TWI433015B - 電容偵測電路 - Google Patents

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TWI433015B
TWI433015B TW099106596A TW99106596A TWI433015B TW I433015 B TWI433015 B TW I433015B TW 099106596 A TW099106596 A TW 099106596A TW 99106596 A TW99106596 A TW 99106596A TW I433015 B TWI433015 B TW I433015B
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Ke Horng Chen
Shih Wei Wang
Chi Lin Chen
Chih Chung Chen
Chia Lin Liu
Huai An Li
Chi Neng Mo
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Chunghwa Picture Tubes Ltd
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Description

電容偵測電路
本發明相關於一種電容偵測電路，尤指一種應用於觸控式面板上且具自我修正偵測範圍功能之電容偵測電路。
液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)具有輕薄短小的優點，已逐漸取代傳統體積龐大之陰極射線管(cathode ray tube,CRT)顯示器，而廣泛地應用在各類型電子產品。隨著電子產品的尺寸的微型化，產品上已無足夠空間容納如鍵盤或滑鼠等傳統輸入裝置，因此結合觸控輸入與顯示功能的觸控式面板(touch panel)是目前最熱門的輸入技術。觸控式面板種類繁多，主要分為電阻式、電容式、超音波式以及紅外線感測式等，其中電容式觸控技術之運作原理係於人體或觸控筆與觸控面板接觸時，利用一電容偵測電路來感測因靜電結合所產生之電容變化以求出觸碰位置。
先前技術之電容偵測電路一般使用類比電容偵測電路來偵測面板之感測電容CSENSE ，再利用一計數器來求出相對應之數位訊號。感測電容CSENSE 包含面板本身的雜散電容CPANEL 以及因觸碰動作所造成的觸碰電容CFINGER 。由於面板的體積一般會隨著解析度而增加，其雜散電容CPANEL 也會變大，當手指觸碰到面板時，所增加的觸碰電容CFINGER 變化相對於整片面板之雜散電容CPANEL 來說，就會變得相當微不足道，亦即CPANEL >>CFINGER 。而操作環境中其它雜訊所造成的電容變化也往往遠大於觸碰電容CFINGER 之變化，因此先前技術之電容偵測電路並無法有效提升電容偵測的準確度。另一方面，為了增加觸控準確度，一般會將電容的輸入範圍值設計在電容偵測電路之最佳線性區內。然而，濕度、溫度、外部環境、製程或元件老化等因素都可能改變電容的輸入範圍值，若超過電容偵測電路之最佳線性區則會進入電路的非線性部分，使得解析度大大的減低。
為克服先前技術之缺點，本發明提供一種具自我修正偵測範圍功能之電容偵測電路，其包含一類比電容偵測電路，其依據一充電電流來偵測一面板之觸碰電容，並將偵測到之電容值轉換成一波寬調變控制訊號；一波寬調變轉數位電路，其依據一時脈訊號來將該波寬調變控制訊號轉換為一量測計數值；以及一自我修正計數器，其依據該量測計數值之範圍和一預定偵測範圍之間的差異來調整該充電電流或該時脈訊號，進而調整該預定偵測範圍以使其符合該量測計數值之範圍，以保持解析度不會減低。
