TWI438672B - 電容式觸控螢幕的感測方法與驅動電路 - Google Patents

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Description

電容式觸控螢幕的感測方法與驅動電路
本案係為一種電容式觸控螢幕，尤指一種電容式觸控螢幕的感測方法，亦關於一種電容式觸控螢幕的驅動電路。
由於觸控式螢幕易於使用之特性以及技術已臻成熟，因此已廣泛應用於各類可攜式電子產品上。目前在操作偵測考量上以電阻式觸控感測器和電容式觸控感測器較符合市場之需求。尤其是電容式觸控感測器，其具有支援多點觸控(Multi-Touch)技術的優勢，更具有未來市場潛力。
電容式觸控感測器主要是利用一電極與人體一部分(如手指)靠近或碰觸該電極時的靜電交互作用所產生之電容值變化來進行偵測。為能實現此種偵測方式，發展出多種電容式觸控感測解決方案(capacitive touch sensor solutions)來獲知精確的電容變化。
請參見第一圖，其繪示一習知電容式觸控感測電路。如圖所示，感測電路包括一電容開關組10、一三角積分調變器(sigma-delta modulator) 11、一調變器位元串流濾波器(modulator bitstream filter) 13、時脈產生器14、以及一軔體15。其中時脈產生器14產生之時脈信號用以控制電容開關組10中之開關Sw1、Sw2。電容開關組10包括感測電容Cs。感測電容Cs於開關Sw1開路、Sw2導通之狀態下，將對三角積分調變器11中之積分電容(integrating capacitor) Cint進行充電。而三角積分調變器11中之比較器111之輸出電壓轉為高態之時間點即為積分電容Cint之電壓充電至參考電壓Vref之時間點，而對積分電容Cint充電至參考電壓Vref所需的時間與感測電容Cs之電容值呈線性相關。另外，比較器111之輸出電壓將被閂鎖器112閂鎖並當做調變器位元串流濾波器13中計數器130之選通信號(gating signal)。感測電容Cs之電容值由於與計數器130輸出之計數值大小相關，因此可利用韌體15中所包含之決定邏輯單元150估計出而可被後端。
但是，上述方法具有一些缺點，例如，積分電容Cint之充電行為涉及多個充放電循環，因此相當耗費電力與時間，而且每個感測電路都需要設置一個積分電容Cint。因此，並列式感測架構之感測電路將需要大量的積分電容Cint，因此會占用大量晶片面積或是耗用大量外部元件。而若是採用序列式感測架構之感測電路，上述方法將會被雜訊(noise)嚴重影響，進而需要充份的濾波(filtering)與屏蔽(shielding)來克服雜訊問題。而本案則提出另一種技術手段來解決上述習用手段之缺失。
根據本發明提供一種電容式觸控螢幕的感測方法，該電容式觸控螢幕係包含有複數個感測電容，而該方法包含下列步驟：提供一參考電容單元，其包括該等感測電容中之至少一感測電容；計算該參考電容單元與該等感測電容之電容差值；以及根據該等電容差值找到在該電容式觸控螢幕上的觸控位置。
根據本發明更提供一種電容式觸控螢幕的驅動電路，用以進行差動電容量測，該電容式觸控螢幕包括複數個感測電容與一參考電容單元，其中該參考電容單元包含一參考電容，而該驅動電路包括：一參考信號產生器，電連接至該參考電容單元，並根據該參考電容產生一對互補參考信號；複數個感測電路，分別對應電連接至該等感測電容，並連接至該參考信號產生器，接收該對互補參考信號以量測該參考電容與該複數個感測電容間之電容差值；以及一定位裝置，電連接至該等感測電容，根據所量測到的該等電容差值找到在該電容式觸控螢幕上的觸控位置。
請參照第二圖(a)，其係可應用本發明的觸控螢幕配置示意圖之一例。在本例中，電容式觸控螢幕2係由90個感測電容201～290所構成，不過感測電容的數目可視實際需要加以選用。根據本發明，選擇感測電容201～290中之一作為參考電容單元中之參考感測器，而參考感測器的電容值則為參考電容值。然後計算其它每一電容值與參考電容值的差值。藉由比較這些差值可辨識使用者觸摸的位置。
原則上任一感測電容均可用作參考感測器。在本發明之一實施例中，選用中央的感測電容20n作為參考感測器，與其它感測電容201～290進行減法運算。或者，亦可輪流選用不同的感測電容作為參考感測器，以達平均的效果。
在另一實施例中，選用一外部電容200作為參考感測器，如第二圖(b)所示，並計算面板中每一感測電容201～290與外部電容200的差值。藉由比較這些差值可辨識使用者觸摸的位置。
