TWI525496B - 觸控訊號增益控制裝置及方法 - Google Patents

觸控訊號增益控制裝置及方法 Download PDF

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Description

觸控訊號增益控制裝置及方法
本發明係與觸控訊號有關，特別是關於一種能夠有效改善類比-數位轉換器之輸出飽和問題且可維持等效的增益放大倍率之觸控訊號增益控制裝置及方法。
請參照圖1，圖1係繪示傳統的電容式觸控面板之訊號處理架構。如圖1所示，驅動訊號DR將會經由電容式觸控面板TP上之感測電容將電荷耦合至電容式觸控面板TP之輸出上，此時，感測電路SC感測到電容式觸控面板TP上之耦合電荷並將其轉換為電壓訊號V1後輸出至增益級(Gain stage)GS，並由增益級GS將電壓訊號V1放大為放大電壓訊號V2後，再透過類比-數位轉換器ADC將其轉換為數位訊號V3並輸出至數位訊號處理器DSP進行觸控點之座標運算及判斷。
於傳統的電容式觸控面板之訊號處理架構中，增益級GS通常會被設定成固定的放大倍率，並且此一固定的放大倍率之數值大小需於訊號輸入範圍與類比-數位轉換器ADC的量化誤差的比例之間做出取捨。然而，將增益級GS設定成固定的放大倍率之作法將會導致增益級GS所輸出的放大電壓訊號超過類比-數位轉換器ADC之範圍而產生類比-數位轉換器ADC輸出飽和之現象，尤其是在電源環境較為複雜之情況下，特別容易出現此一類比-數位轉換器ADC輸出飽和現象。
請參照圖2A至圖2C，圖2A係繪示輸入至增益級GS之電 壓訊號的時序圖；圖2B係繪示增益級GS輸出至類比-數位轉換器ADC之放大電壓訊號的時序圖；圖2C係繪示類比-數位轉換器ADC輸出之數位訊號的時序圖。當圖2A所示之電壓訊號V1經增益級GS放大成圖2B所示之放大電壓訊號V2後，部分的放大電壓訊號V2將會超過類比-數位轉換器ADC之輸入臨界值，因此，類比-數位轉換器ADC將會輸出如同圖2C所示之飽和於最大數位值之數位訊號V3，這會使得數位訊號V3損失部分訊號，導致後續的數位訊號處理器DSP難以根據數位訊號處理器DSP進行觸控點之座標運算及判斷。
因此，本發明提出一種觸控訊號增益控制裝置及方法，以解決上述問題。
根據本發明之一具體實施例為一種觸控訊號增益控制裝置。於此實施例中，觸控訊號增益控制裝置應用於觸控感測裝置。觸控感測裝置包含一類比-數位轉換器。觸控訊號增益控制裝置分別耦接類比-數位轉換器之輸入端與輸出端。觸控訊號增益控制裝置包含類比增益級、數位增益級、增益控制模組及比較模組。類比增益級耦接類比-數位轉換器之輸入端。數位增益級耦接類比-數位轉換器之輸出端。增益控制模組分別耦接類比增益級及數位增益級。比較模組耦接於類比-數位轉換器之輸入端與增益控制模組之間。當比較模組根據輸入至類比增益級之電壓訊號的大小及類比-數位轉換器之輸入臨界值產生比較結果時，增益控制模組根據比較結果控制類比增益級以類比放大倍率將電壓訊號放大為不超過輸入臨界值之放大電壓訊號後，再由類比-數位轉換器將放大電壓訊號轉換為數位訊號，增益控制模組再根據比較結果控制數位增益級以數位放大倍率將數位訊號放大為放大數位訊號，其中類比放大倍率與數位放大倍率之乘積即為放大數位訊號與電壓訊號之大小的比值。
於一實施例中，當比較模組產生之比較結果為輸入至類比增益級之電壓訊號的大小乘以預設類比放大倍率後會超過類比-數位轉換 器之輸入臨界值時，增益控制模組根據比較結果將類比增益級之預設類比放大倍率調降為類比放大倍率，以使得放大電壓訊號不超過輸入臨界值。
於一實施例中，預設類比放大倍率係為放大數位訊號與電壓訊號的大小之增益比值。
