的电容效应。此外，该笔具有可用于将控制信号电容耦合至触摸板的按钮，这些控制信号通过应用软件解译为特定的用户自定义输入。该笔具有设置成与触摸板接触的导电顶端。通过用适当定时的电压信号来偏置触摸板电极，该笔改变触摸板中电极的充电时间。充电时间的这种改变通过触摸板解译为由于用户手指的存在而引起的电容变化。因此，该笔可与被设计为仅仅检测手指运动的触摸板一起使用。
标题为“Stylus Device Adapted For Use With A Capacitive TouchPanel”(适合与电容式触摸面板一起使用的触笔设备)的美国专利申请公布No.2010/0225614在其说明书摘要中公开了适合与电容式触摸面板一起使用的触笔设备，其包括具有柄部部分的主体以及连接至柄部部分的透明触摸部分，该透明触摸部分适合放置在电容式触摸面板上并且具有平坦的触摸表面。透明导电膜在触摸部分和柄部部分上形成，并且覆盖触摸部分的触摸表面使得当用户手持主体的柄部部分时透明导电膜与用户的手电连接。
本发明的实施例为已知的用于电容式触摸屏界面的触笔技术提供了另选形式。
发明内容
本发明的实施例包括用于电容式触摸屏的触笔和触笔电路。根据一个实施例，触笔包括导电顶端以用于提供与电容式触摸屏的电容耦合。反相电荷积分器连接至导电顶端以用于提供与在导电顶端处感应的电荷成比例的输出信号。反相放大器生成与从反相电荷积分器输出的信号成比例的放大信号。导电触点在放大信号和触笔外部之间提供电耦合或电容耦合。电源电路为反相电荷积分器和反相放大器供电。
根据另一个实施例，反相互阻抗放大器连接至导电顶端以用于生成与在导电顶端处感应的电流成比例的输出信号。反相积分器提供与反相互阻抗放大器的积分输出信号成比例的输出电压。
另一个实施例包括用于电容式触摸屏的触笔。触笔包括用于封装触笔电路的细长筒。触笔电路包括连接至触笔的导电顶端的积分器电路以用于生成与在导电顶端处感应的电荷成比例的输出信号，以及放大器电路以用于提供与来自积分器电路的输出信号成比例的输出电压。触笔还包括导电触点以用于在来自放大器电路的输出电压和触笔表面之间提供电耦合或电容耦合。在另选配置中，积分器电路连接至触笔的导电顶端以用于生成与在导电顶端处感应的电荷成比例的输出信号。放大器电路提供与来自积分器电路的输出信号成比例的输出电压，该输出电压然后与触笔表面耦合。
另一个实施例包括用于电容式触摸屏的触笔，其包括用于通过电容式触摸屏中的正向或负向驱动线路转变来确定在触笔顶端处感应的电荷量的电路。触笔还包括用于将正向或负向电压变化输出至触笔外部的电路，所述电压变化与所确定的电荷量成比例。在这种配置中，正向驱动线路转变引起正向输出电压变化，并且负向驱动线路转变引起负向输出电压变化。
另一个实施例包括用于为电容式触摸屏的触笔顶端充电的方法。该方法包括通过电容式触摸屏中的正向或负向驱动线路转变来确定在触笔顶端处感应的电荷量，以及将正向或负向电压变化输出至触笔外部，所述电压变化与所确定的电荷量成比例。根据该方法，正向驱动线路转变引起正向输出电压变化，并且负向驱动线路转变引起负向输出电压变化。
反相电荷积分器和/或反相放大器可包括一个或多个运算放大器。这些组件和/或它们的功能也可集成。可提供屏蔽以隔离电路的组件，诸如顶端和反相电荷积分器之间的连接件。可将屏蔽连接至触笔电路的接地。屏蔽可采用具有环形横截面并且沿触笔的至少一部分的轴线延伸的导电封装件的形式，采用围绕触笔电路的至少一部分的导电缠绕件的形式，采用用于触笔电路的电路板的基本上连续的导电层的形式，和/或采用位于触笔电路的平面之上和/或之下的一个或多个导电平面的形式。
电路可包括具有一个或多个电池的电源。电池可以是可再充电的。电源可包括直流-直流转换器以用于增加提供给电路的电压。直流-直流转换器的输入接地和输出接地可共用。在其他实施例中，直流-直流转换器可包括使用反馈的调节器电路以用于调节输出电压。光学隔离器可用于将输出电压的电平传递至输入至转换器的反馈。
触笔的顶端可采用多种形式，诸如球接触点或其他细接触点。顶端可包括金属和/或导电聚合物。顶端可具有投射到触摸屏上的小于3.5毫米的横截面。
