TWI413781B - 取樣保持電路及其觸控感測裝置 - Google Patents

Description

取樣保持電路及其觸控感測裝置

本發明係為一種取樣保持電路，尤其是關於一種擷取電容式觸控感測器所產生之訊號之取樣保持電路及其觸控感測裝置。

圖一係為習知的自電容(self capacitance)式觸控感測器10在自我感測(self sensing)模式中的動作情形。觸控感測器10包含一複數組的相鄰平行導電軌101a、101b及101c，如圖一所示。在自我感測模式中，一取樣保持電路104與一觸發電壓源105在導電軌101b相連而平行導電軌101a及101c為斷路(open circuit)，而導電軌101a及101c對導電軌101b所產生之互感電容106a與106b在自感測的模式下可以忽略視之。然而當有外力觸壓於感測器10上對應導電軌101b之位置時，與該導電軌耦接的觸感電容器(touch capacitor) 103的電容值產生了變化，進而影響了觸感電容103。當自電容器102與觸感電容103之總和變化超過一個閾值(threshold)時，該取樣保持電路104即輸出一信號表示該觸控感測器10為外物所接觸。

同理，圖二係為習知的互電容(mutual capacitance)式觸控感測器20在交互感測(mutual sensor)模式中的動作情形。觸控感測器20仍包含一複數組的相鄰平行導電軌201a、201b及201c，如圖二所示。在交互感測模式中，一取樣保持電路204在導電軌201b相連而平行導電軌201a及201c分別與一觸發電壓源205a及205b相連。當有外力觸壓於感測器20上對應相鄰導電軌201a與201b之間位置時，觸感電容器203電容值產生變化，而導電軌201a與201b間的等效寄生電容202a與202b也產生變化。當寄生電容202a與202b變化超過一個閾值(threshold)時，該取樣保持電路204即輸出一信號表示該觸控感測器20為外物所接觸。

然而，不同架構條件下的觸控感測器往往需搭配特定規格的取樣保持電路，例如，當自電容器102或等效寄生電容202a與202b相對於取樣保持電路104或204的取樣電容過大或過小時，所述特定規格的取樣保持電路必需包含與不同架構條件下的觸控感測器之自電容器102或等效寄生電容202a與202b相對應特定電容值之電路設計，這樣就限制了取樣保持電路與觸控感測器的適用範圍。

本發明提供一種高相容性的取樣保持電路及其觸控感測裝置，該取樣保持電路，其係利用電容與電容式觸控感測器串聯的方式，以解決不同架構條件下的觸控感測器需搭配特定規格的取樣保持電路之問題，以增加取樣保持電路的適用範圍。

在一實施例中，本發明提供一種取樣保持電路，其係用以擷取一電容式觸控感測器所產生之訊號，該取樣保持電路包含：一比率電容，其係具有一第一端以及一第二端，該比率電容係以該第一端與該電容式觸控感測器串聯；以及一控制電路，其係與該第二端相耦接。

在另一實施例中，本發明提供一種觸控感測裝置，包含：一電容式觸控感測器；一取樣保持電路，其係與該電容式觸控感測器相耦接以輸出一擷取訊號，該取樣保持電路包括有一比率電容以及一控制電路，該比率電容，其係具有一第一端以及一第二端，該比率電容係以該第一端與該電容式觸控感測器串聯，該控制電路，其係與該第二端相耦接；以及一訊號處理器，其係與該取樣保持電路相耦接以處理該擷取訊號。

請參閱圖三A所示，該圖係為根據本發明之自電容感測電路實施例示意圖。該取樣保持電路30包括有一比率電容C1以及一控制電路300。該比率電容C1，其係具有一第一端301以及一第二端302。該控制電路300，其係與該比率電容C1之該第二端302相耦接。

該取樣保持電路30係可用以耦接至一電容式觸控感測器31上以形成一觸控感測裝置3。該取樣保持電路30，係用以擷取該電容式觸控感測器31所產生之訊號並進行處理與運算。該電容式觸控感測器31為自電容(self capacitance)式觸控感測器。自電容式觸控感測器之架構係為熟悉此項技術之人所熟知，如圖一所示之架構所示，因此本實施例中，僅以自電容器C2以及觸感電容器C3來表示。