於一實施例中，若輸入至類比增益級之電壓訊號分為複數個區段，比較模組會分別針對電壓訊號之複數個區段產生複數個比較結果，增益控制模組根據複數個比較結果控制類比增益級分別以複數個類比放大倍率將電壓訊號之複數個區段放大為放大電壓訊號之複數個區段，並經類比-數位轉換器轉換為數位訊號後，增益控制模組再根據複數個比較結果控制數位增益級分別以複數個數位放大倍率將數位訊號之複數個區段放大為放大數位訊號之複數個區段。
於一實施例中，對每一個區段而言，類比放大倍率與數位放大倍率之乘積相同，均等於放大數位訊號之該區段與電壓訊號之該區段的大小之增益比值。
根據本發明之另一具體實施例為一種觸控訊號增益控制方法。於此實施例中，觸控訊號增益控制方法應用於觸控感測裝置。觸控感測裝置包含類比-數位轉換器。觸控訊號增益控制裝置分別耦接類比-數位轉換器之輸入端與輸出端。觸控訊號增益控制方法包含下列步驟：根據輸入至類比-數位轉換器之電壓訊號的大小以及類比-數位轉換器之輸入臨界值產生比較結果；根據比較結果以類比放大倍率將電壓訊號放大為不超過輸入臨界值之放大電壓訊號；類比-數位轉換器將放大電壓訊號轉換為數位訊號；根據比較結果以數位放大倍率將數位訊號放大為放大數位訊號。其中，類比放大倍率與數位放大倍率之乘積即為放大數位訊號與電壓訊號之大小的比值。
相較於先前技術使用固定放大倍率之感測電路架構容易出現類比-數位轉換器之輸出飽和問題，根據本發明的觸控訊號增益控制裝置及方法係使用比較器來偵測輸入電壓訊號的大小，一旦發現輸入電壓訊號過大時，即會自動將類比增益級的放大倍率調小，以避免類比-數位轉換 器產生輸出飽和之現象，再透過數位增益級對類比-數位轉換器所輸出之數位訊號進行放大，以補足前面的類比增益級所犧牲掉的放大倍率。因此，根據本發明的觸控訊號增益控制裝置及方法不僅能夠有效改善先前技術中所遭遇到的類比-數位轉換器之輸出飽和問題，而且不需真正犧牲增益級的放大倍率，故能夠提供與傳統使用固定放大倍率之感測電路架構等效的放大倍率。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
S10~S16‧‧‧流程步驟
DR‧‧‧驅動訊號
TP‧‧‧電容式觸控面板
SC‧‧‧感測電路
GS‧‧‧增益級
ADC‧‧‧類比-數位轉換器
DSP‧‧‧數位訊號處理器
3‧‧‧觸控訊號增益控制裝置
30‧‧‧類比增益級
32‧‧‧數位增益級
34‧‧‧增益控制模組
36‧‧‧比較模組
V1‧‧‧電壓訊號
V2‧‧‧放大電壓訊號
V3‧‧‧數位訊號
V4‧‧‧放大數位訊號
V1a~V1c‧‧‧電壓訊號之區段
V2a~V2c‧‧‧放大電壓訊號之區段
V3a~V3c‧‧‧數位訊號之區段
圖1係繪示傳統的電容式觸控面板之訊號處理架構的示意圖。
圖2A係繪示圖1中之輸入至增益級之電壓訊號的時序圖。
圖2B係繪示圖1中之增益級輸出至類比-數位轉換器之放大電壓訊號的時序圖。
圖2C係繪示圖1中之類比-數位轉換器輸出之數位訊號的時序圖。
圖3係繪示根據本發明之一實施例的觸控訊號增益控制裝置之示意圖。
圖4A係繪示圖3中之輸入至類比增益級之電壓訊號的時序圖。
圖4B係繪示圖3中之類比增益級輸出至類比-數位轉換器之放大電壓訊號的時序圖。
圖4C係繪示圖3中之數位增益級輸出之放大數位訊號的時序圖。
圖5係繪示根據本發明之另一具體實施例之觸控訊號增益控制方法之流程圖。
根據本發明之一較佳具體實施例為一種觸控訊號增益控制裝置。於此實施例中，觸控訊號增益控制裝置係應用於觸控感測裝置，用以對輸入訊號進行控制與調整以避免先前技術中所遭遇到的類比-數位轉換器之輸出飽和問題發生。
