CN110095664B - 高精度触摸检测电路及高精度触摸检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度触摸检测电路及高精度触摸检测系统，用于检测触摸屏的发射电极与接收电极之间的触摸电容的大小，包括波形发生器和检测电路，其中，所述的波形发生器与所述的触摸屏的发射电极相连接，所述的检测电路与所述的触摸屏的接收电极相连接，所述的波形发生器向该触摸屏发送检测用输入信号，所述的检测电路接收并处理所述的触摸屏输出的检测用输出信号，获取触摸电容检测电压。采用该高精度触摸检测电路及高精度触摸检测系统，能够适应互电容容值，调节检测电流，抑制共模噪声、电压噪声的影响，真正支持多点触摸，坐标判断准确，有较高的触摸检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及触摸屏领域，尤其涉及高精度的触摸屏领域，具体是指一种高精度触摸检测电路及高精度触摸检测系统。
背景技术
随着触摸屏幕在手机、平板等产品中应用的快速增长，电容式触摸屏因其透光率高、重量轻、尺寸广等优点逐渐成为市场的主流。电容式触摸屏采用多层透明导电玻璃为原料，形成X轴和Y轴交叉的矩阵分布电极。手指触摸屏幕时，由于人体电场的作用，手指和触摸屏电极间形成耦合电容，通过对X轴和Y轴的扫描，可检测到触摸前后电极间电容的变化，进而确定触摸点坐标。
现有技术根据不同的测量方法可分为自电容测量方法和互电容测量方法。自电容测量方法具有单点触摸坐标准确、效率高、功耗低的特点，但多点触摸会出现“鬼点”，坐标计算复杂，效率低，易出错。互电容测量方法则不存在“鬼点”现象，多点触摸坐标准确，真正实现多点触摸。
现有技术中的互电容测量方法通过判断积分器电路输出电压，检测触摸前后电极间互电容的变化，实现多点触摸，虽然较传统互电容检测电路能够降低由于RC延迟造成的波形变形，即使有寄生电容，仍能得到较大的检测信号并且使检测信号较稳定，从而提高触摸屏的灵敏度。但由于互电容容值的不确定性，积分电路易出现过冲现象。且由于电流源参与积分，不可避免引入环境噪声、共模噪声，如电源噪声、电压偏移等，导致抗干扰能力差，坐标判断复杂等问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中的缺点，提供了一种能够进行精确的坐标定位、具有一定的抗干扰能力、具有一定的灵敏度的高精度触摸检测电路及高精度触摸检测系统。
为了实现上述的目的，本发明的高精度触摸检测电路及高精度触摸检测系统具体如下：
该高精度触摸检测电路，用于检测触摸屏的发射电极与接收电极之间的触摸电容的大小，其主要特点是，包括波形发生器和检测电路，其中，所述的波形发生器与所述的触摸屏的发射电极相连接，所述的检测电路与所述的触摸屏的接收电极相连接，所述的波形发生器向该触摸屏发送检测用输入信号，所述的检测电路接收并处理所述的触摸屏输出的检测用输出信号，获取触摸电容检测电压。
较佳地，所述的波形发生器发送的检测用输入信号其波形具有固定的电压上升沿斜率和电压下降沿斜率，所述的电压上升沿斜率和电压下降沿斜率互为相反数。
更佳地，所述的检测电路包括积分器电路和放大器电路，且所述的积分器电路的输入端与所述的接收电极相连接，该积分器电路的输出端与所述的放大器电路相连接。
更佳地，还包括电流控制电流传输器，设置于所述的接收电极与积分器电路之间，且所述的电流控制电流传输器包括X端、Y端、Z端和﹣Z端，其中，所述的X端连接所述的接收电极，Y端连接第一参考电压，Z端和﹣Z端都连接到所述的积分器电路。
更佳地，所述的积分器电路包括升沿积分器电路和降沿积分器电路，且所述的升沿积分器电路和降沿积分器电路均包括一组复位开关、运算放大器和积分电容，其中，所述的复位开关和积分电容并联，设置于所述的运算放大器的第一输入端与输出端之间，且运算放大器的第一输入端通过积分窗口控制开关连接到所述的Z端和﹣Z端，该运算放大器的第二输入端连接参考电压，其中，降沿积分器电路中的运算放大器的第二输入端输入第二参考电压，升沿积分器电路中的运算放大器的第二输入端输入的参考电压输入第三参考电压。
更佳地，所述的积分窗口控制开关包括四个开关，其中，第一、三开关连接Z端，第二、四开关连接﹣Z端，且第一、二开关均连接至第一运算放大器的第一输入端，第三、四开关均连接至第二运算放大器的第一输入端。
更佳地，所述的放大器电路包括差分放大器、六个开关和四个电容，其中，
