CN115981507B - 一种触摸感测系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种触摸感测系统，包括被检测电容Cm，传感器的发射电极和接收电极设置在被检测电容Cm两端，被检测电容Cm对应接收电极的一端通过GM模块连接至调制模块，激励信号从发射电极输入，GM模块将转移到接收电极的电荷转化为电流输出至调制模块，调制模块根据电流进行积分和调制，得到表征被检测电容Cm的输出参数。本发明提供一种触摸感测系统，以降低芯片面积及功耗，提高触摸感测的可靠性。

Description

一种触摸感测系统

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种触摸感测系统。

背景技术

触摸传感器因其简单、直接、人性化设计成为一种重要的人机交互方式。而电容式触摸感测在手机、平板、可穿戴等电子产品中已成为主流技术，相较于电阻式触控、红外式触控、超声波式触控，电容式触控在耐用、多指、轻便等方面优势明显。传感器接收电极与地（自电容）或与传输电极（互电容）之间存在电容，人手指靠近传感器导致这个电容容值发生变化，感测芯片检测到电容变化，并将检测信号传送到上位机实现对触摸、手势等动作的判断。触控感测模拟前端对触控体验非常重要，决定了触摸感测的灵敏度、精准度及抗干扰等性能。

目前常见的感测方案是将电容变化转换为电压变化，通过基于运算放大器的积分器积分，再通过模数转换器得到电容的变化值。积分电容较大会限制积分器带宽，积分电容较小容易导致积分器饱和，使用大的积分电容并获得大的带宽需要消耗较大芯片面积及功耗。而且每一个感测通道使用一个ADC会增加芯片面积及功耗，多通道复用一个ADC，增加了控制的复杂性，对ADC转换速率也有更高的要求，因此芯片功耗较大或需要更先进的工艺。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种触摸感测系统，以降低芯片面积及功耗，提高触摸感测的可靠性。

为达到上述目的，本发明提供一种触摸感测系统，包括被检测电容Cm，传感器的发射电极和接收电极设置在所述被检测电容Cm两端，所述被检测电容Cm对应所述接收电极的一端通过GM模块连接至调制模块，激励信号从所述发射电极输入，所述GM模块将转移到所述接收电极的电荷转化为电流输出至所述调制模块，所述调制模块根据所述电流进行积分和调制，得到表征所述被检测电容Cm的输出参数。

进一步的，所述调制模块包括：积分电容C1，电流源IMS_SNK，电流源IMS_SRC以及比较器CMP，所述GM模块的输出连接至所述积分电容C1的一端，所述积分电容C1的另一端接地，所述电流源IMS_SNK通过开关SW1连接至所述积分电容C1的一端，所述电流源IMS_SRC通过开关SW3连接至所述积分电容C1的一端；所述积分电容C1的一端还连接至所述比较器CMP的正输入端，所述比较器CMP的负输入端连接基准电压Vref，所述比较器CMP的输出信号用于控制所述开关SW1和所述开关SW3的闭合或断开。

进一步的，所述比较器CMP的正输入端和负输入端之间连接有复位开关SW2。

进一步的，所述比较器CMP的输出端与所述开关SW3之间连接有非门INV。

进一步的，所述发射电极的激励信号幅度为VTX，所述接收电极的电荷

，所述GM模块将转移到所述接收电极的电荷转化为电流Iout输出，并在所述积分电容C1上积分存储，所述积分电容C1上的电荷/>

，M为所述GM模块的幅度调制系数，所述比较器CMP正输入端的电压为Vcap，若Vcap大于Vref，所述比较器CMP输出为逻辑高，所述开关SW1开启，所述开关SW3断开，所述电流源IMS_SNK对转移到所述积分电容C1上的电荷进行释放，直至Vcap小于Vref；当Vcap小于Vref之后，所述比较器CMP输出为逻辑低，所述开关SW1断开，所述开关SW3开启，所述电流源IMS_SRC对所述积分电容C1进行充电。

进一步的，所述电流源IMS_SNK与所述电流源IMS_SRC电流值相等，等于电流值IMS；所述电流源IMS_SNK对转移到所述积分电容C1上的电荷进行释放时，

，其中t1是测量周期时间tm内所述比较器量CMP化输出为逻辑高的时间-量化输出为逻辑低的时间。

进一步的，所述调制模块还包括：电流源ICOM，所述电流源通过开关SW0连接至所述积分电容C1的一端；在所述发射电极的激励信号每个周期的开始，开启t0时间的电流源ICOM进行补偿；当Vcap比Vref大过一阈值时，所述电流源IMS_SNK对转移到所述积分电容C1上的电荷进行释放，因此，

