TWI511009B - 觸控感應系統及用於互電容量測之電路及方法 - Google Patents

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Description

觸控感應系統及用於互電容量測之電路及方法
本文所揭示之標的大體上係關於電容觸控感應器，且更特定而言，本文所揭示之標的係關於一種用於偵測一觸控位置之投射式電容觸控感應器電路。
投射式電容觸控感應器通常包含其上安置用於感應一觸控位置之電極之一基板。該基板可為一耐用玻璃，其具有高透光性以觀看由一下伏顯示裝置(其顯示諸如圖形按鈕及圖標之影像)顯示之影像。當一使用者在對應於顯示於該顯示裝置上之一所要選擇之一位置處(例如)用一手指或一觸控筆觸控該基板之外表面時，藉由感應該等電極之間之電容變化而判定該位置。
在一些投射式電容觸控感應器中，電極配置成電極列及電極行。該等列及行經由一絕緣層而彼此電性隔離。藉由以一方波信號(即，驅動脈衝)驅動一第一定向之電極(例如行電極或驅動電極)而判定一觸控位置。歸因於行電極與列電極之間存在互電容耦合，耦合至另一定向之電極(例如水平電極或感應電極)之感應電路量測電極之間之電流。電流量與互電容值直接成比例，且因此促進互電容之判定。當一使用者在交叉點附近觸控基板時，一行電極與一列電極之交叉點之間之互電容將改變。
用於量測互電容之典型感應電路藉由將感應電極重複切換至一 類比積分器電路之一輸入而操作，該類比積分器電路包含具有一回饋電路之一放大器，該回饋電路包含將放大器輸出耦合至放大器輸入之一電容器。此一電路通常包括一開關，其恰好在使驅動電極驅動之驅動脈衝之各下降緣之前將積分器之輸入耦合至感應電極且接著恰好在各上升緣之前解耦以便僅對單極性信號進行積分。接著，積分器之輸出被數位化且經數位化之值用於判定是否已發生一觸控及何處已發生一觸控。
然而，積分器之輸入處之開關之寄生電容之相對量值大於電極之間之互電容(其通常被量測為1皮法之幾分之一)之相對量值。為克服由寄生電容導致之影響，在可準確判定一觸控位置之前執行諸多積分週期。例如，積分器可在兩百個或兩百個以上週期內對感應電極上所量測之信號進行積分，對於具有200kHz之一頻率之一驅動脈衝，其可花費1毫秒或更多時間。用於作出一判定之時間長度隨必須量測之電極之數目增加而增加，相對於用在行動裝置中之較小pCap顯示器，該時間長度會影響使用者對通常具有諸多待量測電極之相對較大顯示器之體驗。
在一第一態樣中，一種用於量測安置於一基板上之電極之間之一互電容之電路包含：一驅動電路，其經組態以產生一週期脈衝且將該脈衝傳送至一驅動電極；及一感應電路，其經組態以在該驅動電極與一感應電極之間之一交叉點處量測該驅動電極與該感應電極之間之一互電容。該感應電路包含：一積分器電路，其具有與該感應電極連續電連通之一輸入區段；及一開關電路，其具有與該積分器電路之一輸出電連通之一輸入及與一類比至數位轉換器(ADC)電連通之一輸出。該開關操作以在該脈衝之一下降緣之前的一第一時間處及該脈衝之一上升緣之前的一第二時間處將該積分器電路之一輸出信號即時傳 送至該類比至數位轉換器以藉此對該輸出信號之一最大值及一最小值進行取樣。該感應電路亦包含計算邏輯，其經組態以判定該最大值與該最小值之間之一差值以藉此判定該驅動電極與該感應電極之間之一互電容。
在一第二態樣中，一種用於量測安置於一基板上之電極之間之一互電容之方法包含：產生一週期脈衝；將該脈衝傳送至一驅動電極；及在該驅動電極與一感應電極之間之一交叉點處量測該驅動電極與該感應電極之間之一互電容。量測進一步包含：連續地對來自該感應電極之一感應信號進行積分以藉此產生一積分感應信號；在該脈衝之一下降緣之前的一第一時間處及該脈衝之一上升緣之前的一第二時間處對該積分感應信號進行週期性取樣以藉此對該積分感應信號之一最大值及一最小值進行取樣；將該最大值及該最小值數位化；及判定該最大值與該最小值之間之一差值以藉此判定該驅動電極與該感應電極之間之一互電容。