請參考第1a和1b圖，第1a圖為本發明第一實施中一電容偵測電路10a之示意圖，而第1b圖為本發明第二實施中一電容偵測電路10b之示意圖。電容偵測電路10a包含一類比電容偵測電路200、一波寬調變(pulse width modulation,PWM)轉數位電路300a，以及一自我修正計數器(self-calibration counter) 500a；電容偵測電路10b包含一類比電容偵測電路200、一波寬調變轉數位電路300b，以及一自我修正計數器500b。電容偵測電路10a和10b皆利用類比電容偵測電路200來偵測一面板20之感測電容CSENSE ，並將偵測到之電容值轉換成一波寬調變控制訊號PWM。如前所述，感測電容CSENSE 包含面板20本身的雜散電容CPANEL 以及因觸碰動作所造成的觸碰電容CFINGER 。波寬調變轉數位電路300a和300b皆可將類比電容偵測電路200傳來之波寬調變控制訊號PWM轉換為一數位量測計數值NSENSE ，其結構和運作在說明書後續內容將會有詳細描述。
在本發明第一實施例之電容偵測電路10a中，自我修正計數器500a包含一輸入範圍校正器400和一數位控制電流源700。依據量測計數值NSENSE 之值，輸入範圍校正器400可輸出對應於觸碰動作之數位訊號DN 至後級電路(例如一數位訊號處理器)。同時，電容偵測電路10a亦能儲存和判斷電容偵測範圍，並依此產生一相對應之範圍轉換比率K以調整數位控制電流源700輸出之充電電流IM ，進而調整整體波寬時間長度以提供最佳化之電容偵測範圍。
在本發明第二實施例之電容偵測電路10b中，自我修正計數器500b包含一輸入範圍校正器400和一數位控制震盪器(digital control oscillator)800。依據量測計數值NSENSE 之值，輸入範圍校正器400可輸出對應於觸碰動作之數位訊號DN 至後級電路(例如一數位訊號處理器)。同時，電容偵測電路10b亦能儲存和判斷電容偵測範圍，並依此調整數位控制震盪器800輸出之時脈訊號CK，進而調整整體取樣時脈以提供最佳化之電容偵測範圍。
請參考第2圖，第2圖為本發明實施例中類比電容偵測電路200之示意圖。類比電容偵測電路200包含開關QN1～QN3以及一比較器CMP。開關QN1依據比較器CMP所產生之波寬調變控制訊號PWM來運作，而開關QN2和QN3分別依據時脈訊號SG2和SG3來運作，其中波寬調變控制訊號PWM之責任週期(duty cycle)由一偵測電壓VRAMP 來決定，而時脈訊號SG2和SG3具相反相位。開關QN1～QN3可為金氧半導體(metal-oxide-semiconductor,MOS)電晶體開關，或其它具類似功能之元件，第2圖之實施例以NMOS電晶體開關來做說明。依據其控制端接收到之波寬調變控制訊號PWM，開關QN1可選擇性地將其第一端接收到充電電流IM 傳送到其第二端。開關QN2之第一端耦接至開關QN1之第二端，第二端耦接至面板20，可依據其控制端接收到之時脈訊號SG2來控制充電電流IM 對面板20的充電路徑。開關QN3之第一端耦接至面板20，第二端耦接至一負偏壓VSS，可依據其控制端接收到之時脈訊號SG3來控制面板20的放電路徑。比較器CMP於其第一輸入端接收一參考電壓VREF ，其第二輸入端耦接於開關QN1之第二端，其輸出端耦接於開關QN1之控制端。
充電電流IM 可由數位控制電流源700來提供，其值為可調整，如第1a圖所示之電容偵測電路10a；或者，充電電流IM 可由一定電源來提供，其值為固定，如第1b圖所示之電容偵測電路10b。當波寬調變控制訊號PWM和時脈訊號SG2具高電位時，充電電流IM 可透過導通之開關QN1和QN2來對面板20充電，偵測電壓VRAMP 之準位亦隨之提升。當偵測電壓VRAMP 之值超過一參考電壓VREF 時，比較器CMP輸出之波寬調變控制訊號PWM會由高電位切換至低電位，進而關閉開關QN1。接著，時脈訊號SG3會切換至高電位，面板20之電容內存能量可透過導通之開關QN3來放電至負偏壓VSS。若以TON 來代表波寬調變控制訊號PWM在一週期內具高電位的時間(亦即開關QN1之導通時間)，面板20之充電過程可由下列公式來表示：
