CN102763060A - 使用阈值电压信号的触敏装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种触敏设备，所述触敏设备具有多个驱动电极和多个接收电极，所述驱动电极和所述接收电极彼此电容耦合。触摸测量电路被配置为通过对第一时间周期和第二时间周期进行比较来辨识所述触敏装置上的触摸事件。例如，所述第一时间周期可代表由接收电极传送的周期性接收信号高于或低于阈值电压电平的时间长度。

Description

使用阈值电压信号的触敏装置
技术领域
本发明总体涉及触敏装置，尤其是依赖于用户手指或其他触摸工具与触敏装置之间的电容耦合来识别是否发生触摸或触摸位置的触敏装置。
背景技术
触敏装置通过减少或消除对机械按钮、小键盘、键盘和指示装置的需求，而允许用户方便地与电子系统和显示器进行交互。例如，用户只需要在由图标标识的位置处触摸即显触摸屏，即可执行一系列复杂的指令。
有若干类型的技术用于实现触敏装置，包括（例如）电阻、红外、电容、表面声波、电磁、近场成像等。人们已经发现电容式触敏装置在大量应用中运行良好。在许多触敏装置中，当传感器中的导电物体电容耦合至导电性触摸工具（例如用户的手指）时，该输入被感测。一般来讲，只要两个导电构件彼此靠近但未实际接触，它们之间就会形成电容。就电容式触敏装置而言，手指之类的物体接近触敏表面时，该物体和靠近该物体的感测点之间会形成微小的电容。通过检测在感测点中的每一个处电容的变化并记录感测点的位置，感测电路就能识别多个物体并确定当物体在整个触摸表面上移动时物体的特性。
有两种主要技术用于以电容方式测量触摸情况。第一种是测量对地电容，信号由此施加到电极。靠近电极的触摸导致信号电流从电极经过手指之类的物体流到电学接地。
用于以电容方式测量触摸情况的第二种技术是通过互电容。互电容触摸传感器将信号施加于驱动电极。驱动电极通过信号产生的电场电容耦合到接收电极。靠近的物体会减小两个电极之间的信号耦合，因为该物体会减小电容耦合。
多种驱动方案用于测量互电容触摸屏中的信号耦合。通常，例如测量速度、电子解决方案的严密性以及可实施驱动方案的触摸屏的尺寸等因素都是重要的设计考虑因素。
发明内容
本发明涉及包括触敏装置和触摸测量电路的触敏设备。在一个实施例中，触敏装置具有多个驱动电极和多个接收电极，其中驱动电极电容耦合到接收电极。触摸测量电路被配置为通过对第一时间周期和第二时间周期进行比较，来辨识触敏装置上发生的一次或多次时间重叠或同时发生的触摸。第一时间周期代表至少一个接收电极传送的周期性接收信号高于或低于阈值电压电平的时间长度。在一个实施例中，阈值电压为直流电压信号，在另一个实施例中为周期性波形。在一些实施例中，周期性阈值电压具有与接收电极传送的周期性接收信号相同的频率。在其他实施例中，它的频率与接收电极传送的周期性接收信号的频率不同。在一些实施例中，阈值电压波形为三角波。
本发明包括这些装置和方法的变型形式。例如，多种波形（例如三角波）可以用作阈值电压信号。
在一个实施例中，描述了触敏设备，该设备包括具有多个驱动电极和多个接收电极的触敏装置，其中驱动电极电容耦合到接收电极；触摸测量电路，其被配置为通过对第一时间周期和第二时间周期进行比较，来辨识触敏装置上发生的多次时间重叠的触摸，其中第一时间周期代表至少一个接收电极传送的周期性接收信号高于或低于阈值电压电平的时间长度。可以用计数器的周期性振动确定时间周期。第二时间周期可以是预先设定、预先确定的时间长度，或者可以对它进行动态计算。
在另一个实施例中，描述了测量具有多个驱动电极和多个接收电极的触敏装置中的互电容的方法，该方法包括：将周期性驱动信号施加于驱动电极中的至少一个，以用于通过互电容耦合到接收电极中的至少两个；确定第一时间周期，其中第一时间周期代表接收电极传送的周期性接收信号高于或低于阈值电压电平的时间长度；对第一时间周期和第二时间周期进行比较；根据比较情况辨识触敏装置上发生的触摸或近似触摸事件。
在另一个实施例中，描述了电路，所述电路被配置为检测第一电极和第二电极附近是否存在物体，第一电极以周期性电压信号驱动，第二电极传送周期性电压信号，周期性电压信号由第一电极上的电压信号产生，第一电极电容耦合到第二电极，通过对第一时间周期和第二时间周期进行比较，检测是否存在物体，其中第一时间周期代表接收电极传送的周期性接收信号高于或低于阈值电压电平的时间长度。
在另一个实施例中，描述了接收电极，所述接收电极电容耦合到用周期性波形驱动的另一个电极，接收电极连接到电子器件，以通过对第一时间周期和第二时间周期进行比较，确定接收电极与其他电极之间的电容耦合何时发生改变，其中第一时间周期代表通过与其他电极电容耦合的接收电极传送的周期性信号高于或低于阈值电压电平的时间长度。
本文还讨论了相关方法、系统和制品。
本专利申请的这些方面和其他方面通过下文的详细描述将显而易见。然而，在任何情况下都不应当将上述发明内容理解为是对要求保护的主题的限制，该主题仅受所附权利要求书的限定，并且在审查期间可以进行修改。
附图说明
结合附图并参照下文中多个实施例的详细说明，可以更全面地理解和领会本发明，其中：
图1示出了触敏装置和电子器件的示意图；
图2示出了示例性触敏装置中所用的触摸面板的一部分的截面；
图3示出了示例性触敏电路的示意图；
图4A表示触摸传感器电路实施方式，其中所有行测量都可以同时或几乎同时发生；
图4B表示触摸传感器电路实施方式，其中接收电路的输出被连接到复用器上；
图4C表示具有ASIC的触摸传感器电路实施方式，其中所有行测量都可以同时或几乎同时发生；
图5示出了驱动信号、不存在触摸事件时的接收信号以及发生触摸事件时的接收信号；