在又一實施例中，差動量測係以小範圍進行，而在參考電容單元中選用多個感測電容作為參考感測器。將感測電容201～290分割成複數個群組，並於不同群組中分別使用參考感測器Ref1～Refm進行減法運算，如第二圖(c)所示。藉由比較這些差值可辨識使用者觸摸的位置。
在又一實施例中，在參考電容單元中選用所有感測電容作為參考感測器，以所有感測電容201～290的平均電容值作為參考電容值，與每一電容201～290的電容值進行比較。藉由比較這些差值可辨識使用者觸摸的位置。
藉由本發明的差動方法，可偵測到一感測器相對於另一感測器的電容變化。觸控感測的差動方法可進行所有感測器的平行量測。由於雜訊已經校正，因此雜訊問題可減輕。觸控偵測的速度可因基本上需要較少濾波程序而加快。同時，因為可在每一感測器的單一充放電週期完成量測，和其它使用多週期的方法相較之下可減少電力損耗。另外，在傳統觸控式螢幕中，感測器的偵測電路常需要校正以適用於不同的量測條件。由於本發明方法使用差動技術，因此校正的問題可因所有感測器的量測條件有相同的變化而簡化。
以下，參考第三圖與第四圖說明一用以實現上述差動電容量測的電容式觸控螢幕的驅動電路實例。驅動電路包括一參考信號產生器30n與複數個相同的感測電路301～390。參考信號產生器30n連接到第二圖(a)所示的參考感測電容20n，而感測電路301～390分別連接到感測電容201～290。參考信號產生器30n根據參考電容值產生一對互補的參考電壓信號Vrefp與Vrefn，用以驅動感測電路301～390的差動電容量測。差動電容量測的實例可見於文獻Prakash ＆ Abshire,“A Fully Differential Rail-to-Rail Capacitance Measurement Circuit for Integrated Cell Sensing”,IEEE SENSORS 2007 Conference,p. 1444-1447中，其併於此以為參考。
因此可得到的參考感測電容20n與各感測電容201～290間的差值為類比輸出電壓V01～V90，不包括對應參考信號產生器30n的電壓Vn。藉由連接至參考信號產生器30n與感測電路301～390的控制邏輯單元60所進行的操作時機控制，類比輸出電壓V01～V90以用做定位電路的相對應類比數位轉換器401～490轉換為數位資料。數位資料再輸入至解碼與介面邏輯電路50進行處理，得知所觸控的位置。
應注意參考第三圖所述的實施例僅係一可與第二圖(a)所示參考設定併用的例子，亦可由熟習此技藝者將類似的電路設計應用至其它參考設定中，以達成差動電容量測的目的。例如在第二圖(c)的實施例中提供另一參考電容，並於驅動電路中另包含一參考信號產生器。
第五圖顯示用以實現根據本發明另一實施例的差動電容量測之一電容式觸控螢幕的驅動電路例。在此實施例中，藉由將感測電路分組而可使用較少的類比數位轉換器。例如，將感測電路301～390分成三組，故只需要三個類比數位轉換器81～83。在此種實施方式下，如第三圖所示由感測電路301～390所輸出的類比輸出電壓V01～V90經取樣與保持器601～690取樣並維持一段時間，然後透過多工器71～73選擇輸出。此種構成有利於簡化電路。
綜上所述，本發明可有效濾除電容感測元件上之雜訊，進而可有效達到抗雜訊之目的，因此可有效解決上述習用手段之缺失。然本發明得由熟習此技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
本案圖式中所包含之各元件列示如下：
10‧‧‧電容開關組
11‧‧‧三角積分調變器
111‧‧‧比較器
112‧‧‧閂鎖器
13‧‧‧調變器位元串流濾波器
130‧‧‧計數器
14‧‧‧時脈產生器
15‧‧‧韌體
150‧‧‧決定邏輯單元
Sw1、Sw2‧‧‧開關
Cint‧‧‧積分電容
Cs‧‧‧感測電容
Vref‧‧‧參考電壓
2‧‧‧電容式觸控螢幕
200、20n、Refl、Refm‧‧‧參考感測器
201~290‧‧‧感測電容
301~390‧‧‧感測電路
81~83‧‧‧類比數位轉換器
V01~V90‧‧‧類比輸出電壓
601~690‧‧‧取樣與保持器
71~73‧‧‧多工器
50‧‧‧解碼與介面邏輯電路
60‧‧‧控制邏輯單元
Vrefp、Vrefn‧‧‧互補參考電壓信號
本案得藉由下列圖式及說明，俾得更深入之了解：
第一圖顯示一習知電容式觸控感測電路的功能方塊示意圖。