本发明的这些和其他实施例，如权利要求中所述，在下文中有所描述。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的用于电容式触摸屏的触笔总成的示例性横截面。
图2-4示出了示例性的另选触笔电路原理图，该电路可包括在图1中示出的电路模块内。
图5为流程图，其描述了图4中公开的电路的示例性操作。
图6示出了在电容式触摸屏、触笔总成和保持触笔总成的人的身体之间形成的示例性电容电路。
图7为流程图，其示出了在图6示出的电容电路内的图1触笔总成中实施的图2触笔电路的示例性操作。
图8-10示出用于触笔电路的另选电源配置。
图11a-11c示出了用于触笔电路的另选屏蔽配置。
图12示出了示例性省电电路。
图13a-c示出了在三个不同的时间标度处的对电容式触摸屏驱动线路电压的示波器捕获。
图14示出了具有自动增益控制的双顶端触笔。
图15示出了用于自动设定触笔放大电路的增益的示例性电路。
具体实施方式
本文公开了本发明的详细实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以各种和另选形式实施。附图未必按比例绘制；可以使一些特征放大或最小化以显示特定组件的细节。因此，本文所公开的特定结构和功能细节不是限制性的，仅作为教导本领域的技术人员多方面地采用本发明的代表性基础。
本发明的一个示例性实施例包括双端触笔。一个端子包括触笔顶端，另一个端子包括触笔主体。被视作双端设备的触笔的电子特性可被描述为负电容器。触笔对其结合到的电路表现出负电容阻抗。
例如，普通无源电容器的阻抗为：
Z = 1 jωC
而负电容器的阻抗为：
Z = 1 jω ( - C ) = j ωC
其中ω＝角频率，以及C＞0.
双端触笔可在宽的频率范围内表现出负电容阻抗，包括在电容式触摸屏的操作中所涉及的频率。
图1为根据本发明的一个实施例的用于电容式触摸屏的触笔总成10的示例性横截面。触笔总成10包括筒12。筒12可由导电材料制成，所述导电材料诸如金属、导电聚合物或能够将连接器20(或其他合适的连接件)处的电压变化与保持触笔总成10的人的身体电容耦合的其他材料。
电池16可包括任何电池形式和任何数目的电池，这取决于所需的触笔形状和所需的电压电平。在该例子中，使用了AAA碱性笔形电筒电池。电池16可以是可再充电的。电池充电电路和充电状态LED(未示出)可包括在总成10中。如下文所详述，电池16为电路模块14提供电源以操作触笔总成。
开关18可被实施用于完成或中断从电池16至电路模块14的电源供应。开关18可采用任何形式，这取决于触笔的特定配置和所需的设计。开关18可为如图1所示的传统的笔形电筒按钮开关。
触点22在电池16的正极和电路模块14之间提供电连接。弹簧触点28在电池16的负极和开关18之间提供电连接，所述电连接然后通过触笔的导电外壳连接至电路模块14的电源接地和触笔电路输出(未示出)。当然，可以实施其他电池连接件和开关配置，这取决于触笔的具体几何配置。
触笔总成10包括顶端26，其具有与触笔电路14的电连接性24。顶端26可包括多种配置，包括但不限于球点、细顶端或其他低接触面积几何形状。顶端26可包括金属、导电聚合物或两者的组合。顶端26可涂覆有特氟隆或其他合适的材料以防止刮擦触摸屏的表面。具有低至0.4mm的曲率半径的顶端已被确认与本文所描述的本发明的实施例一起使用。还可以实施具有更小曲率半径的顶端。
图2-4示出了示例性的另选触笔电路原理图，该电路可包括在图1中示出的电路模块14内。如在权利要求中所述，可在本发明的范围之内实施其他电路配置。电路可遵循以下传递函数：
Vout＝A·∫I(in)dr
其中Vout为连接至触笔总成12的导电主体的电路的电压输出，A为具有法拉倒数的维度的电路的放大器增益，并且I(in)为顶端26处的输入电流，该输入电流感应自驱动线路转变期间顶端26与电容式触摸屏的电容耦合。
