TWI407354B - Control Circuit and Method of Capacitive Touchpad and Its Application - Google Patents

Description

電容式觸控板的控制電路與方法及其應用

本發明係有關一種電容式觸控板，特別是關於一種電容式觸控板的控制電路與方法及其應用。

為實現電容式觸控板，一般以印刷電路板、玻璃或塑膠薄膜為基底，在其上印刷金屬、銦錫氧化物導電薄膜或其他材質的圖案做為感應器。依照應用的不同，感應器的形狀及大小亦不相同。鐵筆或手指等導體接觸觸控板時，會在感應器上造成電容變化，控制電路偵測感應器的電容變化量，以獲得使用者輸入的資訊，據以進行觸控控制。因此，習知技術藉由增大因導體接觸造成的電容變化量(ΔC)來提高觸控板的效能。例如美國專利號5920309以互為反相的電流訊號對相鄰的感應器充放電，藉由差動方式增加電容變化量，提升觸控板的效能。

然而，除了電容變化量之外，電容式觸控板的效能亦與其基本電容(C_BASE )相關。當基本電容較高時，電容變化量變得不明顯，感應不易，因此效能降低。換言之，電容式觸控板的效能正比於ΔC/C_BASE 。習知的差動偵測方式雖然提高了電容變化量，卻同時增加了相鄰感應器之間的寄生電容，造成電容式觸控板的基本電容增大，因此效能改善的程度有限。

對此，發明人於中華民國專利申請案號第097142063號(美國專利申請號12/379,573)提出一種單端模式的電容偵測電路及方法，如圖1所示，電容式觸控板10上具有多個感應器12，縱向的感應器12組成跡線(trace)X1、X2、…、Xm，橫向的感應器12組成跡線Y1、Y2、…、Ym，調變器16提供的電流訊號Imod1和Imod2具有相同的相位，藉由類比多工器14施加至選擇的跡線，調變成訊號mux1及mux2，解調器18以直流電壓的參考訊號Mux_Vref解調訊號mux1，產生訊號ppeak和npeak提供給電壓轉換電路20，在電壓轉換電路20中，訊號減法器22將訊號ppeak和npeak調整成相同的準位，再經增益電路24放大後提供給類比轉數位(A/D)轉換電路26，以獲得電容式觸控板10上的電容變化資訊。增益電路24一般為電壓轉電流(V to I)的訊號放大器。

為進一步改善電容式觸控板的效能，本發明提出一種單端偵測電容式觸控板的控制電路與方法及其應用，以不同的調變及解調方法來減少電路複雜度，達到更廣的偵測範圍和更大的電容介質厚度。

本發明的目的之一，在於提出一種電容式觸控板的控制電路。

本發明的目的之一，在於提出一種電容式觸控板的控制方法。

本發明的目的之一，在於提出一種電容式觸控板模組。

根據本發明，一種電容式觸控板的控制電路與方法，在掃描訊號對該電容式觸控板的第一跡線充放電的同時，提供與該掃描訊號同相之訊號給該第一跡線鄰近的第二跡線，以及以與該掃瞄訊號同相之參考訊號解調從該第一跡線取得的調變訊號。

根據本發明，一種電容式觸控板模組包括具有第一跡線及其鄰近的第二跡線的電容式觸控板，調變器提供第一訊號以及與該第一訊號具有相同相位的第二訊號，多工器耦接該電容式觸控板及該調變器，將該第一訊號施加予該第一跡線而產生調變訊號，以及將該第二訊號施加予該第二跡線，參考訊號調變器提供與該調變訊號同相的參考訊號，以及解調器耦接該多工器以及該參考訊號調變器，以該參考訊號解調該調變訊號，產生第一解調訊號以及第二解調訊號。

根據本發明，對該第二跡線施加該第二訊號可降低該第一跡線與該第二跡線之間的寄生電容，因而降低該電容式觸控板的基本電容，增加感應量，並提供屏蔽效果，降低雜訊干擾，同時達到簡化電路效果，提升該電容式觸控板的效能。

