CN106775141A - 电容感测电路及触控面板 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于电容检测技术领域,提供了一种电容感测电路,包含有:前端电路、第一相减总和电路和电容判断电路;其中,前端电路,耦接于待测电路;第一相减总和电路,耦接于前端电路与电容判断电路之间,包含有:相减单元;总和单元,耦接于相减单元;第一转换器,耦接于总和单元与电容判断电路之间;以及第二转换器,耦接于第一转换器与相减单元之间;以及电容判断电路,用来根据第一输出信号,判断待测电容的电容变化。本发明利用包含主动组件的前端电路提升对噪声的抵抗性,以及利用相减总和电路限制总和信号的变动范围,避免模拟数字转换器进入饱和状态,具有较高的信噪比。
Description
技术领域
本发明属于电容检测技术领域,尤其涉及一种有效感测电容变化的电容感测电路及触控面板。
背景技术
随着科技日益进步,近年来各种电子产品的操作接口逐渐人性化。举例而言,透过触控面板,使用者可直接以手指或触控笔在屏幕上操作、输入信息/文字/图样,省去使用键盘或按键等输入设备的麻烦。实际上,触控面板通常系由感应面板和设置于感应面板后方的显示器组成。电子装置是根据用户在感应面板上所触碰的位置,以及当时显示器所呈现的画面,来判断该次触碰的含义,并执行相对应的操作。
电容式触控技术利用感测待测电路中待测电容的电容变化量来判读触碰事件,现有的电容式触控技术可分为自容式(Self-Capacitance)和互容式(Mutual-Capacitance)两种,自容式触控面板或互容式触控面板中的电容感测电路可将待测电容的电容转换成模拟输出信号,并利用模拟数字转换器将模拟输出信号转换成数字信号,以供后端电容判断电路进行判读。然而,无论是自容式触控面板或是互容式触控面板,其待测电容的电容变化量都相当微小,而使得该模拟输出信号受到电容变化而产生的信号变化量也相应地微小。从另一角度来说,该模拟输出信号可包含有固定信号和变动信号,其中该变动信号为该模拟输出信号受到电容变化而产生的信号变化量,电容感测电路根据该模拟输出信号中变动信号的大小来判断待测电容的电容变化量,换句话说,变动信号对电容感测具有关键性影响。为了正确地解析待测电容的电容变化,现有技术利用具有大动态范围(Dynamic Range)和高分辨率的模拟数字转换器来解析该模拟输出信号,造成电路复杂度以及生产成本增加,另一方面,模拟数字转换器的大动态范围及高分辨率大多耗费在解析该模拟输出信号的固定信号部份,而对于对电容感测产生关键影响的变动信号反而无法有效地解析之。因此,现有技术实有改善的必要。
发明内容
本发明实施例所要解决的第一个技术问题在于提供一种电容感测电路,旨在有效地感测电容变化。
本发明实施例是这样实现的,一种电容感测电路,用来感测待测电路中的待测电容,所述电容感测电路包含有:前端电路、第一相减总和电路和电容判断电路;其中,
前端电路,耦接于所述待测电路,包含有至少一主动组件;
第一相减总和电路,耦接于所述前端电路与所述电容判断电路之间,用来根据第一输入信号产生第一输出信号,所述第一相减总和电路包含有:
至少一相减单元,用来根据一第一信号,产生至少一第一相减信号;
至少一总和单元,耦接于所述第一相减,总和电路的所述至少一相减单元,用来根据所述至少一第一相减信号产生至少一第一总和信号;
第一转换器,耦接于所述第一相减总和电路的所述至少一总和单元与所述电容判断电路之间,用来产生所述第一输出信号;以及
第二转换器,耦接于所述第一转换器与所述第一相减总和电路的所述至少一相减单元之间,用来将所述第一输出信号转换成所述第一信号;以及
电容判断电路,用来根据所述第一输出信号,判断所述待测电容的电容变化。
本发明实施例所要解决的第二个技术问题在于提供一种触控面板,包含上述电容感测电路。
本发明实施例揭露一种电容感测电路,用来感测待测电路中的待测电容,所述电容感测电路包含有:前端电路、第一相减总和电路和电容判断电路;其中,前端电路,耦接于所述待测电路,包含有至少一主动组件;第一相减总和电路,耦接于所述前端电路与所述电容判断电路之间,用来根据第一输入信号产生第一输出信号,所述第一相减总和电路包含有:至少一相减单元,用来根据一第一信号,产生至少一第一相减信号;至少一总和单元,耦接于所述第一相减总和电路的所述至少一相减单元,用来根据所述至少一第一相减信号产生至少一第一总和信号;第一转换器,耦接于所述第一相减总和电路的所述至少一总和单元与所述电容判断电路之间,用来产生所述第一输出信号;以及第二转换器,耦接于所述第一转换器与所述第一相减总和电路的所述至少一相减单元之间,用来将所述第一输出信号转换成所述第一信号;以及电容判断电路,用来根据所述第一输出信号,判断所述待测电容的电容变化。
