TWI407358B - Sensing Circuit and Method of Capacitive Touchpad - Google Patents

Description

電容式觸控板的感測電路及方法

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感測電路及方法。

觸控功能已經廣泛的應用在智慧型手機、筆記型電腦、多媒體播放器以及資訊家電等範疇上，而電容式的觸控感應由於能達到高感度以及低成本，使得市場相繼使用電容式的觸控感應。二維式的電容式觸控板正被廣泛的應用在各類電子產品上作為輸入裝置，但這種觸控板在應用上會有多指觸控定位、抗水滴及水膜干擾以及顯示器干擾等問題。

藉感測感應電極板之間的交互電容(mutual capacitance)，可以達成多指觸控定位，提高手指與水滴的辨識的效果。如圖1所示，感應電極板10及12之間的電力線構成了交互電容(mutual capacitor)。當手指16靠近時，感應電極板10、12之間的電力線會被人體所形成的大下地電容所吸引，造成感應電極板10、12之間的交互電容值下降，透過偵測此交互電容的變化，可以達到手指16的感測。若是水膜18附在介質14上，由於水膜18為浮動節點，因此電力線由感應電極板10流經水膜18再流進感應電極板12，造成交互電容略微上升。根據交互電容不同的變化特性，可分辨手指16與水膜18。但是感應電極板10、12分別有寄生電容的存在，而寄生電容會嚴重影響感測電路對交互電容感測時的感度。

本發明的目的在於提出一種偵測電容式觸控板的交互電容的感測電路及方法。

根據本發明，一種電容式觸控板的感測電路包含切換電路連接該電容式觸控板的第一感應電極板，將該第一感應電極板連接電源端或接地端，運算放大器具有第一輸入端、第二輸入端及輸出端，該第一輸入端連接參考電壓，取樣電路連接在該運算放大器的第二輸入端及輸出端之間，從該第二感應電極板感測該交互電容的變化，以及回授開關連接在該運算放大器的第二輸入端及輸出端之間，在該取樣電路感測該交互電容以前讓該運算放大器回授補償該第二感應電極板的寄生電容。

根據本發明，一種電容式觸控板的感測方法包含週期性地將該電容式觸控板的第一感應電極板於電源電壓及接地電壓之間切換，回授補償該電容式觸控板的第二感應電極板的寄生電容，以及從該第二感應電極板感測該第一及第二感應電極板之間的交互電容的變化。

圖2係本發明之感測電路的第一實施例。感應電極板10、12分別具有寄生電容Cp1、Cp2，而兩感應電極板10、12之間存在交互電容C1。切換電路20具有開關SW7連接在電源端Vdd及感應電極板10之間，以及開關SW8連接在感應電極板10及接地端之間，開關SW7及SW8分別受控於兩個互不重疊(non-overlap)的時脈。運算放大器22具有輸入端224連接參考電壓VREF。開關SW1連接在感應電極板12及運算放大器22的輸入端222之間。開關SW6連接在運算放大器22的輸入端222及輸出端226之間，用以使運算放大器22建立回授機制。取樣電路24包括參考電容C2、C3，參考電容C2、C3的一端皆連接運算放大器22之輸入端222，開關SW2連接於參考電容C2之另一端與運算放大器22的輸出端226之間，開關SW4連接於參考電容C2之另一端與電壓源Vdd之間，開關SW3連接於參考電容C3之另一端與運算放大器22的輸出端226之間，開關SW5連接於參考電容C2之另一端與接地端之間。本實施例的感測電路一開始將感應電極板12及運算放大器22之間的開關SW1連通以感測交互電容C1。將參考電容C2與C3分別充電至參考電壓VREF=0.5×VDD電壓以後，根據開關SW7及SW8的切換時脈對交互電容C1進行週期性的電荷轉移。在每次參考電容C2或C3對交互電容C1做電荷轉移以前，將開關SW6連通運算放大器24的輸入端222及輸出端226進行回授，將寄生電容Cp2的電壓充至VREF，降低為了對寄生電容Cp2補償而產生感度下降的影響。經過多次週期性對外部感應電容的電荷轉移之後，再中斷開關SW1，藉量測單元26量測參考電容C2、C3的電荷。量測單元26中有類比數位轉換器(ADC)將參考電容C2、C3的跨壓轉換成數位信號，以供後級電路了解交互電容C1的電荷變化。