图2中示出的示例性原理图40包括连接至反相电荷积分器的顶端输入42，该反相电荷积分器包括运算放大器44和电容器46。运算放大器44可为例如麦瑞半导体公司(MICREL)的部件号MIC921。在该例子中，电容器46可在2-10pF的范围内。将反相电荷积分器的输出输入至包括运算放大器50、电阻器52和电阻器48的反相放大器。在该例子中，电阻器52为大约5-20kΩ，并且电阻器48在1-5kΩ的范围内。电阻器52与电阻器48的比率定义反相放大器的增益。可调节该比率以生成合适的输出电压，以用于操作具有多个不同电容式触摸屏配置的触笔。还可调节该增益以减少或消除振荡。运算放大器50可为例如凌力尔特公司(LINEAR TECHNOLOGIES)的部件号LT 1354，其具有在+/-10伏特范围内的输出。提供给运算放大器44和50的电源未示出。
反相运算放大器50的输出可通过图1中示出的连接器20连接至触笔筒12的主体或外表面。可在触笔电路输出和触笔筒外部12之间实施其他连接件。例如，可在电路模块外部(电路输出可连接至该电路模块外部)和筒12外部之间建立直接接触。或者，连接至电路输出的电路模块14的一部分可为螺纹的，以物理和电附接至触笔外壳。可实施其他触点配置。
波形56示出了由于触摸屏(未示出)处的驱动线路电压的正转变而在顶端42处产生的电流尖峰。反相电荷积分器44输出下降的电压转变58，其与在顶端42处感应的电荷成比例。反相放大器50将放大的正电压转变60输出至筒12的导电外表面，所述正电压转变与输入电压降58成比例。
电路40可能需要屏蔽，以防止由在运算放大器44的反相输入处检测通过图1中示出的触点20输出至触笔主体12的电压而引起的振荡。下面描述了用于屏蔽电路40的示例性另选形式。
图3示出了用于图1中示出的电路模块14的另选原理图70。示例性原理图70包括连接至反相互阻抗放大器74的输入的顶端输入72。将互阻抗放大器74的输出连接至由电阻器86、运算放大器76和电容器71构成的反相积分器70。通过图1中示出的连接器20将反相积分器运算放大器76的输出连接至触笔筒12的主体或外表面。
波形80示出了由于触摸屏(未示出)处的驱动线路电压的正转变而在顶端72处产生的电流尖峰。反相互阻抗放大器74输出与在顶端42处感应的电流成比例的负电压尖峰82。反相积分器76将放大的正电压转变84输出至筒12的导电外表面，所述正电压转变与负电压尖峰82成比例。
电路70可能需要屏蔽，以防止由在运算放大器74的反相输入处检测通过图1中示出的触点20输出至触笔主体12的电压而引起的振荡。下面描述了用于屏蔽电路70的示例性另选形式。
图4示出了用于图1中示出的电路模块14的另选原理图90。电路90类似于图2中示出的电路40，但添加了采样/保持元件98和102、边缘检测器108和定时/顺序电路HO。采样/保持元件98和102的引入可减少或消除由在运算放大器74的反相输入处检测输出至触笔主体12的电压而导致的振荡，从而减少或消除对电路90的屏蔽的需要。
图5为描述电路90的示例性操作120的流程图。电路90的操作并不限于图5中示出的特定过程。可以对电路90和过程120进行修改，以最佳适合特定的实施。在初始步骤122处，开关A、B和C是断开的，以等待在触摸屏处通过驱动线路转变的边缘检测器108进行的检测。在步骤124处，在边缘检测器108处检测到驱动线路转变时，定时/顺序电路110在步骤126处闭合开关B，从而将电压提供给采样/保持元件98。然后定时/顺序电路在步骤128处断开开关B，以便将采样/保持元件98与反相电荷积分器94间隔离。定时/顺序电路110在步骤130处闭合开关A。然后定时/顺序电路在步骤132和134处闭合和断开开关C。然后定时/顺序电路110在步骤136处断开开关A，并将过程返回至步骤124，以检测另一个驱动线路转变。
图6示出了在电容式触摸屏150、触笔总成152和保持触笔总成152的人的身体154之间形成的示例性电容电路。触摸屏150可包括主体和接地平面156、驱动和感测电极平面158以及顶部玻璃160。触笔顶端26与触摸屏电极158之间存在相对较小的电容(例如约0.6pF)，相比之下，人体154与触摸屏接地平面156之间存在相对较大的电容(例如约100pF)。因此，人体154与接地平面之间的连接可被看作是图6中示出的电容电路的交流短路。因此，人体154可与接地平面156处于相同的电位。