图6示出了不存在触摸事件时的接收信号、发生触摸事件时的接收信号以及DC阈值电压电平；
图7示出了与不存在触摸事件时的接收信号和发生触摸事件时的接收信号相对应的示例性比较器输出；
图8A示出了不存在触摸事件时的接收信号、发生触摸事件时的接收信号以及三角形阈值电压信号；
图8B示出了不存在触摸事件时的接收信号、发生触摸事件时的接收信号以及DC和三角形阈值电压信号；
图9示出了使用三角形阈值电压信号的情况下与不存在触摸事件时的接收信号和发生触摸事件时的接收信号相对应的方波；
图10示出了不存在触摸事件时的接收信号、发生触摸事件时的接收信号、以及频率大于接收信号的三角形阈值电压信号；以及
图11示出了使用频率大于接收信号的三角形阈值电压信号的情况下与不存在触摸事件时的接收信号和发生触摸事件时的接收信号相对应的方波。
在以下对图示实施例的描述中，参照了附图，并通过举例说明的方式在这些附图中示出在其中可以实施本发明的多种实施例。应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以利用这些实施例，并且可以进行结构上的修改。附图和图表用于对本发明进行举例说明，未按比例绘制，并且在一些附图中，会出于举例说明的目的扩大尺寸。
具体实施方式
现在下面将参照附图对本发明进行更完整的描述，在附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明可以多种不同形式体现，并且不应理解为限于本文示出的实施例；相反，这些实施例的提供旨在让本公开周密完整，并将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。相同的数字通篇是指相同的元件。
以下定义用于说明本公开内使用的术语：
接地(Gnd)是指普通电气基准点，其可以为地电压，或可以为局部普通电压。
互电容(Cm)为触摸传感器中两个电极之间的电容。
对地电容为传感器电极和大地之间的电容。
触摸传感器包括一个或多个电极，这些电极被配置为与导电性物体形成电容接触以检测和/或定位该物体。
图1示出了示例性触摸装置110。装置110包括连接到控制器114的触敏装置（触摸面板112），它包括用于感测触摸面板112附近发生的触摸和可能近似触摸的电子电路。触摸面板112示出为具有5×5的列电极（驱动电极116a-e）和行电极（接收电极118a-e）矩阵，但也可以使用其他数量的电极、矩阵大小和电极构型，包括将驱动电极置于接收电极的顶部上。可以使用任何合适的触摸面板尺寸。例如，在一个实施例中，可以使用具有40个行电极和64个列电极的19英寸（对角线）触摸面板。触摸面板112可以是基本上透明的，以使得使用者能够通过触摸面板112观察物体，例如计算机的像素化显示屏、手持装置、手机、液晶显示器、等离子显示器、有机发光二极管显示器或其他周边装置。触摸面板120的边界表示触摸面板112的触敏区域，在一个实施例中，还表示此类显示器（如果使用的话）的观察区域。在一个实施例中，从平面透视图上看，电极116a-e和118a-e空间分布在触摸面板120的触敏区域的上方。
为了进行示意性的说明，图1中的电极被示出为较宽且显眼，但在实施过程中它们可以相对窄且不会引起用户注意。每一个电极均可设计为具有不同宽度，如以矩阵节点附近菱形或其他形状垫的形式增加宽度，以便提高电极间的边缘电场，从而增强触摸对于电极对电极（即，互）电容耦合的效果。电极可以由（例如）铟锡氧化物(ITO)、铜、银、金或任何其他合适的导电材料构成。导电材料可以是线材、微线材或导电层的形式。
驱动电极116a-e可以在与接收电极118a-e不同的平面内（如，驱动电极116a-e可以在接收电极118a-e的下面，并被介质层分开），使得各自的行和列之间不会产生物理接触。电极矩阵通常位于防护玻璃、塑料薄膜、耐用涂层等（图1中未示出）下面，以防止电极与使用者的手指或其他触摸物体（例如触笔）发生直接物理接触。此类防护玻璃、薄膜等的暴露表面称为触摸板112的触摸表面。
给定驱动电极和接收电极之间的电容耦合主要取决于电极在一起最靠近的区域中的电极的几何形状。此类区域对应电极矩阵的“节点”，图1中标出了其中的一些节点。例如，驱动电极116a与接收电极118d之间的电容耦合主要发生在节点122处，并且驱动电极116b与接收电极118e之间的电容耦合主要发生在节点124处。图1的5×5矩阵具有25个此类节点，这些节点中的任何一个都可由控制器114通过以下方法来寻址：适当选择将各自的驱动电极116a-e单独连接到该控制器上的控制线126中的一者，以及适当选择将各自的接收电极118a-e单独连接到该控制器上的控制线128中的一者。尽管节点相对于图1示出为是用重叠的驱动电极和接收电极限定的，但它们也可以是不重叠的，相反，这些节点用两个电极彼此靠近而不一定重叠的区域来限定。例如，在一些按钮和滑块中，通常使用此类构型，因为它们不需要多个层。驱动电极和接收电极的这种不重叠构型可以用于本文所述的实施例。
将驱动信号（例如正弦波形）施加到驱动电极116a-e。这些驱动信号通过驱动电极116a-e与接收电极118a-e之间的电容耦合生成接收电极118a-e上的接收信号。当使用者的手指130或其他物体（例如触笔）接触或几乎接触触摸面板112的触摸表面时，如在触摸位置131处所示，手指电容耦合到由驱动电极和接收电极限定的电极矩阵，从而改变驱动电极和接收电极之间的电容耦合。表征在触摸面板112矩阵中的节点处的电容耦合变化的信号变化可以表征触摸事件。例如，在触摸位置131处的触摸事件的位置最靠近对应驱动电极116c和接收电极118b的节点。该触摸事件会导致驱动电极116c与118b之间的互电容发生变化。表征该互电容变化的信号可以用控制器114检测并被解释为在116c/118b节点处或附近的触摸。
