TWI393040B

TWI393040B - 觸控面板之電容感測架構

Info

Publication number: TWI393040B
Application number: TW98107499A
Authority: TW
Inventors: Ming Chuan Lo
Original assignee: Tangent Microelectromechanics Corp
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2013-04-11
Also published as: TW201033879A

Description

觸控面板之電容感測架構

本發明係關於一種電容式觸控面板，特別是關於一種可去除半導體主動元件所產生之低頻雜訊的觸控面板之電容感測電路架構。

電容式觸控面板具有防塵、防火、防刮、強固耐用及具有高解析度等優點，不過，其具有價格昂貴、容易因靜電或溼度造成誤動作等缺點。人手與電容式觸控面板沒有接觸時，各種電極(Electrode)是同電位的，觸控面板沒有上沒有電流(Electric Current)通過。當手指與觸控面板接觸時，人體內的靜電流入地面而產生微弱電流通過，檢測電極依電流值變化，可以算出接觸的位置。亦即，藉由感測觸控面板各點的電容變化值，即可得出手指接觸觸控面板的位置。於是，如何準確地偵測出電容的變化量，就成為觸控面板開發的重點。

習知觸控面板電容的偵測電路如第1圖所示者，待測電容11係為一可變電容，其電容值的改變係由於外界具有電容效應的帶電體，亦即觸碰物，或者雜訊等所引發，而電容轉電壓轉換器12則用以將待測電容11的電容值轉換為電壓值，再以放大器13將訊號放大，最後，再以低通濾波器14將所需頻寬以外的雜訊濾除。

由於觸控面板的工作頻率較低，因此，以上的習知技術，可解決高頻雜訊，不過，屬於低頻帶的雜訊，就成為觸控面板最需解決的議題。

請參考第2圖，其為一般觸控面板內部的金屬氧化半導體(MOS)元件所產生的雜訊之頻譜分佈圖。MOS所產生的雜訊主要有三種：MOS元件熱雜訊(Thermal Noise)、MOS元件閃爍雜訊(Flicker Noise)、漏電流突射雜訊(Leakage Current Shot Noise)，這三種的總和為整體MOS雜訊(Total MOS Noise)。

從第2圖可清楚發現，當頻率愈低，閃爍雜訊(Flicker Noise)所造成的影響就越大；反過來，當頻率超過Corener frequency(f _c)時，熱雜訊所造成的影響就增加了。以觸控面板的工作頻率而言，由於其為低頻者，因此，閃爍雜訊會佔了整個MOS雜訊的大部分，且頻率愈低影響愈大，會使得在低頻工作的觸控面板訊號雜訊比(SNR,Signal to Noise Ratio)降低許多。第3圖是將第 2圖之雜訊模型套以第1圖之電路架構中所得之雜訊模型。在頻域上的訊號，可以發現原先待測電容11所發生的電容量改變訊號，經過電容轉電壓轉換器12後，由於電容轉電壓轉換器12本身會產生低頻雜訊(閃爍雜訊為主)，使得待測電容11的電容量改變訊號增加了低頻雜訊進入，亦即，V_Mod。接下來，再經過放大器13之後，放大器本身的低頻雜訊也跟著混進了訊號當中，成為V_Amp-out。接著，再經過低通濾波器14之後，高頻的部分被濾除了，亦即，V_out，不過，低頻的雜訊部份仍然存在，於是低頻的工作頻率之訊號雜訊比無法提高，導致電容式觸控面板的感度無法提高。

這種由於電晶體元件本身所產生的低頻雜訊，並無法藉由傳統的低通濾波架構予以濾除，或者，採用差動式(Differential)的架構亦無法去除，必須藉由其他的手段加以去除，藉以提高訊號雜訊比，而能達到提高感度的目的。

鑑於以上習知技術的問題，本發明提供一種於觸控面板電容感測架構，係藉由將待測電容之輸出頻率移轉至高頻工作頻帶，以消除低頻雜訊後，藉以提高觸控面板電容感測之靈敏度的目的。