。

进一步的，还包括数字处理模块，用于对所述比较器CMP的输出进行处理，所述数字处理模块包括频率更高的计数时钟及计数器，在每个时钟周期内，所述比较器CMP输出为高，则所述计数器加1，所述比较器CMP输出为低，则所述计数器减1，最后得到与所述被检测电容Cm大小对应的数字码，从而实现对所述被检测电容Cm的检测。

进一步的，所述发射电极的激励信号的每个周期包括上升沿和下降沿，所述GM模块在所述上升沿和所述下降沿上均有电流输出。

进一步的，所述电流Iout经所述GM模块后是单向的，即所述激励信号上升时所述GM模块正向输出电流，所述激励信号下降时所述GM模块依然是正向输出电流。

通过上述技术方案，本发明的触摸感测系统，包括被检测电容Cm，传感器的发射电极和接收电极设置在被检测电容Cm两端，被检测电容Cm对应接收电极的一端通过GM模块连接至调制模块，激励信号从发射电极输入，GM模块将转移到接收电极的电荷转化为电流输出至调制模块，调制模块根据电流进行积分和调制，得到表征被检测电容Cm的输出参数。基于GM-C SDM的结构设计，本发明能够以较小的芯片面积及功耗，实现了触摸感测的高灵敏度、高精准度及高抗噪性。

本发明通过GM模块能够实现电容-电压-电流转换，并具备幅度、相位调制，使电流Iout经GM模块幅度、相位调制后是单向的，即激励信号上升时GM模块正向输出电流，激励信号下降时GM模块依然是正向输出电流，这简化了后续调制模块电路设计。此外，Gm模块通过调制转换电流Iout的幅度，实现放大信号提高信噪比或衰减信号防止输出饱和。

此外，还通过调制模块对积分电容C1上的电荷进行调制，对比较器CMP的输出进行处理，得到与被检测电容Cm大小对应的数字码，从而实现对被检测电容Cm的检测，因此检测过程简单。

并且，调制模块中的电流源ICOM能够实现电荷补偿，防止GM模块输出饱和，进一步保证该系统的功能效果。

附图说明

图1为本发明一实施例中一种触摸感测系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例中一种触摸感测系统的电流转换图；

图3为本发明一实施例中一种触摸感测系统的时序图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的一种触摸感测系统进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本实施例中提出了一种触摸感测系统，包括被检测电容Cm，传感器的发射电极和接收电极设置在所述被检测电容Cm两端，所述被检测电容Cm对应所述接收电极的一端通过GM模块连接至调制模块，激励信号从所述发射电极输入，GM模块将转移到接收电极的电荷转化为电流输出至所述调制模块，所述调制模块根据所述电流进行积分和调制，得到表征所述被检测电容Cm的输出参数。

需要将所述被检测电容Cm两端的电压转为电流输出时，可将所述传感器的发射电极和接收电极设置在所述被检测电容Cm两端，并将所述被检测电容Cm对应所述接收电极的一端通过所述GM模块连接至所述调制模块（△Σ调制器），所述GM模块能够将所述被检测电容Cm两端电压的变化转换为电流的变化。

在图1中Ctx、Crx分别示意发射电极TX和接收电极RX对地的寄生电容，发射电极可施加激励信号或接地，分别形成互电容感测和自电容感测。

另外，在发射电极处还可以通过开关接地或者接入脉冲信号VTX。

所述发射电极的激励信号的每个周期包括上升沿和下降沿，所述GM模块在所述上升沿和所述下降沿上有电流输出，即一个周期可以进行两次电荷转移，增加了测量值，得到更大的信噪比。

其中，所述调制模块包括：积分电容C1，电流源IMS_SNK，电流源IMS_SRC以及比较器CMP。

为了实现电荷积分，在本实施例中，具体的，将所述GM模块的输出连接至所述积分电容C1的一端，所述积分电容C1的另一端接地。并且将所述电流源IMS_SNK通过开关SW1连接至所述积分电容C1的一端，所述积分电容C1的一端还连接至所述比较器CMP的正输入端，再将所述比较器CMP的负输入端连接基准电压Vref，所述比较器CMP的输出信号用于控制所述开关SW1和所述开关SW3的闭合或断开。

此外，还在所述比较器CMP的正输入端和负输入端之间连接有复位开关SW2，从而比较器CMP正输入端在开始检测前，能够通过reset控制的SW2复位至基准电压Vref，接收电极被复位至共模电压Vcm。

作为优选实施例，当激励信号从所述发射电极输入，GM模块将转移到接收电极的电荷转化为电流输出至所述调制模块，所述调制模块根据所述电流进行积分和调制，得到表征所述被检测电容Cm的输出参数。