圖3係圖2的開關的時序圖。感測流程一開始，係控制開關SW1使運算放大器22的輸入端222連接感應電極板12於節點VT。在時相P30中的操作係重設(reset)參考電容C2，將開關SW4及SW6連通，運算放大器22將節點VT的電壓拉至參考電壓VREF，參考電容C2的兩端分別連接電壓源VDD及節點VT，使參考電容C2的跨壓充到VREF。接著於時相P32中，開關SW2跟著開關SW7連通，讓參考電容C2與交互電容C1進行電荷轉移。時相P34中，連通開關SW6，讓運算放大器22對寄生電容CP2作回授補償，將節點VT的電壓拉回至參考電壓VREF。由於初始時需要重設參考電容C3，因此於第一次操作時相P34的同時會連通開關SW5，使參考電容C3兩端連接接地端及感應電極板12，把參考電容C3的跨壓充到VREF。時相P36中開關SW3跟著開關SW8連通，讓參考電容C3與交互電容C1進行電荷轉移。時相P38又將開關SW6連通，運算放大器22再對寄生電容CP2作回授補償，將節點VT的電壓拉回到參考電壓VREF。接下來只要根據開關SW7及SW8的切換週期性地重複操作時相P32、P34、P36與P38，對交互電容C1進行多次的電荷轉移。最後，於時相P40中，中斷開關S1且連通開關SW2、SW5，把參考電容C2與C3串聯使彼此的電荷相加，再由後方量測單元26轉換出與待測之交互電容C1的相關感測資料。

圖4係圖2的節點DN與UP的電壓波形圖。根據圖3的時序圖，取樣電路24週期性地重複操作時相P32、P34、P36與P38，參考電容C2、C3對交互電容C1進行多次的電荷轉移，而節點DN與UP的電壓因為參考電容C2、C3的電荷變化而呈階梯式的變動，一階一階的趨近參考電壓VREF。

圖5係本發明之感測電路的第二實施例，感應電極板10、12、切換電路20、運算放大器22以及開關SW1、SW6和圖2的電路是相同的。取樣電路42係將圖2的兩個參考電容C2、C3簡化為一個參考電容C2，同時省略開關SW3，開關SW5直接連接於接地端及運算放大器22的輸入端222之間。圖6係圖5的開關的時序圖，其運作方式與圖2的實施例相似，只少了與參考電容C3相關的操作。本實施例節點DN的電壓波形和圖4所示的電壓波形雷同。

圖7係本發明之感測電路的第三實施例，感應電極板10、12、切換電路20、運算放大器22以及開關SW1、SW6和圖2的電路是相同的。取樣電路44係將圖2的兩個參考電容C2、C3簡化為一個參考電容C3，同時省略開關SW2及SW4。圖8係圖7的開關的時序圖，其運作方式與圖2的實施例相似，只少了與參考電容C2相關的操作，並且於最後量測單元26在轉換與待測之交互電容C1相關的感測資料時，SW6取代原來的SW2，使量測單元26量測到C3的電荷量。本實施例節點UP的電壓波形和圖4所示的電壓波形雷同。

圖9係本發明之感測電路的第四實施例，感應電極板10、12、切換電路20、運算放大器22以及開關SW1、SW6和圖2的電路是相同的。取樣電路46係利用開關SUP、SDN的切換使一個參考電容C4取代圖2的兩個參考電容C2、C3。圖10係圖9的開關的時序圖，其運作方式與圖2的實施例相似，但是只在時相P50的操作中重設參考電容C4一次，將開關SDN、SW4及SW6連通，參考電容C4的兩端給予電壓VDD及參考電壓VREF=0.5×VDD，使參考電容C4的跨壓充到VREF。時相P52係讓參考電容C4對電容C1做電荷轉移，時相P54係讓運算放大器22對寄生電容CP2作回授補償，將節點VT的電壓拉回到參考電壓VREF。時相P56係將參考電容C2正負端點反接，並對交互電容C1做電荷轉移，時相P58將運算放大器22的負輸入端以負回授組態拉回參考電壓VREF。接下來只要根據開關SW7及SW8的切換週期性地重複操作時相P52、P54、P56與P58，對交互電容C1進行多次的電荷轉移。最後，於時相P60中，中斷開關SW1，連通開關SW2、SW5，讓後級的量測單元26轉換出參考電容C4的跨壓，以推斷交互電容C1的變化。