差分放大器的第一差分输入端依次通过第一电容、第五开关连接到第一运算放大器的输出端；差分放大器的第二差分输入端依次通过第二电容、第六开关连接到第二运算放大器的输出端；
第七开关的第一端设置于第五开关和第一电容之间，第七开关的第二端连接到该差分放大器的第一输出端；第八开关的第一端设置于第六开关和第二电容之间，第八开关的第二端连接到该差分放大器的第二输出端；
第九开关和第三电容并联，且两者组成的并联回路的第一端设置于第一电容和差分放大器的第一差分输入端之间，两者组成的并联回路的第二端连接到该差分放大器的第一输出端；第十开关和第四电容并联，且两者组成的并联回路的第一端设置于第二电容和差分放大器的第二差分输入端之间，两者组成的并联回路的第二端连接到该差分放大器的第二输出端。
更佳地，所述的检测用输入信号输出上升沿前时，复位开关均导通，将升沿积分器的输出电压复位，将降沿积分器的输出电压复位；所述的检测用输入信号输出上升沿时，所述的第一开关和第四开关导通，第二开关和第三开关关断，所述的复位开关均关断；所述的检测用输入信号输出下降沿时，所述的第一开关和第四开关关断，所述的第二开关和第三开关导通，所述的复位开关均关断；
且所述的第五开关至第十开关也跟随所述的检测用输入信号输出的上升沿和下降沿交替进行导通、关断。
基于上述高精度触摸检测电路的高精度触摸检测系统，其主要特点是，还包括比较器模块，将检测用输出信号与比较阈值进行比较，从而确定所述的触摸屏是否被触摸较佳地，所述的比较阈值为一可调的比较阈值。
采用本发明的高精度触摸检测电路及高精度触摸检测系统，通过波形发生器连接触摸屏的发射电极，可以输出梯形波和锯齿波等，为互电容提供更灵敏灵活的检测电流；还通过CCCII型电流控制电流传输器进行电流传输，频带宽、精度高、易集成；还通过积分窗口使积分器电路的积分线性度更高，提高检测精度；还通过差分放大器输出变化量ΔV与阈值进行比较，从而判断发射电极、接收电极是否有触摸，以抑制共模噪声和电压噪声，提高触摸识别准确率，准确判断坐标；还能够对其他发射电极与接收电极间的互电容进行逐次扫描、检测，实现多点触摸功能。
附图说明
图1为本发明的高精度触摸检测电路的连接结构示意图。
图2为本发明的高精度触摸检测电路中电流控制电流传输器的一种具体实施方式。
图3为本发明的高精度触摸检测电路中在进行高精度触摸检测时各个开关及波形发生器输出的波形的示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
本发明的高精度触摸检测电路，用于检测触摸屏的发射电极与接收电极之间的触摸电容的大小，其中，包括波形发生器和检测电路，其中，所述的波形发生器与所述的触摸屏的发射电极相连接，所述的检测电路与所述的触摸屏的接收电极相连接，所述的波形发生器向该触摸屏发送检测用输入信号，所述的检测电路接收并处理所述的触摸屏输出的检测用输出信号，获取触摸电容检测电压。
在一种较佳的实施例中，所述的波形发生器发送的检测用输入信号其波形具有固定的电压上升沿斜率和电压下降沿斜率，所述的电压上升沿斜率和电压下降沿斜率互为相反数。
在一种更佳的实施例中，所述的检测电路包括积分器电路和放大器电路，且所述的积分器电路的输入端与所述的接收电极相连接，该积分器电路的输出端与所述的放大器电路相连接。
在一种更佳的实施例中，还包括电流控制电流传输器，设置于所述的接收电极与积分器电路之间，且所述的电流控制电流传输器包括X端、Y端、Z端和﹣Z端，其中，所述的X端连接所述的接收电极，Y端连接第一参考电压，Z端和﹣Z端都连接到所述的积分器电路。
在一种更佳的实施例中，所述的积分器电路包括升沿积分器电路和降沿积分器电路，且所述的升沿积分器电路和降沿积分器电路均包括一组复位开关、运算放大器和积分电容，其中，所述的复位开关和积分电容并联，设置于所述的运算放大器的第一输入端与输出端之间，且运算放大器的第一输入端通过积分窗口控制开关连接到所述的Z端和﹣Z端，该运算放大器的第二输入端连接参考电压，其中，降沿积分器电路中的运算放大器的第二输入端输入第二参考电压，升沿积分器电路中的运算放大器的第二输入端输入的参考电压输入第三参考电压。
在一种更佳的实施例中，所述的积分窗口控制开关包括四个开关，其中，第一、三开关连接Z端，第二、四开关连接﹣Z端，且第一、二开关均连接至第一运算放大器的第一输入端，第三、四开关均连接至第二运算放大器的第一输入端。
在一种更佳的实施例中，所述的放大器电路包括差分放大器、六个开关和四个电容，其中，