該比率電容C1係以該第一端301與該電容式觸控感測器31串聯。由於，該比率電容C1之電容值比自電容器C2的電容值小，因此，當該比率電容C1與自電容器C2及觸碰感應之電容器C3串聯時，設計時自電容器C2之電容值將大於該比率電容C1之電容值，因此無論自電容器C2的規格如何變化，其二者之等效電容值便被箝制在該比率電容C1之電容值附近，因此能有效增加該取樣保持電路30的相容性。也就是說，不論該電容式觸控感測器31的規格如何變化，只要控制電路300與電容式觸控感測器31間串連電容C1，即可將等效電容值箝制在比率電容C1之電容值附近。如此一來，即可讓取樣保持電路30可以應用各種不同規格的電容式觸控感測器31。

在圖三A的實施例中，該控制電路300包括有一第一開關SW1、一第二開關SW2以及一交流，信號產生器Vc。該第一開關SW1以及該第二開端SW2之一端係共同耦接至比率電容C1的第二端302。而該第一開關SW1之另一端則耦接該交流信號產生器Vc。而第二開關SW2之另一端，其係為訊號輸出端，則耦接有一取樣電容器C4。該第一開關SW1與第二開關SW2的選擇係可以為任意類比式的開關，例如金氧半場效電晶體(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)，或者是運算放大器(operational amplifier)等元件所構成，其係為熟悉此項技術之人所熟知之元件，在此不作贅述。如圖三A中的開關控制表可以得知，藉由對該第一開關SW1與該第二開關SW2在不同時期(時期1與時期2)的開關控制，該取樣保持電路30可以對該電容式觸控感測器31進行訊號擷取，並進行訊號處理以判斷出觸碰位置。

如圖三B所示，該圖係為根據本發明之互電容感測電路實施例示意圖。在本實施例中，取樣保持電路41與電容式觸控感測器40構成一互電容觸控感測電路4。該電容式觸控感測器40，係屬於互電容式觸控感測器，其係以電容符號C5來表示。同樣地，該取樣保持電路41具有一比率電容C1以及一控制電路410。該比率電容C1係以一第一端42與該電容式觸控感測器40相串連。該控制電路410更包括有一第一開關組411以及一第二開關組412，其中該第一開關組411係具有一第一開關SW1以及一運算放大器4110，其係為具有電容C6的運算放大器。而第二開關組412也具有一第三開關SW1以及一第四開關SW2。同樣地，該第一、第三與第四開關係可選擇為任意類比式的開關。如圖三B中的開關控制表可以得知，藉由對該第一與第三開關SW1與該第二開關SW2在不同時期(時期1與時期2)的開關控制，該取樣保持電路41可以對該電容式觸控感測器40進行訊號擷取，由訊號輸出端44輸出訊號，並進行訊號處理以判斷出觸碰位置。請參閱圖四A至圖四C所示，該圖係為本發明之取樣保持電路示意圖，其中圖四A係為自感式取樣保持電路，而圖四B與圖四C係分別為不同之互感式取樣保持電路示意圖。其中在圖四A中的架構基本上與圖三A是相同的，在圖四A的架構中，其訊號輸出端303可以耦接任何的訊號處理電路，至於耦接甚麼樣的訊號處理電路實施例，容後再述。此外，根據圖四A之開關控制表可以得知，藉由對該第一開關SW1與該第二開關SW2在不同時期(時期1、時期2與時期3)的開關控制，該取樣保持電路30可以對該電容式觸控感測器31進行訊號擷取，並由訊號輸出端303輸出取樣訊號以進行訊號處理以判斷出觸碰位置。

請參閱圖四B所示，該比率電容C1之第二端43，與該第一開關組411相耦接，而該電容式觸控感測器40則與該第二開關組412相耦接。如圖四B中的開關控制表可以得知，藉由對該第一開關、第三開關SW1與該第二開關、第四開關SW2在不同時期(時期1與時期2)的開關控制，該取樣保持電路41可以對該電容式觸控感測器40進行訊號擷取。至於時期3則代表該訊號輸出端44耦接至不同的訊號處理元件時，而有不同的開關控制，並進行訊號處理以判斷出觸碰位置。如圖四C所示，本實施例基本上與圖四B類似，差異的是，在圖四C中的開關控制表，在每一時期的開關狀態與圖四B所示的開關控制狀態相反。