本發明可適用於一維式及二維式的電容式觸控板及電容式觸控按鍵。由於能有效的補償寄生電容使其對交互電容的感度上升，除了可以抗水滴及水膜干擾以外，在二維式的電容式觸控板的應用上還能達到多點觸控定位的功效。圖2及圖9的實施例更有抗雜訊的功能。圖11係圖9的電路抑制或消除低頻雜訊的示意圖。假設低頻雜訊緩慢的變化，而電路操作頻率遠高於低頻雜訊頻率，在ψ1與ψ2週期內受到低頻雜訊的干擾量可以視為皆為+ΔVn。那麼在ψ1週期時，雜訊會在參考電容C4產生雜訊電壓，若是ψ2週期持續受到雜訊影響，就會如Vnoise的波形，一直累積到參考電容C4上。但是圖9的實施例會在ψ2週期時如圖11右下方所示，將參考電容C4的電容極性反接，使得因為雜訊而造成參考電容C4產生的跨壓如VCn的電壓波形，把ψ1產生的雜訊電壓消除，利用此動作達成低頻雜訊消除。相同的操作概念，若有一連串雜訊頻率等於或高於電路操作頻率的雜訊脈衝進入，只要在ψ1與ψ2週期內，雜訊脈衝做了等量的高低轉態，則此雜訊在參考電容C4產生的雜訊電壓將相互抵銷。而圖2之實施例則將雜訊造成的誤差分別存於參考電容C2及C3中，在最後的量測中，參考電容C2及C3的串聯消除了雜訊所造成的誤差。

圖12係結合本發明之感測電路的積分三角(sigma-delta)感測器。本發明的感測電路62連接構成交互電容C1的兩個感應電極板10與12，根據積分三角的量測方法，量測參考電容C5轉移至交互電容C1的電荷量，時脈比較器(ClockComparator;CCMP)66比較參考電容C5的電壓與參考電壓電路68提供的參考電壓。當時脈比較器66的輸出為低準位時，微控制單元(Micro Control Unit;MCU)70控制感測電路62使參考電容C5對外部的交互電容C1做電荷轉移，做一次完整週期即完成兩次電荷倒出，等效一次擬差動(pseudo differential)感測。當時脈比較器66的輸出為高準位時，微控制單元70控制數位控制電流源64對參考電容C5補充電荷，參考電容C5的電荷倒出為擬差動型態，而電荷補充為單端(single)型態，組成差動式積分三角感測器(differential sigma-delta sensor)。圖13係應用多組積分三角感測單元於二維電容式觸控板的系統架構圖，利用微控制單元70控制多工器72同時平行處理多組積分三角感測單元74，提升感測二維電容式觸控面板78的速度，並能增加操作次數，經資料閂76求平均以降低雜訊干擾，提供二維電容式觸控板更即時更穩定的應用。

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．．．第一感應電極板

12．．．第二感應電極板

14．．．介質層

16．．．手指

18．．．水膜

20．．．切換電路

22．．．運算放大器

222．．．運算放大器的輸入端

224．．．運算放大器的輸入端

226．．．運算放大器的輸出端

24．．．取樣電路

26．．．量測單元

42．．．取樣電路

44．．．取樣電路

46．．．取樣電路

62．．．感測電路

64．．．數位控制電流源

66．．．時脈比較器

68．．．參考電壓電路

70．．．微控制單元

72．．．多工器

74．．．積分三角感測單元

76．．．資料閂

78．．．二維電容式觸控面板

圖1係感應電極板之間的交互電容的變化的示意圖；

圖2係本發明之感測電路的第一實施例；

圖3係圖2的開關的時序圖；

圖4為圖2的節點DN與UP的電壓波形圖；

圖5係本發明之感測電路的第二實施例；

圖6係圖5的開關的時序圖；

圖7係本發明之感測電路的第三實施例；

圖8係圖7的開關的時序圖；

圖9係本發明之感測電路的第四實施例；

圖10係圖9的開關的時序圖；

圖11係圖9的電路消除低頻雜訊的示意圖；

圖12係結合本發明之感測電路的積分三角感測器；以及

圖13係應用多組積分三角感測器於二維電容式觸控板的系統架構圖。

10．．．第一感應電極板

12．．．第二感應電極板

20．．．切換電路

22．．．運算放大器

222．．．運算放大器的輸入端

224．．．運算放大器的輸入端

226．．．運算放大器的輸出端

24．．．取樣電路

26．．．量測單元

Claims (9)