差分放大器的第一差分输入端依次通过第一电容、第五开关连接到第一运算放大器的输出端；差分放大器的第二差分输入端依次通过第二电容、第六开关连接到第二运算放大器的输出端；
第七开关的第一端设置于第五开关和第一电容之间，第七开关的第二端连接到该差分放大器的第一输出端；第八开关的第一端设置于第六开关和第二电容之间，第八开关的第二端连接到该差分放大器的第二输出端；
第九开关和第三电容并联，且两者组成的并联回路的第一端设置于第一电容和差分放大器的第一差分输入端之间，两者组成的并联回路的第二端连接到该差分放大器的第一输出端；第十开关和第四电容并联，且两者组成的并联回路的第一端设置于第二电容和差分放大器的第二差分输入端之间，两者组成的并联回路的第二端连接到该差分放大器的第二输出端。
在一种更佳的实施例中，所述的检测用输入信号输出上升沿前时，复位开关均导通，将升沿积分器的输出电压复位，将降沿积分器的输出电压复位；所述的检测用输入信号输出上升沿时，所述的第一开关和第四开关导通，第二开关和第三开关关断，所述的复位开关均关断；所述的检测用输入信号输出下降沿时，所述的第一开关和第四开关关断，所述的第二开关和第三开关导通，所述的复位开关均关断；
且所述的第五开关至第十开关也跟随所述的检测用输入信号输出的上升沿和下降沿交替进行导通、关断。
在一种具体的实施例中，所述的波形为具有固定的电压上升沿斜率和电压下降沿斜率的锯齿波或梯形波。
基于上述高精度触摸检测电路实现高精度触摸检测可调的系统，其主要特点是，还包括比较器模块，将检测用输出信号与比较阈值进行比较，从而确定所述的触摸屏是否被触摸。
在一种较佳的实施例中，所述的比较阈值为一可调的比较阈值。
请参阅图1所示，在具体实施例中，电流控制电流传输器为CCCII型电流控制电流传输器，所述的高精度触摸检测电路包括：波形发生器101，发射电极和接收电极间的互电容(即触摸电容)C0 108及寄生电阻104和105、寄生电容106和107、CCCII型电流控制电流传输器109、积分窗口控制开关110、111、112、113、升沿积分器电路114、降沿积分器电路115和放大器电路116。
在本实施方式中，波形发生器101的输出端连接触摸屏的发射电极102，该波形发生器101输出的检测用信号为具有电压上升沿斜率为K、电压下降沿斜率为-K的稳定梯形波，其中电压斜率K＝dV/dt，且K可以根据发射电极和接收电极之间的互电容C0 108的容值进行调整，与该C0 108的容值适配，为互电容C0 108提供更灵敏灵活的检测电流。
波形发生器101还可以输出具有电压上升沿斜率K和电压下降沿斜率-K的稳定锯齿波。在相同电压斜率K下，锯齿波有更快的扫描频率及更低的输出电压摆幅，可提高触摸检测精度及检测效率，但随之而来的是更复杂的电路和更多面积消耗。
发射电极102、接收电极103间互电容C0 108为待检测的触摸电容，在实际情况中，所述的触摸电容包括寄生电阻104和105、寄生电容106和107，根据电容两端电压变化时流经电容电流的特性，可以得到互电容C0 108的电流I＝dV/dt×C。因CCCII型电流控制电流传输器109输入端连接触摸屏的接收电极端103，并使接收电极端103电压稳定，所述的寄生电阻104和105、寄生电容106和107对流过互电容C0 108的电流的影响很小或可忽略，当互电容C0 108较大时，则可以采用较小的K值，限制通过互电容C0 108的检测电流及输出电压幅度，防止误触发；当互电容C0 108较小时，可以采用较大的K值，增加通过互电容C0 108的检测电流及输出电压幅度，提高检测精度。
在本实施方式中，CCCII型电流控制电流传输器109作为流经互电容C0 108的电流I的接收模块，该CCCII型电流控制电流传输器109的X端连接接收电极103，Y端连接参考电压VF(即第一参考电压)，Z端和﹣Z端连接积分窗口控制开关110、112和111、113。CCCII型电流控制电流传输器109的一种实施方式如图2所示，其端口特性由下列矩阵方程给出：
其中，RX是X端的输入电阻。