為達上述目的，本發明提供一種電容式觸控面板之待測電容之偵測電路架構，包含：一波形產生器，用以產生一固定電壓之高頻訊號；一第一乘法器，與該待測電容電連接，並與該波形產生器電連接，用以將該波形產生器與該待測電容所產生之一變化訊號相乘，藉以將該待測電容之工作頻率由低頻轉換至該波形產生器之高頻頻段，構成一調變訊號；一放大器，與該第一乘法器電連接，用以接收該乘法器所送之該調變訊號並予以放大為一放大訊號；一第二乘法器，與該波形產生器及該放大器電連接，用以接收該放大訊號，並將該放大訊號之高頻頻段還原為該變化訊號原始頻段之一放大還原訊號；以及，一低頻濾波器，與該第二乘法器電連接，用以接收該放大還原訊號並濾除該放大還原訊號之高頻雜訊；藉由以上之頻率轉換，該偵測電路架構所產生之低頻元件雜訊將被濾除。

為達本發明之所欲達到之頻率轉換目的，本發明更提供一種轉換電容觸控面板之待測電容之電路架構，包含：一波形產生器，用以產生一固定電壓之高頻訊號；以及一乘法器，與該待測電容及一放大器電連接，並與該波形產生器電連接，用以將該波形產生器與該待測電容所產生之訊號相乘，藉以將該待測電容之工作頻率由低頻轉換至該波形產生器之高頻頻段，再輸出至該放大器。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

在觸控面板上，面板上的每個待測電容的靜態電容，理論上的電容值均相同。每個待測電容在電路上被視為可變電容，其改變的電容值係由手指或者外界觸碰物所造成。由於待測電容的變化量受限於人體的動作，因此，其工作頻率採取低頻即可。而在觸碰的掃描控制上，每條掃描線的電容感測，都必須提供給掃描線一固定的工作電壓。

由於以上的基礎，本發明運用一預先處理的方式，除了原先供應給待測電容的固定工作電壓，增加一個高頻的脈波電壓，使得待測電容的感應量輸出，轉換成為一高頻訊號。於是，在經過後處理電路後，將不會受到後續的MOS元件所產生的低頻雜訊影響。具體的電路架構，請參考第4圖。

其中，較佳的高頻頻率，可視面板的規格以及特性來定。例如，七吋以上的大尺寸面板，可採取大於100kHz的作業頻率，適當的頻率，端視採用的控制器可控制頻率以及相關的頻率產生元件而定。又例如，七吋以下的中小尺寸面板，則可採取大於500kHz的工作頻率，同樣地，頻率的選擇，端視採用的控制器可控制的頻率以及相關的頻率產生元件而定。

第4圖係為本發明之電容偵測整體架構圖，其包含有：待測電容110、第一乘法器120、波形產生器130、放大器140、第二乘法器150與低通濾波器160。其中，待測電容110係代表了觸控面板上的掃描線的可變電容，用以感測手指或者其他處碰物的觸碰所產生的電容變化訊號；波形產生器130則提供一高頻的電壓脈波，再經由第一乘法器120將待測電容110的變化訊號與波形產生器130所提供的電壓脈波相乘後，即可轉換成高頻的訊號；放大器140則將第一乘法器120所傳來的高頻訊號加以放大；接著，放大器140再將訊號傳至第二乘法器150，經由波形產生器130所提供的反向脈波訊號，即可將波形產生器130的高頻脈波加以去除，進而還原出經放大的變化訊號(低頻訊號)；最後，再經過低通濾波器160即可濾除高頻的雜訊。