1. 一種電容式觸控板的感測電路，該電容式觸控板具有第一及第二感應電極板，二者之間形成交互電容，該感測電路包含：切換電路連接該第一感應電極板，將該第一感應電極板連接電源端或接地端；運算放大器具有第一輸入端、第二輸入端及輸出端，該第一輸入端連接參考電壓；取樣電路連接在該運算放大器的第二輸入端及輸出端之間，從該第二感應電極板感測該交互電容的變化；感測開關，具有第一端連接該第二感應電極板，以及第二端連接該運算放大器的第二輸入端及該取樣電路；以及回授開關連接在該運算放大器的第二輸入端及輸出端之間，在該取樣電路感測該交互電容以前，將該運算放大器的輸出端連接至其第二輸入端，以讓該運算放大器回授補償該第二感應電極板的寄生電容。
2. 如請求項1之感測電路，其中該切換電路包括：第一開關連接在該第一感應電極板及電源端之間；以及第二開關連接在該第一感應電極板及接地端之間。
3. 如請求項1之感測電路，其中該取樣電路包含：參考電容具有第一端及第二端，該第一端連接該運算放大器的第二輸入端；第一開關連接於該參考電容之第二端及接地端之間；以及第二開關連接於該參考電容之第二端及該運算放大器的輸出端之間。
4. 如請求項1之感測電路，其中該取樣電路包含：參考電容具有第一端及第二端，該第一端連接該運算放大器的第二輸入端；第一開關連接於該參考電容之第二端及電源端之間；第二開關連接於該參考電容之第二端及該運算放大器之輸出端之間；以及第三開關連接於該參考電容之第一端及接地端之間。
5. 如請求項1之感測電路，其中該取樣電路包含：第一及第二參考電容，皆連接該運算放大器的第二輸入端；第一開關連接於該第一參考電容及電源端之間；第二開關連接於該第二參考電容及接地端之間；第三開關連接於該第一參考電容及該運算放大器之輸出端之間；以及第四開關連接於該第二參考電容及該運算放大器之輸出端之間。
6. 如請求項1之感測電路，其中該取樣電路包含：參考電容具有第一端及第二端；第一開關連接於該參考電容的第一端及電源端之間；第二開關連接於該參考電容的第二端及接地端之間；第三開關連接於該參考電容的第一端及該運算放大器之輸出端之間；第四開關連接於該參考電容的第二端及該運算放大器之輸出端之間；第五開關連接於該參考電容的第二端及該運算放大器的第二輸入端之間；以及 第六開關連接於該參考電容的第一端及該運算放大器的第二輸入端之間。
7. 一種電容式觸控板的感測方法，該電容式觸控板具有第一及第二感應電極板以及運算放大器，該運算放大器具有第一輸入端連接參考電壓、第二輸入端連接該第二感應電極板及輸出端，該第一及第二感應電極板之間存在交互電容，該感測方法包含：週期性地將該第一感應電極板於電源電壓及接地電壓之間切換；在感測該交互電容以前，將該運算放大器的輸出端連接至其第二輸入端以回授補償該第二感應電極板的寄生電容；以及從該第二感應電極板感測該交互電容的變化。
8. 如請求項7之感測方法，其中該從該第二感應電極板感測該交互電容的變化的步驟包含：利用參考電容對該交互電容進行電荷轉移；以及量測參考電容的電荷，判斷該交互電容的變化。
9. 如請求項8之感測方法，其中該利用參考電容對該交互電容進行電荷轉移的步驟包含將該第一感應電極板從該電源電壓切換至該接地電壓，並將該第二感應電極板連接至該參考電容之第一端，因而引起該參考電容之第二端的電壓發生變化。