TWI408593B - 電容式觸控裝置及其感測裝置 - Google Patents

Description

電容式觸控裝置及其感測裝置

本發明是有關於一種電容式觸控裝置，且特別是有關於一種電容式觸控裝置的電容變化的感測裝置。

在消費性電子產品日益普及化的今天，為提供更為人性化的人機介面，觸控板已成為多種電子產品的必要配備。而在現今的技術領域中，觸控板又可概分為電容式觸控板以及電阻式觸控板。

電容式觸控板主要是依據當觸控板被使用者碰觸時所產生的電容變化來進行觸碰點的偵測。其中，一種所謂的電荷轉移電容的量測電路(charge transfer capacitance measurement circuit)常被應用來進行電容式觸控板的觸碰點的偵測。請參照圖1，圖1繪示習知的電容式觸控裝置的感測裝置100。在感測裝置100的操作上，首先導通開關S3以使殘存在電容Cc上的電荷可以被完全的清除。接著導通開關S1，並使觸控板上感測電容Cs可以被充電到參考電壓VDD的電壓準位。

在感測電容Cs完成充電後，關閉掉開關S1、S3並導通開關S2，以使儲存在感測電容Cs上的電荷部分轉移到電容Cc上，直到這個電荷轉移動作完成(感測電容Cs與Cc耦接端的電壓Vint穩定時)為止。然後再藉由重複的導通及斷路開關S1(同時斷路及導通開關S2)，使電壓Vint超過參考電壓Vref並使比較器CMP1的輸出發生轉態。計數器110則計數比較器CMP1輸出的轉態狀況，再透過控制電路120來得知比較器CMP1輸出的轉態的時間，並進而獲知感測電容Cs的電容變化，進以偵測出觸碰的狀態。

由於感測電容Cs的電容變化約略只有1%~5%，因此計數器110所能獲得的計數值的變化也不會太大，相對的，感測裝置100的敏感度就不會太高。而為了使計數值的變化可以變大，習知技術也藉由提高電容Cc的電容值。但這種作法卻又增加了電路的成本。

本發明提供一種感測裝置，用以偵測電容式觸控板的電容變化。

本發明提供一種電容式觸控裝置，準確的偵測出其電容式觸控板的電容變化。

本發明提出一種感測裝置，用以偵測電容式觸控板的電容變化。感測裝置包括參考電容模組、開關模組、積分電路以及控制電路。開關模組耦接參考電容模組及電容式觸控板，接收控制信號、第一參考電壓及第二參考電壓，並依據控制信號使參考電容模組及電容式觸控板分別耦接第一及第二參考電壓或使參考電容模組耦接至電容式觸控板。積分電路具有第一、二輸入端，其第一輸入端耦接參考電容模組與電容式觸控板的共同耦接點，其第二輸入端接收調整電壓。積分電路在以調整電壓為基準下，針對參考電容模組及電容式觸控板所儲存的電荷量的電荷差值來進行積分，並藉以獲得積分結果。控制電路耦接積分電路，在電容式觸控板未被觸碰時，控制電路依據積分結果產生電壓調整信號來調整調整電壓。

在本發明之一實施例中，上述之參考電容模組包括多數個電容以及多個開關單元。所有的電容的一端共同耦接開關模組，而各開關單元分別串接於第二參考電壓與各電容間。所有的開關單元的控制端則耦接控制電路。

在本發明之一實施例中，上述之控制電路更包括在電容式觸控板未被觸碰時，依據積分結果來控制各開關單元的導通與否，以調整參考電容模組的電容值。

在本發明之一實施例中，上述之感測裝置更包括類比數位轉換器。類比數位轉換器串接在積分電路與控制電路的耦接路徑間。類比數位轉換器接收積分結果並將積分結果由類比格式轉換為數位格式。

在本發明之一實施例中，上述之感測裝置更包括數位類比轉換器，串接積分電路與控制電路間。數位類比轉換器接收電壓調整信號並轉換數位格式的電壓調整信號為類比格式。

在本發明之一實施例中，上述之開關模組包括第一開關、第二開關、第三開關以及第四開關。第一開關串接在參考電容模組與積分電路間。第二開關串接在參考電容模組與第一參考電壓間。第三開關串接在電容式觸控板與積分電路間。第四開關串接在電容式觸控板與第二參考電壓間。其中，第一、二、三、四開關接受控於控制信號，且第一、三開關與第二、四開關的導通或關閉狀態相反，第一開關與第三開關的導通或關閉狀態相同，且第二開關與第四開關的導通或關閉狀態相同。