圖2係根據本發明一實施例的示意圖，電容式觸控板10一般為玻璃材質、塑膠薄膜或印刷電路板，其上分佈有複數個以金屬、銦錫氧化物導電薄膜或其他材質的圖案設置的感應器12，這些感應器12組成X方向跡線X1~Xm和Y方向跡線Y1~Ym。調變器16提供的電流訊號Imod1和Imod2透過類比多工器14施加至選擇的跡線，調變產生調變訊號mux1及mux2，參考訊號調變器28調變產生參考訊號mux_ref，解調器30以參考訊號mux_ref解調訊號mux1，輸出訊號ppeak和npeak給電壓轉換電路32。

圖3繪示圖2中的調變/解調電路，解調器16包括電流源34、36、38和40以及開關M0、M1、M2和M3，開關M0、M1、M2和M3受控切換以供應電流Imod1和Imod2對電容C1和C2充放電，因而產生調變訊號mux1和mux2。電容C1和C2表示透過類比多工器14接受施加電流Imod1和Imod2的第一跡線和第二跡線的電容值。參考訊號調變器28由電流源42、44和開關M4、M5組成，開關M4、M5受控切換以供應電流Imod_ref對電容Crefl充放電而調變產生參考訊號mux_ref。解調器30以參考訊號mux_ref解調訊號mux1，開關A1、A2、B1和B2受控切換產生解調訊號pp和np，經低通濾波電路46整流成電壓訊號ppeak和npeak。調節電流源34、36、38、40和電流源42、44可使產生的訊號ppeak和npeak等電位，因此解調器30不再需要減法器，即可將訊號ppeak和npeak提供給增益電路24進行後續的訊號轉換，因此簡化了電路。

圖4係參考訊號調變器28的另一實施例，除了調變電流源42、44、調變切換開關M4、M5及參考電容Crefl之外，還包括擺動控制器48。本實施例藉由對參考電容Crefl同步充電/放電產生與感應器端同相位的三角波，該三角波的擺動大小由數位的擺動控制器48控制，經由調校(calibration)後，訊號mux1的擺動可與參考訊號mux_ref相同。

圖5係習知差動模式解調器以全波解調產生之三角波訊號pp和np的波形圖，訊號pp和np經過低通濾波器後產生電壓訊號ppeak及npeak，而ppeak及npeak之間會有壓差ΔV，因此還需要訊號減法器22將壓差減去ΔV才能進入下一級的訊號放大器24。

圖6係習知單端模式解調器以半波解調產生之半波訊號pp和np的波形圖，半波訊號pp和np經過低通濾波器後產生電壓訊號ppeak及npeak，而ppeak及npeak之間亦存在壓差ΔV，因此也需要訊號減法器22將壓差ΔV減去，才能進入下一級的訊號放大器24。

圖7係圖2之實施例的單端偵測調變的時序圖。參照圖3及圖7，開關M0、M1、M2和M3受控切換而供應電流Imod1和Imod2分別對電容C1和C2充放電，調變產生三角波的電壓訊號mux1和mux2。電流Imod_ref係藉由切換開關M4、M5產生，對參考電容Crefl充放電而產生參考訊號mux_ref。在本實施例中，調變訊號mux1、mux2和參考訊號mux_ref為具有相同相位的三角波。當有手指或導體接觸電容式觸控板10時，訊號mux1的波形將出現變動，如虛線50所示。