在一第三態樣中，一種觸控感應系統包含其上已安置複數個驅動電極及複數個感應電極之一基板及用於判定一觸控之一位置之一電路。該電路包含：一驅動電路，其經組態以產生一週期脈衝且將該脈衝傳送至一驅動電極；及一感應電路，其經組態以在該驅動電極與一感應電極之間之一交叉點處量測該驅動電極與該感應電極之間之一互電容。該感應電路包含：一積分器電路，其具有與該感應電極連續電連通之一輸入區段；及一開關電路，其具有與該積分器電路之一輸出電連通之一輸入及與一類比至數位轉換器電連通之一輸出。該開關操作以在該脈衝之一下降緣之前的一第一時間處及該脈衝之一上升緣之前的一第二時間處將該積分器電路之一輸出信號即時傳送至該類比至數位轉換器以藉此對該輸出信號之一最大值及一最小值進行取樣。該感應電路亦包含計算邏輯，其經組態以判定該最大值與該最小值之間 之一差值以藉此判定該驅動電極與該感應電極之間之一互電容。
100‧‧‧電容觸控感應裝置
107‧‧‧箭頭
110‧‧‧感應電極
115‧‧‧驅動電路/交叉點
117‧‧‧方波/方波驅動脈衝
120‧‧‧感應電路
205‧‧‧積分器電路
210‧‧‧開關電路
215‧‧‧處理電路
220‧‧‧輸出信號
315‧‧‧取樣時間S1H
320‧‧‧取樣時間S1L
包含附圖以提供申請專利範圍之一進一步理解，附圖被併入於本說明書中且構成本說明書之一部分。所描述之【實施方式】及繪示性實施例用於解釋由申請專利範圍界定之原理。
圖1係可安置於一電容觸控感應裝置之一基板上之電極之一示例性圖示；圖2繪示可與圖1中所繪示之感應電極一起使用之一感應電路之一示例性圖示；及圖3繪示使圖1中所繪示之驅動電極驅動之一方波脈衝與一積分器電路之一輸出信號之間之關係。
下文所描述之實施例藉由利用能夠量測驅動電極與感應電極之間之互電容且在該互電容量測期間該等感應器電極與接收電路中之第一增益元件之間不進行類比切換之一電路而克服上文所討論之問題。
圖1係可安置於一電容觸控感應裝置100之一基板上之電極(105、110)之一示例性圖示。電極(105、110)包含垂直配置之驅動電極105及水平配置之感應電極110。所展示之電極之定向及數目僅具示例性。雖然圖1中之電極僅被繪示為直線(為了清楚呈現)，但應瞭解，實際電極幾何形狀存在諸多選項，其包含具有有限寬度之條、菱形墊之連接系列等等。
驅動電極105耦合至經組態以產生一週期信號之一驅動電路115，諸如產生一方波117之一振盪器。驅動電路115可經由一多工電路而同時或單獨驅動全部驅動電極105。在一實施方案中，驅動信號之頻率為約200kHz。然而，應瞭解，可利用其他驅動頻率。例如，驅動信號可具有50kHz至500kHz之間或一不同範圍之一頻率。
感應電極110相對於驅動電極105而垂直配置以提供電極(105、110)之間之各種交叉點115。一感應電極110與一驅動電極105之各交叉點115係其中可量測互電容且因此可判定一觸控之存在之一點。感應電極110耦合至一感應電路120，該感應電路經組態以量測互電容且判定一給定交叉點115處是否已發生一觸控。如由從驅動電路115至感應電路120之箭頭107所指示，為了同步，使驅動信號時序資訊可用於感應電路120。
圖2繪示可與上述感應電極110一起使用之一感應電路120之一示例性圖示。感應電路120包含一積分器電路205、隨後之一開關電路210及一處理電路215。積分器電路205包含一增益元件，其組態為呈回饋迴路之具有電阻器R3及電容器C1之一積分器電路。在該示例性圖示中，感應電極110耦合至該積分器電路之輸入。在一些實施方案中，感應電極110之全部或部分可多工至一單一感應電路120中。替代地，可給各感應電極110提供一感應電路120。該積分器電路之輸出信號220對應於接收自感應電極110之信號之一積分形式。