在本發明之一實施例中，上述之積分電路包括運算放大器、積分電容以及第一、二及第三積分開關。運算放大器的第一輸入端耦接積分電路的第一輸入端，其第二輸入端耦接積分電路的第二輸入端，其輸出端產生積分結果。積分電容的一端耦接運算放大器的第一輸入端，第一積分開關的一端與運算放大器及積分電容共同耦接，其另一端耦接運算放大器的輸出端。第二積分開關串接在積分電容的另一端與運算放大器的輸出端間。第三積分開關的一端接收積分起始電壓，其另一端與積分電容及第二積分開關共同耦接。

在本發明之一實施例中，上述之第二積分開關與第三積分開關的導通關閉狀態相反，第一、三積分開關的導通關閉狀態相同。

本發明提出一種電容式觸控裝置，包括電容式觸控板以及感測裝置。電容式觸控板具有多個感測電容。感測裝置耦接電容式觸控板用以偵測各感測電容的電容變化。感測裝置包括參考電容模組、開關模組、積分電路以及控制電路。開關模組耦接參考電容模組及電容式觸控板。開關模組接收控制信號、第一參考電壓及第二參考電壓，並依據控制信號使參考電容模組及感測電容分別耦接第一及第二參考電壓或使參考電容模組耦接至電容式觸控板的其中之一。積分電路具有第一、二輸入端，其第一輸入端耦接參考電容模組與感測電容的其中之一的共同耦接點。其第二輸入端接收調整電壓，並針對參考電容模組及感測電容的其中之一所儲存的電荷量的電荷差值來進行積分，並藉以獲得積分結果。控制電路耦接積分電路，在電容式觸控板未被觸碰時，依據積分結果產生電壓調整信號。

基於上述，本發明藉由在電容式觸控板未被觸碰時，偵測積分電路輸出的積分結果來獲知積分電路兩輸入端間的等效電容的差異，並依據積分結果來改變調整電壓以降低上述等效電容的差異。進以使電容式觸控板在進行觸碰偵測時，可以不需要考慮到觸控裝置中的電路元件及佈線所產生的等效電容誤差，更準確的偵測出電容式觸控板上的電容變化。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

首先請參照圖2，圖2繪示本發明的一實施例的感測裝置200的示意圖。其中的感測裝置200用以偵測電容式觸控板TPAD上之一感測電容Cp的電容變化。感測裝置200包括參考電容模組210、開關模組220、積分電路230以及控制電路240。開關模組220耦接參考電容模組210及該感測電容Cp。積分電路230具有第一、二輸入端TI1、TI2，其第一輸入端TI1耦接參考電容模組210與該感測電容Cp的共同耦接點TC，其第二輸入端TI2接收調整電壓Vcm1。控制電路240則耦接積分電路230及參考電容模組210並提供調整電壓Vcm1至積分電路230以及用來調整參考電容模組210的電容值的調整信號。

開關模組220接收控制信號CTRL、第一參考電壓VDD及第二參考電壓GND。開關模組220並依據控制信號CTRL使參考電容模組210及感測電容Cp分別耦接第一及第二參考電壓VDD、GND或使參考電容模組210和感測電容Cp一同耦接至積分器輸入端TC。簡單來說，在本實施例中，開關模組220會依據控制信號CTRL的狀態(例如控制信號CTRL呈現邏輯高準位)使參考電容模組210耦接到電壓準位較高的第一參考電壓VDD以進行充電，並同時使感測電容Cp耦接到電壓準位較低的第二參考電壓GND以進行放電。相反的，若控制信號CTRL呈現邏輯低準位時，開關模組220則會使參考電容模組210及感測電容Cp共同耦接至耦接點TC，以進行參考電容模組210及感測電容Cp間的電荷轉移。

在此請注意，上述開關模組220依據控制信號CTRL的邏輯高低準位來改變參考電容模組210及感測電容Cp的耦接狀態的方式僅只是一個範例，並不用以限縮本發明。另外，上述的實施方式也可以變更第一參考電壓為參考電壓GND，並變更第二參考電壓為參考電壓VDD。並將參考電容模組210耦接到第一參考電壓GND進行放電，而將感測電容Cp耦接到第二參考電壓VDD，也同樣可以實施本實施例。

積分電路230則用在針對參考電容模組210及感應電容Cp所儲存的電荷量的電荷差值來進行積分，並藉以獲得積分結果OUT。進一步來說，在參考電容模組210及感測電容Cp分別完成藉由參考電壓VDD及GND的充放電動作後，而被耦接在耦接端TC時，控制電路240提供調整電壓Vcm1給積分電路230，並藉以計算參考電容模組210及感測電容Cp中所儲存的電荷量之差值。簡單來說，參考電容模組210所儲存的電荷量等於Cref*(VDD-Vcm1)，而感測電容Cp中所儲存的電荷量則等於Cp*(Vcm1-GND)，而電荷差值則為Cref*(VDD-Vcm1)-Cp*(Vcm1-GND)。

