TW201635126A - 高靈敏度的電容觸控裝置及其運作方法 - Google Patents

高靈敏度的電容觸控裝置及其運作方法 Download PDF

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一種電容觸控裝置，包含一觸控面板及一控制晶片。該觸控面板包含一偵測電極用以形成一自感電容。該控制晶片包含一模擬電路及一減法電路。該模擬電路用以輸出一參考信號。該減法電路耦接該模擬電路與該偵測電極，將該模擬電路輸出之該參考信號與該偵測電極輸出之一偵測信號進行差分運算以輸出一差分偵測信號，並根據一放大後差分偵測信號辨識一接觸事件，藉以提高觸碰靈敏度。

Description

高靈敏度的電容觸控裝置及其運作方法
本發明係有關一種觸控裝置，更特別有關一種高靈敏度的電容觸控裝置及其運作方法。
觸控面板由於能讓使用者以直覺操作，故已廣泛的應用於各式電子裝置中。觸控面板一般可分為電容式、電阻式及光學式觸控面板。
電容式觸控裝置又可進一步區分為自容式觸控裝置(self-capacitive touch sensor)以及互容式觸控裝置(mutual capacitive touch sensor)，這兩種觸控裝置具有不同的電容變化特性，因而可適用於不同功能。例如，互容式觸控裝置可用以進行多點偵測(multi-touch detection)而自容式觸控裝置對懸浮操作具有較高的靈敏度且對水滴具有較低的靈敏度。然而，這兩種電容式觸控裝置中，如何提高接觸靈敏度均為一重要課題。
有鑑於此，本發明提出一種高靈敏度的電容觸控裝置及其運作方法。
本發明提供一種電容觸控裝置及其運作方法，其於一控制晶片中設置一模擬電路用以產生一參考信號以作為偵測信號的消去值(cancellation)，藉以降低該控制晶片中偵測電容器的尺寸。
本發明提供一種電容觸控裝置及其運作方法，其於一控制晶片中設置一模擬電路用以產生一參考信號以作為偵測信號的消去值，藉以增加接觸靈敏度。
本發明提供一種電容觸控裝置，包含一觸控面板及一控制晶片。該觸控面板包含一偵測電極用以形成一自感電容。該控制晶片包含 一偵測電容、一輸入電阻、一放大電路以及一模擬電路；其中，該偵測電容、該自感電容、該輸入電阻及該放大電路形成一第一濾波電路而該模擬電路形成一第二濾波電路，且該第二濾波電路之頻率響應係根據該第一濾波電路之頻率響應決定。
本發明另提供一種電容觸控裝置，包含一觸控面板及一控制晶片。該觸控面板包含複數偵測電極用以分別形成一自感電容。該控制晶片包含一模擬電路、複數可程式濾波器及一減法電路。該模擬電路用以輸出一參考信號。該等可程式濾波器分別耦接該等偵測電極。該減法電路耦接該模擬電路，用以於一自容偵測模式下依序電性耦接該等可程式濾波器，將該模擬電路輸出之該參考信號與所耦接的該可程式濾波器輸出之一偵測信號進行差分運算以輸出一差分偵測信號。
本發明另提供一種電容觸控裝置之運作方法。該電容觸控裝置包含一觸控面板及一控制晶片。該觸控面板包含複數驅動電極及複數接收電極延伸於不同方向。該控制晶片包含複數驅動電路、複數偵測電容、一減法電路及一抗雜訊濾波器。該運作方法包含：一自容偵測模式下，將該等驅動電路透過該等偵測電容分別電性耦接至該等驅動電極之第一端，並將該減法電路依序電性耦接至該等驅動電極之第二端；一互容偵測模式下，將該等驅動電路不透過該等偵測電容分別電性耦接至該等驅動電極之該第一端，並將該抗雜訊濾波器不透過該減法電路依序電性耦接至該等接收電極之第二端。
本發明說明之電容觸控裝置可適用於僅使用自容偵測之觸控裝置以及同時使用自容偵測與互容偵測的雙模偵測(dual-mode detection)之觸控裝置。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，詳細說明如下。此外，於本發明之說明中，相同之構件係以相同之符號表示，於此先述明。