圖8係圖2之實施例的單端偵測解調的時序圖。參照圖3及圖8，脈波A和B控制開關A1、A2、B1和B2的切換，使解調器30以訊號mux1和參考訊號mux_ref解調出訊號pp與np。訊號mux1的三角波經解調後分別成為訊號pp的上半波以及訊號np的下半波，二者加上參考訊號mux_ref形成一全波整流。經調校後，訊號mux1與mux_ref的擺動可以十分接近甚至相等，因此，經過低通濾波電路46產生之電壓訊號ppeak及npeak的電位得以接近或相等，不需再經訊號減法器調整電壓訊號ppeak及npeak之間的壓差，即可直接進入下一級的訊號放大器24。當導體或手指接觸電容式觸控板10時，訊號mux1會產生變化，由於訊號pp和np都具有部份的訊號mux1，其電壓也會隨之產生變化，如圖8中的虛線所示，濾波產生之訊號ppeak和npeak亦因而改變，出現ΔV2的電壓差。

除了使用電壓轉電流的訊號放大器24之外，亦可如圖9所示，透過可程式化增益放大器(Programmable Gain Amplifier;PGA)52將電壓訊號ppeak、npeak放大，再解析出訊號。

本發明提出之調變/解調方式不再侷限於以三角波充電/放電。例如在調變器中設置不同大小的電流源，以不同大小的電流對跡線充放電而產生如圖10所示之多邊形訊號mux1和mux2，再輔以同相的參考訊號mux_ref，解調出波形近似的訊號pp和np，訊號pp和np經過低通濾波器46濾波後，仍可呈現兩個電位相等且近似直流電壓的訊號ppeak及npeak。以圖10所示之波形進行偵測和解調時，取得的電容值為圖中斜線區域的積分，因此其測得的電容變化值可以比三角波偵測的更為明顯，提供更廣的偵測範圍或更大的電容介質厚度。

圖11及圖12分別繪示其他型式調變/解調變的波形圖，產生這些波形的技術為習知技術，因此不再詳述。當使用各種不同的波形做為mux1和mux2，只要提供具有相同相位的參考訊號進行解調，仍可獲得電位相等的直流電壓訊號ppeak及npeak。

將本發明應用於電容式觸控板時，如圖13所示，可以將第一訊號Imod1提供給第一跡線Xn調變產生訊號mux1，同時將與第一訊號Imod1同相的第二訊號Imod2提供給與第一跡線Xn相鄰的第二跡線Xn+1和Xn-1。如圖14所示，由於使用同相之調變時脈做調變，產生的訊號mux1、mux2為同相，其中只有第一跡線Xn的訊號mux1是真正接受解調的訊號，與第一跡線Xn相鄰的第二跡線Xn+1和Xn-1的訊號mux2則有如交流的屏蔽(shielding)訊號一般，不但避免訊號mux1受雜訊干擾，同時減少跡線Xn-1、Xn和Xn+1之間的電位差，因此降低第一跡線Xn與第二跡線群Xn+1和Xn-1之間的寄生電容Cp1和Cp2，換言之，降低了基本電容。

圖15係應用本發明之第三實施例的示意圖。參照圖2及圖15，當欲掃描跡線Xn時，類比多工器14以電流Imod1對跡線Xn充放電而產生訊號mux1，同時以電流Imod2對跡線Xn兩側的多條跡線Xn-j~Xn-1以及Xn+1~Xn+i充放電而產生訊號mux2，同樣改善相鄰跡線之間的寄生電容，並提供更好的屏蔽效果。

圖16係應用本發明之第四實施例的示意圖，一次掃描多條跡線Xn~Xn+b，在以電流Imod1對跡線Xn~Xn+b充放電而產生訊號mux1的同時，將與電流Imod1同相之電流Imod2提供給跡線Xn-j~Xn-1及跡線Xn+b+1~Xn+b+i，產生電壓訊號mux2，以利偵測跡線Xn~Xn+b的電容變化。

圖17係應用本發明於Y方向跡線的示意圖，跡線Yn~Yn+b調變產生訊號mux1，同時，於跡線Yn~Yn+b兩側的跡線Yn-j~Yn-1以及跡線Yn+b+1~Yn+b+i調變產生訊號mux2。