在此請注意，由於感測裝置200中的電路元件的差異以及其間的線路佈局的影響，積分電路230的兩輸入端所看到的等效電容是無法預期的。在本實施例的控制電路240的調整動作下，這些不可預期的現象所可能造成的感測電容Cp的電容變化偵測的誤差都可以被消除。

在控制電路240完成了Vcm1的調整工作後，感測裝置200便可以結束調校的動作，並實際依據積分結果OUT來獲知電容式觸控板TPAD的觸碰狀態。而由於積分電路230僅針對電容式觸控板TPAD被觸碰所產生的感測電容Cp的變化進行積分，因此針對積分結果OUT進行觸碰狀態偵測的解析度將可以有效的增加。

接著請參照圖3，圖3繪示本發明的另一實施例的感測裝置300的示意圖。感測裝置300用以偵測電容式觸控板TPAD內感測電容Cp的電容變化，包括參考電容模組310、開關模組320、積分電路330、控制電路340、類比數位轉換器350以及數位類比轉換器360。其中，開關模組320包括開關Sp0、Sn0、Sp1及Sn1。開關Sp0串接在參考電容模組310與積分電路330間，開關Sn0串接在參考電容模組310與第一參考電壓VDD間。開關Sp1串接在感測電容Cp與積分電路330間，開關Sn1串接在電容式觸控板TPAD與第二參考電壓GND間。

請注意，開關Sp0與開關Sn0的導通或斷路的狀態相反，開關Sp1與開關Sn1的導通或斷路的狀態相反。而開關Sp1與開關Sp0的導通或斷路的狀態相同，且開關Sn1與開關Sn0的導通或斷路的狀態相同。

積分電路330包括運算放大器OPAMP1、積分電容Cint以及積分開關Sa、Sb、Sa’。運算放大器OPAMP1的第一輸入端耦接積分電路330的第一輸入端，其第二輸入端耦接積分電路330的第二輸入端，其輸出端產生積分結果OUT_1。積分電容Cint的一端耦接運算放大器OPAMP1的第一輸入端，其另一端耦接積分開關Sa及Sb。積分開關Sa的另一端接收積分起始電壓Vzr，積分開關Sb的另一端則耦接運算放大器OPAMP1的輸出端。另外，積分開關Sa’跨接在運算放大器OPAMP1的第一輸入端及輸出端間。

在感測裝置300的動作細節方面，請同時參照圖3及圖4，其中圖4繪示本發明實施例的感測裝置300的動作波形圖。首先，感測裝置300需進行初始化的動作，也就是積分開關Sa、Sa’被導通(圖4繪示Sa、Sa’為高準位代表積分開關Sa、Sa’被導通)，而積分開關Sb則被斷路(切斷)，使積分電路330會進行重置(reset)的動作。在完成積分電路330的重置動作後，積分開關Sa、Sa’被斷路，而積分開關Sb則被導通。開關Sp0、Sp1依據控制信號CTRL重覆依序導通及斷路的動作(開關Sn0、Sn1對應相反於開關Sp0、Sp1重覆依序斷路及導通)，使感測電容Cp及參考電容模組310中所儲存的電荷差值，轉換儲存到積分電容Cint中。在開關Sp0、Sp1進行N次(N為正整數)的導通並斷路的動作後，利用取樣信號ADCS來取樣積分電路所產生的積分結果OUT_1如下數學式(1)所示：

假定調整電壓Vcm1=VDD/2+dV、ΔC=Cp-Cn，且dC=Cref-Cn，其中Cn為電容式觸控板TPAD的初始(未被觸碰時)電容值。數學式(1)可以改寫為如下所示的數學式(2)：

其中的為用來偵測電容式觸控板TPAD被觸後的電容變化的有效數值，而為希望被調降的值(調整為0為最佳)。

因此，dV可以被設定等於(dC/4Cn)*VDD，而控制電路340可以依此求出最佳的調整電壓Vcm1的電壓值。另外，由數學式(2)也可以獲知，控制電路340也可以藉由調整參考電容模組310的電容值Cref來調整dC，達到使降到最低的需求。