請參照圖3，圖3係繪示根據此實施例的觸控訊號增益控制裝置之示意圖。如圖3所示，觸控訊號增益控制裝置3係耦接於觸控感測裝置之感測電路SC與類比-數位轉換器ADC之間以及類比-數位轉換器ADC與數位訊號處理器DSP之間。觸控訊號增益控制裝置3分別耦接類比-數位轉換器ADC之輸入端與輸出端。
於此實施例中，觸控訊號增益控制裝置3包含類比增益級30、數位增益級32、增益控制模組34及比較模組36。其中，類比增益級30耦接類比-數位轉換器ADC之輸入端。數位增益級32耦接類比-數位轉換器ADC之輸出端。增益控制模組34分別耦接類比增益級30及數位增益級32。比較模組36耦接於類比-數位轉換器ADC之輸入端與增益控制模組34之間。實際上，比較模組36可包含比較器陣列，但不以此為限。
觸控感測裝置之感測電路SC感測到電容式觸控面板上之耦合電荷並將其轉換為電壓訊號V1後，感測電路SC會將電壓訊號V1輸出至觸控訊號增益控制裝置3之類比增益級30。由於比較模組36耦接至感測電路SC與類比增益級30之間，故比較模組36可接收到輸入至類比增益級30之電壓訊號V1。
接著，比較模組36將會根據輸入至類比增益級30之電壓訊號V1的大小及類比-數位轉換器ADC之輸入臨界值產生比較結果。於實際應用中，比較模組36所產生之比較結果係用以指示輸入至類比增益級30之電壓訊號V1的大小乘以預設類比放大倍率後，是否會超過類比-數位轉換器ADC之輸入臨界值。
當比較模組36產生之比較結果為輸入至類比增益級30之電壓訊號V1的大小乘以預設類比放大倍率後不超過類比-數位轉換器ADC之輸入臨界值時，代表輸入至類比增益級30之電壓訊號V1的大小不至於太大，故仍可按照預設的放大倍率進行放大，並不會導致如同先前技術中所遭遇到的輸出飽和現象發生。
當比較模組36產生之比較結果為輸入至類比增益級30之電壓訊號V1的大小乘以預設類比放大倍率後會超過類比-數位轉換器ADC之輸入臨界值時，代表輸入至類比增益級30之電壓訊號V1過大，若按照預設的放大倍率進行放大可能會導致如同先前技術中所遭遇到的輸出飽和現象發生，因此，為了避免輸出飽和現象發生，增益控制模組34將會根據此一比較結果調整類比增益級30之放大倍率，由原先的預設類比放大倍率(例如2倍)調降成較小的類比放大倍率(例如1倍)，使得類比增益級30以較小的類比放大倍率將電壓訊號V1放大為放大電壓訊號V2並輸出至類比-數位轉換器ADC時，放大電壓訊號V2的大小不會超過類比-數位轉換器ADC的輸入臨界值，故可有效避免輸出飽和現象發生。
接著，由類比-數位轉換器ADC將放大電壓訊號V2轉換為數位訊號V3。需說明的是，增益控制模組34除了會根據此一比較結果調整類比增益級30之類比放大倍率之外，同時亦會根據此一比較結果調整數位增益級32之數位放大倍率，數位增益級32以數位放大倍率將數位訊號V3放大為放大數位訊號V4。
實際上，類比放大倍率與數位放大倍率之乘積即為數位增益級32所輸出之放大數位訊號V4與輸入至類比增益級30之電壓訊號V1之大小的比值。也就是說，數位增益級32所採用之數位放大倍率係將前面的類比增益級30之類比放大倍率所降低的部分補回來，以提供與傳統使用固定放大倍率之感測電路架構等效的放大倍率，而不需真正犧牲增益級的放大倍率。舉例而言，假設前面的類比增益級30之類比放大倍率為了避免輸出飽和現象而從原先的2倍調降成1倍，此時，後面的數位增益級32所採用之數位放大倍率即可調整為2倍。藉此，數位增益級 32所輸出之放大數位訊號V4之大小即可為輸入至類比增益級30之電壓訊號V1之大小的2倍，而不必為了避免輸出飽和現象而真正犧牲增益放大的倍率。