图7为流程图，其示出了在图6示出的电容电路内的图1触笔总成中实施的图2触笔电路的示例性操作170。在步骤172处，一个或多个触摸板驱动线路从低(例如0伏特)向高(例如3.7伏特)转变。在步骤174处，在触笔总成的顶端26处感应电荷。在步骤176处，电荷积分器输出与在顶端26处感应的电荷成比例的负电压。在步骤178处，放大器输出与在顶端26处感应的电荷成比例的放大的正电压。在步骤180处，放大的电压通过与用户手持的触笔外部12电连通的触点20为人体154充电。因为人体154与接地平面156处于相同的电位，所以在步骤182处通过触笔电路从人体向触笔顶端26提供负电荷。在步骤184处，从人体154向顶端提供的负电荷通过触摸屏感测线路中的一者或多者来检测。
在上文所示原理图的另选配置中，可在没有单独的反相放大器的情况下使用电荷积分器，以生成正确极性的适当输出电压。触笔电路的另选电路配置还可包括连接至触笔顶端的电流积分放大器，该电流积分放大器的输出可输入至压控振荡器，该压控振荡器生成与电流积分放大器输出的电压成比例的脉冲。压控振荡器的输出为脉冲串，该脉冲串具有与压控振荡器的输入电压成比例的频率。将压控振荡器的输出输入至RC低通滤波器，该RC低通滤波器具有连接至触笔筒外部的输出。
具有分立组件的其他模拟实施通常符合上文所述的传递功能和/或功能性。其他另选配置可以包括用于执行上述功能中的一者或多者，并且具有分别用于处理器输入和输出的模数和数模转换器的数字处理器。数字实施可以包括用于电源并且与触笔顶端和筒相连接的合适的分立电路组件。
图8示出了用于图2-4中描述的触笔电路的示例性隔离电源电路200。可以实施其他电源电路。在该例子中，一个或多个电池202将直流电压(例如1.2-3.7伏特)提供给DC/DC切换器IC 204。DC/DC切换器IC可以是例如凌力尔特公司(LINEAR TECHNOLOGIES)的部件号LT1615。将DC/DC切换器IC 204的Vcc和SW输出连接至变压器206，以生成交流电流，在该例子中为+/-12伏特。变压器206可以是例如库柏巴士曼公司(COOPER BUSSMAN)的部件号SDQ12-100-R。将变压器206的交流输出输入至整流器208，整流器208继而输出+/-12V直流电。包括整流器208的二极管可以是例如达尔公司(DIODES,INC.)的部件号ZHCS400。
可将反馈提供给DC/DC切换器204，以确保整流器208输出处的恒定直流电压。在该实施例中，实施光隔离器210，以在由整流器208输出的电源与电池电源202之间提供电隔离。光隔离器201可以是例如艾赛斯公司(IXYS CORP)的部件号CPC1001N。因为图2-4和6-7中公开的触笔电路的输出连接至触笔主体，所以图8中示出的隔离配置将电池电位与触笔输出电隔离。
图9示出了另选电源配置，其中至DC/DC切换器222的负输入224电连接至触笔电路228的电路接地226。该配置将触笔电路(连接至触笔主体)的输出230与电池单元232产生的电位电隔离。
图10示出了另选电源配置，其中不需要组件来增加电池单元的直流电压。在该配置中，一个或多个电池252和254被布置用于提供足以操作触笔电路256的电位，例如+/-12V直流电。
可以多种不同的技术方法来实现本文所述的电路功能性。模拟方法可使用具有中等(例如最高至40MHz)增益带宽积和中等(例如最高至400V/微秒)输出转换率的运算放大器。为了降低制造成本和减少电源消耗，可实施定制模拟专用集成电路(ASIC)。可在结合了一打或两打相对较低ft(例如约500MHz)的晶体管和集成无源装置的简单ASIC中实施触笔的功能性。或者，可以实施可配置的模拟阵列或现场可编程的模拟阵列。结合了模拟和数字元件的触笔设计也可以在单个ASIC或组合功能性(模拟+数字)现场可编程组件中实施。
也可以使用动力机械或微机械系统或动力气动或液压系统，利用这些系统类型之间的已知的数学对应关系来获得负电容阻抗。机械系统的输入和输出级可以是弹簧和/或平行柔性导电板，所述弹簧和/或平行柔性导电板以机械(金属弹簧也是感应器，两个平行柔性导电板也形成电容器)和电双重模式发挥作用。