並且，在經過控制電路340適當的調整後，積分結果OUT_1可更進一步的改寫成下示的數學式(3)：

請重新參照圖3，在本實施例中，感測裝置300更在積分電路330與控制電路340間建構了類比數位轉換器350以及數位類比轉換器360。這種架構是應用在控制電路340為一個依據數位信號來進行處理的控制電路。因此，積分電路330所產生的類比的積分結果OUT_1需經過類比轉數位的格式轉換來產生數位的積分結果OUT以傳輸至控制電路340。相同道理的，控制電路340傳送數位格式的調整電壓Vcm1_1並透過數位類比轉換器360進行數位轉類比的格式轉換以產生類比的調整電壓Vcm1以提供給積分電路330。

以下請參照圖5，圖5繪示本發明實施例的參考電容模組310的一實施方式。其中，參考電容模組310包括電容C1~CM以及開關單元SW1~SWM共M個電容及開關單元，其中的M為正整數。電容C1~CM的一端共同耦接至開關模組320，開關單元SW1~SWM分別串接在電容C1~CM的另一端與第二參考電壓GND間。開關單元SW1~SWM均受控於控制電路340來進行導通或關閉的動作。在此，電容C1~CM可以利用多個不同電容值的電容來建構，並當控制電路340要選擇其中的一個電容(例如電容C3)的電容值時，則對應只導通開關單元SW3即可。或電容C1~CM也可以用電容值相同的電容來建構，並透過導通開關單元SW1~SWM的個數，來選擇電容模組310所提供電容值。

請參照圖6，圖6繪示本發明的一實施例的電容式觸控裝置600的示意圖。電容式觸控裝置600包括由具有多個感測電容Cp1~Cpx的電容式觸控板TPAD以及感測裝置601。感測裝置601則包括參考電容模組610、開關模組620、積分電路630、控制電路640、類比數位轉換器650以及數位類比轉換器660。其中的開關模組620對應感測電容Cp1~Cpx以及參考電容模組610配置開關Sp0~Spx及Sn0~Snx。在電容式觸控裝置600的動作方面，請參照圖7，圖7繪示電容式觸控裝置600的動作波形圖。其中，在時間週期T1間，感測裝置601針對感測電容Cp1進行電容變化的偵測，在時間週期T2間，感測裝置601針對感測電容Cp2進行電容變化的偵測，並在下一個或多個時間週期中，依序對不同的電容式觸控板進行電容變化的偵測(例如圖7所繪示的在時間週期T3及T4分別針對感測電容Cp3、Cp4進行電容變化的偵測)。

值得一提的是，積分電路630的初始化的動作在每一個週期間都必須動作，因此積分開關Sa、Sa’及Sb在每一個每一個週期的初始時，都會執行積分電路630的初始化所需的交互導通及斷路的動作。

綜上所述，本發明藉由在電容式觸控板未被觸碰時，偵測參考電容模組及感測電容間，在調整電壓為基準的條件下，所產生的電荷差值來調整調整電壓。使電容式觸控板被觸碰時，感測裝置所偵測到的積分結果可以單純的只與電容式觸控板的電容變化呈現比例關係。除提升感測裝置的偵測結果的準確性外，並在不需要大幅度的加大參考電容模組的電容值的情況下，提高電容式觸控板的觸碰狀態判斷的解析度，有效提電容式觸碰裝置的效能。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何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，當可作些許之更動與潤飾，故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。

100、200、300、601．．．感測裝置

110．．．計數器

210、310、610．．．參考電容模組

220、320、620．．．開關模組

230、330、630．．．積分電路

240、120、340、640．．．控制電路

350、650．．．類比數位轉換器

360、660．．．數位類比轉換器

600．．．電容式觸控裝置

Vzr．．．積分起始電壓

OPAMP1．．．運算放大器

S1~S3、Sp0~Sp4、Sn0~Sn4、Sa、Sb、Sa’．．．開關

SW1~SWM．．．開關單元

Vint．．．電壓

CMP1．．．比較器

TPAD．．．電容式觸控板

TI1、TI2、TC．．．端點

Vcm1、Vcm1_1．．．調整電壓

CTRL．．．控制信號

VDD、GND．．．參考電壓

OUT、OUT_1．．．積分結果

Cp1~Cp4、Cref、Cc、Cs、Cint、C1~CM．．．電容

T1~T2．．．時間週期

圖1繪示習知的電容式觸控裝置的感測裝置100。

圖2繪示本發明的一實施例的感測裝置200的示意圖。

圖3繪示本發明的另一實施例的感測裝置300的示意圖。

圖4繪示本發明實施例的感測裝置300的動作波形圖。

圖5繪示本發明實施例的參考電容模組310的一實施方式。

圖6繪示本發明的一實施例的電容式觸控裝置600的示意圖。

圖7繪示電容式觸控裝置600的動作波形圖。

200．．．感測裝置

210．．．參考電容模組

220．．．開關模組

230．．．積分電路

240．．．控制電路

TPAD．．．電容式觸控板

TI1、TI2、TC．．．端點

Vcm1．．．調整電壓

CTRL．．．控制信號

VDD、GND．．．參考電壓

OUT．．．積分結果

Cp、Cref．．．電容

Claims (10)