第4圖下方則說明了本發明的電容偵測架構的頻譜圖，其說明了本發明如何能達到低頻雜訊的濾除。在待測電容110的輸出端，其電容的變化量訊號，係在低頻的範圍；接著，在第一乘法器120的輸出端，其電容的變化訊號，由於與第一乘法器120相乘，因此，直接轉換成高頻的電壓訊號(中心頻率為f_mod)，亦即V_mod，或者可稱之為調變訊號。在放大器140的輸出端(V_Amp-out)高頻的調變訊號被放大器140放大，此外，放大器140本身產生的低頻雜訊，在第4圖中同樣可清楚看到。至此，低頻雜訊以及高頻的調變訊號的頻帶已經被區別開來。接下來，再藉由第二乘法器150將所有的訊號與波形產生器130的訊號相乘(V_Dm-out)，結果，原先高頻的調變訊號，其頻帶被轉換回低頻，反而低頻的雜訊被轉換到高頻的頻帶，便成高頻雜訊。最後，第二乘法器150的輸出V_Dm-out，再經過低通濾波器160，其輸出V_out就將高頻的雜訊濾除，而只剩下低頻的調變訊號以及原先相對應的熱雜訊。

換句話說，本發明係藉由頻率的移轉，將原來屬於低頻的觸控面板偵測的工作頻率，移轉到高頻頻帶，來避免低頻雜訊匯入電容偵測的頻帶。亦即，運用頻域的轉換來達到元件本身所產生的低頻雜訊。而轉換的重點在於，將訊號產生之時，即將訊號移轉到高頻頻帶，爾後所產生的低頻雜訊將可避免之。

比較第3圖的習知技術與第4圖的本發明可以發現，本發明係藉由波形產生器130提供高頻的調變訊號，並與第一乘法器120的結合來達到頻率轉換的目的。此處的調變，係與無線通訊所稱的調變有所不同，其係運用無線通訊的調變概念，而不做無線通訊之用。藉由此種作法，即可將屬於低頻頻帶的觸控面板電容感測訊號，轉換到高頻頻帶，進而達到與由放大器140內部電子元件所產生的低頻雜訊進行區隔的目的。

接下來，再透過第二乘法器150與波形產生器130 所產生的高頻脈波將放大後的調變訊號進行「解調」，則可還原放大後的變化訊號。最後，經過低通濾波器160將高頻的訊號濾除，運用現有的技術可輕易達成。

第4圖的架構，係說明本發明整體的工作。本發明的主要精神在於前述者，透過頻率的轉換來達到將觸控面板電容偵測的低頻工作頻率轉換至高頻，藉以排除後續在訊號經過放大器的過程中所發生的低頻雜訊問題。

在具體的電路實現上，乘法器的架構，可有多種不同的型態。以下列舉兩個例子：請參考第5圖，本發明運用之乘法器架構的第一實施例。本發明運用兩組電控切換開關Φ_R1與Φ_A1，來實現乘法器的功能，說明如下：在波形產生器130於高電位時，電控切換開關Φ_R1短路(Short)，而電控切換開關Φ_A1開路(Open)，於是波形產生器130對待測電容110進行充電；在波形產生器130於低電位時，電控切換開關Φ_R1開路(Open)，而電控切換開關Φ_A1短路(Short)，於是待測電容110進行對放大器140的放電。電控切換開關Φ_R1與電控切換開關Φ_A1係與波形產生器130的頻率同步，於是，待測電容110的電容值在充放電的過程中若產生電容值的變化，將使得電容量發生變化，透過放大器140端可偵測到該電容量的變化。

請參考第6圖，其說明了本發明運用之乘法器架構的第二實施例，運用在差動式電容偵測架構的範例。差動式電容偵測架構，係為偵測兩條掃描線的電容值差異，來進行觸碰判斷之技術。因此，差動式電容偵測架構，有兩個待測電容，如第6圖中所示者，分別為待測電容111與待測電容112，其電容值分別為C1與C2。同樣地，架構中運用了波形產生器130，在待測電容111與待測電容112，分別設計有電控切換開關Φ_R1與電控切換開關Φ_A1，電控切換開關Φ_R2與電控切換開關Φ_A2。這兩組電控切換開關，係分別控制待測電容111與待測電容112與波形產生器130、放大器140的開路與斷路，俾使得待測電容111與待測電容112對放大器140來講形成高頻的輸入訊號。切換的方式如第5圖的描述，於此不再贅述。