控制器114可被配置为快速检测表征矩阵所有节点的电容变化（如果有的话）的信号。控制器114能够分析表征用于相邻节点电容变化大小的信号，以便通过内推法精确确定位于节点之间的触摸位置。此外，控制器114可被设计为检测同时或以重叠时间施加到触摸装置的不同部分的空间上不同的多次触摸。因此，例如，如果在手指130触摸的同时，另一个手指132在触摸位置133处触摸装置110的触摸表面，或者如果各自的触摸至少时间重叠，那么控制器114能够检测这两次触摸的位置131、133并将此类位置以坐标的形式提供给（例如）计算机或通信连接到控制器114的其他装置（图1中未示出）。控制器114能够检测到的同时或时间重叠的不同触摸的数量并不限于2次，也可以是3、4、5、6、7、8、9、10次，最多20次，或甚至最多30次或甚至更多，这取决于电极矩阵的大小和包含的节点数量以及用于处理触摸的计算法。然而，这些参数中的每一个都可以改变，以适应多种同时触摸次数，如下文所详述。此外，触摸可以来自不同的使用者、使用者和物体（例如一个或多个触笔），或来源的任何其他组合。
控制器114可被配置为采用多种电路模块和组件，这使它能够快速确定电极矩阵的在某些或全部节点处的耦合电容，从而解析触摸事件。例如，控制器可以包括至少一个信号发生器或驱动器。驱动器向一个或多个驱动电极116a-e提供驱动信号。控制器114提供给驱动电极的驱动信号可以一次传输给一个驱动电极，如按照从第一个到最后一个驱动电极的扫描顺序来传输。当驱动每一个此类电极时，控制器都可监测接收电极118a-e。控制器114可以包括连接到接收电极中的每一个的一个或多个测量电路。对于提供给每一个驱动电极的每一个驱动信号而言，测量电路都可以处理用于多个接收电极中的每一个的响应信号。对来自接收电极的信号作出响应的变化可以表征触摸或近似触摸事件。用于检测变化和确定触摸或近似触摸事件的方法和电路将在本文更详细讨论。
现在参见图2，可以看出该图为用于触摸装置（例如图1的装置110）的多层触摸传感器210的一部分的示意性侧视图。触摸传感器210包括上层212（该层最靠近使用者，它的上表面212a将限定触摸传感器的触摸区域），它可以是玻璃、PET或耐用涂层。上电极层214包括第一组电极。介质层216将上电极层与下电极层218分离，下电极层也包括一组电极218a-e，在一个实施例中，该组电极正交于第一组电极。在其他实施例中，上电极和下电极彼此不正交。与上层一样，下层220可以是玻璃、PET或其他材料。上层212的暴露表面212a或下层220的暴露表面220a可以是或包括触摸传感器210的触摸表面。触摸传感器中的驱动电极可以比接收电极更靠近触摸传感器中的触摸表面，反之亦然。这是组成触摸传感器的叠堆的简化视图；也可以使用更多或更少的层。
图3示出了示例性驱动电子器件和接收电子器件的示意图，该器件包括接收电子器件38，接收电子器件38用于测量接收电极上的信号，该接收电极连接到激发驱动电极。接收电子器件38处理来自接收电极的信号，以检测触摸或近似触摸事件。在一个实施例中，为每一个接收电极都提供了一组接收电子器件38，一次驱动一个驱动电极，并按顺序驱动该驱动电极。驱动电极由向驱动电极施加周期波形的Vdrive单独地驱动。然后，用于给定驱动电极的驱动信号具有周期波形的某个周期数量（如，在多个实施例中，1/2、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30或甚至更多，或这些数量之间的任何数量，包括分数），或将周期波形施加到给定驱动电极的某个时间周期，如将在本发明下文进一步讨论的。将n个周期的周期波形施加到驱动电极（或者，将周期波形施加到驱动电极的n秒）之后，下一个可能（但并非必须）相邻的驱动电极以相同的方式被驱动。于是驱动循环为时间长度或周期数量，在下一个驱动电极上重复该过程之前，将周期性驱动信号施加到给定驱动电极。用于给定电极的驱动循环限定测量窗口，在该测量窗口中，可以用各自的测量电路中的每一个同时（或考虑到电子器件的局限，尽可能几乎同时）测量在所有接收线路上检测到的信号。因此，通常将驱动循环施加到第一驱动电极；测量所有接收电极；将驱动循环施加到第二驱动电极；测量所有接收电极，以此类推，直到所有驱动电极都被驱动。传感器循环时间是向传感器中的每一个驱动电极都单独地、并且可能（但并非必须）按顺序施加驱动信号所需的时间量。据此概述的方法提供了非常快的传感器循环时间，这可能不是所有部署中都需要的时间。
传感器循环时间取决于显示器的尺寸、驱动电极的数量、驱动电压的频率和驱动循环中的周期数量。例如，在具有19英寸显示器和40个驱动电极的实施例中，如果驱动电压的频率为125kHz，并且在循环至下一个驱动电极之前每一个驱动电极被驱动32个周期（驱动循环=32个周期），则用于屏幕的刷新率为(1/125KHz)(40)(32)或10.42ms。如果每行取样的周期数量降至16，则刷新率应当为5.12ms。如果驱动循环减至16个周期，并且驱动电压频率升至250kHz，则刷新率应当为2.56ms。
不同的应用可能需要不同的刷新率。例如，由Microsoft Corporation(Redmond,Washington)以商品名“Windows 7”销售操作系统的每次触摸需要20ms的“刷新”。20ms时间周期既包括传感器循环时间、又包括用计算法追踪触摸所需的时间。下文将讨论驱动多种尺寸触摸传感器的每一个驱动电极都需要的时间。仅在一个周期内驱动每一个驱动电极（即，驱动循环=施加到驱动电极的1个周期的正弦波形）都应当导致更快的刷新；然而，对每一个驱动电极都驱动四个周期允许获得更佳的噪声补偿，所以除非另外指明，否则以下实例都假设四个周期的样本时间。