1. 一種感測裝置，用以偵測一電容式觸控板的電容變化，包括：一參考電容模組；一開關模組，耦接該參考電容模組及該電容式觸控板，接收一控制信號、一第一參考電壓及一第二參考電壓，依據該控制信號使該參考電容模組及該電容式觸控板分別耦接該第一及第二參考電壓或使該參考電容模組耦接至該電容式觸控板；一積分電路，具有第一、二輸入端，其第一輸入端耦接該參考電容模組與該電容式觸控板的共同耦接點，其第二輸入端接收一調整電壓，在以該調整電壓為基準下，針對該參考電容模組及該電容式觸控板所儲存的電荷量的一電荷差值來進行積分，並藉以獲得一積分結果；以及一控制電路，耦接該積分電路，在該電容式觸控板未被觸碰時，依據該積分結果產生一電壓調整信號來調整該調整電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該參考電容模組包括：多數個電容，該些電容的一端共同耦接該開關模組；以及多個開關單元，各該開關單元分別串接於該第二參考電壓與各該電容間，該些開關單元的控制端耦接該控制電路。
3. 如申請專利範圍第2項所述之感測裝置，其中該控制電路更包括在該電容式觸控板未被觸碰時，依據該積分結果來控制各該開關單元的導通與否，以調整該參考電容模組的電容值。
4. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該感測裝置更包括：一類比數位轉換器，串接在該積分電路與該控制電路的耦接路徑間，接收該積分結果並將該積分結果由類比格式轉換為數位格式。
5. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該感測裝置更包括：一數位類比轉換器，串接該積分電路與該控制電路間，接收該電壓調整信號並轉換數位格式的該電壓調整信號為類比格式。
6. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該開關模組包括：一第一開關，串接在該參考電容模組與該積分電路間；一第二開關，串接在該參考電容模組與該第一參考電壓間；一第三開關，串接在該電容式觸控板與該積分電路間；以及一第四開關，串接在該電容式觸控板與該第二參考電壓間，其中，該第一、二、三、四開關接受控於該控制信號，且該第一、三開關與該第二、四開關的導通或關閉狀態相反，該第一開關與該第三開關的導通或關閉狀態相同，且該第二開關與該第四開關的導通或關閉狀態相同。
7. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該積分電路包括：一運算放大器，其第一輸入端耦接該積分電路的第一輸入端，其第二輸入端耦接該積分電路的第二輸入端，其輸出端產生該積分結果；一積分電容，其一端耦接該運算放大器的第一輸入端；一第一積分開關，其一端與該運算放大器及該積分電容共同耦接，其另一端耦接該運算放大器的輸出端；一第二積分開關，串接在該積分電容的另一端與該運算放大器的輸出端間；以及一第三積分開關，其一端接收一積分起始電壓，其另一端與該積分電容及該第二積分開關共同耦接。
8. 如申請專利範圍第7項所述之感測裝置，其中該第二積分開關與該第三積分開關的導通關閉狀態相反，該第一、三積分開關的導通關閉狀態相同。
9. 一種電容式觸控裝置，包括：一電容式觸控板，具有多數個感測電容；以及一感測裝置，耦接該電容式觸控板，並分別偵測該電容式觸控板的各該感測電容的電容變化，包括：一參考電容模組；一開關模組，耦接該參考電容模組及該些感測電容，接收一控制信號、一第一參考電壓及一第二參考電壓，依據該控制信號使該參考電容模組及該些感測電容分別耦接該第一及第二參考電壓或使該參考電容模組耦接至該些感測電容的其中之一；一積分電路，具有第一、二輸入端，其第一輸入端耦接該參考電容模組與該些電容式觸控板的其中之一的共同耦接點，其第二輸入端接收一調整電壓，針對該參考電容模組及該些感測電容的其中之一所儲存的電荷量的一電荷差值來進行積分，並藉以獲得一積分結果；以及一控制電路，耦接該積分電路，在該些電容式觸控板未被觸碰時，依據該積分結果產生一電壓調整信號來調整該調整電壓。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電容式觸控裝置，其中該控制電路更包括在該些電容式觸控板未被觸碰時，依據該積分結果來控制各該開關單元的導通與否，以調整該參考電容模組的電容值。