接著，待測電容111與待測電容112分別輸入至放大器140輸入的兩端，形成差動式的架構。後續的電路即可判斷待測電容111與待測電容112兩者電容值的差異，即可判斷哪條掃描線被觸碰。

第5圖說明了一般電容式觸控面板的乘法器實施架構，第6圖則說明了差動電容式觸控面板的乘法器實施架構。其說明了本發明可運用在不同的電容式觸控面板的判斷方法上，並且，同樣可達到將低頻的工作頻率轉換到高頻的工作頻率的目的。只要能將低頻的工作頻率，以最簡易的方式轉換到高頻的工作頻率，即可達到本發明所欲達到的低頻雜訊避除的目的。

第5圖與第6圖的實施例，僅說明了一種乘法器的範例。事實上，以熟習本發明之習知技術者，可經由本發明的技術揭示，而提出不同的乘法器作法，進而達到本發明的發明目的。因此，以下說明將不再贅述其他的乘法器架構。

接下來，將繼續說明運用本發明在放大器上的簡易實施電路。透過以下的實施範例，可得知第5圖與第6圖的實施例可在放大器140的輸出端得到高頻的轉換電壓。

請參考第7圖，其為本發明運用在一般電容式觸控面板的放大器之電路架構。比較第5圖可發現，第7圖係為將第5圖的電路架構在放大器140端加上旁路電容C3，並以一電控切換開關Φ_R3與之並聯；同時，在放大器140之輸出端增加一電控切換開關Φ_A3。其中，電控切換開關Φ_R3係與電控切換開關Φ_R1同步，而電控切換開關Φ_A3係與電控切換開關Φ_A1同步。

第一階段，電控切換開關Φ_R1與電控切換開關Φ_R3短路，而電控切換開關Φ_A1與電控切換開關Φ_A3開路，待測電容130的電量Q1=C₁xV_mod，而電容C₃的電量Q3=0。接著，在第二階段，電控切換開關Φ_R1與電控切換開關Φ_R3開路，而電控切換開關Φ_A1與電控切換開關Φ_A3短路時，放大器140的輸出端產生V_o的輸出電壓，因此，待測電容130的電量與電容C₃的總電量為：Q=Q1+Q3=C₁V+C₃(V-V_o)=(C₁+C₃)V-C₃V_o

其中：V_o=A(V_agnd-V-V_os)，A為放大器的放大倍率，V_mod為波形產生器130所提供的參考電壓，V為待測電容110端的電壓，V_o為放大器140輸出端的電壓。

於是，V=V_agnd-V_os-V_o/A。在第一階段的切換，儲存的電量為Q1，第二階段則為Q。Q1=Q，於是：C₁xV_rgf=(C₁+C₃)(V_agnd-V_os-V_o/A)-C₃V_o ≒(C₁+C₃)(V_agnd-V_os)-C₃V_o

V_o=-C₁/C₃(V_mod-V_agnd)+V_agnd-(1+C₁/C₃)V_os

亦即，放大器140的輸出端訊號V_o包含了三個成分，V_mod，V_agnd與V_os。於是，當屬於可變電容的待測電容110發生電容值的變化，亦即，C₁的值改變，則V_o亦會發生相應的改變。其中，V_mod為高頻的脈波。於是，經由放大器140的放大，在其輸出端可偵測到待測電容110的電容變化，並且，其交流變化亦可偵測。後續的處理則如第4圖所述者，於此不再贅述。

接著，請參考第8圖，其為本發明運用在差動電容式觸控面板的放大器之電路架構。比較第6圖可發現，第8圖係為將第6圖的電路架構在放大器140端增加兩組旁路電容以及電控切換開關，分別為：旁路電容C₃並以一電控切換開關Φ_R3與之並聯，同時在放大器140之輸出端增加一電控切換開關Φ_A3，這兩者係配合待測電容111之偵測；旁路電容C₄並以一電控切換開關Φ_R4與之並聯，同時在放大器140之輸出端增加一電控切換開關Φ_A4，這兩者係配合待測電容112之偵測。其中，電控切換開關Φ_R3、電控切換開關Φ_R4係與電控切換開關 Φ_R1、電控切換開關Φ_R2同步，而電控切換開關Φ_A3、控切換開關Φ_A4係與電控切換開關Φ_A1、電控切換開關Φ_A2同步。