IM *TON =CSENSE *VREF =(CFINGER +CPANEL )*VREF 亦即TON =(CFINGER +CPANEL )/IM 　(1)
請參考第3a和3b圖，第3a圖為本發明第一實施例中波寬調變轉數位電路300a之示意圖，而第3b圖為本發明第二實施例中波寬調變轉數位電路300b之示意圖。第一實施例之波寬調變轉數位電路300a包含一相位調整單元310和一累加器320。相位調整單元310可產生一具特定觸發起始點和頻率fCLK 之時脈訊號CK。累加器320可接收類比電容偵測電路200傳來之波寬調變控制訊號PWM，並在被時脈訊號CK觸發時偵測波寬調變控制訊號PWM之值，若波寬調變控制訊號PWM具高電位，累加器會將輸出之量測計數值NSENSE 加1。第二實施例之波寬調變轉數位電路300b包含一累加器320。累加器320可接收類比電容偵測電路200傳來之波寬調變控制訊號PWM和自我修正計數器500b傳來之時脈訊號CK，並在被時脈訊號CK觸發時偵測波寬調變控制訊號PWM之值，若波寬調變控制訊號PWM具高電位，累加器會將輸出之量測計數值NSENSE 加1。
請參考第4a和4b圖，第4a圖為本發明第一實施例中波寬調變轉數位電路300a運作時之示意圖，而第4b圖為本發明第二實施例中波寬調變轉數位電路300b運作時之示意圖。第4a和4b圖顯示了偵測電壓VRAMP 、波寬調變控制訊號PWM和時脈訊號CK之波形，以及量測計數值NSENSE 之值。由於面板20本身無可避免地存在有寄生電容CPANEL ，即使在未發生觸碰時，類比電容偵測電路200輸出之波寬調變控制訊號PWM會對應至一基本計數值NBASELINE ；在發生觸碰時，類比電容偵測電路200輸出之波寬調變控制訊號PWM會對應至一量測計數值NSENSE 。基本計數值NBASELINE 和量測計數值NSENSE 如下所示：
依據公式(2)和公式(3)可求出對應實際觸碰行為之實際計數值ΔN，其值如下所示：
如公式(1)所示，每一週期內在開關QN1開啟時之計數時間(例如TON 、TON1 ～TON3 )，其長短由是否發生觸碰行為和發生觸碰行為的時間長短來決定。如公式(3)所示，量測計數值NSENSE 和充電電流IM 成反比，和時脈訊號CK之觸發頻率fCLK 成正比。本發明依據實際計數值ΔN來調整電容偵測範圍(在說明書後續內容中會有更詳細說明)，其中第一實施例之電容偵測電路10a係透過自我修正計數器500a來調整充電電流IM 之值以改變計數時間TON1 ～TON3 (如第4a圖所示)，進而調整電容偵測範圍；第二實施例之電容偵測電路10b係透過自我修正計數器500b來調整時脈訊號CK的週期以使頻率fCLK1 ～fCLK3 彼此不同(如第4b圖所示)，進而調整電容偵測範圍。
請參考第5a和5b圖，第5a圖為本發明第一實施例中自我修正計數器500a之示意圖，而第5b圖為本發明第二實施例中自我修正計數器500b之示意圖。自我修正計數器500a和500b之輸入範圍校正器400皆包含一減法器410、一比較器420、一最大值暫存器430、一最小值暫存器440、一範圍調整電路450，和一計數器460。
減法器410可將波寬調變轉數位電路300a或300b傳來之量測計數值NSENSE 減去基本計數值NBASELINE ，進而得到對應至觸碰動作之實際計數值ΔN。最大值暫存器430和最小值暫存器440內分別存有先前電容偵測時所得到所有結果中之最大計數值NMAX 和最小計數值NMIN ，最大計數值NMAX 和最小計數值NMIN 之間即為目前電容之預定偵測範圍。比較器420會將目前實際計數值ΔN和先前存於最大值暫存器430之最大計數值NMAX 作比較，以及和先前存於最小值暫存器440內之最小計數值NMIN 作比較；若實際計數值ΔN之範圍相當於預定偵測範圍，此時範圍調整電路450會依據實際計數值ΔN來控制數位控制電流源700或數位控制震盪器800；若實際計數值ΔN之範圍大於預定偵測範圍，此時範圍調整器450會將實際計數值ΔN乘上一範圍轉換比率K(K<1)，再依據範圍轉換比率K來控制數位控制電流源700(增加充電電流IM 之值)或數位控制震盪器800(降低時脈訊號CK的頻率)；若實際計數值ΔN之範圍小於預定偵測範圍，此時範圍調整器450會將實際計數值ΔN乘上一範圍轉換比率K(K>1)，再依據範圍轉換比率K來控制數位控制電流源700(降低充電電流IM 之值)或數位控制震盪器800(增加時脈訊號CK的頻率)。