所述的积分窗口控制开关111、113(即第三、第四开关)连接升沿积分器电路114，积分窗口控制开关110、112(即第一、第二开关)连接降沿积分器电路115，VCOML(即第二参考电压)为升沿积分器电路114的初始电压，VCOMH(即第三参考电压)为降沿积分器电路115的初始电压。所述的升沿积分器电路114和降沿积分器电路115包括运算放大器119、122，复位开关117、120和积分电容C1 121、C2 118。积分窗口控制开关110、111和112、113，以及复位开关117、120交替导通和关断，积分电容C1 121、C2 118容值相等，对CCCII型电流控制电流传输器109Z端和﹣Z端的输出电流实现采样和积分。所述的积分窗口控制开关用于采样波形发生器101输出波形上升沿和下降沿的线性区域，提高检测精度。
放大器电路116中的差分放大器的两个差分输入端分别连接升沿积分器电路114和降沿积分器电路115的输出端。该放大器电路116采用开关电容放大器结构，还包括六个开关123、124、125、126、127、128(分别对应第五开关至第十开关)以及四个电容C3 129、C4130、C5 131、C6 132(分别对应第一电容至第四电容)，其中C3 129、C4 130(即第一电容和第二电容)容值相等，C5 131、C6 132(即第三电容和第四电容)容值相等。
放大器电路116输入升沿积分器电路114和降沿积分器电路115输出电压的差值Vin，所述的差分放大器的第一输出端133、第二输出端134输出的电压差值VOUT＝Vin×C3/C5，产生电压增益等于C3/C5，该电压增益可进一步提高检测灵敏度。
通过差分放大器116的第一输出端133、第二输出端134的电压差值的变化量ΔV，可检测到输入输出电极间互电容C0 108容值的变化情况。通过设置一个预定阈值确定触摸灵敏度，与该阈值进行比较，即可判断发射电极102、接收电极103间是否有触摸。对其他发射电极与接收电极间的互电容进行逐次扫描、检测，即可实现多点触摸功能。
该高精度触摸检测电路的一种具体实施方式中的工作过程如下：
第一步：如图3所示，波形发生器101连接触摸屏发射电极102，输出具有电压上升沿斜率K和电压下降沿斜率-K的稳定梯形波，流经互电容C0 108的电流I＝dV/dt×C0＝K×C0；
第二步：CCCII型电流控制电流传输器109的X端输出稳定电压VF，Z端输出电流KC0，﹣Z端输出电流-KC0；
第三步：如图3所示，在波形发生器101输出上升沿前时，开关117、120导通，将升沿积分器114输出电压复位为VCOML，将降沿积分器115输出电压复位为VCOMH。波形发生器101输出上升沿时，积分窗口控制开关111、112(即第一开关、第四开关)导通，积分窗口控制开关110、113(即第二开关、第三开关)关断，开关117、120(即两个复位开关)关断，此时，所述的升沿积分器电路114输出电压为
所述的降沿积分器电路115输出电压
波形发生器101输出下降沿时，积分窗口控制开关111、112(即第一开关、第四开关)关断，积分窗口控制开关110、113(即第一开关、第三开关)导通，开关117、120(即两个复位开关)关断，此时，积分窗口时间t4-t3等于t2-t1，一个周期t1-t4结束后，升沿积分器电路114输出电压
降沿积分器电路115输出电压
第四步：放大器电路116中的差分放大器的两个差分输入端采样差分电压
开关123、124、125、126、127、128(即第五开关至第十开关)也由检测用输入信号的上升沿和下降沿控制，交替进行导通和关断，对应的互电容C0 108被触摸时所述的放大器电路116输出电压值为
第五步：发射电极102、接收电极103间互电容108有触摸时其电容值变化为C0’，根据放大器电路116输出的电压的差值
预定一阈值与获取的差值ΔV进行比较，用以判断发射电极102、接收电极103间触摸是否有效，对该高精度触摸检测电路的灵敏度进行规定。在具体实施例中，该阈值的确定应当考虑共模噪声与电压噪声对互电容C0 108造成的影响，在选取恰当时，可抑制共模噪声和电压噪声对发射电极和接收电极间互电容C0 108的影响，并保证所需要的灵敏度。
采用本发明的高精度触摸检测电路及高精度触摸检测系统，通过波形发生器连接触摸屏的发射电极，可以输出梯形波和锯齿波等，为互电容提供更灵敏灵活的检测电流；还通过CCCII型电流控制电流传输器进行电流传输，频带宽、精度高、易集成；还通过积分窗口使积分器电路的积分线性度更高，提高检测精度；还通过差分放大器输出变化量ΔV与阈值进行比较，从而判断发射电极、接收电极是否有触摸，以抑制共模噪声和电压噪声，提高触摸识别准确率，准确判断坐标；还能够对其他发射电极与接收电极间的互电容进行逐次扫描、检测，实现多点触摸功能。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (7)