第一个实例示出了本文所述的实施例可以多快地通过触摸传感器进行扫描的情况，该实例假设传感器对角线长为200英寸，长宽比为16:9。传感器的高度为101.85"，宽度为172.12"。在该实例中，假设接收电极跨越屏幕宽度。由于接收电极是平行测量的，所以屏幕高度为用于刷新的限制因素。因此可以通过用高度（按mm计）(2,561.59mm)除以典型的传感器电极间距6mm来计算电极数量。通过该计算得到427个水平驱动电极的结果。如果假定传感器循环时间为20ms，则可以计算达到该刷新率的驱动频率。用于传感器刷新时间的驱动部分的公式为：总驱动时间=（每个周期的驱动时间）（每个驱动电极的样本）（驱动电极）。如果该公式中使用上述数量，那么每个周期的驱动时间=20ms/(427*4)=11.7μs。对该时间求倒数得出，可以用上述设置在85.4kHz驱动频率下在20ms内刷新200"屏幕。该实例是为了进行示意性的说明，并假设可以将全部20ms都用于传感器循环时间（因此，未将追踪触摸并在（例如）用户界面中提供视觉反馈所需的处理时间纳入其中）。
在证明预期可实施本文所述实施例的触摸屏最大理论尺寸的第二个实例中，可以先假设驱动信号频率为250kHz（每个周期的驱动时间=4μs），驱动循环=4个周期，传感器循环时间=20ms。使用上述公式：总驱动时间=（每个周期的驱动时间）（每个驱动电极的样本）（驱动电极），可以用上述假设（亚20ms刷新率）计算驱动电极的数量。所得的驱动电极数量为20ms/(4μS*4)=1250个电极。如果将1250乘以通常的电极间距(6mm)，可以得到7,500mm或295.28"的垂直高度。高度为295.28"的16:9或宽屏格式屏幕的对角线尺寸应当等于579.84"。根据需要，可以用复用器将测量电路的数量减至小于接收电极数量的某个数量。因此，本文所述的某些实施例具有支持极大触摸屏所需的速度。
现在返回图3所示实施例的组件，在一个实施例中，驱动信号Vdrive为正弦驱动信号，一次将多个周期的驱动信号施加到一个驱动电极（从而限定驱动循环），直到所有驱动电极都被驱动，并且这时完成一次触摸传感器扫描（传感器循环），并重复该过程。不是使用正弦驱动信号，而是可以使用三角波形、锯齿波形、方波或任何其他周期性任意波形，如下文所述。不是按顺序用驱动信号激发电极，而是可以任何所需的顺序激发电极。
激发驱动电极时，驱动电压信号Vdrive将驱动电极与接收电极电容耦合，电容器Cm代表与在节点处的接收电路38相对应的驱动电极与接收电极之间的（互）电容。电容器Cr代表接收电极与大地之间的电容。当导电性物体（例如手指）接近触摸传感器时，Cm和Cr均发生变化。然而，在该测量技术中，与Cm的变化相比，Cr的变化的影响可以忽略不计。运算放大器(op-amp)A1放大接收信号电压的幅值，并可以任选地为接收电压信号提供偏移DC电压(Vref1)，从而除了驱动信号外，不需要所有电子器件上的负电压源。比较器A2对op-amp A1的输出和阈值电压(Vref2)进行比较。如果op-amp A1的输出大于阈值电压，比较器A2的输出就是逻辑高，它可以是多种电压，具体取决于电压源，例如，3.3伏、5伏或任何其他所需的电压电平。如果阈值电压(Vref2)大于op-amp A1的输出，比较器A2的输出就是逻辑低或0伏。于是在一个实施例中，比较器A2的输出是连续方波，与不存在触摸的情况相比，在存在触摸时，其占空比不同。然后用逻辑块34（例如，微处理器）中的计数器对方波取样，以确定接收信号超过阈值电压信号的驱动循环的每一个周期的时间长度（计数）。比较器A3将驱动电极电压转换成限定驱动循环的方波（即，移至下一个驱动电极之前提供给每一个电极的驱动波形的周期数量），从而可以用逻辑块34进行坐标放样。如果处理单元37发出Vdrive信号或处理单元37具有Vdrive的某些其他指示，则不需要比较器A3。在图3所述的实施例中，Vdrive是用专用的波形发生器芯片产生的。当使用周期性阈值电压信号（而不是恒定的DC阈值电压）时，比较器A4能够使用整个周期内的接收电压信号，以用于确定触摸的发生，例如与图7-10相关的实施例便是如此，这将在下文中更详细讨论。一般来讲，当使用周期性阈值电压信号时，比较器A4被配置成将表征接收信号半周期的信号提供给逻辑块34，逻辑块34可用它发信号，这会改变它处理周期性阈值电压（以及当接收信号低于阈值时半周期大致计数）的计算逻辑。或者，换句话讲，比较器A4的输出是当阈值电压的绝对值超过信号电压的绝对值时发信号通知逻辑块34进行计算的一种方式。可任选地是，当信号电压的绝对值超过阈值电压的绝对值时，比较器A4允许逻辑块34进行计算。逻辑块34具有许多可能的实施方式，该实施方式中的若干包括：
1.将具有使能引脚的频率控制的计数器与能在以下情况下进行计算的逻辑相连：能用A2和A4进行计算并且处理单元(37)可根据A3提供使计数器复位的信号。
2.现场可编程门阵列(FPGA)实施方式，其中来自A2、A4和A3的信号进入FPGA，并用速度非常高的集成电路硬件描述语言(VHDL)代码实施所有计算、存储和复位。
3.采用来自上述实施方式2的设计开发的专用集成电路(ASIC)。全部或某一部分的接收电子器件38可应用于ASIC中。
4.微处理器实施方式，如果满足于A2和A4的条件，可以用微处理器振荡器的频率使微处理器上的计数器增量。