本发明的电容感测电路利用包含主动组件的前端电路提升对噪声的抵抗性,以及利用相减总和电路限制总和信号的变动范围,避免模拟数字转换器进入饱和状态。相较于现有技术,本发明的电容感测电路具有较高的信噪比,较强的驱动能力以及免去使用大电容的需要,同时降低了对模拟数字转换器的动态范围和分辨率的要求,进而降低了电路复杂度和生产成本,另一方面也能提高系统精度。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的电容感测电路的示意图;
图2为本发明实施例提供的相减总和电路的第一示意图;
图3为本发明实施例提供的相减总和电路的第二示意图;
图4为本发明实施例提供的多个信号的波形图;
图5为本发明实施例二提供的电容感测电路的示意图;
图6为本发明实施例三提供的电容感测电路的示意图;
图7为本发明实施例四提供的电容感测电路的示意图;
图8为本发明实施例提供的相减总和电路的第三示意图;
图9为本发明实施例提供的相减总和电路的第四示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请参考图1,图1为本发明实施例一提供的电容感测电路10的示意图。电容感测电路10将信号TX施加于待测电路100,并从待测电路100接收信号RX,电容感测电路10根据信号TX与信号RX感测待测电路100的待测电容CUT。电容感测电路10包含有相减总和电路104、前端电路112、电容判断电路102和混波器106。
前端电路112包含由主动组件所构成的放大器和滤波器,前端电路112可借由调整放大器的增益来调整信号RX的大小,使得信号RX不超过后端电路组件的操作范围,滤波器用来滤除噪声。整体而言,前端电路112可灵活针对噪声和干扰信号进行滤波放大等操作,增强了电容感测电路10对噪声的抵抗性,进一步提升电容感测电路10的信噪比;另外,含有主动组件的前端电路112也可以增强电路的驱动能力,减少后端电路对前端待测电路的100的影响(现有技术中,利用被动组件以电荷转移或者电荷分享的方式撷取出待测电路中待测电容所储存的电荷,需要电路中有一电容和待测电容的大小相当或者更大,由此会使电路的面积增大),含有主动组件时可调节信号大小,由此后端的电容不需要和待测电容匹配,可有效减小电路的面积。
混波器106耦接于前端电路112与相减总和电路104之间(也可以说耦接于待测电路100与相减总和电路104之间),混波器106包含乘法器MP和波形产生器160,混波器106将输入信号VIN输入至相减总和电路104,相减总和电路104根据输入信号VIN产生输出信号VOUT,电容判断电路102耦接于相减总和电路104,用来根据输出信号VOUT判断待测电容CUT的电容变化。
相减总和电路104可为三角积分器(Delta-Sigma Modulator,Δ-∑Modulator),其包含有相减单元140、总和单元142、模拟数字转换器144(ADC,对应于第一转换器)和数字模拟转换器146(DAC,对应于第二转换器)。相减单元140根据信号VS(对应于第一信号)和输入信号VIN(对应于第一输入信号)产生相减信号VΔ,相减信号VΔ即为输入信号VIN与信号VS的相减结果。总和单元142耦接于相减单元140,用来根据相减信号VΔ产生总和信号VSUM。模拟数字转换器144耦接于总和单元142与电容判断电路102之间,用来将总和信号VSUM转换成输出信号VOUT。数字模拟转换器146耦接于模拟数字转换器144与相减单元140之间,用来将输出信号VOUT转换成信号VS。
关于相减总和电路104的一实施例,请参考图2,图2为本发明实施例相减总和电路204的第一示意图。相减总和电路204包含相减单元240、总和单元242、模拟数字转换器144和数字模拟转换器146。