1‧‧‧電容觸控裝置
100‧‧‧控制晶片
11‧‧‧驅動電路
13‧‧‧觸控面板
131‧‧‧偵測電極
15‧‧‧類比前端
150‧‧‧模擬電路
151‧‧‧可程式濾波器
152‧‧‧減法電路
153‧‧‧增益電路
154‧‧‧抗雜訊濾波器
15A、15B‧‧‧放大電路
16‧‧‧數位後端
Cin‧‧‧偵測電容
Cref_in‧‧‧模擬偵測電容
Rin‧‧‧輸入電阻
Rref_in‧‧‧模擬輸入電阻
Cs‧‧‧自感電容
Cref_s‧‧‧模擬自感電容
Cm‧‧‧互感電容
Sol‧‧‧偵測信號
Sref‧‧‧參考信號
Sdiff‧‧‧差分偵測信號
Sd‧‧‧驅動信號
Snon‧‧‧未接觸差分偵測信號
Stouch‧‧‧接觸差分偵測信號
SW1、SW2‧‧‧切換開關
OP、OP'‧‧‧運算放大器
第1圖為本發明說明一實施例之電容觸控裝置之方塊示 意圖。
第2圖為本發明說明一實施例之電容觸控裝置之方塊示意圖。
第3圖為本發明說明一實施例之電容觸控裝置之另一方塊示意圖。
第4A圖為第2~3圖實施例之電容觸控裝置中偵測信號與參考信號之波形。
第4B圖為第4A圖之偵測信號與參考信號之一差分偵測信號之波形。
第5圖為本發明說明一實施例之電容觸控裝置之運作方法之流程圖。
第6圖為本發明說明一實施例之電容觸控裝置之濾波電路之頻率響應。
請參照第1圖所示，其為本發明一實施例之電容觸控裝置之方塊示意圖。電容觸控裝置1包含一控制晶片100以及一觸控面板13；其中，該電容觸控裝置1較佳係可利用自容偵測模式(self-capacitive mode)進行偵測。某些實施例中，該電容觸控裝置1可分時地利用一自容偵測模式及一互容偵測模式(mutual capacitive mode)偵測接近物件並判斷觸控位置。例如，某些實施例中，由於該自容偵測模式之掃描期間較短，該電容觸控裝置1可先利用該自容偵測模式辨識是否有物件靠近，當判定一接近物件時，接著再利用該互容偵測模式辨識一觸控位置；其他實施例中，該電容觸控裝置1可先利用該自容偵測模式判定一接近物件之一大略位置(rough position)並決定一欲偵測範圍(window of interest,WOI)，接著再利用該互容偵測模式辨識該欲偵測範圍中的一精確位置(fine position)，藉以降低該互容偵測模式中所需處理的資料量。必須說明的是，上述自容偵測模式及互容偵測模式的實施方式僅用以說明，但並非用以限定本發明說明。
該觸控面板13包含複數偵測電極131用以分別形成一自感電容Cs；其中，該等偵測電極131包含複數驅動電極及複數接收電極延伸於不同方向，例如彼此相互垂直，該等驅動電極與該等接收電極間可形成互感電容Cm(參照第2及3圖)。一電容觸控面板中形成自感電容與互感電容的原理已為習知，且其並非本發明說明之主題，故於此不再贅述。
該控制晶片100包含複數驅動電路11、複數偵測電容Cin以及一模擬電路150；其中，該模擬電路150係用以模擬自容偵測模式下之偵測線路的電路特性(舉例詳述於後)。該自容偵測模式下，該等驅動電路11與該等偵測電容Cin透過引腳(pin)電性耦接至該等偵測電極131之信號輸入端。該等驅動電路11用以輸出一驅動信號Sd，例如正弦波、餘弦波、方波等至該等偵測電極131。互容偵測模式下，僅相對應驅動電極之驅動電路11輸出驅動信號Sd，而相對應接收電極之驅動電路11被開路。