5)过滤来自A2的数字信号，然后用模数转换器(ADC)测量所得的DC值。
6)将来自A2的数字信号发送到积分电路中，然后用ADC测量。
实施方式5和6均应当实现针对实施方式4的数字测量技术的模拟解决方案。不是测量比较器A2的输出，而是集成或过滤来自比较器的数字信号，从而获得代表方波平均电压的DC电压。例如，如果来自A2的信号为25%占空比的方波并对其进行过滤，那么所得的DC电压应当为比较器工作电压的四分之一。
逻辑块34和处理单元37用来自比较器A2、A3和A4的输出来计算接收信号电压高于或低于阈值电压的时间量，并用用于每一个互电容器(节点)的时间值来确定此类节点的状态，进而确定针对触摸传感器的触摸位置，如下文更详细讨论的。当接收信号和阈值电压信号为周期性信号并（例如）在0V处保持居中时，逻辑块34和处理单元37用来自比较器A2、A3和A4的输出来计算周期性阈值电压信号的绝对值超过接收信号的绝对值的时间量，反之亦然。如果使用偏移电压（即，接收信号和/或阈值电压信号不是在0V处保持居中），则应当需要相对于该偏移值取得信号的绝对值。尽管图3示出了用于处理来自接收线路的信号的电路的一个具体实施例，但本领域的技术人员在阅读本公开后将会理解，图3所示的电路可以具有本公开范围内的多种构型。
图4A以举例方式示出了实施例，其中所有接收（行）电极测量都是同时或几乎同时发生的。来自触摸传感器82的每一个接收电极连接到接收电子器件38（图3），该电子器件确定与接收信号高于（或低于）阈值水平的时间周期相关的计数，然后将该数量提供给处理单元37。可以用波形发生器或其他电子器件产生Vdrive，然后在必要时将其放大，以产生合格振幅的驱动信号。然后用模拟复用器84按顺序将Vdrive施加到列（col1、col2、…colM）。处理单元37控制Vdrive、复用器84和接收电子器件38。处理单元37用从接收电极收集的数据进行与触摸有关的所有计算。可以用上述34的任何构型实施该实施例，其中处理单元应用于FPGA、ASIC或微处理器中。
图4B以举例方式示出了实施例，其中所有接收电极上只存在放大器电路31（图3）（与结合图4a所述的所有接收电子器件38截然不同），从而将电极保持在已知的电压(Vref1)下。然后可以将用于每一个接收电极的放大器电路31的输出都发送到模拟复用器83中，该模拟复用器提供与一个电极相关的输出，以一次测量一个接收电极。可以用图3的测量单元35完成每一个接收电极上的电压信号的测量。结合图4B所示的实施例中的驱动电路与结合图4A所示的驱动电路相同。如果预先知道所需的刷新时间和测量次数，那么可以调整该构型，使其符合预定的设计参数。
如先前所述，接收电子器件38以及处理单元37可以包含在ASIC中。图4C中的框90限定了可包括在ASIC设计内的组件。在该构型中，所有接收电子器件都包含在ASIC中。驱动电子器件的控制线路可以由ASIC提供。当设计此类ASIC时，应当需要为芯片限定一定量的接收行。为了适应大于限定行的屏幕，可以使用多个ASIC。使用多个ASIC的驱动实施方式仍应当与使用一个ASIC负责调节驱动循环的情况基本相同。
图5-11示出了在触摸屏的多个节点处应当看到的模拟电压信号的波形，以及包括在图3的接收电子器件38中的多个组件的输出。使用由Cadence Design Systems,Inc.(San Jose,California)以商品名“OrCAD CapturePSpice 16.0”销售的模拟器完成模拟。用模拟电气元件构造代表图3所示的电路，并施加与图5-11所示相同的驱动信号。用于模拟的传感器由9个驱动棒和16个接收棒构成。将op-amp电路31连接到16个接收棒中的每一个。用正弦波驱动一条驱动线路，将其余的驱动棒接地。图5示出了提供给驱动电极的示例性驱动信号41(Vdrive)和发生在具有触摸的接收电极上的所得的接收信号(42)(Vtouch)以及在不存在触摸的情况下时接收电极上的信号43(Vnotouch)。将驱动信号41施加到驱动电极（并对应于图3中的驱动电压信号Vdrive）。所得的接收信号42（有触摸）和43（无触摸）由接收电极提供，如图3中op-amp A1的输出。尽管为了举例说明的目的，示出的接收信号42和43与驱动信号41是同相的，但在实施过程中，因为放大器电路31（图3）起到负微分电路的作用，所以接收信号42和43颠倒，并与驱动信号具有90度的相位差。另外，尽管示出的接收信号42和43与图5中所示是同相的，但在实施过程中，由于传感器的电阻和电容，它们可以在物理触摸传感器中是稍微不同相的。为了进行示意性的说明，这些相移已被消除，微分的响应与图5-11中的驱动信号一致。
图5中所示的接收信号42和43已经由op-amp A1放大，并可以参考大地（图5便是如此），或者偏移一些电压。例如，在一个实施例中，电压Vref1可以为大约2.5伏（在大地与连接到op-amp A1的5伏电源中间），它会使接收电压信号42和43偏移2.5伏，这与在大地处保持居中的情况相反。将电压Vref1设置为正电压的一个优点是可以不需要用于op-amp A1的负电源，并且在一些实施例中可以降低接收电子器件38的功耗。因为在与该实例相关的具体节点处的电容耦合降低，所以接收信号42（触摸）具有比信号43（无触摸）更低的峰间振幅。如上所述，通过该较低的峰间振幅可以知道是否发生了触摸。