此外，本發明之觸控訊號增益控制裝置3還能夠針對輸入訊號的不同區段分別進行不同放大倍率之動態調整。請參照圖4A至圖4C，圖4A係繪示圖3中之輸入至類比增益級30之電壓訊號V1的時序圖。圖4B係繪示圖3中之類比增益級30輸出至類比-數位轉換器ADC之放大電壓訊號V2的時序圖；圖4C係繪示圖3中之數位增益級32輸出之放大數位訊號V4的時序圖。
舉例而言，如圖4A所示，假設輸入至類比增益級30之電壓訊號V1被分為3個區段V1a~V1c，比較模組36會分別針對電壓訊號V1之3個區段V1a~V1c產生3個比較結果，分別是：電壓訊號V1的區段V1a乘以2倍後仍不會超過類比-數位轉換器ADC的輸入臨界值；電壓訊號V1的區段V1b乘以2倍後將會超過類比-數位轉換器ADC的輸入臨界值；電壓訊號V1的區段V1c乘以2倍後仍不會超過類比-數位轉換器ADC的輸入臨界值。
因此，如圖4B所示，增益控制模組34將會根據上述3個比較結果分別調整類比增益級30將電壓訊號V1之3個區段V1a~V1c放大為放大電壓訊號V2之3個區段V2a~V2c的3個類比放大倍率。由於電壓訊號V1的區段V1a及V1c乘以2倍後仍不會超過類比-數位轉換器ADC的輸入臨界值，故類比增益級30將圖4A中之電壓訊號V1的區段V1a及V1c放大2倍變成圖4B中之放大電壓訊號V2的區段V2a及V2c。至於電壓訊號V1的區段V1b，由於其乘以2倍後將會超過類比-數位轉換器ADC的輸入臨界值，故類比增益級30僅將圖4A中之電壓訊號V1的區段V1b放大1倍為圖4B中之放大電壓訊號V2的區段V2b，亦即圖4B中之放大電壓訊號V2的區段V2b之大小等於圖4A中之電壓訊號V1的區段V1b之大小。
接著，類比-數位轉換器ADC將放大電壓訊號V2轉換為數位訊號V3後輸出至數位增益級32。增益控制模組34亦會根據上述3個比較結果分別調整數位增益級32將數位訊號V2之3個區段V2a~V2c放大為放大數位訊號V3之3個區段V3a~V3c的3個數位放大倍率。由於數位訊號V2的區段V2a及V2c已由類比增益級30放大2倍，故數位增益級32僅需將數位訊號V2的區段V2a及V2c放大1倍變成圖4C中之放大數位訊號V3之區段V3a及V3c。亦即放大數位訊號V3之區段V3a及V3c的大小等於數位訊號V2的區段V2a及V2c的大小。至於數位訊號V2的區段V2b，由於類比增益級30僅將其放大1倍，故數位增益級32將會把數位訊號V2的區段V2b放大2倍為圖4C中之放大數位訊號V3之區段V3b，以補回類比增益級30所減少之放大倍率。
比較圖4A與圖4C可知：放大數位訊號V3的3個區段V3a~V3c之大小分別為電壓訊號V1之3個區段V1a~V1c之大小的兩倍，故仍能提供與傳統使用固定放大倍率之感測電路架構等效的放大倍率。此外，由圖4B可知：由於類比增益級30維持圖4B中之放大電壓訊號V2的區段V2b之大小等於圖4A中之電壓訊號V1的區段V1b之大小，故可有效避免類比-數位轉換器ADC出現輸出飽和之現象。
根據本發明之另一較佳具體實施例為一種觸控訊號增益控制方法。於此實施例中，觸控訊號增益控制方法係應用於觸控感測裝置。觸控感測裝置包含感測電路、類比-數位轉換器及數位訊號處理器。請參照圖5，圖5係繪示此實施例之觸控訊號增益控制方法的流程圖。
如圖5所示，觸控訊號增益控制方法包含下列步驟：於步驟S10中，該方法根據由感測電路輸入至類比-數位轉換器之輸入端之電壓訊號的大小以及類比-數位轉換器之輸入臨界值產生比較結果。於步驟S12中，該方法根據比較結果以類比放大倍率將電壓訊號放大為不超過輸入臨界值之放大電壓訊號。於步驟S14中，類比-數位轉換器將放大電壓訊號轉換為數位訊號。於步驟S16中，該方法根據比較結果以數位放大倍率將數位訊號放大為放大數位訊號，並輸出至數位訊號處理器進行 觸控點之座標運算及判斷。其中，類比放大倍率與數位放大倍率之乘積即為放大數位訊號與電壓訊號之大小的比值。