開關電路210耦合至積分器電路205之輸出。如下文更詳細之描述，開關電路210經組態以將積分器電路205之輸出週期性耦合至處理電路215之一輸入以促進積分器電路205之輸出信號220之取樣。
處理電路215亦可包含經組態以將產生自積分器電路205之取樣輸出信號轉換成一數位信號之一類比至數位轉換器(ADC)。在其中提供一個以上感應電路120之一些實施方案中，各感應電路120可包含一單一ADC。在替代實施方案中，多個積分器之取樣輸出可一起被多工且被饋送至一單一ADC中。在其他實施方案中，不同ADC可用於量測(例如)一高取樣值及一低取樣值。其他組態係可能的。
處理電路215亦可包含用於對數位化取樣信號執行計算之計算邏輯。例如，該計算邏輯可包含用於計算輸出信號220之取樣對之間之 一差值、計算輸出信號220之該等取樣之一平均值、數位地過濾雜訊及/或執行其他數位信號處理功能之邏輯。例如，所關注之一1-2-1數位濾波器(其用於消除歸因於低頻電磁干擾或RC時間常數之不完全安定之補償漂移)可與其他濾波器一起使用。在一按任意比例縮放之常數內，該1-2-1濾波器用高取樣值減去兩個相鄰低取樣值之兩倍來取代高取樣值，且在低值取樣與高值取樣之角色顛倒之情況下以類似方式取代低值取樣。計算之結果用在隨後處理電路/操作中以判定在一驅動電極與一感應電極之一給定交叉點處是否已發生一觸控。
圖2亦繪示可在不脫離設計之基本概念之情況下變動之諸多細節。例如，二極體D1及D2保護下游電路免受過電壓暫態(諸如靜電放電)。標記為「串珠(Bead)」之電感器阻止高頻電磁干擾且對所要信號幾乎無影響。電阻器R1、R2及R3提供適當且穩定之偏壓電壓，同時對放大器U1及電容器C1之電流積分功能幾乎無影響。與取樣保持電容器C2及C3相關聯之電阻器R4及R5促成RC低通濾波以使傳遞至處理電路215中之(若干)類比至數位轉換器之電壓穩定。開關電路210以及電阻器R4及R5及電容器C2及C3可與其他電路元件(例如處理電路215)適當組合或建置於該等其他電路元件中。此外，圖2之電路元件之部分或全部可整合至一或多個晶片中。可在不脫離量測一互電容之基本方法之情況下變動此等電路細節之各者，其中一感應電極110連續連接至一積分器電路205以給一處理電路215之類比至數位轉換提供高取樣值及低取樣值。
圖3繪示使驅動電極驅動之一方波驅動脈衝117與積分器電路205之輸出信號220之間之關係。輸出信號220對應於方波驅動脈衝117之一積分形式。對於方波驅動脈衝117之各週期，開關電路210經組態以在取樣時間S1H 315及取樣時間S1L 320處即時閉合以促進對輸出信號220之最大值及最小值進行取樣。恰好分別在方波驅動脈衝117之下降 緣及上升緣之前進行取樣。例如，可在一各自邊緣之前之約1微秒或更少之一時間△T處進行取樣。處理電路215之ADC將取樣轉換成數位資料。
在操作中，處理電路215計算高取樣值(S1H 315)與低取樣值(S1L 320)之間之差值。該兩個值之間之差值之量值與一給定驅動電極與感應電極之間之交叉點處之互電容成比例。在一些實施方案中，可從一單一最大/最小週期獲得互電容之判定量，且可在每值之小至1微秒至10微秒之時間內獲得互電容之判定量。此之原因在於：最大取樣值與最小取樣值之間之差值一般不受相對於驅動頻率之低頻率處之共模背景影響，如下文進一步所解釋。
雖然可基於一單一高/低取樣對(315、320)之量測值而判定一互電容，但在一些實施方案中，量測諸多個週期以進一步改進量測之精度。例如，可平均化來自十六個週期之量測值以改進量測之精度且進一步減少雜訊之影響。當然，應瞭解，所量測之取樣次數可基於量測之所需精度而視情況增加或減少。