另一方面，本發明可利用計數器460來設定一調整週期Tadj ，例如若將調整週期Tadj 設為100，範圍調整器450在每接收到100次實際計數值ΔN後才會進行調整，如此可避免過於頻繁地改變電容偵測範圍。
請參考第6a～6c圖，第6a～6c圖為本發明實施例中自我修正計數器500a和500b運作時之示意圖。在第6a～6c圖所示之實施例中，假設最大計數值NMAX 和最小計數值NMIN 分別為1023和0，TTOUCH 代表發生觸碰行為的期間。在第6a圖所示之實施例中，由於實際計數值ΔN在預定範圍內，範圍調整器450會依據目前實際計數值ΔN來控制數位控制電流源700或數位控制震盪器800。在第6b圖所示之實施例中，假設實際計數值ΔN之範圍為116～749，亦即在可用偵測範圍內0～115和750～1023的區間皆無法利用，此時範圍調整器450會將原實際計數值ΔN之範圍放大至0～1023，進而提供最佳化之電容偵測範圍。在第6c圖之實施例中，假設實際計數值ΔN之範圍為0～1682，亦即原偵測範圍並無法包含1024～1682的區間，此時範圍調整器450會將原實際計數值ΔN之範圍縮小至0～1023進而提供最佳化之電容偵測範圍。
請參考第7圖，第7圖為本發明實施例中數位控制電流源700之示意圖。數位控制電流源700包含兩電晶體開關QPL和QPR、一電容CIN 、一參考電流源IM ，以及一電流調整電路750。電晶體開關QPL和QPR可為PMOS電晶體開關或其它具類似功能之元件，其導通電流分別由IM 和IM ’來表示。
電流調整電路750包含複數個電晶體開關QP1～QPn所組成之電流鏡，可分別複製電晶體開關QPL之導通電流IM 以提供不同倍數之電流值，再分別透過開關SW1～SWn耦接相加電流至電容CIN 。換而言之，電流IM ’中一部分電流由電晶體開關QPR來提供，其它部分則為電晶體開關QP1～QPn複製電晶體開關QPL之導通電流IM 後所提供之電流值加總。電晶體開關QP1～QPn可為PMOS電晶體開關或其它具類似功能之元件。開關SW1～SWn之運作由範圍調整器400來控制，導通開關SW1～SWn的數目越多，電流IM ’之值越大：若實際計數值ΔN之範圍小於預定範圍，本發明會減少導通開關SW1～SWn之數目以降低充電電流IM ’之值，如此電容之充電時間會加長，因此會增加計數時間以放大電容偵測範圍；若實際計數值ΔN之範圍大於預定範圍，本發明會增加導通開關SW1～SWn之數目以提高充電電流IM ’之值，如此電容之充電時間會變短，因此會減少計數時間以縮小電容偵測範圍。
綜上所述，若電容的輸入範圍值因濕度、溫度、外部環境、製程或元件老化等因素而產生改變，以至於無法有效地運用目前電容偵測範圍時，本發明可依據電容輸入值之變動來調整並更新電容偵測範圍，讓電容偵測範圍維持在電路的最佳線性區間內，因此能提高觸控式面板的準確度。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
20．．．面板
200．．．類比電容偵測電路
310．．．相位調整單元
400．．．輸入範圍校正器
320．．．累加器
700．．．數位控制電流源
410．．．減法器
800．．．數位控制震盪器
420．．．比較器
750．．．電流調整電路
430．．．最大值暫存器
440．．．最小值暫存器
450．．．範圍調整電路
CMP．．．比較器
460．．．計數器
VDD、VSS．．．偏壓
CSENSE ．．．感測電容
CPANEL ．．．雜散電容
CFINGER ．．．觸碰電容
CIN ．．．電容
IM ．．．充電電流
NSENSE ．．．數位量測計數值