图11a至11c为触笔总成10的端视横截面，其示出了用于将图2和3中所述的触笔电路的输入与电路的输出屏蔽以防止振荡的各种配置(图4中公开的采样/保持配置可能不需要屏蔽)。在图11a中，连接至触笔电路接地的管状屏蔽400同心地位于触笔筒402内并将电路板405与触笔筒402间隔开。在图11b中，触笔电路板406的一个或多个PCB接地层或电源层404用于屏蔽触笔电路并防止振荡。在图11c中，在触笔电路407上方和/或下方间隔开的平行平面408和/或410中提供屏蔽。可以实施其他用于将输入电路与电路输出屏蔽以防止振荡的屏蔽配置。
一些电容式触摸屏设备可以不一直监控触摸屏表面上的所有点。相反，设备可以光栅扫描方式扫描用于一个或多个手指的表面。因此，设备可仅监控给定的矩形贴片。例如，设备可在短时间内监控在特定位置处增加或减少两个或三个驱动线路，然后在其他时间处监控触摸屏的其他部分。在这种触摸屏配置下，当触摸屏正在看着其他地方时，可以将触笔断电。触笔可以包括检测光栅扫描何时接近其位置的装置。
根据一个示例性实施例，触笔可以包括微功率模拟比较器，以感测顶端区域中的驱动线路转变。当检测到第一转变时，模拟比较器可以激活单稳态多谐振荡器，该单稳态多谐振荡器允许向上文所述的触笔电路供电一时间段，在该时间段内正在监控接近该位置的触摸屏的感测焊盘。
图12示出了用于执行先前所述的省电功能的示例性电路原理图500。模拟比较器508接收阈值电压输入(输入A)和顶端输入502(输入B)。当顶端输入B匹配或超过阈值输入A时，比较器508驱动OR门极510的输入509。OR门极510还接收来自手指仿真电路516的输出的输入506。OR门极510的输出驱动可重触发单稳态多谐振荡器512的触发器。可重触发单稳态多谐振荡器的输出驱动开关504和520闭合。开关504将顶端输入502电连接至手指仿真电路516，其实施例在本文中有所描述。开关520为手指仿真电路516提供电源514。将手指仿真电路516的输出传递至触笔主体的一部分，如上文所述。
图13a示出了在iPad3触摸屏上的给定位置处感测到的驱动线路电压，所述驱动线路电压大约每17毫秒出现一次。图13b示出了在触摸屏上的给定位置处的驱动线路电压具有大约2毫秒的持续时间。图13c示出了图13b中示出的驱动线路电压增加的前25微秒。
在一个实施例中，比较器508将可能具有阈值输入，该阈值输入被配置成在感测到的驱动线路电压如图13c所示首先增大时触发单稳态多谐振荡器510并为手指仿真电路506供电。在该例子中，触笔电路506的平均电源消耗将为在一直为电路供电时的将可能存在的电源消耗的大约2毫秒/17毫秒＝12％。其他触摸板的触摸屏扫描定时可以不同，但执行光栅扫描的配置可以使用这种省电方法。
应当认识到，不同的电容式触摸屏可以具有不同的灵敏度。根据一个实施例，触笔电路的放大可根据触笔预期用于操作的特定触摸屏的灵敏度而变化。给定的放大设定可用于一系列不同的触摸屏。可以手动和/或自动设定可变增益。
一般来讲，如果提供从输出到输入的足够反馈，放大器则可振荡。所关注的反馈路径为保持触笔的人体至平板计算机的主体的电容，该电容与平板计算机的主体至触笔的输入顶端的电容串联。需要在由反馈增益乘以内部增益构成的闭环增益小于将产生振荡的增益(小于1)的区域中操作触笔。
优选地，闭环增益稍低于将会引起触笔-人-平板电脑系统振荡的增益。设定触笔的增益的令人满意的手动方式将可能是将触笔顶端紧靠触摸屏放置，并且操作电位计以调高增益，直到发生振荡，然后稍微降低增益以使振荡停止。在一种方法中，用户可以在给定增益设定下围绕触摸屏滑动触笔顶端，以确认没有发生振荡。例如，平板计算机的各个内部金属组件可以根据在屏幕上的位置而改变与触笔顶端的耦合。可以通过开启或关闭平板电脑来进行这种手动设定。从平板电脑的主体到触笔顶端的耦合电容在每种情况下都可以是类似的。