如上文所提及，對信號之最大值及最小值兩者進行取樣之一優點在於：其提供重要雜訊抑制，尤其是對比驅動頻率低之頻率處雜訊源或其他干擾之抑制。此經由以下各者而繪示：考量積分器輸出處之一DC偏移之影響，使得圖3之經取樣且經數位化之最大信號及最小信號從{S1H 、S1L 、S2H ...SNH 、SNL }修改至{S1H +偏移、S1L +偏移、S2H +偏移...SNH +偏移、SNL +偏移}。一隨後數位信號處理步驟可計算差值{(S1H -S1L )、(S2H -S2L )...(SNH -SHL )}，其中偏移被消掉且接著使值之此差數序列通過一信號平均化濾波器。
一類似方法為：使每隔一個數位化值(例如每一最小值)之符號反向以產生值之序列{S1H ,-S1L ,S2H ,-S2L ,...SNH ,-SNL }；及接著將一平均化濾波器應用於此序列。若存在一DC偏移，則此交替符號反向 之序列被修改為{S1H +偏移、-S1L -偏移、S2H +偏移、-S2L -偏移...SNH +偏移、-SNL -偏移}，其等之背景或雜訊組分為等於驅動頻率之一頻率之振盪序列{+偏移、-偏移、+偏移...+偏移、-偏移}。在偏移經變換以在驅動頻率處振盪之後，易於用諸多類型之平均化或低通濾波器(諸如上文所描述之1-2-1濾波器)來消除該偏移。
如圖3中所展示，當偏移(即，{偏移、偏移、偏移...偏移、偏移})係一零頻率背景時，所要信號值{S1H 、S1L 、S2H ...SNH 、SNL }與驅動頻率同步地振盪。因此，數位化信號{S1H +偏移、S1L +偏移、S2H +偏移...SNH +偏移、SNL +偏移}含有驅動頻率處之所要信號與零頻率處之非所要偏移之一混合。藉由使數位化信號與驅動頻率處之一振盪(即，+1、-1、+1...+1、-1)相乘或「混合」，吾人獲得一混合或外差信號序列{S1H +偏移、-S1L -偏移、S2H +偏移、-S2L -偏移...SNH +偏移、-SNL -偏移}，其中所要信號已從驅動頻率移位至一基帶頻率且背景偏移已從零頻率移位至驅動頻率，因此使一低通濾波器易於排除偏移且取出所要信號。應從外差法之原理明白，即使「偏移」並非嚴格意義上之零頻率DC，而是僅為相對於驅動頻率而隨著時間緩慢變動之任何雜訊或背景，但具有圖3之最大/最小值取樣策略之圖2中之電路仍將強烈地抑制「偏移」。
雖然已描述實施例之各種實施例，但熟悉此項技術者將明白，落於申請專利範圍之範疇內之更多實施例及實施方案係可能的。相應地，熟悉此項技術者將明白，落於申請專利範圍之範疇內之更多實施例及實施方案係可能的。因此，所描述之實施例僅為了促進申請專利範圍之理解且非為了限制申請專利範圍之範疇。
100‧‧‧電容觸控感應裝置
107‧‧‧箭頭
110‧‧‧感應電極
115‧‧‧驅動電路/交叉點
117‧‧‧方波/方波驅動脈衝
120‧‧‧感應電路

Claims (20)

  1. 一種用於量測安置於一基板上之電極之間之一互電容之電路，其包括：一驅動電路，其經組態以產生一週期脈衝且將該週期脈衝傳送至一驅動電極；及一感應電路，其經組態以在該驅動電極與一感應電極之間之一交叉點處量測該驅動電極與該感應電極之間之一互電容，其中該感應電路包含：一積分器電路，其具有在量測該互電容所需之一時間量內與該感應電極連續電連通之一輸入區段；一開關電路，其具有與該積分器電路之一輸出電連通之一輸入及與一類比至數位轉換器電連通之一輸出，其中該開關電路操作以在該週期脈衝之一下降緣之前的一第一時間處及該週期脈衝之一上升緣之前的一第二時間處將該積分器電路之一輸出信號即時傳送至該類比至數位轉換器以藉此對該輸出信號之一最大值及一最小值進行取樣；及計算邏輯，其經組態以判定該最大值與該最小值之間之一差值以藉此判定該驅動電極與該感應電極之間之一互電容。
  2. 如請求項1之電路，其進一步包括判定針對複數個週期脈衝之該最大值與該最小值之間之該差值之一平均值。
  3. 如請求項2之電路，其中該平均值係一加權平均值。