請參照第2圖所示，其為本發明說明一實施例之電容觸控裝置之方塊示意圖。如前所述，該電容觸控裝置1包含一觸控面板13以及一控制晶片100。該控制晶片100包含複數驅動電路11、複數偵測電容Cin、一類比前端15以及一數位後端16；其中，該數位後端16並非本發明說明之主題，故於此不再贅述。本發明說明中，該驅動電路11可透過該偵測電容Cin電性耦接至偵測電極131之信號輸入端(例如自容偵測模式下)，或可繞過(bypass)該偵測電容Cin電性耦接至該偵測電極131之信號輸入端(例如互容偵測模式下)；其中，可透過設置複數切換開關SW1於該驅動電路11與該觸控面板13間來實現。
該類比前端15包含一模擬電路150、複數可程式濾波器151、一減法電路52、一增益電路153以及一抗雜訊濾波器(AAF)154。該等可程式濾波器151與該等偵測電容Cin及該等偵測電極131之自感電容Cs形成一第一濾波電路；其中，該第一濾波電路例如為一帶通濾波器(BPF)或一高通濾波器(HPF)，該第一濾波電路可進而與該抗雜訊濾波器154所形成之一低通濾波器形成具有一預設頻寬之一帶通濾波器。一實施例中，每一偵測電極131之信號輸出端均連接(例如透過開關元件)一可程式濾波器151。必須說明的是，雖然第2及3圖僅顯示橫向配置的偵測電極131連接可程式濾波器151，其他實施例中，可程式濾波器151亦連接於縱向配置的 偵測電極131，並不限於第2-3圖中所顯示者。
該模擬電路150形成一第二濾波電路，並用以輸出一參考信號Sref；其中，該第二濾波電路例如為一帶通濾波電路或一高通濾波電路，該第二濾波電路可進而與該抗雜訊濾波器154所形成之一低通濾波器形成具有一預設頻寬之一帶通濾波器。該減法電路152耦接該模擬電路150，用以於自容偵測模式下透過切換開關SW2依序電性耦接該等可程式濾波器151，以進而電性耦接至該等偵測電極131。該減法電路152用以將該模擬電路150輸出之該參考信號Sref與所耦接的該可程式濾波器151輸出之一偵測信號Sol進行差分運算以輸出一差分偵測信號Sdiff。更詳而言之，本發明說明中，該等偵測電容Cin透過複數切換開關(例如SW1)分別被電性耦接至該等偵測電極131的信號輸入端，而該減法電路152透過複數切換開關(例如SW2)分別被電性耦接至該等可程式濾波器151及偵測電極131。
本發明說明中，該偵測電容Cin設置於該控制晶片100內，用以與自感電容Cs形成分壓。藉此，該電容觸控裝置1可根據該差分偵測信號Sdiff之峰對峰值(peak-to-peak values)變化判定接觸事件；其中，該差分偵測信號Sdiff係為時間連續信號；其中，於判斷接觸事件前，該差分偵測信號Sdiff可進一步被濾波、數位化等。例如，第2圖顯示接觸差分偵測信號Stouch以及未接觸差分偵測信號Snon。然而，由於該自感電容Cs通常相當大，因此若要達成有效分壓，也需要很大的偵測電容Cin，因而於晶片中需要相對的設置空間，故無法降低該控制晶片100的整體尺寸。
因此，本發明說明中，透過設置該模擬電路150以模擬偵測線路(例如，從該驅動電路11經過該偵測電容Cin、該偵測電極131及該可程式濾波器151)的電路特性以輸出該參考信號Sref以作為該偵測信號Sol的消去值，如第4A圖所示。透過從該偵測信號Sol扣除該消去值，即可降低該偵測電容Cin的值。例如，該等偵測電容Cin之電容值較佳小於該自感電容Cs之一電容值的10%。因此，可有效降低該控制晶片100的整體尺寸。
為了使該接觸差分偵測信號Stouch與該未接觸差分偵測信號Snon間的差異更為明顯，某些實施例中，一增益電路153可用以放大該差分偵測信號Sdiff；其中，該增益電路153的增益值(gain)可根據該數位後端16中之一類比數位轉換單元(ADC)的解析範圍而決定，並無特定限制。如第2 圖所示，該增益電路153的輸出信號中(即放大後差分偵測信號)，該接觸差分偵測信號Stouch與該未接觸差分偵測信號Snon間之差異增加了，因此可更輕易地辨識是否發生接觸事件。接著，該抗雜訊濾波器154用以對該放大後差分偵測信號進行濾波，如前所述，該抗雜訊濾波器154例如為一低通濾波器。