K．．．範圍轉換比率
PWM．．．波寬調變控制訊號
DN ．．．數位訊號
NBASELINE ．．．基本計數值
CK．．．時脈訊號
VDD、VSS．．．偏壓
VREF ．．．參考電壓
VRAMP ．．．偵測電壓
10a、10b．．．電容偵測電路
300a、300b．．．波寬調變轉數位電路
500a、500b．．．自我修正計數器
TON 、TON1 ～TON3 ．．．計數時間
SW1～SWn、QN1～QN3、QP1～QPn、QPL、QPR．．．開關
第1a和1b圖為本發明實施中電容偵測電路之示意圖。
第2圖為本發明實施例中類比電容偵測電路之示意圖。
第3a和3b圖為本發明實施例中波寬調變轉數位電路之示意圖。
第4a和4b圖為本發明實施例中波寬調變轉數位電路運作時之示意圖。
第5a和5b圖為本發明實施例中自我修正計數器之示意圖。
第6a～6c圖為本發明實施例中自我修正計數器運作時之示意圖。
第7圖為本發明實施例中數位控制電流源之示意圖。
20．．．面板
10a．．．電容偵測電路
200．．．類比電容偵測電路
400．．．輸入範圍校正器
300a．．．波寬調變轉數位電路
500a．．．自我修正計數器
700．．．數位控制電流源
CSENSE ．．．感測電容
CPANEL ．．．雜散電容
CFINGER ．．．觸碰電容
PWM．．．波寬調變控制訊號
NSENSE ．．．數位量測計數值
K．．．範圍轉換比率
IM ．．．充電電流
DN ．．．數位訊號

Claims (8)

  1. 一種電容偵測電路，其包含：一類比電容偵測電路，其依據一充電電流來偵測一面板之觸碰電容，並將偵測到之電容值轉換成一波寬調變(pulse width modulation,PWM)控制訊號，該類比電容偵測電路係包含：一第一開關，其依據該波寬調變控制訊號來運作，且包含：一第一端，用來接收該充電電流；一第二端；以及一控制端，用來接收該波寬調變控制訊號；一第二開關，其依據一第一控制訊號來運作，且包含：一第一端，耦接於該第一開關之第二端；一第二端，耦接於該面板以提供對應於該觸碰電容之一偵測電壓；以及一控制端，用來接收該第一控制訊號；一第三開關，其依據一第二控制訊號來運作，且包含：一第一端，耦接於該第二開關之第二端；一第二端，耦接於一負偏壓；以及一控制端，用來接收該第二控制訊號，其中該 第一和第二控制訊號彼此反相；以及一比較器，用來依據該偵測電壓和一參考電壓之差值來產生該波寬調變控制訊號，該比較器包含：一第一輸入端，用來接收該參考電壓；一第二輸入端，耦接於該第二開關之第一端；以及一輸出端，耦接於該第一開關之控制端，用來輸出該波寬調變控制訊號；一波寬調變轉數位電路，其依據一時脈訊號來將該波寬調變控制訊號轉換為一量測計數值；以及一自我修正計數器(self-calibration counter)，其依據該量測計數值之範圍和一預定偵測範圍之間的差異來調整該充電電流或該時脈訊號，進而調整該預定偵測範圍以使其符合該量測計數值之範圍，該自我修正計數器係包含：一輸入範圍校正器，其依據該量測計數值和該預定範圍之間的差異來產生一範圍轉換比率，該輸入範圍校正器係包含：一減法器，用來將該量測計數值減去對應於該面板寄生電容之一基本計數值，進而提供一相對應之實際計數值；一最大值暫存器，用來儲存對應於該預定偵測 範圍上限之一最大計數值；一最小值暫存器，用來儲存對應於該預定偵測範圍下限之一最小計數值；一比較器，用來比較該實際計數值、該最大計數值和該最小計數值以判斷該量測計數值之範圍和該預定偵測範圍之間的差異；以及一範圍調整電路，用來在該量測計數值之範圍超出該預定偵測範圍時，透過輸出該範圍轉換比率以使該數位控制電流源增加該充電電流之值，或是在該量測計數值小於該預定範圍時，透過輸出該範圍轉換比率以使該數位控制電流源降低該充電電流之值；以及一數位控制電流源，用來產生該充電電流並依據該範圍轉換比率來調整該充電電流之值。
  2. 如請求項1所述之電容偵測電路，其中該輸入範圍校正器係另包含：一計數器，用來控制該範圍調整電路之工作週期。