  4. 如請求項3之電路，其中經由對該複數個週期脈衝之該最大值與該最小值進行濾波之一1-2-1濾波器而獲得該加權平均值。
  5. 如請求項2之電路，其中對於一感應電極與一驅動電極之各交叉點，量測十六對或十六對以下之最大值及最小值以判定該交叉 點處之一互電容。
  6. 如請求項1之電路，其中該週期脈衝之一頻率介於約50kHz至約500kHz之間。
  7. 如請求項1之電路，其進一步包括複數個感應電路，該等感應電路各經組態以量測一或多個驅動電極與感應電極之間之一互電容。
  8. 如請求項7之電路，其中各感應電極耦合至一不同感應電路。
  9. 一種用於量測安置於一基板上之電極之間之一互電容之方法，其包括：產生一週期脈衝；將該週期脈衝傳送至一驅動電極；及在該驅動電極與一感應電極之間之一交叉點處量測該驅動電極與該感應電極之間之一互電容，其中量測進一步包括：在判定該互電容所需之一時間期間連續地對來自該感應電極之一感應信號進行積分以藉此產生一積分感應信號；在恰好在該週期脈衝之一下降緣之前的一第一時間處及恰好在該週期脈衝之一上升緣之前的一第二時間處週期性地對該積分感應信號進行取樣以藉此對該積分感應信號之一最大值及一最小值進行取樣；將該最大值及該最小值數位化；及判定該最大值與該最小值之間之一差值以藉此判定該驅動電極與該感應電極之間之一互電容。
  10. 如請求項9之方法，其進一步包括判定針對複數個週期脈衝之該最大值與該最小值之間之該差值之一平均值。
  11. 如請求項10之方法，其中該平均值係一加權平均值。
  12. 如請求項11之方法，其進一步包括用一1-2-1濾波器對該複數個 週期脈衝之該最大值及該最小值進行濾波以獲得該加權平均值。
  13. 如請求項9之方法，其中該週期脈衝之一頻率介於約50kHz至約500kHz之間。
  14. 一種觸控感應系統，其包括：一基板，其上安置有複數個驅動電極及複數個感應電極；及一電路，其用於判定一觸控之一位置，該電路包括：一驅動電路，其經組態以產生一週期脈衝且將該週期脈衝傳送至一驅動電極；及一感應電路，其經組態以在該驅動電極與一感應電極之間之一交叉點處量測該驅動電極與該感應電極之間之一互電容，其中該感應電路包括：一積分器電路，其具有與該感應電極連續電連通之一輸入區段；一開關電路，其具有與該積分器電路之一輸出電連通之一輸入及與一類比至數位轉換器電連通之一輸出，其中該開關電路操作以在該週期脈衝之一下降緣之前的一第一時間處及該週期脈衝之一上升緣之前的一第二時間處將該積分器電路之一輸出信號即時傳送至該類比至數位轉換器以藉此對該輸出信號之一最大值及一最小值進行取樣；及計算邏輯，其經組態以判定該最大值與該最小值之間之一差值以藉此判定該驅動電極與該感應電極之間之一互電容。
  15. 如請求項14之觸控感應系統，其進一步包括判定針對複數個週期脈衝之該最大值與該最小值之間之該差值之一平均值。
  16. 如請求項15之觸控感應系統，其中該平均值係一加權平均值。
  17. 如請求項16之觸控感應系統，其中經由對該複數個週期脈衝之該最大值及該最小值進行濾波之一1-2-1濾波器而獲得該加權平均值。
  18. 如請求項14之觸控感應系統，其中該週期脈衝之一頻率介於約50kHz至約500kHz之間。
  19. 如請求項14之觸控感應系統，其進一步包括複數個感應電路，該等感應電路各經組態以量測一或多個驅動電極與感應電極之間之一互電容。
  20. 如請求項19之觸控感應系統，其中各感應電極耦合至一不同感應電路。
TW102118282A 2012-05-29 2013-05-23 觸控感應系統及用於互電容量測之電路及方法 TWI511009B (zh)

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