請參照第3圖所示，其為本發明說明一實施例之電容觸控裝置之另一方塊示意圖；其中，第3圖另顯示出該模擬電路150及該可程式濾波器151之實施方式。
某些實施例中，該可程式濾波器151包含一輸入電阻Rin及一放大電路15A；其中，該偵測電容Cin、該自感電容Cs、該輸入電阻Rin及該放大電路15A形成一第一濾波電路而該模擬電路150形成一第二濾波電路。如前所述，該減法電路152用以將該第一濾波電路輸出之一偵測信號Sol與該第二濾波電路輸出之一參考信號Sref進行差分運算以輸出一差分偵測信號Sdiff，參照第4A~4B圖；其中，第4B圖為第4A圖之偵測信號Sol與參考信號Sref之一差分偵測信號Sdiff之波形。
一實施例中，該放大電路15A包含一運算放大器OP、一反請電阻Rf及一補償電容Cf。該反饋電阻Rf及該補償電容Cf跨接於該運算放大器OP之一負輸入端及一輸出端間，該輸入電阻Rin耦接於該偵測電極131之一第二端(即信號輸出端)與該運算放大器OP之負輸入端間，該偵測電極131之一第一端(即信號輸入端)耦接該偵測電容Cin。本實施例中，該第一濾波電路之頻率響應可以方程式(1)以及第6圖的波德圖(Bode diagram)表示，該第一濾波電路具有兩極點(pole)及一零點(zero)位於0
(Vout/Vin)=-(Rf/Rin)×(s．Cin．Rin)/(1+s．Rf．Cf)．(1+s．Rin．Cs+s．Rin．Cin) (1)
如前所述，由於該模擬電路150之輸出係作為該第一濾波電路之消去值，該模擬電路150之頻率響應較佳相似於該第一濾波電路，亦即，該模擬電路150之頻率響應係根據該第一濾波電路之頻率響應決定。某些實施例中，所述兩頻率響應相似例如包含，但不限於，該模擬電路150之兩極點接近於該第一濾波電路之兩極點。例如，該模擬電路150之兩極點可根據該第一濾波電路之兩極點決定，而由於此時零點沒有影響，故僅需考慮極點頻率。例如，該模擬電路150之兩極點之極點頻率(pole frequency) 與該第二濾波電路之相對應極點之一頻率差設計為低於該極點頻率之35%，較佳低於20%。雖然理論上該模擬電路150之兩極點與該第一濾波電路之兩極點愈接近愈好，然而由於實際上每一條偵測電極131之自感電容Cs不容易精確地事前得知，因此以預估的方式設計該模擬電路150。
一實施例中，該模擬電路150包含一模擬偵測電容Cref_in、一模擬自感電容Cref_s、一模擬輸入電阻Rref_in以及一模擬放大電路15B，且該模擬偵測電容Cref_in、該模擬自感電容Cref_s、該模擬輸入電阻Rref_in與該模擬放大電路15B之連接方式相同於該偵測電容Cin、該自感電容Cs、該輸入電阻Rin與該放大電路15A之連接方式，以得到類似的頻率響應。亦即，該模擬自感電容Cref_s係用以模擬偵測電極131之自感電容Cs，該模擬偵測電容Cref_in係相對應模擬偵測電容Cin，該模擬輸入電阻Rref_in係相對應輸入電阻Rin，該模擬放大電路15B相對應放大電路15A。必須說明的是，該模擬電路150之電路參數(即RC值)可不完全相同於第一濾波電路之電路參數，只要該模擬電路150與該第一濾波電路具有相似的頻率響應且能夠縮減該偵測電容Cs即可，並無特定限制。
該模擬放大電路15B同樣包含一運算放大器OP'、一模擬反饋電阻Rref_f以及一模擬補償電容Cref_f；其中，該模擬放大電路15B中元件的連接方式相同於該放大電路15A。因此，該模擬電路150形成之第二濾波電路同樣具有類似方程式(1)及第6圖的頻率響應，不同之處在於該模擬電路150中的所有元件參數均為事先設計。因此，透過改變該模擬電路150中的元件參數，即電阻值與電容值，即可調整兩個極值的位置。