图6示出了不存在触摸事件的接收信号43、触摸事件期间的接收信号42和阈值电压44，在与该图相关的实施例中，阈值电压44为约0.275伏的直流电压。阈值电压44对应于图3中的Vref2。图3的比较器A2将接收信号42和43与阈值电压44进行比较，从而当接收信号高于阈值电压44时输出逻辑高或5伏电平，否则输出逻辑低或0伏电平。比较器A2的输出为方波（如图7所示），其中脉冲宽度取决于接收信号超过阈值电压44的时间长度。阈值电压44可以用校正法测定，或可以设置为任何电平。例如，触摸传感器可以自动校准阈值电压电平44，以使得接收信号42或43高于或低于阈值电压电平44的时间量（通过逻辑块34进行的周期性取样来测定）保持在所需范围内。此类时间范围可以根据“计数”来测量，其中每一个计数都是接收电压高于（或低于（如果阈值电压信号为负电压））阈值电压的一个取样实例。驱动循环之间的计数数量的变化表征触摸或近似触摸事件。在一个实施例中，如果计数数量移至所需计数范围以外，就可以对处理单元37进行编程，以重新校准阈值电压电平44。所需的计数范围可以基于逻辑块34内的计数器的振动频率、取样窗口延续的周期数量以及当接收信号42或43高于或低于阈值电压电平44时计数器的计数是否增加。例如，如果驱动频率为125kHz，计数器振动频率为100MHz，每个驱动电极的样本为32，那么最大可能计数数量(CountMax)=(100MHz/125kHz)*32=25,600。
可以手动或自动调节比较阈值电压，以使触摸和非触摸事件之间的计数差值最大化或至少足够大。例如，如图6所示，对于DC阈值电压44，在一个实施例中，阈值接近但仍低于接收信号42的峰值电压。进行该校准的一种方法是检测触摸事件期间在接收电极上观察到的峰值电压，然后就DC阈值电压而言，使DC阈值电压偏移至比检测到的峰值低某个限定的偏移值或百分比。使用者可以在校准例程中进行该校准，校准时使用者触摸该触摸屏上的多个点，或者可以在制造过程中进行硬设置。在一个实施例中，DC阈值被设置为刚好高于或等于42的峰值，这会在触摸和非触摸事件之间产生最大计数差值。在给定触摸传感器及其操作环境的细节的情况下，可以用相同的原理来调节周期性阈值电压信号，以在触摸与非触摸驱动循环计数之间赋予最大或至少足够大的差值。在一些实施例中，每一个接收电极都可以单独用其自有的阈值电压信号进行校准。在某些电极比其他电极更易受噪声影响，或具有使它们在信号传输方面比其他电极更好或更差的其他特性的一些实施例中，这可能是有利的。
另一种不需要使用者参与的校准方法是检测在没有触摸事件的接收电极上观察到的峰值电压，然后就DC阈值电压而言，使DC阈值电压偏移至比检测到的峰值低某个限定的偏移值或百分比。
图7示出了比较器A2（图3）将接收信号42和43分别转换成方波52和53的情况。比较器A2具有两种输出：与阈值电压44相对应的电压Vref2以及接收电压信号42或43。当接收信号42或43超过阈值电压44时，比较器A2的输出是逻辑高电压（或逻辑1）。但如果阈值电压超过接收信号，比较器输出为逻辑低电压（或逻辑0）。或者，可以颠倒比较器A2的输入，以使得阈值电压44连接至正输入，接收电压信号42或43进入比较器A2的负输入。在这种情况下，当阈值电压电平44超过接收电压信号42或43时，比较器A2的输出将为逻辑1；当接收电压信号42或43超过阈值电压电平44时，比较器A2的输出将为逻辑0。
重新参考图3，用于触摸传感器中的每一个接收电极的比较器A2的输出都连接到逻辑块34的输入引脚。对逻辑块34进行编程，以重复对比较器A2的输出取样，从而确定接收信号42或43高于或低于阈值电压44的时间长度。在一个实施例中，逻辑块通过计算取样窗口内的计数器的振动数量来确定时间长度，在该窗口中，接收电压信号42或43高于或低于阈值电压。例如，当驱动信号的频率为125kHz，并且微处理器中的振荡器的频率为100MHz时，如果在方波高时计数，则用于接收电极的计数值为112，该接收电极具有与接收电压方波52相对应的触摸。用于接收电极的计数值为262，该接收电极没有与接收电压方波53相对应的触摸。如果方波低时计数器的值增大，则用于接收电极的计数值为688，该接收电极具有与接收电压方波52相对应的触摸。用于接收电极的计数值为538，该接收电极没有与接收电压方波53相对应的触摸。通过取方波（52和53）的以微秒为单位的高或低时间量，并用该时间除以100MHz振荡器的周期(10ns)来确定这些计数值。
驱动循环以及取样窗口可以对应驱动信号的单个振动周期，或者可以是任何所需数量的周期，例如1、2、3、4、8、16、32或可产生足够可靠样本量的任何其他所需数量的周期。确定样本量时要考虑的因素包括平衡用于显示器的刷新率，其中需要补偿可能存在的噪声。较大的取样窗口更易于消除噪声的影响；然而，它会降低显示器的刷新率。在一个实施例中，以100MHz的频率进行取样。为确保取样窗口与单个或多个接收周期信号相对应，逻辑块34可以用比较器A3的输出信号的上升沿发出开始周期并开始计数的信号。
有多种可用于每一个节点的所得计数数据的处理方法，在阅读本公开后这些方法对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。例如，当取样窗口跨越接收信号的若干周期时，可以对每一个周期中的计数数量都进行平均，可以对跨越整个取样窗口的计数数量求和，或者可以用滚动平均数来确定每一个取样窗口中的计数数量。当这些计数值中的任何者都被阈值计数值改变时，应当视为正在发生触摸情况。可以在制造过程中将与计数值相关的预定时间长度或时间范围编程到逻辑块34或处理单元37中，或者可以根据多种因素（包括（例如）物理环境）定期重新校准。如果接收的计数在校准窗口之外，并且未检测到触摸（未越过阈值计数值），那么可以通过自动或手动调节进行重新校准并使非触摸计数值重新移动到校准窗口中。通过等待若干次测量都在窗口之外且未检测到任何触摸，可以防止过早地进行重新校准。