本發明提出之控制電路及方法不受感應器形狀及尺寸的限制。圖18及圖19係常見的電容感應器。圖18中，X方向感應器54為多邊形，Y方向感應器56為菱形。圖19中，X方向感應器58和Y方向感應器60皆為菱形，其中，X方向感應器58之間以橋接線(圖中未示)互相連接，而Y方向感應器60則直接相連。在其他實施例中，單位電容感應器可以是圓形或其他形狀，亦可針對面積做挖空調整。

圖20係本發明應用於一維感應器的示意圖。在以訊號mux1偵測感應器64的電容變化的同時，對感應器64相鄰兩側之感應器62及66充放電以調變產生同相訊號mux2，減低感應器64與感應器62、66之間的寄生電容並降低雜訊干擾。

本發明提出之電容式觸控板的控制電路及方法，藉由提供同相訊號降低相鄰導體之間的寄生電容，減少觸控板的基本電容以提升感應量，再配合調變/解調變波形，可以提供更廣的偵測範圍和更大的電容介質厚度，進一步提升電容式觸控板的效能。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。

10．．．電容式觸控板

12．．．感應器

14．．．類比多工器

16．．．調變器

18．．．解調器

20．．．電壓轉換電路

22．．．訊號減法器

24．．．訊號放大器

26．．．類比轉數位轉換電路

28．．．參考訊號調變器

30．．．解調器

32．．．電壓轉換電路

34．．．電流源

36．．．電流源

38．．．電流源

40．．．電流源

42．．．電流源

44．．．電流源

46．．．低通濾波電路

50．．．虛線

52．．．可程式化增益放大器

54．．．X方向感應器

56．．．Y方向感應器

58．．．X方向感應器

60．．．Y方向感應器

62．．．感應器

64．．．感應器

66．．．感應器

圖1是習知單端偵測電容式觸控板模組的示意圖；

圖2是根據本發明之單端偵測電容式觸控板模組一實施例的示意圖；

圖3繪示圖2之實施例中的調變及解調變電路；圖4係參考訊號調變器一實施例的示意圖；

圖5係習知差動模式解調器以全波解調產生之三角波訊號pp和np的波形圖；

圖6為習知單端模式解調器以半波解調產生之半波訊號pp和np的波形圖；

圖7係圖2之實施例的單端偵測調變時序圖；

圖8係圖2之實施例的單端偵測解調變時序圖；

圖9係以PGA放大解調訊號的示意圖；

圖10是以多邊形波實現本發明之調變及解調的時序圖；

圖11是以方波實現本發明之調變及解調的時序圖；

圖12是以另一種不規則波形實現本發明之調變及解調的時序圖；

圖13係應用本發明之第二實施例的示意圖；

圖14係圖13之實施例中寄生電容的示意圖：

圖15係應用本發明之第三實施例的示意圖；

圖16係應用本發明之第四實施例的示意圖；

圖17係將本發明應用在Y方向感應器上的實施例示意圖；

圖18及圖19繪示常見的電容感應器；以及

圖20係本發明應用於一維感應器的示意圖。

10．．．電容式觸控板

12．．．感應器

14．．．類比多工器

16．．．調變器

24．．．訊號放大器

26．．．類比轉數位轉換電路

28．．．參考訊號調變器

30．．．解調器

32．．．電壓轉換電路

Claims (20)