将触笔电路的内部增益调节至低于产生系统振荡的量的过程可以是自动化的。在一个例子中，数字控制的电位计可被配置成以增量和系统的方式改变增益。可以实施监控触笔的输出电压的模拟比较器，以检测振荡。如果环路不振荡，则比较器的输出电压将为零。可以实施逻辑，以递增地使增益设定变得越来越高，直到检测到振荡。这时，将增益设定降低至检测到振荡之前的设定。逻辑使数字可变增益设定元件慢慢变高，直到检测到振荡，然后在具有执行所述功能的软件的微处理器中或使用CPLD有限状态机来使该数字可变增益设定元件下降一点。检测振荡可能需要关闭平板计算机，所以不会检测到触摸屏驱动线路转变。另外，用户可能想要围绕触摸屏的不同区域滑动触笔顶端，以允许检测任何高增益位置处的振荡。
手动或自动确定的增益值可存储在存储器中，使得用户将可能不需要重复可变增益设定操作，除非触笔与不同型号的平板计算机一起使用。
图14示出了双顶端触笔配置600，其包括在一端处的细顶端602以及在另一端处的更大无源导电弹性体612。细顶端602可以包括与无源端部612类似的数据收集能力(例如，顶端电荷和电压检测)。可以实施微处理器614，以处理来自每个端部的电荷和电压数据并使用该信息将细顶端电路的增益设定为最佳水平。在实施过程中，用户可以针对给定电容式触摸屏校准触笔。在校准模式(可以使用开关608进入该模式)中，用户将可能首先与触摸屏一起使用大的无源顶端612，以允许本文所述的触笔电路收集与触摸屏有关的数据。然后用户将可能切换至细顶端602，以使电路能够收集该顶端的电压和电荷信息。然后微处理器可以执行计算，以设定细顶端电路606的增益。然后触笔将可能做好了使用准备。断电时触笔可存储增益设定信息。
图15示出了用于自动增益控制的示例性电路配置700。在该例子中，以双顶端触笔配置，诸如图14中所示的配置，来实施该电路。可以实施其他自动增益设定方法。在于微控制器706处通过开关708进入的校准模式中，无源顶端714可在电压感测模式或电荷感测模式中连接720。在电荷感测模式中，积分器712测量无源顶端714处的电荷并将相对电压呈现给模数转换器(ADC)708。将代表无源顶端电荷的ADC 708的数字输出提供给微控制器728。在电压感测模式中，将顶端714连接至ADC 708，该ADC将代表无源顶端电压的数字输入呈现给微控制器706。
细顶端718还可在开关728处在电荷感测模式或电压感测模式中配置。在电荷感测模式中，将顶端718连接至积分器716，该积分器继而连接至ADC 704，以用于将细顶端电荷的数字表示呈现给微控制器706。在电压感测模式中，将顶端718连接至ADC 704，以用于将顶端电压的数字表示呈现给微控制器706。触笔主体724可以可变地连接在细顶端电荷感测和用于大顶端电压/电荷感测以及细顶端电压感测的接地之间的开关722处。
在检测到有源细顶端718和无源顶端714处的相对电荷和电压时，微控制器706可以确定可变增益放大器716的合适增益设置，以防止手指仿真电路的振荡。微控制器706操作数字电位计702，以控制可变增益放大器716的增益。
在另选配置中，触笔可以包括用于感测在触笔顶端处的由触摸屏生成的电压的电路。在顶端处感测的电荷与在顶端处感测的电压的比率将可能大约等于触摸屏驱动线路与导电弹性体顶端之间的耦合电容。
可以实施另选实施例，以实现负电容阻抗的所需功能。一种方法包括对传统的逐次逼近寄存器型模数转换器(SAR A/D)进行馈送的模拟积分级。SAR A/D的DAC方面的输出为触笔输出。可以使用适当时间常数的RC低通滤波器来实现信号平滑。可以改变SAR A/D转换器的DAC组件的基准电压以设定电路的总增益。
也可以用分立的晶体管、电阻器和电容器来实施负电容阻抗功能。此类电路可包括JFET输入级，该JFET输入级具有从JFET栅极到触笔电路接地的相对较大的电容，然后是电压增益级以及最后是发射极跟随器。发射极跟随器的发射极连接将可能为连接至触笔导电主体的触笔输出。
在另选实施例中，可以实施混合模拟-数字具体实施，该模拟-数字具体实施使用电容器和运算放大器来将在触笔顶端处感测的电荷呈现至触笔输出。该方法包括边缘触发放大电荷输入电压输出模拟移位寄存器。该方法并不起到负电容阻抗的作用。然而，对于正向触摸屏驱动线路转变，该方法的确相对于触笔顶端正向驱动触笔主体。该方法可使振荡最小化。