請參閱圖五所示，該圖係為本發明之觸控感測裝置第一實施例示意圖。該觸控感測裝置5包括有：一電容式觸控感測器50、一取樣保持電路51以及一訊號處理器52。該電容式觸控感測器50，係可為自電容或者是互電容式觸控感測器。該取樣保持電路51，其係與該電容式觸控感測器相耦接以輸出一擷取訊號，該取樣保持電路之結構係如圖四A至圖四C所示之電路架構，在此不作贅述。該訊號處理器52為一三角積分調變(Delta sigma)架構之類比數位轉換器，其係與該取樣保持電路相耦接以處理該擷取訊號。在圖五的實施例中，該訊號處理器52包括有一比較器520以及一類比數位轉換器(analog-to-digital converter,ADC) 521。該比較器520，其係與該取樣保持電路51之一訊號輸出端SOUT相耦接。該類比數位轉換器521，其係與該比較器520相耦接以接收該比較器520之輸出。其中，該比較器520的輸出經由一回授電容CI回授至該訊號輸出端SOUT，該類比數位轉換器521的輸出經由一數位類比轉換器(digital-to-analog converter,DAC) 522轉換後回授至該訊號輸出端SOUT。此外，該類比數位轉換器521更耦接有數位濾波器523以產生一數位輸出訊號。要說明的是，該訊號輸出端SOUT係指圖四A之訊號輸出端303與圖四B至圖四C中的訊號輸出端44。

在圖五之實施例中，當該電容式觸控感測器為如圖四A之自電容式觸控感測器時，在時期1時，SW1短路，SW2斷路，則對自電容器C2、觸感電容器C3與比率電容C1進行充電，然後在時期2時，由於第一開關SW1斷路，SW2短路，因此充飽的電荷便會與C3將由電荷守恆定律得到一電位輸入至類比數位轉換器521以及數位類比轉換器522內之電容器。如果當該電容式觸控感測器為如圖四B之互電容式觸控感測器時，則在時期1時，將SW1短路，SW2斷路，以先對比率電容C1與互電容器C5進行充電，然後在時期2時，由於第一開關SW1斷路，SW2短路，將電荷由該比率電容C1與互電容器C5由電荷守恆定律得到一電位輸入至類比數位轉換器521以及數位類比轉換器522之電容器。如果為圖四C之狀態時，則於時期1對互電容C5以及比率電容C1進行重置(reset)，然後再於時期2對互電容C5、比率電容C1以及類比數位轉換器521與數位類比轉換器522內之電容器進行充電。

如圖六所示，該圖係為本發明之觸控感測裝置第二實施例示意圖。該觸控感測裝置6包括有一取樣保持電路60、一電容式觸控感測器61以及一訊號處理器62。該電容式觸控感測器61，係可為自電容或者是互電容式觸控感測器。該取樣保持電路60，其係與該電容式觸控感測器61相耦接以輸出一擷取訊號，該取樣保持電路60之電路架構係如圖四A至圖四C所示之結構，在此不作贅述。圖六之取樣保持電路60之訊號輸出端SOUT耦合到訊號處理器62，其係更包括有一複數組的電容器620a~620n，且該複數組的電容器620a~620n與一複數組的開關621a~621n組成一電容式數位類比轉換器622。該電容式數位類比轉換器622進一步耦合到一反向器623，反向器623經由一開關624而形成一閉迴路而該反向器623的輸出進一步耦合到一分組及組合(segmentation and reassembly,SAR)邏輯電路625以進一步控制該電容式數位類比轉換器622。

要說明的是，如果該電容式觸控感測器61為如圖四A所示之自電容式觸控感測器時，首先在時期1時，SW1短路，SW2斷路，先對自電容器C2、觸感電容器C3與比率電容C1進行充電，然後在時期2時，由於第一開關SW1斷路，SW2短路，因此充飽的電荷便會與C3將由電荷守恆定律得到一電位輸入至數位類比轉換器622內之電容器。最後再於時期3進行位元轉換(bit-cycling)的動作，以完成一次訊號處理的程序。如果當該電容式觸控感測器為如圖四B之互電容式觸控感測器時，則在時期1時，先對比率電容C1與互電容器C5進行充電，然後在時期2時，將電荷由該比率電容C1與互電容器C5由電荷守恆定律得到一電位輸入至數位類比轉換器622之電容器。最後再於時期3進行位元轉換(bit-cycling)的動作。如果為圖四C之狀態時，則於時期1對互電容C5以及比率電容C1進行重置(reset)，然後再於時期2對互電容C5、比率電容C1以及數位類比轉換器622內之電容器進行充電。最後再於時期3進行位元轉換(bit-cycling)的動作。