相减单元240包含有比较器CMP,比较器CMP包含有负输入端(对应于第一输入端,标示有「-」号)、正输入端(对应于第二输入端,标示有「+」号)和输出端,比较器CMP的负输入端耦接于数字模拟转换器146,用来接收信号VS,比较器CMP的正输入端用来接收输入信号VIN,比较器CMP的输出端耦接于总和单元242,用来输出相减信号VΔ。总和单元242可为积分器,其包含有放大器Amp、积分电容CI和电阻R,放大器Amp包含有负输入端(标示有「-」号)、正输入端(标示有「+」号)和输出端,放大器Amp的负输入端耦接于电阻R的一端,而电阻R的另一端耦接于相减单元240以接收相减信号VΔ,放大器Amp的正输入端耦接于接地端,积分电容CI耦接于放大器Amp的负输入端与输出端之间,放大器Amp的输出端用来输出总和信号VSUM。其余操作细节与相减总和电路104相同,故不在此赘述。
关于相减总和电路104的另一实施例,请参考图3,图3为本发明实施例相减总和电路304的第二示意图。相减总和电路304与相减总和电路204类似,故相同组件沿用相同符号。与相减总和电路204不同的是,相减总和电路304所包含的总和单元342仅包含放大器Amp和积分电容CI,另外,相减总和电路304所包含的相减单元340包含有电阻R1、R2,电阻R1耦接于放大器Amp的负输入端与数字模拟转换器146之间,电阻R2的一端耦接于放大器Amp的负输入端,另一端耦接于前端电路112以接收输入信号VIN。其余操作细节与相减总和电路104相同,故不在此赘述。
关于相减总和电路104的又一实施例,请参考图8,图8为本发明实施例相减总和电路804的第三示意图。相减总和电路804与相减总和电路304类似,故相同组件沿用相同符号。与相减总和电路304不同的是,相减总和电路804所包含的相减单元840包含电容CS和开关S 1、S2、S3、S4,开关S 1耦接于电容CS的第一端,用来接收输入信号VIN,开关S2耦接于电容CS的第一端与数字模拟转换器146之间,开关S3耦接于电容CS的第二端与放大器Amp的负输入端之间,开关S4耦接于电容CS的第二端与接地端之间。开关S1、S2、S3、S4可受控于频率控制信号ph1、ph2,其中频率控制信号ph1、ph2为相互正交的频率控制信号(即频率控制信号ph1、ph2为高电位的时间不相互重迭),具体来说,于一实施例中,频率控制信号ph1可用来控制开关S1、S3的导通状态,而频率控制信号ph2可用来控制开关S2、S4的导通状态;于另一实施例中,频率控制信号ph1可用来控制开关S1、S4的导通状态,而频率控制信号ph2可用来控制开关S2、S3的导通状态。其余操作细节与相减总和电路104相同,故不在此赘述。
若适当设计模拟数字转换器144和数字模拟转换器146,可将总和信号VSUM的信号值限定在特定范围内。举例来说,请参考图4,图4为本发明实施例总和信号VSUM、输出信号VOUT和信号VS随时间变化的波形图。于本实施例中,总和信号VSUM为连续的模拟信号,而输出信号VOUT为离散信号。由图4可知,即使本发明之相减总和电路经过长时间运作,信号VSUM的变动范围仍落在最大电压VM_SUM与最小电压VL_SUM之间,因此可避免信号VSUM的变动范围超过模拟数字转换器144的动态范围,即避免模拟数字转换器144进入饱和状态。因此,可降低电容感测电路对模拟数字转换器的分辨率和动态范围的要求。另一方面,对于具有一定精度的模拟数字转换器144,能够提高电容感测电路10的精度。
现有技术中,电容感测电路利用被动组件以电荷转移(Charge Transfer)或是电荷分享(Charge Sharing)的方式撷取出待测电路中待测电容所储存的电荷,而容易受到噪声的影响,造成电容判断电路对待测电容的变化产生误判。相较之下,电容感测电路10利用包含主动组件的前端电路112,可灵活针对噪声和干扰对信号进行滤波放大等处理方式,提升对噪声的抵抗性,进一步提升电容感测电路的信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR);另外,含有主动组件的前端电路可增强电路的驱动能力,减少后端电路对前端待测电路的影响;含有主动组件的前端电路可调节信号的大小,因此后续的积分电容不需要和待感测电容匹配,可有效减小电路的面积。另一方面,电容感测电路10利用相减总和电路104限制总和信号VSUM的变动范围,而不会造成模拟数字转换器144进入饱和状态。相比于现有技术,电容感测电路10降低了对模拟数字转换器144的动态范围的要求,进而降低电路复杂度和生产成本,另一方面,对于具有一定精度的模拟数字转换器144,也能提高电容感测电路10的精度。