图8A示出了与本发明另一个实施例相关的波形，其中阈值电压信号48为周期性三角波，这与结合图6和图7所示的DC电压相反。尽管阈值电压信号48可以是任何周期性波形，例如，锯齿、正弦或方形波形，但阈值电压信号48为频率与接收信号相同的三角波。在一些实施例中，用作阈值电压的三角波将产生更大的与触摸和非触摸情况相关的计数差值。这可以参考图8B看出，该图将实例DC阈值电压44添加到图8A。通过将DC电压用作阈值信号，本文所公开的实施例可以连续解析与时间窗口110（非触摸）和时间窗口105（触摸）相关的计数差值。使用三角形阈值电压信号波形时，与相同的基础接收信号（42和43）的时间窗口100（非触摸）和时间窗口120（触摸）相关的计数差值变得高得多。
这个与触摸和非触摸状态相关的较高计数差值可能不易受到如可能来自（例如）LCD显示器的噪声干扰的影响。该较高差值还允许减少驱动循环中所用的驱动信号周期，这意味着触敏装置的响应时间缩短。其他驱动波形和阈值电压波形也应当具有这种效果，例如具有三角形或正弦阈值电压的方形驱动信号。当三角波被微分时，所得的来自op-amp A1（图3）的接收信号应当为方波，在一些实施例中，它可以在触摸和非触摸驱动循环之间提供更高的计数差值。只要其他驱动信号/阈值电压信号组合在触摸与非触摸状态下产生不同的计数，那么这些组合也是可以的。
在一个实施例中，阈值信号48与接收电压信号42和43同相，并且可具有与接收电压信号42和43相同的频率或者可具有比接收电压信号42和43更高的频率。在一个实施例中，当阈值电压信号48为周期性信号时，阈值电压信号的频率可为接收信号42和43的频率的整数倍，如下文结合图10和图11可以看出。
图9示出了方波62和63，该方波与来自实施例中的比较器A2的输出相对应，在该实施例中，阈值电压信号48为如图8A和图8B所示的三角形波。另外，图9还示出了来自比较器A4（图3）的方形电压信号61，该信号用于控制逻辑块计数，以确定接收信号42或43高于或低于阈值电压48的时间长度。比较器A4具有两种输入：一种连接至参考电压Vref1，另一种连接至op-amp A1输出上的接收电压信号42或43。当接收电压信号42或43高于电压Vref1时，比较器A4的输出为逻辑1；当接收电压信号42或43低于电压Vref1时，比较器A4的输出为逻辑0。因此，A4的输出为50%占空比的方波，它与接收电压信号42或43同相。当阈值电压48为周期性信号时，逻辑块34可以用该方波信号61的上升沿和下降沿触发对接收信号的每一个半周期的计数。在该实例中，逻辑块34可以用来计数的计算法如下：
Figure BDA00001645998200171
Figure BDA00001645998200181
（注意，在基于图3的实施例的上下文中，Vreceivesquare应当为A4的输出，Vtouch/notouch应当为A2的输出。）
该计算法增大了有触摸的接收电极与无触摸的接收电极之间的总计数差值，从而获得更高的信噪比。
图10再次将周期性三角波用作阈值信号Vref2（图3）；然而，阈值信号49的频率大于接收电压信号42和43的频率。在一些实施例中，阈值电压信号49的频率可以是电压信号42和43的频率的偶数倍。接收电压信号42和43与图5和图6的信号相似，不同的是在图9中，接收电压信号在2.5伏处保持居中。该偏移电压是通过将电压Vref1连接到2.5伏DC信号产生的。
图11示出了方波72和73，它们与阈值电压信号49为图9所示的三角形波时的比较器A2的输出相对应。图10还示出了方形电压信号61，它与比较器A4的输出相对应。当驱动信号的频率为125kHz，并且微处理器中的振荡器的频率为100MHz时，给定驱动循环的计数差值小于与图8A相关的实施例的计数差值。例如，用于与图9中的方波62相对应的具有触摸的接收电极的计数值为300，而用于与方波63相对应的没有触摸的接收电极的计数值为225。尽管图11的计数差值小于图9的计数差值，但图11采用的方法可具有改善的抗扰度，因为阈值电压信号49在整个接收电压信号42和43上更快地过渡。
在一些实施例中，可以采用多种计算法对逻辑块34（在本文所述的实施例中，它包括微处理器）进行编程，以降低噪声对触摸传感器的冲击影响。例如，逻辑块34可以具有比较计算法，它可以将给定周期与其任一侧周期中的计数进行比较。如果中间周期的计数数量与第一周期和最后周期显著不同，这可以表征噪声干扰或某种其他误差。然后微处理器可以（例如）通过将可疑周期设定到先前样本以消除预期异常值，从而将可疑周期从样本中排除。
实例
如下文所述构造了使用阈值电压信号的触敏装置的一个实施例。
将传感器电子器件组装到由Xilinx,Inc.(San Jose,CA)以商品名XilinxSpartan-3销售的现场可编程门阵列(FPGA)开发板的周围。该FPGA配有两块子板。一块实现接收电子器件，另一块实现驱动电子器件。
接收电子器件由以下组成：16个四边封装op-amp，部件编号为OPA4354，得自Burr-Brown（现在为Texas Instruments(Dallas,Texas,USA)的子公司）；和32个Maxim四边封装比较器，部件编号为MAX9144，得自Maxim Integrated Products,Inc.(Sunnyvale,California,USA)。用数字-模拟转换器(DAC)（得自Burr-Brown，部件编号为DAC7512）和周期性阈值电压的标准函数发生器产生不同的阈值电压。所有来自比较器的条件信号都被传送至FPGA以用于测量。