1. 一種電容式觸控板的控制電路，該電容式觸控板具有第一跡線及其鄰近的第二跡線，該控制電路包括：調變器提供同相的第一訊號及第二訊號；多工器耦接該電容式觸控板及該調變器，將該第一訊號施加予該第一跡線而產生調變訊號，以及將該第二訊號施加予該第二跡線；參考訊號調變器提供與該調變訊號同相的參考訊號；以及解調器耦接該多工器以及該參考訊號調變器，以該參考訊號解調該調變訊號，產生第一解調訊號以及第二解調訊號。
2. 如請求項1之控制電路，其中該參考訊號使該第一解調訊號以及該第二解調訊號的電位相等。
3. 如請求項2之控制電路，更包括電壓處理電路連接該解調器，根據該第一解調訊號及該第二解調訊號轉換獲得該第一跡線的電容變化量。
4. 如請求項3之控制電路，其中該電壓處理電路包括增益電路直接連接該解調器。
5. 如請求項1之控制電路，其中該參考訊號調變器包括：第一電流源，與第一開關串聯在輸入端和輸出端之間；第二電流源，與第二開關串聯在輸出端及接地端之間；以及參考電容，連接在該輸出端與該接地端之間；其中，該第一開關及該第二開關受控切換以供應電流對該參考電容充電，在該輸出端產生該參考訊號。
6. 如請求項5之控制電路，更包括擺動控制器決定對該參考電容充放電的三角波。
7. 一種電容式觸控板的控制方法，該電容式觸控板具有第一跡線及其鄰近的第二跡線，該控制方法包括：提供同相的第一訊號及第二訊號；將該第一訊號施加予該第一跡線而產生調變訊號，以及將該第二訊號施加予該第二跡線；提供與該調變訊號同相的參考訊號；以及以該參考訊號解調該調變訊號，產生第一解調訊號以及第二解調訊號。
8. 如請求項7之控制方法，其中該以該參考訊號解調該調變訊號，產生第一解調訊號以及第二解調訊號的步驟包括以該參考訊號使該第一解調訊號及該第二解調訊號的電位相等。
9. 如請求項8之控制方法，更包括根據該第一解調訊號以及該第二解調訊號獲得該第一跡線的電容變化量。
10. 如請求項9之控制方法，其中該根據該第一解調訊號及該第二解調訊號獲得該第一跡線的電容變化量的步驟包括直接放大該第一解調訊號及該第二解調訊號。
11. 如請求項7之控制方法，其中提供與該調變訊號同相的參考訊號的步驟包括對參考電容充放電以產生該參考訊號。
12. 如請求項11之控制方法，更包括以擺動控制器決定對該參考電容充放電的三角波。
13. 一種電容式觸控板模組，包括：電容式觸控板具有第一跡線及其鄰近的第二跡線；調變器提供同相的第一訊號及第二訊號；多工器耦接該電容式觸控板及該調變器，將該第一訊號施加予該第一跡線而產生調變訊號，以及將該第二訊號施加予該第二跡線；參考訊號調變器提供與該調變訊號同相的參考訊號；以及解調器耦接該多工器以及該參考訊號調變器，以該參考訊號解調該調變訊號，產生第一解調訊號以及第二解調訊號。
14. 如請求項13之電容式觸控板模組，其中該第一跡線包括複數個串聯的第一感應器。
15. 如請求項14之電容式觸控板模組，其中該第二跡線包括複數個串聯的第二感應器。
16. 如請求項13之電容式觸控板模組，其中該參考訊號使該第一解調訊號以及該第二解調訊號的電位相等。
17. 如請求項13之電容式觸控板模組，更包括電壓處理電路連接該解調器，根據該第一解調訊號及該第二解調訊號轉換獲得該第一跡線的電容變化量。
18. 如請求項17之電容式觸控板模組，其中該電壓處理電路包括增益電路直接連接該解調器。
19. 如請求項13之電容式觸控板模組，其中該參考訊號調變器包括：第一電流源，與第一開關串聯在輸入端和輸出端之間；第二電流源，與第二開關串聯在輸出端及接地端之間；以及參考電容，連接在該輸出端與該接地端之間；其中，該第一開關及該第二開關受控切換，供應電流對該參考電容充放電而在該輸出端產生該參考訊號。
20. 如請求項19之電容式觸控板模組，更包括擺動控制器決定對該參考電容充放電的三角波。