當步驟S10所產生之比較結果為輸入至類比-數位轉換器之電壓訊號的大小乘以預設類比放大倍率後會超過類比-數位轉換器之輸入臨界值時，該方法會根據比較結果將預設類比放大倍率調降為類比放大倍率，以使得步驟S12所得之放大電壓訊號不會超過輸入臨界值。其中，預設類比放大倍率可以是放大數位訊號與電壓訊號的大小之增益比值，但不以此為限。
本發明之另一技術特徵在於：可針對輸入訊號的不同區段分別進行不同放大倍率之動態調整。舉例而言，若輸入至類比增益級之電壓訊號分為複數個區段，觸控訊號增益控制方法會分別針對電壓訊號之複數個區段產生複數個比較結果，並根據複數個比較結果分別以複數個類比放大倍率將電壓訊號之複數個區段放大為數位訊號之複數個區段，再根據複數個比較結果分別以複數個數位放大倍率將數位訊號之複數個區段放大為放大數位訊號之複數個區段。對每一個區段而言，類比放大倍率與數位放大倍率之乘積相同，均等於放大數位訊號之區段與電壓訊號之區段的大小之增益比值。
相較於先前技術使用固定放大倍率之感測電路架構容易出現類比-數位轉換器之輸出飽和問題，根據本發明的觸控訊號增益控制裝置及方法係使用比較器來偵測輸入電壓訊號的大小，一旦發現輸入電壓訊號過大時，即會自動將類比增益級的放大倍率調小，以避免類比-數位轉換器產生輸出飽和之現象，再透過數位增益級對類比-數位轉換器所輸出之數位訊號進行放大，以補足前面的類比增益級所犧牲掉的放大倍率。因此，根據本發明的觸控訊號增益控制裝置及方法不僅能夠有效改善先前技術中所遭遇到的類比-數位轉換器之輸出飽和問題，而且不需真正犧牲增益級的放大倍率，故能夠提供與傳統使用固定放大倍率之感測電路架構等效的放大倍率。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本 發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
SC‧‧‧感測電路
ADC‧‧‧類比-數位轉換器
DSP‧‧‧數位訊號處理器
3‧‧‧觸控訊號增益控制裝置
30‧‧‧類比增益級
32‧‧‧數位增益級
34‧‧‧增益控制模組
36‧‧‧比較模組
V1‧‧‧電壓訊號
V2‧‧‧放大電壓訊號
V3‧‧‧數位訊號
V4‧‧‧放大數位訊號

Claims (10)

  1. 一種觸控訊號增益控制裝置，應用於一觸控感測裝置，該觸控感測裝置包含一類比-數位轉換器，該觸控訊號增益控制裝置分別耦接該類比-數位轉換器之一輸入端與一輸出端，該觸控訊號增益控制裝置包含：一類比增益級，耦接該類比-數位轉換器之該輸入端；一數位增益級，耦接該類比-數位轉換器之該輸出端；一增益控制模組，分別耦接該類比增益級及該數位增益級；以及一比較模組，耦接於該類比-數位轉換器之該輸入端與該增益控制模組之間；其中，當該比較模組根據輸入至該類比增益級之一電壓訊號的大小以及該類比-數位轉換器之一輸入臨界值產生一比較結果時，該增益控制模組根據該比較結果控制該類比增益級以一類比放大倍率將該電壓訊號放大為不超過該輸入臨界值之一放大電壓訊號後，再由該類比-數位轉換器將該放大電壓訊號轉換為一數位訊號，該增益控制模組再根據該比較結果控制該數位增益級以一數位放大倍率將該數位訊號放大為一放大數位訊號，其中該類比放大倍率與該數位放大倍率之乘積即為該放大數位訊號與該電壓訊號的大小之一增益比值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之觸控訊號增益控制裝置，其中當該比較模組產生之該比較結果為輸入至該類比增益級之該電壓訊號的大小乘以一預設類比放大倍率後會超過該類比-數位轉換器之該輸入臨界值時，該增益控制模組根據該比較結果將該類比增益級之該預設類比放大倍率調降為該類比放大倍率，以使得該放大電壓訊號不超過該輸入臨界值。