  3. 如請求項1所述之電容偵測電路，其中該波寬調變轉數位電路係包含：一相位調整單元，用來產生該時脈訊號；以及一累加器，用來接收該類比電容偵測電路傳來之該波寬 調變控制訊號和該相位調整單元傳來之該時脈訊號，在被該時脈訊號觸發時偵測該波寬調變控制訊號之值，並在該波寬調變控制訊號具一特定電位時增加該量測計數值。
  4. 如請求項1所述之電容偵測電路，其中該波寬調變轉數位電路係包含：一累加器，用來接收該類比電容偵測電路傳來之該波寬調變控制訊號和該自我修正計數器傳來之該時脈訊號，在被該時脈訊號觸發時偵測該波寬調變控制訊號之值，並在該波寬調變控制訊號具一特定電位時增加該量測計數值。
  5. 一種電容偵測電路，其包含：一類比電容偵測電路，其依據一充電電流來偵測一面板之觸碰電容，並將偵測到之電容值轉換成一波寬調變(pulse width modulation,PWM)控制訊號，該類比電容偵測電路係包含：一第一開關，其依據該波寬調變控制訊號來運作，且包含：一第一端，用來接收該充電電流；一第二端；以及一控制端，用來接收該波寬調變控制訊號； 一第二開關，其依據一第一控制訊號來運作，且包含：一第一端，耦接於該第一開關之第二端；一第二端，耦接於該面板以提供對應於該觸碰電容之一偵測電壓；以及一控制端，用來接收該第一控制訊號；一第三開關，其依據一第二控制訊號來運作，且包含：一第一端，耦接於該第二開關之第二端；一第二端，耦接於一負偏壓；以及一控制端，用來接收該第二控制訊號，其中該第一和第二控制訊號彼此反相；以及一比較器，用來依據該偵測電壓和一參考電壓之差值來產生該波寬調變控制訊號，該比較器包含：一第一輸入端，用來接收該參考電壓；一第二輸入端，耦接於該第二開關之第一端；以及一輸出端，耦接於該第一開關之控制端，用來輸出該波寬調變控制訊號；一波寬調變轉數位電路，其依據一時脈訊號來將該波寬調變控制訊號轉換為一量測計數值；以及一自我修正計數器(self-calibration counter)，其依據該 量測計數值之範圍和一預定偵測範圍之間的差異來調整該充電電流或該時脈訊號，進而調整該預定偵測範圍以使其符合該量測計數值之範圍，該自我修正計數器係包含：一輸入範圍校正器，其依據該量測計數值和該預定範圍之間的差異來產生一範圍轉換比率，該輸入範圍校正器係包含一減法器，用來將該量測計數值減去對應於該面板寄生電容之一基本計數值，進而提供一相對應之實際計數值；一最大值暫存器，用來儲存對應於該預定偵測範圍上限之一最大計數值；一最小值暫存器，用來儲存對應於該預定偵測範圍下限之一最小計數值；一比較器，用來比較該實際計數值、該最大計數值和該最小計數值以判斷該量測計數值之範圍和該預定偵測範圍之間的差異；以及一範圍調整電路，用來在該量測計數值之範圍超出該預定偵測範圍時，透過輸出該範圍轉換比率以使該數位控制電流源增加該充電電流之值，或是在該量測計數值小於該預定範圍時，透過輸出該範圍轉換比率以 使該數位控制電流源降低該充電電流之值；以及一數位控制震盪器，其依據該範圍轉換比率來產生該時脈訊號並調整該時脈訊號之頻率。
  6. 如請求項5所述之電容偵測電路，其中該波寬調變轉數位電路係包含：一相位調整單元，用來產生該時脈訊號；以及一累加器，用來接收該類比電容偵測電路傳來之該波寬調變控制訊號和該相位調整單元傳來之該時脈訊號，在被該時脈訊號觸發時偵測該波寬調變控制訊號之值，並在該波寬調變控制訊號具一特定電位時增加該量測計數值。
  7. 如請求項5所述之電容偵測電路，其中該波寬調變轉數位電路係包含：一累加器，用來接收該類比電容偵測電路傳來之該波寬調變控制訊號和該自我修正計數器傳來之該時脈訊號，在被該時脈訊號觸發時偵測該波寬調變控制訊號之值，並在該波寬調變控制訊號具一特定電位時增加該量測計數值。
  8. 如請求項5所述之電容偵測電路，其中該輸入範圍校 正器係另包含：一計數器，用來控制該範圍調整電路之工作週期。
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