請參閱圖七所示，該圖係為本發明之觸控感測裝置第三實施例示意圖。在本實施例中，該觸控感測裝置7包括有一電容式觸控感測器70、一取樣保持電路71以及一訊號處理器72。該電容式觸控感測器70，係可為自電容或者是互電容式觸控感測器。該取樣保持電路71，其係與該電容式觸控感測器70相耦接以輸出一擷取訊號，該取樣保持電路之結構係如圖四A至圖四C所示之結構，在此不作贅述。圖七之取樣保持電路71之訊號輸出端SOUT進一步耦合到該訊號處理電路72。本實施例中，該訊號處理電路72，係為一多級管線式電路，每一級管線式(pipeline)電路720進一步包含一數位類比轉換器721、類比數位轉換器722及一加法器723。該加法器723更耦接至下一級的管線式電路724，其細部結構係如管線式電路720所示，在此不作贅述。

要說明的是，如果該電容式觸控感測器70為如圖四A所示之自電容式觸控感測器時，首先在時期1時，先對自電容器C2、觸感電容器C3與比率電容C1進行充電，然後在時期2時，電荷便會與C3將由電荷守恆定律得到一電位輸入至數位類比轉換器721內之電容器。最後再於時期3由該類比數位轉換器722進行類比數位轉換，以完成一次訊號處理的程序。如果當該電容式觸控感測器為如圖四B之互電容式觸控感測器時，則在時期1時，先對比率電容C1與互電容器C5進行充電，然後在時期2時，將電荷由該比率電容C1與互電容器C5由電荷守恆定律得到一電位輸入至數位類比轉換器721之電容器。最後再於時期3由該類比數位轉換器722進行類比數位轉換。如果為圖四C之狀態時，則於時期1對互電容C5以及比率電容C1進行重置(reset)，然後再於時期2對互電容C5、比率電容C1以及數位類比轉換器721內之電容器進行充電。最後再於時期3由該類比數位轉換器722進行類比數位轉換。

如圖八所示，該圖係為本發明之取樣保持電路第四實施例示意圖。在本實施例中，該取樣保持電路8係為與互電容式觸控感測器耦接的實施例。該取樣保持電路8具有一比率電容C1以及一控制電路80。在該互電容器C5之一側串聯一比率電容C1。本實施例之特徵在於，代表該互電容式觸控感測器之互電容器C5的電容值變化經由該比率電容C1耦合至該控制電路80積分後輸出一類比訊號由該訊號輸出端81輸出。該控制電路80，其係進一步包含一運算放大器800、一回授電容CI以及一回授電阻RI，該運算放大器800之一電訊輸入端係與該比率電容C1之一端相耦接，該回授電容CI與回授電阻RI係相並聯，且其兩端分別與比率電容C1之一端以及該運算放大器800之輸出端相耦接。本實施例中該運算放大器800可除了兼具有開關的功能之外，更可以作為一微積分器。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例，當不能以之限制本發明範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。