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之觸控訊號增益控制裝置，其中該預設類比放大倍率係為該放大數位訊號與該電壓訊號的大小之該增益比值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之觸控訊號增益控制裝置，其中若輸入至該類比增益級之該電壓訊號分為複數個區段，該比較模組會分別針對該電壓訊號之該複數個區段產生複數個比較結果，該增益控制模組根據該複數個比較結果控制該類比增益級分別以複數個類比放大倍率將該電壓訊號之該複數個區段放大為該數位訊號之複數個區段，該增益控制模組再根據該複數個比較結果控制該數位增益級分別以複數個數位放大倍率將該數位訊號之該複數個區段放大為該放大數位訊號之複數個區段。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之觸控訊號增益控制裝置，其中對每一個區段而言，該類比放大倍率與該數位放大倍率之乘積相同，均等於該放大數位訊號之該區段與該電壓訊號之該區段的大小之該增益比值。
  6. 一種觸控訊號增益控制方法，應用於一觸控感測裝置，該觸控感測裝置包含一類比-數位轉換器，該觸控訊號增益控制方法包含下列步驟：根據輸入至該類比-數位轉換器之該輸入端之一電壓訊號的大小以及該類比-數位轉換器之一輸入臨界值產生一比較結果；根據該比較結果以一類比放大倍率將該電壓訊號放大為不超過該輸入臨界值之一放大電壓訊號；該類比-數位轉換器將該放大電壓訊號轉換為一數位訊號；以及根據該比較結果以一數位放大倍率將該數位訊號放大為一放大數位訊號；其中，該類比放大倍率與該數位放大倍率之乘積即為該放大數位訊 號與該電壓訊號之大小的比值。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之觸控訊號增益控制方法，其中當該觸控訊號增益控制方法產生之該比較結果為輸入至該類比-數位轉換器之該電壓訊號的大小乘以一預設類比放大倍率後會超過該類比-數位轉換器之該輸入臨界值時，該觸控訊號增益控制方法會根據該比較結果將該預設類比放大倍率調降為該類比放大倍率，以使得該放大電壓訊號不超過該輸入臨界值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之觸控訊號增益控制方法，其中該預設類比放大倍率係為該放大數位訊號與該電壓訊號的大小之該增益比值。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之觸控訊號增益控制方法，其中若該電壓訊號分為複數個區段，該觸控訊號增益控制方法會分別針對該電壓訊號之該複數個區段產生複數個比較結果，並根據該複數個比較結果分別以複數個類比放大倍率將該電壓訊號之該複數個區段放大為該數位訊號之複數個區段，再根據該複數個比較結果分別以複數個數位放大倍率將該數位訊號之該複數個區段放大為該放大數位訊號之複數個區段。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之觸控訊號增益控制方法，其中對每一個區段而言，該類比放大倍率與該數位放大倍率之乘積相同，均等於該放大數位訊號之該區段與該電壓訊號之該區段的大小之該增益比值。
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