因为触摸屏表面上的细顶端触笔的静电标记可比指尖的静电标记更小，所以电容式触摸屏设备的形心查找硬件和固件可将稍微错误的坐标传递至操作系统。对于给定的触摸屏而言，坐标错误可能是一致的、可重复的和可测量的。可通过例如实施坐标校正表来校正坐标错误。针对触摸屏表面上的每个已知(x,y)坐标，可捕获从触摸屏读出至操作系统的位置(x’,y’)。可将错误x-x’和y-y’制成表并用于生成校正表，所述校正表将可能将(x’,y’)接收作为输入并将物理校正的(x,y)作为输出。
根据数据量，另一个方法包括将坐标转译为数学公式。该方法依靠这样的假设：触摸屏的感测阵列是在X和Y方向上的重复单元体，从而导致周期性错误。可使用傅立叶分析法来分析和表征周期系统。这样，可将大的偏移数据表减小为(整数)谐波数、振幅和相位的系数的一小部分以构成校正公式。该公式可并入触摸屏设备操作系统或在触摸屏设备上运行的应用程序中。
可通过包括感测、致动器和指示器功能来增强触笔的整体功能性。可将触笔感测的数据发送至触笔与其一起使用的平板计算机。可通过来自平板计算机的命令来激活触笔上的指示器。触笔主体上的致动器，诸如按键开关，可命令平板计算机或应用程序运行以执行各种功能。为了信息交换、指示和控制的目的，可使用各种技术来实现触笔和平板计算机之间的数据传输，所述各种技术包括但不限于RF(例如蓝牙)、IR、超声波和近场通信技术。可在触笔上实施传统的鼠标按钮功能(例如左击、右击、滚动等)。位于触笔处的收发器可将用户输入传达至与触摸屏相关联的收发器，诸如平板计算机的短距离无线收发器。
在另一种配置中，触笔可包括一个或多个压力传感器以检测当用户在使用期间更用力按压和更轻按压触笔时触摸屏和顶端之间的更高和更低的压力。可将压力的变化传递至平板计算机，从而指示例如笔刷或画笔笔触的宽度的变化。也可将顶端压力的变化用作游戏和不涉及绘画或书写的其他应用程序的输入。
在另一种配置中，触笔可包括1轴至3轴(平移)加速计或全6轴(平移和旋转)加速计。该加速计可包括使用微机械结构来进行运动感测的集成电路。可将加速度信息传递至平板计算机作为各种应用程序的输入，所述各种应用程序包括书写、绘画、音乐和游戏应用程序，
触笔也可包括触觉技术以用于将触觉馈送提供给保持触笔的人。例如，当用户选择触摸屏上的菜单项时，触笔可轻微摇动或振动。可在于平板计算机上执行的游戏和其他应用程序中使用触觉反馈。触笔可包括被配置成产生光或声音的其他指示器。
虽然上文描述了示例性实施例，但并不表示这些实施例描述了本发明的所有可能形式。相反，说明书中使用的词汇为描述性词语，而不是限制性词汇，并且应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化。另外，可结合各个实施例的特征以形成本发明的另外的实施例。

Claims (28)

1.一种用于电容式触摸屏触笔的电路，所述电路包括：
导电顶端，其用于提供与电容式触摸屏的电容耦合；
反相电荷积分器，其连接至所述导电顶端以提供与在所述导电顶端处感应的电荷成比例的输出信号；
反相放大器，其用于生成与从所述反相电荷积分器输出的所述信号成比例的放大信号；以及
触摸屏感测电路，其用于在所述电容式触摸屏处感测驱动线路电压的增加，并且在检测到所述增加时，将电源连接至所述反相电荷积分器和所述反相放大器。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述触摸屏感测电路包括比较器以将所述驱动线路电压与阈值电压进行比较。
3.根据权利要求2所述的电路，其中所述触摸屏感测电路包括单稳态多谐振荡器以响应于从所述比较器输出的指示所述驱动线路电压超过所述阈值电压的信号来将电源连接至所述反相电荷积分器和所述反相放大器。
4.根据权利要求1所述的电路，其中电位在所述顶端处的正转变引起电压在所述导电触点处的正转变。
5.根据权利要求1所述的电路，其中电位在所述顶端处的负转变引起电压在所述导电触点处的负转变。
6.根据权利要求1所述的电路，其中所述反相电荷积分器和所述反相放大器包括一个或多个运算放大器。
7.根据权利要求1所述的电路，其中所述导电顶端为具有小于3.5毫米的直径的球点。
8.一种用于电容式触摸屏触笔的电路，所述电路包括：
导电顶端，其用于提供与电容式触摸屏的电容耦合；