需注意的是,前述实施例是用以说明本发明的概念,本领域技术人员当可据以做不同之修饰,而不限于此。举例来说,请参考图5,图5为本发明实施例二提供的电容感测电路50的示意图。电容感测电路50与电容感测电路10类似,故相同组件沿用相同符号。与电容感测电路10不同的是,电容感测电路50另包含滤波器508,滤波器508耦接于模拟数字转换器144与电容判断电路102之间,用来滤除模拟数字转换器144所造成的量化误差(Quantization Error),亦属于本发明之范畴。
另外,需注意的是,相减总和电路104、204、304、804皆为一阶三角积分器,而不限于此,本发明的相减总和电路可利用二阶的三角积分器来实现。举例来说,请参考图9,图9为本发明实施例提供的相减总和电路904的第四示意图。相减总和电路904包含有相减单元940_1、940_2、总和单元942_1、942_2、模拟数字转换器944和数字模拟转换器946。
总和单元942_1、942_2分别耦接于相减单元940_1、940_2,总和单元942_1、942_2分别根据相减信号VΔ1、VΔ2产生总和信号VSUM1、VSUM2,相减单元940_1、940_2皆耦接于数字模拟转换器946。模拟数字转换器944耦接于总和单元942_2,用来将总和信号VSUM2转换成输出信号VOUT。数字模拟转换器946耦接于模拟数字转换器944与相减单元940_1、940_2,用来将输出信号VOUT转换成信号VS。简单来说,相减总和电路904为二阶三角积分器,而不在此限,本发明的相减总和电路可利用三阶或更高阶的三角积分器来实现,亦属于本发明的范畴。
另外,为了更精准计算待测电容CUT所储存的电荷,电容感测电路可将总和信号VSUM的电压维持一段时间后,再将总和信号VSUM转换成数字信号并传递至电容判断电路102。具体来说,请参考图6,图6为本发明实施例三提供的电容感测电路60的示意图。电容感测电路60与电容感测电路50类似,故相同组件沿用相同符号。与电容感测电路50不同的是,电容感测电路60还包含锁存器(Latch)600和模拟数字转换器644(对应于第三转换器),锁存器600耦接于总和单元142,用来将总和信号VSUM的电压维持一段特定时间。模拟数字转换器644耦接于锁存器600与电容判断电路102之间,用来将维持特定时间后的总和信号VSUM转换成数字信号并传递至电容判断电路102。如此一来,电容感测电路60可更精准的判断待测电容CUT的电容变化,提升整体效能。
另外,于电容感测电路10中,仅针对信号RX的同相分量(In PhaseComponent)进行运算,而不限于此,亦可针对信号RX的同相分量以及正交分量(Quadrature Component)同时进行运算,以对待测电容CUT达到更精准的判读。举例来说,请参考图7,图7为本发明实施例四提供的电容感测电路70的示意图。电容感测电路70与电容感测电路10类似,故相同组件沿用相同符号。与电容感测电路10相同的是,电容感测电路70利用相减总和电路704_a对信号RX的同相分量进行运算,而与电容感测电路10不同的是,电容感测电路70包含相减总和电路704_a、704_b,相减总和电路704_a对信号RX的同相分量进行运算,同时电容感测电路70利用包含于混波器706的相位旋转器762和乘法器MP2撷取出信号RX的正交分量,并利用相减总和电路704_b对信号RX的正交分量进行运算。相减总和电路704_a、704_b分别产生输出信号VOUT1、VOUT2,电容判断电路102即可根据输出信号VOUT1、VOUT2判断待测电容CUT的电容变化,使得电容判读更为准确。其中,相减总和电路704_a、704_b可利用相减总和电路104、204、304、804、904来实现,皆属于本发明的范畴。另外,电容感测电路70还包含滤波器708_a、708_b、锁存器700_a、700_b和模拟数字转换器744_c、744_d,关于滤波器708_a、708_b、锁存器700_a、700_b以及模拟数字转换器744_c、744_d的操作方式及功能,请参考前述相关段落,于此不再赘述。
综上所述,本发明的电容感测电路利用包含主动组件的前端电路提升对噪声的抵抗性、电路本身的驱动性能,以及免去使用体积较大的大电容的需要,另一方面,本发明的电容感测电路利用相减总和电路限制总和信号的变动范围,避免模拟数字转换器进入饱和状态。相较于现有技术,本发明的电容感测电路具有较高的信噪比,同时降低了对模拟数字转换器的动态范围和分辨率的要求,进而降低了电路复杂度和生产成本,对于具有一定精度的模拟数字转换器,能够提高电容感测电路的精度。