1.一种高精度触摸检测电路，用于检测触摸屏的发射电极与接收电极之间的触摸电容的大小，其特征在于，包括波形发生器和检测电路，其中，所述的波形发生器与所述的触摸屏的发射电极相连接，所述的检测电路与所述的触摸屏的接收电极相连接，所述的波形发生器向该触摸屏发送检测用输入信号，所述的检测电路接收并处理所述的触摸屏输出的检测用输出信号，获取触摸电容检测电压；
所述的波形发生器发送的检测用输入信号其波形具有固定的电压上升沿斜率和电压下降沿斜率，所述的电压上升沿斜率和电压下降沿斜率互为相反数；
所述的检测电路包括积分器电路和放大器电路，且所述的积分器电路的输入端与所述的接收电极相连接，该积分器电路的输出端与所述的放大器电路相连接；
还包括电流控制电流传输器，设置于所述的接收电极与积分器电路之间，且所述的电流控制电流传输器包括X端、Y端、Z端和﹣Z端，其中，所述的X端连接所述的接收电极，Y端连接第一参考电压，Z端和﹣Z端都连接到所述的积分器电路。
2.根据权利要求1所述的高精度触摸检测电路，其特征在于，所述的积分器电路包括升沿积分器电路和降沿积分器电路，且所述的升沿积分器电路和降沿积分器电路均包括一组复位开关、运算放大器和积分电容，其中，所述的复位开关和积分电容并联，设置于所述的运算放大器的第一输入端与输出端之间，且运算放大器的第一输入端通过积分窗口控制开关连接到所述的Z端和﹣Z端，该运算放大器的第二输入端连接参考电压，其中，降沿积分器电路中的运算放大器的第二输入端输入第二参考电压，升沿积分器电路中的运算放大器的第二输入端输入的参考电压输入第三参考电压。
3.根据权利要求2所述的高精度触摸检测电路，其特征在于，所述的积分窗口控制开关包括四个开关，其中，第一、三开关连接Z端，第二、四开关连接﹣Z端，且第一、二开关均连接至第一运算放大器的第一输入端，第三、四开关均连接至第二运算放大器的第一输入端。
4.根据权利要求3所述的高精度触摸检测电路，其特征在于，所述的放大器电路包括差分放大器、六个开关和四个电容，其中，
差分放大器的第一差分输入端依次通过第一电容、第五开关连接到第一运算放大器的输出端；差分放大器的第二差分输入端依次通过第二电容、第六开关连接到第二运算放大器的输出端；
第七开关的第一端设置于第五开关和第一电容之间，第七开关的第二端连接到该差分放大器的第一输出端；第八开关的第一端设置于第六开关和第二电容之间，第八开关的第二端连接到该差分放大器的第二输出端；
第九开关和第三电容并联，且两者组成的并联回路的第一端设置于第一电容和第一差分输入端之间，两者组成的并联回路的第二端连接到该差分放大器的第一输出端；第十开关和第四电容并联，且两者组成的并联回路的第一端设置于第二电容和第二差分输入端之间，两者组成的并联回路的第二端连接到该差分放大器的第二输出端。
5.根据权利要求4所述的高精度触摸检测电路，其特征在于，当所述的检测用输入信号输出为上升沿前，复位开关均导通，将升沿积分器的输出电压复位，将降沿积分器的输出电压复位；当所述的检测用输入信号输出为上升沿，所述的第一开关和第四开关导通，第二开关和第三开关关断，所述的复位开关均关断；当所述的检测用输入信号输出为下降沿，所述的第一开关和第四开关关断，所述的第二开关和第三开关导通，所述的复位开关均关断；
且所述的第五开关至第十开关也跟随所述的检测用输入信号输出的上升沿和下降沿交替进行导通、关断。
6.一种基于权利要求1至5中任一项所述的高精度触摸检测电路的高精度触摸检测系统，其特征在于，还包括比较器模块，将检测用输出信号与比较阈值进行比较，从而确定所述的触摸屏是否被触摸。
7.根据权利要求6所述的基于所述的高精度触摸检测电路的高精度触摸检测系统，其特征在于，所述的比较阈值为一可调的比较阈值。
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- 2018-01-29 CN CN201810084095.8A patent/CN110095664B/zh active Active
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| CN110095664A (zh) | 2019-08-06 |
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