10．．．自電容式觸控感測器

101a~101c．．．導電軌

102．．．自電容器

103．．．觸感電容器

104．．．取樣保持電路

105．．．電壓源

106a、106b．．．互感電容

20．．．互電容式觸控感測器

201a~201c．．．導電軌

202a、202b．．．寄生電容

203．．．觸感電容器

204．．．取樣保持電路

205a、205b．．．電壓源

3．．．觸控感測裝置

30．．．取樣保持電路

300．．．控制電路

301．．．第一端

302．．．第二端

303．．．訊號輸出端

31．．．電容式觸控感測器

4．．．觸控感測裝置

40．．．電容式觸控感測器

41．．．取樣保持電路

410．．．控制電路

411．．．第一開關組

4110．．．運算放大器

412．．．第二開關組

42．．．第一端

43．．．第二端

44．．．訊號輸出端

5．．．觸控感測裝置

50．．．電容式觸控感測器

51．．．取樣保持電路

52．．．訊號處理器

520．．．比較器

521．．．類比數位轉換器

522．．．數位類比轉換器

523．．．數位濾波器

6．．．觸控感測裝置

60．．．電容式觸控感測器

61．．．取樣保持電路

620a~620n．．．電容器

621a~621n．．．開關

622．．．數位類比轉換器

623．．．反向器

624．．．開關

625．．．邏輯電路

7．．．觸控感測裝置

70．．．電容式觸控感測器

71．．．取樣保持電路

72．．．控制電路

720．．．管線式電路

721．．．數位類比轉換器

722．．．類比數位轉換器

723．．．加法器

724．．．下一級管線式電路

8．．．取樣保持電路

80．．．控制電路

800．．．運算放大器

81．．．訊號輸出端

C1．．．比率電容

C2．．．自電容器

C3．．．觸感電容器

C4．．．取樣電容器

C5．．．互電容器

CI．．．回受電容

Vc．．．交流信號產生器

RI．．．回受電阻

SW1．．．第一開關

SW2．．．第二開關

圖一與圖二係為習知的電容式觸控感測器動作示意圖。

圖三A係為根據本發明之自電容感測電路實施例示意圖。

圖三B係為根據本發明之互電容感測電路實施例示意圖。

圖四A至圖四C係為本發明之不同類型取樣保持電路示意圖。

圖五係為本發明之觸控感測裝置第一實施例示意圖。

圖六係為本發明之觸控感測裝置第二實施例示意圖。

圖七係為本發明之觸控感測裝置第三實施例示意圖。

圖八係為本發明之取樣保持電路第四實施例示意圖。

3．．．觸控感測裝置

30．．．取樣保持電路

300．．．控制電路

301．．．第一端

302．．．第二端

303．．．訊號輸出端

31．．．電容式觸控感測器

C1．．．比率電容

C2．．．自電容器

C3．．．觸感電容器

C4．．．取樣電容器

Vc．．．交流信號產生器

SW1．．．第一開關

SW2．．．第二開關

Claims (10)

1. 一種取樣保持電路，其係用以擷取一電容式觸控感測器所產生之訊號，該取樣保持電路包含：一比率電容，其係具有一第一端以及一第二端，該比率電容係以該第一端與該電容式觸控感測器串聯；以及一控制電路，其係與該第二端相耦接。
2. 如申請專利範圍第1項之取樣保持電路，其中該控制電路更包括有一運算放大器、一回授電容以及一回授電阻，該運算放大器之一電訊輸入端係與該第二端相耦接，該回授電容與回授電阻係相並聯，且其兩端分別與該第二端以及該運算放大器之輸出端相耦接。
3. 如申請專利範圍第1項之取樣保持電路，其中該控制電路更包括有：一第一開關；一第二開關；以及其中，該第一開關與該第二開關係相耦合於該第二端。
4. 如申請專利範圍第1項之取樣保持電路，其中該控制電路更包括有一第一開關組以及一第二開關組，其中該第一開關組係具有一第一開關以及一第二開關，該第一開關與該第二開關係相耦合於該第二端，該第二開關組距有一第三開關以及一第四開關，其係與該電容式觸控感測器相耦接。
5. 一種觸控感測裝置，包含：一電容式觸控感測器；一取樣保持電路，其係與該電容式觸控感測器相耦接以輸出一擷取訊號，該取樣保持電路包括有一比率電容以及一控制電路，該比率電容，其係具有一第一端以及一第二端，該比率電容係以該第一端與該電容式觸控感測器串聯，該控制電路，其係與該第二端相耦接；以及一訊號處理器，其係與該取樣保持電路相耦接以處理該擷取訊號。
6. 如申請專利範圍第5項之觸控感測裝置，其中該電容式觸控感測器係為自電容式觸控感測器，該控制電路更包括有：一第一開關；一第二開關；以及其中，該第一開關與該第二開關係相耦合於該第二端。
7. 如申請專利範圍第5項之觸控感測裝置，其中該電容式觸控感測器係為互電容式觸控感測器，該控制電路更包括有一第一開關組以及一第二開關組，其中該第一開關組係具有一第一開關以及一第二開關，該第一開關與該第二開關係相耦合於該第二端，該第二開關組距有一第三開關以及一第四開關，其係與該電容式觸控感測器相耦接。
8. 如申請專利範圍第5項之觸控感測裝置，其中該訊號處理器係更包括有：一電容式數位類比轉換器，其係與該具有複數組電容器，以及分別與該複數組電容器以及該取樣保持電路之一訊號輸出端相耦接之複數組開關；一反向器，其係與該電容式數位類比轉換器相耦接；以及一分組及組合邏輯電路，其係分別與該反向器以及該電容式數位類比轉換器相耦接，該分組及組合邏輯電路係控制該電容式數位類比轉換器。
9. 如申請專利範圍第5項之觸控感測裝置，其中該訊號處理器係更包括有：一比較器，其係與該取樣保持電路之一訊號輸出端相耦接；以及一類比數位轉換器，其係與該比較器相耦接以接收該比較器之輸出；其中該比較器的輸出經由一回授電容回授至該訊號輸出端，該類比數位轉換器的輸出經由一數位類比轉換器轉換後回授至該訊號輸出端。
10. 如申請專利範圍第5項之觸控感測裝置，其中該訊號處理器係為一多級管線式電路，其係與該取樣保持電路之一訊號輸出端相耦接，每一級級管線式電路進一步包含一數位類比轉換器、類比數位轉換器及一加法器。