如上所述的电容感测电路10可应用于触控面板及具有触控面板的电子设备中。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种电容感测电路,用来感测待测电路中的待测电容,所述电容感测电路包含有:前端电路、第一相减总和电路和电容判断电路;其中,
前端电路,耦接于所述待测电路,包含有至少一主动组件;
第一相减总和电路,耦接于所述前端电路与所述电容判断电路之间,用来根据第一输入信号产生第一输出信号,所述第一相减总和电路包含有:
至少一相减单元,用来根据一第一信号,产生至少一第一相减信号;
至少一总和单元,耦接于所述第一相减总和电路的所述至少一相减单元,用来根据所述至少一第一相减信号产生至少一第一总和信号;
第一转换器,耦接于所述第一相减总和电路的所述至少一总和单元与所述电容判断电路之间,用来产生所述第一输出信号;以及
第二转换器,耦接于所述第一转换器与所述第一相减总和电路的所述至少一相减单元之间,用来将所述第一输出信号转换成所述第一信号;以及
电容判断电路,用来根据所述第一输出信号,判断所述待测电容的电容变化。
2.如权利要求1所述的电容感测电路,其特征在于,所述总和单元包含有:
放大器;以及
积分电容,耦接于所述放大器的负输入端与输出端之间。
3.如权利要求1所述的电容感测电路,其特征在于,所述相减单元包含有:
第一电阻,其一端耦接于所述第一相减总和电路的所述至少一总和单元的总和单元,另一端耦接于所述第二转换器;以及
第二电阻,其一端耦接于所述第一相减总和电路的所述总和单元。
4.如权利要求1所述的电容感测电路,其特征在于,所述相减单元包含有比较器,所述比较器包含有:
第一输入端,耦接于所述第二转换器;
第二输入端,用于接收所述第一输入信号;以及
输出端,耦接于所述至少一总和单元。
5.如权利要求1所述的电容感测电路,其特征在于,所述相减单元包含第一电容、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关,所述第一开关和所述第二开关耦接于所述第一电容的第一端,所述第三开关和所述第四开关耦接于所述第一电容的第二端,所述第一开关接收所述第一输入信号,所述第二开关耦接于所述第二转换器,所述第三开关耦接于所述至少一总和单元,所述第四开关耦接于接地端。
6.如权利要求1所述的电容感测电路,其特征在于,所述第一转换器为一模拟数字转换器,所述第二转换器为数字模拟转换器。
7.如权利要求1所述的电容感测电路,其特征在于,还包含第一滤波器,耦接于所述第一转换器与所述电容判断电路之间。
8.如权利要求1所述的电容感测电路,其特征在于,还包含第一锁存器(Latch),耦接于所述第一相减总和电路的所述至少一总和单元的总和单元与所述电容判断电路之间。
9.如权利要求8所述的电容感测电路,其特征在于,还包含第三转换器,耦接于所述第一锁存器与所述电容判断电路之间。
10.如权利要求9所述的电容感测电路,其特征在于,所述第三转换器为模拟数字转换器。
11.如权利要求1所述的电容感测电路,其特征在于,还包含混波器,耦接于所述前端电路与所述第一相减总和电路之间。
12.如权利要求11所述的电容感测电路,其特征在于,所述混波器包含第一乘法器和波形产生器。
13.如权利要求12所述的电容感测电路,其特征在于,所述混波器还包含相位旋转器和第二乘法器;
所述电容感测电路还包含:
第二相减总和电路,耦接于所述第二乘法器与所述电容判断电路之间,用来根据第二输入信号产生一第二输出信号,所述第二相减总和电路包含有:
至少一相减单元,用来根据一第二信号,产生至少一第二相减信号;
至少一总和单元,耦接于所述第二相减总和电路的所述至少一相减单元,用来根据所述至少一第二相减信号产生至少一第二总和信号;
第四转换器,耦接于所述第二相减总和电路的所述至少一总和单元与所述电容判断电路之间,用来产生所述第二输出信号;以及
第五转换器,耦接于所述第四转换器与所述第二相减总和电路的所述至少一相减单元之间,用来将所述第二输出信号转换成所述第二信号;
其中,电容判断电路根据所述第一输出信号和所述第二输出信号判断所述待测电容的电容变化。
14.一种触控面板,其特征在于,包含如权利要求1~13任一项所述的电容感测电路。
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