如图2-图3所示，更为具体的，所述GM模块将转移到所述接收电极的电荷转化为电流Iout输出，并在所述积分电容C1上积分存储。更值得注意是，电流Iout经GM模块后是单向的，即激励信号上升时所述GM模块正向输出电流，激励信号下降时所述GM模块依然是正向输出电流，简化了后续调制模块设计。

此外，还在所述比较器CMP的输出端与所述开关SW3之间连接有非门INV。

由于发射电极的激励信号幅度为VTX，所述接收电极的电荷

，则得到积分电容C1上的电荷/>

，M为所述GM模块的幅度调制系数，所述比较器CMP正输入端的电压为Vcap，若Vcap大于Vref，所述比较器CMP输出为逻辑高，所述开关SW1开启，所述开关SW3断开，所述电流源IMS_SNK对转移到所述积分电容C1上的电荷进行释放，直至Vcap小于Vref；当Vcap小于Vref之后，所述比较器CMP输出为逻辑低，所述开关SW1断开，所述开关SW3开启，所述电流源IMS_SRC对所述积分电容C1进行充电；通过电流源IMS_SNK对转移到所述积分电容C1上的电荷进行释放，以及电流源IMS_SRC对积分电容C1进行充电的这一过程，来实现对Vcap上残余电荷进行持续量化，从而提升检测精度及提高抗干扰性。

在本实施例中，所述电流源IMS_SNK与所述电流源IMS_SRC电流值相等，等于电流值IMS；当所述电流源IMS_SNK对转移到所述积分电容C1上的电荷进行释放时，根据电荷守恒，

，其中t1是测量周期时间tm内比较器CMP量化输出为逻辑高的时间-量化输出为逻辑低的时间，由于在触摸感测场景中，M，VTX，Ims是预先设置好的，从上述公式可以看到，t1与Cm正相关。

进一步的，在本发明实施例中，所述调制模块还包括：电流源ICOM，所述电流源通过开关SW0连接至所述积分电容C1的一端。在所述发射电极的激励信号每个周期的开始，开启t0时间的电流源ICOM进行补偿；如果Vcap比Vref大过一阈值时，所述电流源IMS_SNK对转移到所述积分电容C1上的电荷进行释放，其中开关SW0的控制信号en_icom可如图3所示。根据电荷守恒，

。

在另一实施例中，还包括数字处理模块，用于对所述比较器CMP的输出进行处理，所述数字处理模块包括频率更高的计数时钟及计数器，在每个时钟周期内，所述比较器CMP输出为高，则所述计数器加1，所述比较器CMP输出为低，则所述计数器减1，最后得到与所述被检测电容Cm大小对应的数字码，从而实现对所述被检测电容Cm的检测。

在本实施方式中，激励信号为方波，幅度为VTX，开始检测前，比较器CMP正输入端通过reset控制的复位开关SW2复位至基准电压Vref，接收电极被复位至共模电压Vcm；此时，发射电极的激励信号从0跳变至VTX，根据电荷守恒原理，转移到接收电极的电荷为

；GM模块将转移到接收电极的电荷转化为电流Iout输出，并在积分电容C1上积分存储，则有/>

，电流Iout经GM模块幅度、相位调制后是单向的，即激励信号上升时所述GM模块正向输出电流，激励信号下降时所述GM模块依然是正向输出电流，简化了后续调制模块电路设计。此外，Gm模块通过调制转换电流Iout的幅度，实现放大信号提高信噪比或衰减信号防止输出饱和。

而转移在积分电容C1上的电荷，会使Vcap大于Vref，比较器CMP输出为逻辑高，开关SW1开启，所述开关SW3断开，则会对转移到积分电容C1上的电荷进行释放；如果Vcap比Vref大过一定阈值时，会开启t0时间的电流源ICOM进行补偿，减小电流源IMS调制时间，根据电荷守恒，有

， 其中t1是测量周期时间tm内比较器CMP量化输出为逻辑高的时间-量化输出为逻辑低的时间，可见对t1与被检测电容Cm构成正比关系，经对比较器CMP的输出cmpo通过数字处理模块进行数字处理可得到与t1对应的数字码，从而实现对被检测电容Cm的检测；而当Vcap小于Vref之后，所述比较器CMP输出为逻辑低，所述开关SW1断开，所述开关SW3开启，所述电流源IMS_SRC对所述积分电容C1进行充电。