請參照第5圖所示，其為本發明說明實施例之電容觸控裝置之運作方法之流程圖，其包含一自容操作模式(步驟S51)及一互容操作模式(步驟S52)。本實施例中，該自容操作模式與該互容操作模式係分時地運作，例如先以該自容操作模式判定一接近物件及/或一欲偵測範圍(WOI)，接著再以該互容操作模式判斷觸控位置及/或手勢。
該自容偵測模式下，將該等驅動電路11透過該等偵測電容Cin分別電性耦接至該等驅動電極之第一端，並將該減法電路152依序電性耦接至該等驅動電極之第二端。同時，由於該減法電路152接收該模擬電路150輸出之一參考信號Sref且該減法電路152透過一可程式濾波器151電 性耦接至該等驅動電極之該第二端，因此該減法電路152可將該可程式濾波器151輸出之一偵測信號Sol與該模擬電路150輸出之該參考信號Sref進行差分運算以輸出一差分偵測信號Sdiff，如第4A及4B圖所示。接著，一增益電路153可用以放大該差分偵測信號Sdiff以使得接觸差分偵測信號Stouch與未接觸差分偵測信號Snon間的差異更為明顯，如第2圖所示。此外，一實施例中，僅偵測複數驅動電極或複數接收電極輸出之偵測信號，以判斷是否有接觸事件發生，如此能以較短的掃描期間運作。
另一實施例中，可偵測複數驅動電極以及複數接收電極輸出之偵測信號，以於自容操作模式下大致辨識一欲偵測範圍(WOI)。因此，該自容偵測模式下，另將該等驅動電路11透過該等偵測電容Cin分別電性耦接至該等接收電極之第一端(即信號輸入端)，並將該減法電路152依序電性耦接至該等接收電極之第二端(即信號輸出端)。透過判斷感測到接近物件之驅動電極以及接收電極後，即可決定該欲偵測範圍。如上所述，本發明說明中，該等驅動電極及該等接收電極均屬於偵測電極131，用以於其間產生互感電容Cm。
該互容偵測模式下，該等驅動電路11不透過該等偵測電容Cin分別被電性耦接至該等驅動電極之該第一端；例如第2~3圖中，該驅動電路11係利用一切換開關SW1旁路(bypass)該偵測電容Cin而直接將驅動信號Sd輸入至偵測電極131。此外，該抗雜訊濾波器154不透過該減法電路152依序被電性耦接至該等驅動電極之該第二端，例如第2~3圖中，該抗雜訊濾波器154係利用另一切換開關SW2旁路該減法電路152(及該增益電路153)，以使該可程式濾波器151輸出之偵測信號Sol直接輸出至該抗雜訊濾波器154。該抗雜訊濾波器154之濾波參數可根據實際應用而決定，並無特定限制。
本發明說明中，在自容偵測模式下，由於傳送至偵測線路的信號並未經過面板的電阻與電容，因此參考線路(即模擬電路)與偵測線路間的相位差不明顯，故參考信號Sref可作為扣除偵測信號中的消去值。
必須說明的是，雖然第2圖中顯示未接觸差分偵測信號Snon之振幅(或峰對峰值)大於接觸差分偵測信號Stouch之振幅(或峰對峰值)，然其僅用以說明而並非用以限定本發明說明。根據該模擬電路150之參數設定 (即RC值)，該接觸差分偵測信號Stouch之振幅可能大於該未接觸差分偵測信號Snon。
必須說明的是，雖然第4A圖中顯示偵測信號Sol之振幅(或峰對峰值)大於參考信號Sref之振幅(或峰對峰值)，然其僅用以說明而並非用以限定本發明說明。根據該模擬電路150之參數設定(即RC值)，該參考信號Sref之振幅亦可能大於該偵測信號Sol之振幅。
綜上所述，如何提升電容觸控裝置之接觸靈敏度係為一重要課題。因此，本發明提供一種電容觸控裝置(第1~3圖)及其運作方法(第5圖)，其透過於一控制晶片中設置一模擬電路以產生偵測信號之一消去值，藉以降低該控制晶片中使用於自容偵測模式中之電容器尺寸，並可提升接觸靈敏度。