反相互阻抗放大器，其连接至所述导电顶端以生成与在所述导电顶端处感应的电流成比例的输出信号；
反相积分器，其用于提供与所述反相互阻抗放大器的积分输出信号成比例的输出电压；
导电触点，其用于在来自所述反相积分器的输出电压和所述触笔的外部部分之间提供电耦合或电容耦合；以及
触摸屏感测电路，其用于在所述电容式触摸屏处感测驱动线路电压的增加，并且在检测到所述增加时，将电源连接至所述反相电荷积分器和所述反相放大器。
9.根据权利要求8所述的电路，其中所述触摸屏感测电路包括比较器以将所述驱动线路电压与阈值电压进行比较。
10.根据权利要求9所述的电路，其中所述触摸屏感测电路包括单稳态多谐振荡器以响应于从所述比较器输出的指示所述驱动线路电压超过所述阈值电压的信号来将电源连接至所述反相电荷积分器和所述反相放大器。
11.根据权利要求8所述电路，其中电位在所述顶端处的正转变引起电压在所述导电触点处的正转变。
12.根据权利要求8所述电路，其中电位在所述顶端处的负转变引起电压在所述导电触点处的负转变。
13.根据权利要求1所述的电路，其中所述反相电荷积分器和所述反相放大器包括一个或多个运算放大器。
14.根据权利要求1所述的电路，其中所述导电顶端为具有小于3.5毫米的直径的球点。
15.一种用于电容式触摸屏触笔的电路，所述电路包括：
导电顶端，其用于提供与电容式触摸屏的电容耦合；
反相电荷积分器，其连接至所述导电顶端以提供与在所述导电顶端处感应的电荷成比例的输出信号；
反相放大器，其用于生成与从所述反相电荷积分器输出的所述信号成比例的放大信号；以及
增益控制电路，其用于自动检测所述反相放大器的振荡并基于所述振荡检测调节所述反相放大器的增益。
16.一种用于电容式触摸屏触笔的电路，所述电路包括：
导电顶端，其用于提供与电容式触摸屏的电容耦合；
反相互阻抗放大器，其连接至所述导电顶端以生成与在所述导电顶端处感应的电流成比例的输出信号；
反相积分器，其用于提供与所述反相互阻抗放大器的积分输出信号成比例的输出电压；
导电触点，其用于在来自所述反相积分器的输出电压和所述触笔的外部部分之间提供电耦合或电容耦合；以及
增益控制电路，其用于自动检测所述反相放大器的振荡并基于所述振荡检测调节所述反相放大器的增益。
17.一种电容式触摸屏触笔，包括：
无源顶端和有源顶端，所述无源顶端具有大于所述有源顶端的触摸屏触点；
电荷检测电路，其用于测量传递至所述无源顶端或从所述无源顶端传递的电荷量；以及
增益设定电路，其用于基于通过所述电荷检测电路确定的传递至所述无源顶端或从所述无源顶端传递的电荷量来设定所述有源顶端的增益。
18.根据权利要求17所述的触笔，还包括一个或多个输入设备以及用于将在所述一个或多个输入设备处接收的输入传递至电容式触摸屏设备的收发器。
19.根据权利要求18所述的触笔，其中所述输入设备包括按钮。
20.根据权利要求18所述的触笔，其中所述输入设备包括加速计。
21.根据权利要求17所述的触笔，还包括一个或多个输出设备和接收器，所述接收器用于接收来自电容式设备的信号以用于生成在所述输出设备处的输出。
22.根据权利要求21所述的触笔，其中所述输出设备包括一个或多个LED。
23.根据权利要求21所述的触笔，其中所述输出设备包括触觉设备。
24.根据权利要求21所述的触笔，其中所述输出包括声音。
25.一种用于电容式触摸屏的触笔，所述触笔包括：
导电触笔顶端；
具有导电表面的细长触笔主体；
与所述触笔顶端和所述触笔主体电连通的负电容电路；以及
用于将电源施加于所述负电容电路的电路。
26.根据权利要求25所述的触笔，其中所述负电容电路包括：
可变增益放大器；以及
电路，其用于可变地设定所述可变增益放大器的所述增益以防止所述负电容电路的振荡。
27.根据权利要求25所述的触笔，其中所述负电容电路包括微控制器。
28.根据权利要求25所述的与电容式触摸屏设备结合的触笔，所述电容式触摸屏设备被编程并且被配置成偏置一组检测的触笔坐标以对该组检测的触笔坐标和所述电容式触摸屏上的所述触笔的实际坐标位置之间的误差进行校正。
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