在发射电极下一个变化沿前，会继续对积分电容C1上的残余电荷进行持续量化，从而减小量化误差，提高了信噪比。

综上所述，本发明提出的一种触摸感测系统具有如下优势：

本发明能够以较小的芯片面积及功耗，实现了触摸感测的高灵敏度、高精准度及高抗噪性。

本发明通过被检测电容Cm及GM模块实现电容-电压-电流转换，并具备幅度、相位调制，使电流Iout经GM模块幅度、相位调制后是单向的，即激励信号上升时所述GM模块正向输出电流，激励信号下降时所述GM模块依然是正向输出电流，简化了后续调制模块电路设计。此外，Gm模块通过调制转换电流Iout的幅度，实现放大信号提高信噪比或衰减信号防止输出饱和。

此外，还通过调制模块对积分电容C1上的电荷进行调制，对比较器CMP的输出进行处理，得到与被检测电容Cm大小对应的数字码，从而实现对被检测电容Cm的检测，因此检测过程简单。

并且，调制模块中的电流源ICOM能够实现电荷补偿，防止GM模块输出饱和，进一步保证该系统的功能效果。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种触摸感测系统，其特征在于，包括被检测电容Cm，传感器的发射电极和接收电极设置在所述被检测电容Cm两端，所述被检测电容Cm对应所述接收电极的一端通过GM模块连接至调制模块，激励信号从所述发射电极输入，所述GM模块将转移到所述接收电极的电荷转化为电流输出至所述调制模块，所述调制模块根据所述电流进行积分和调制，得到表征所述被检测电容Cm的输出参数；

所述调制模块包括：积分电容C1，电流源IMS_SNK，电流源IMS_SRC、比较器CMP以及电流源ICOM，所述GM模块的输出连接至所述积分电容C1的一端，所述积分电容C1的另一端接地，所述电流源IMS_SNK通过开关SW1连接至所述积分电容C1的一端，所述电流源IMS_SRC通过开关SW3连接至所述积分电容C1的一端；所述积分电容C1的一端还连接至所述比较器CMP的正输入端，所述比较器CMP的负输入端连接基准电压Vref，所述比较器CMP的输出信号用于控制所述开关SW1和所述开关SW3的闭合或断开；

所述电流源IMS_SNK与所述电流源IMS_SRC电流值相等，等于电流值IMS；

所述电流源ICOM通过开关SW0连接至所述积分电容C1的一端；在所述发射电极的激励信号每个周期的开始，开启t0时间的电流源ICOM进行补偿；所述发射电极的激励信号幅度为VTX，所述比较器CMP正输入端的电压为Vcap，当Vcap比Vref大过一阈值时，所述电流源IMS_SNK对转移到所述积分电容C1上的电荷进行释放，因此，

，其中，t1是测量周期时间tm内所述比较器CMP量化输出为逻辑高的时间-量化输出为逻辑低的时间，M为所述GM模块的幅度调制系数。

2.如权利要求1所述的触摸感测系统，其特征在于，所述比较器CMP的正输入端和负输入端之间连接有复位开关SW2。

3.如权利要求1所述的触摸感测系统，其特征在于，所述比较器CMP的输出端与所述开关SW3之间连接有非门INV。

4.如权利要求3所述的触摸感测系统，其特征在于，所述接收电极的电荷

，所述GM模块将转移到所述接收电极的电荷转化为电流Iout输出，并在所述积分电容C1上积分存储，所述积分电容C1上的电荷/>

，若Vcap大于Vref，所述比较器CMP输出为逻辑高，所述开关SW1开启，所述开关SW3断开，所述电流源IMS_SNK对转移到所述积分电容C1上的电荷进行释放，直至Vcap小于Vref；当Vcap小于Vref之后，所述比较器CMP输出为逻辑低，所述开关SW1断开，所述开关SW3开启，所述电流源IMS_SRC对所述积分电容C1进行充电。

5.如权利要求4所述的触摸感测系统，其特征在于，所述电流源IMS_SNK对转移到所述积分电容C1上的电荷进行释放时，

。

6.如权利要求1或5所述的触摸感测系统，其特征在于，还包括数字处理模块，用于对所述比较器CMP的输出进行处理，所述数字处理模块包括频率更高的计数时钟及计数器，在每个时钟周期内，所述比较器CMP输出为高，则所述计数器加1，所述比较器CMP输出为低，则所述计数器减1，最后得到与所述被检测电容Cm大小对应的数字码，从而实现对所述被检测电容Cm的检测。

7.如权利要求4所述的触摸感测系统，其特征在于，所述发射电极的激励信号的每个周期包括上升沿和下降沿，所述GM模块在所述上升沿和所述下降沿上均有电流输出。

8.如权利要求4所述的触摸感测系统，其特征在于，所述电流Iout经所述GM模块后是单向的，即所述激励信号上升时所述GM模块正向输出电流，所述激励信号下降时所述GM模块依然是正向输出电流。

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