第一階段，電控切換開關Φ_R1、電控切換開關Φ_R2、電控切換開關Φ_R3以及電控切換開關Φ_R4短路，而電控切換開關Φ_A1、電控切換開關Φ_A2、電控切換開關Φ_A3與控切換開關Φ_A4開路，待測電容111的電量Q1=C₁xV_mod，而電容C₃的電量Q3=0；待測電容112的電量Q2=C₂xV_mod，而電容C₄的電量Q4=0。接著，在第二階段，電控切換開關Φ_R1、電控切換開關Φ_R2、電控切換開關Φ_R3以及電控切換開關Φ_R4開路，而電控切換開關Φ_A1、電控切換開關Φ_A2、電控切換開關Φ_A3與控切換開關Φ_A4短路，放大器140的輸出端產生V_o的輸出電壓。計算後，可得：V_o=-(C₁-C₂)/(C₃+(C₁+C₂/2))(V_mod-V_agnd)+kV_os

其中，k=(1+C₁/C₃)(C₂+C₃)/(C₃+(C₁+C₂)/2)

同樣地，放大器140的輸出端訊號V_o包含了三個成分，V_mod，V_agnd與V_os。於是，當屬於可變電容的待測電容111或待測電容112發生電容值的變化，亦即，C₁ 或C₂的值改變，則V_o亦會發生相應的改變。其中，V_mod為高頻的脈波。於是，經由放大器140的放大，在其輸出端可偵測到待測電容110的電容變化，並且，其交流變化亦可偵測。後續的處理則如第4圖所述者，於此不再贅述。

以上的說明，在放大器端的設計，可以非常的多樣化，均可達到本發明所欲達到的目的，於此不再細舉其他的範例。

此外，本發明所揭示的波形產生器，係以高頻的脈波作為實施例。脈波係為本發明之較佳實施例，因其在數位電路中相對易於實現。然而，除了脈波外，亦可採用正弦波、鋸齒波等等其他波形，其目的均為提供一高頻的訊號給待測電容，俾使能將其低頻的工作頻率轉換為高頻的調變訊號。

雖然本發明之較佳實施例揭露如上所述，然其並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

11‧‧‧待測電容

12‧‧‧電容轉電壓轉換電路

13‧‧‧放大器

14‧‧‧低通濾波器

110‧‧‧待測電容

120‧‧‧第一乘法器

C₂‧‧‧電容

C₃‧‧‧電容

C₄‧‧‧電容

Φ_A1‧‧‧電控切換開關

111‧‧‧待測電容

112‧‧‧待測電容

130‧‧‧波形產生器

140‧‧‧放大器

150‧‧‧第二乘法器

160‧‧‧低通濾波器

C₁‧‧‧電容

Φ_A2‧‧‧電控切換開關

Φ_A3‧‧‧電控切換開關

Φ_A4‧‧‧電控切換開關

Φ_R1‧‧‧電控切換開關

Φ_R2‧‧‧電控切換開關

Φ_R3‧‧‧電控切換開關

Φ_R4‧‧‧電控切換開關

第1圖係為習知觸控面板電容的偵測電路；第2圖係為觸控面板內部的金屬氧化半導體(MOS)元件所產生的雜訊之頻譜分佈圖；第3圖係為第2圖之雜訊模型套以第1圖之電路架構中所得之雜訊模型；第4圖係為本發明之電容偵測整體架構圖；第5圖係為本發明運用之乘法器架構的第一實施例；第6圖係為本發明運用之乘法器架構的第二實施例；第7圖係為本發明運用在一般電容式觸控面板的放大器之電路架構；以及第8圖係為本發明運用在差動式電容觸控面板的放大器之電路架構。