雖然本發明已以前述實例揭示，然其並非用以限定本發明，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧電容觸控裝置
100‧‧‧控制晶片
11‧‧‧驅動電路
13‧‧‧觸控面板
150‧‧‧模擬電路
Cin‧‧‧偵測電容

Claims (11)

  1. 一種電容觸控裝置，包含：一觸控面板，包含複數偵測電極用以分別形成一自感電容；以及一控制晶片，包含：一模擬電路，用以輸出一參考信號；複數可程式濾波器，分別耦接該等偵測電極；一減法電路，耦接該模擬電路，用以於一自容偵測模式下依序電性耦接該等可程式濾波器，將該模擬電路輸出之該參考信號與所耦接的該可程式濾波器輸出之一偵測信號進行差分運算以輸出一差分偵測信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電容觸控裝置，其中該控制晶片另包含一增益電路用以放大該差分偵測信號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電容觸控裝置，其中該電容觸控裝置係根據放大後該差分偵測信號之峰對峰值變化判定接觸事件。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電容觸控裝置，另包含複數偵測電容用以在該自容偵測模式下被電性耦接至該等偵測電極之信號輸入端。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電容觸控裝置，其中該可程式濾波器用以與該自感電容及該偵測電容形成一第一濾波電路。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電容觸控裝置，其中該模擬電路形成一第二濾波電路，且該第二濾波電路之頻率響應根據該第一濾波電路之頻率響應決定。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之電容觸控裝置，其中該等偵測電容之電容值小於該自感電容之一電容值的10%。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之電容觸控裝置，其中該等偵測電容透過複數切換開關分別被電性耦接至該等偵測電極；該減法電路透過複數切換開關分別被電性耦接至該等可程式濾波器。
  9. 一種電容觸控裝置，包含：一觸控面板，包含複數偵測電極用以分別形成一自感電容且每一該等偵測電極耦接一第一驅動電路；以及一控制晶片，包含：一模擬電路，耦接一第二驅動電路並用以輸出一參考信號；複數可程式濾波器，分別耦接該等偵測電極；一減法電路，耦接該模擬電路，用以於一自容偵測模式下依序電性耦接該等可程式濾波器，將該模擬電路輸出之該參考信號與所耦接的該可程式濾波器輸出之一偵測信號進行差分運算以輸出一差分偵測信號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電容觸控裝置，其中該第一驅動電路不同於該第二驅動電路。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之電容觸控裝置，其中該第一驅動電路與該第二驅動電路為相同驅動電路，且該模擬電路直接連接至該第二驅動電路。
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TWI680399B (zh) * 2017-10-02 2019-12-21 矽創電子股份有限公司 觸控電路
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