第二圖(a)～(c)顯示可應用本發明的觸控螢幕配置示意圖之一例，其中第二圖(a)繪示以一中央感測電容作為單一的參考電容；第二圖(b)繪示以一外部電容作為單一的參考電容；而第二圖(c)繪示使用多重參考電容。
第三圖顯示一電容式觸控螢幕的驅動電路的功能方塊示意圖，用以實現根據本發明一實施例的差動電容量測之一例。
第四圖顯示利用第三圖驅動電路進行差動電容量測方式之一例的電路圖。
第五圖顯示一電容式觸控螢幕的驅動電路的功能方塊示意圖，用以實現根據本發明另一實施例的差動電容量測之一例。
2．．．電容式觸控螢幕
201～290．．．感測電容
200、20n、Ref1、Refm．．．參考感測器

Claims (11)

  1. 一種電容式觸控螢幕的感測方法，該電容式觸控螢幕係包含有複數個感測電容，而該方法包含下列步驟：提供一參考電容單元，其包括該等感測電容中之至少一感測電容；計算該參考電容單元與該等感測電容之電容差值；以及根據該等電容差值找到在該電容式觸控螢幕上的觸控位置；其中該參考電容單元包括該等感測電容中之多個感測電容作為多重參考電容，並以該多個參考電容的平均電容值與該等感測電容的電容值計算該等電容差值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，其中該參考電容單元包括所有該等感測電容作為多重參考電容，並以該多重參考電容的平均電容值與各該感測電容的電容值計算該等電容差值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，更包含下列步驟：將該等感測電容分組；在每一組中選擇該等感測電容之一作為該參考電容單元中之一參考電容；以及計算每一組中該參考電容與同一組中該等感測電容之電容差值。
  4. 一種電容式觸控螢幕的驅動電路，用以進行差動電容量 測，該電容式觸控螢幕包括複數個感測電容以及一參考電容單元，其中該參考電容單元包含一參考電容，而該驅動電路包括：一參考信號產生器，電連接至該參考電容單元，並根據該參考電容產生一對互補參考信號；複數個感測電路，分別對應電連接至該等感測電容，並連接至該參考信號產生器，接收該對互補參考信號以量測該參考電容與該複數個感測電容間之電容差值；以及一定位裝置，電連接至該等感測電容，根據所量測到的該等電容差值找到在該電容式觸控螢幕上的觸控位置。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之驅動電路，其中該電容式觸控螢幕更包括另一參考電容電路以及另一參考信號產生器。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之驅動電路，其中所測得之該電容差值以類比資料形式由感測電路輸出，而該定位電路包括複數個類比數位轉換器，電連接到該等感測電路，用以將該類比資料轉換為數位資料。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之驅動電路，其中該等類比數位轉換器的數目等於感測電路的數目。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之驅動電路，其中該定位電路包括一控制邏輯單元，電連接到該等感測電路與該等類比數位轉換器，用於操作時機控制。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之驅動電路，其中該定位電路包括一解碼與介面邏輯電路，電連接於該等類比數位轉換器，用以對該等數位資料進行解碼，並根據該等數位資 料得知於電容式觸控螢幕上的觸控位置。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之驅動電路，其中該等類比數位轉換器的數目少於感測電路的數目。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之驅動電路，其中該定位電路包括：複數個取樣與保持器，分別電連接於該等感測電路，用以將該等類比電壓值進行取樣並保持一段時間；以及複數個多工器，分別電連接於該等類比數位轉換器，其數量小於該等取樣與保持器，每一多工器上電連接有多個取樣與保持器，用以將該等取樣與保持器輸出之類比輸出電壓分時多工地輸出至相對應的類比數位轉換器。
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