驱动电极由以下组成：波形发生器，部件编号为AD9833，得自Analog Devices,Inc.(Norwood,Massachusetts,USA)；op-amp，用于放大驱动信号，得自Analog Devices (AD8510)；比较器，可向FPGA提供用于测量驱动周期的信号，得自Maxim (MAX987)）；和五个模拟多路复用器，得自Maxim(DG408)。用于控制多路复用并设置波形发生器的所有信号都由FPGA开发板提供。
将驱动电子器件和接收电子器件分别连接到19英寸（对角线）矩阵传感器触摸面板的驱动电极和接收电极，该面板得自3M Touch Systems(Methuen,Massachusetts,USA)，3M部件编号为98-0003-3367-8。传感器是ELK Products,Inc.(Hildebran,North Carolina,USA)为3M制造的。传感器由柔性聚合物基底上的两个正交的菱形图案化电极阵列组成，其中基底层合到1.1mm厚的玻璃触摸屏前透镜上，该前透镜可以任选地安装在显示器的前面。传感器面板薄层电阻为大约250欧姆/平方、光学透射率为>90%。
用VHDL编程代码对FPGA进行编程。（VHDL代码常常用作现场可编程门阵列和数字电路电子设计自动化中的专用集成电路的设计入口语言）。VHDL来自VHSIC硬件描述语言，其中VHSIC代表超高速集成电路。VHDL代码应用于按顺序将传感器驱动32个驱动信号周期（即，驱动循环=32个周期）以及测量这32个周期内的接收信号。用Xilinx PlatformStudio11软件在FPGA的内部来例示Microblaze软核处理器。（作为软核处理器，MicroBlaze可完全应用于通用存储器和Xilinx FPGAs的逻辑构造。）然后对Microblaze处理器进行编程，以在每次切换驱动线路时收集来自VHDL逻辑的数据，以及将在串行端口收集的数据传输至主机。然后收集该原始数据，以查看实时结果或对数据进行后处理。
根据以下工序测试触摸传感器系统。对波形发生器进行编程，从而得到峰间振幅为5伏的125kHz正弦驱动信号。用串行端口和简单的软件程序捕集用于触摸和非触摸情况两者的计数值。DC和正弦阈值波形均用于比较。在一个测试中，将正弦波设置为峰间电压大于接收信号（正弦窗口化接收信号），在另一个测试中，接收信号的峰间电压大于正弦波（接收窗口化正弦）。
这些测试的结果示于表1中：
表1
设置2和3显示触摸Δ增大，这可以通过以下方法实现：在不存在触摸的情况下，将阈值电压信号的振幅设置为在接收电极上观察到的峰值振幅或正好低于该峰值振幅。如果不是使用三角形参考电压，而是使用正弦波参考电压，结合图10可以更好地理解这一点，图10在概念上接近从设置2应当观察到的。注意，参考电压信号49的峰值振幅为约3.2伏，而在不存在触摸的情况下，接收信号43上的峰值电压为约3伏。设置3显示保真性提高，这可以通过（在图10的背景下）将阈值电压信号设置为正好低于3伏来实现。
注意，设置2和3使用正弦波阈值电压信号，三角波或其他波形应当提供甚至更高的触摸Δ，如本文进一步所述。
所提供的上述各种实施例仅出于举例说明的目的，不应当认为是对本发明的限制。基于上述讨论和举例说明，本领域的技术人员将易于认识到，可以对本发明进行各种修改和更改，而不用严格遵守本文所示和所述的示例性实施例和应用。此类修改和更改不会背离本发明的真实精神和范围，包括在下文提及的权利要求书中说明的真实精神和范围。

Claims (33)

1.一种触敏设备，包括：
触敏装置，所述触敏装置具有多个驱动电极和多个接收电极，其中所述驱动电极电容耦合到所述接收电极；
触摸测量电路，所述触摸测量电路被配置为通过对第一时间周期和第二时间周期进行比较，来辨识所述触敏装置上发生的多次时间重叠的触摸，其中所述第一时间周期代表由所述接收电极中的至少一个所传送的周期性接收信号高于或低于阈值电压电平的时间长度。
2.根据权利要求1所述的触敏设备，其中所述阈值电压电平为周期性波形。
3.根据权利要求1所述的触敏设备，其中所述周期性波形为三角波。
4.根据权利要求1所述的触敏设备，其中所述第二时间周期代表在不存在所述触摸事件的情况下由所述接收电极传送的所述周期性接收信号高于或低于所述阈值电平的时间长度。
5.根据权利要求4所述的触敏设备，其中所述第二时间周期通过平均化多个时间周期样本来确定。
6.根据权利要求1所述的触敏设备，其中所述第一时间周期通过平均化多个时间周期样本来确定。
7.根据权利要求1所述的触敏设备，其中所述阈值电压为负电压。
8.根据权利要求1所述的触敏设备，其中所述第二时间周期为预定的时间长度。
9.根据权利要求8所述的触敏设备，其中所述第二时间周期位于预定的最小值与最大值之间，其中所述最小值和所述最大值被周期性更新。
10.根据权利要求1所述的触敏设备，还包括信号驱动电路，所述信号驱动电路被配置为按顺序将正弦驱动信号施加到所述多个驱动电极中的每一个。
11.根据权利要求10所述的触敏设备，其中所述信号驱动电路还被配置为，当向特定驱动电极施加所述正弦驱动信号时，将固定电压施加到除所述特定驱动电极之外的所述多个驱动电极中的至少一些。
12.根据权利要求10所述的触敏设备，其中所述信号驱动电路还被配置为以70kHz与150kHz之间的频率驱动所述周期性驱动信号。
13.根据权利要求10所述的触敏设备，其中所述信号驱动电路还被配置为以100kHz与1MHz之间的频率驱动所述周期性驱动信号。
14.根据权利要求10所述的触敏设备，其中所述触摸测量电路包括计数器，并且其中所述计数器被配置为通过以下方法来确定所述第一时间周期或所述第二时间周期：计算所述计数器在所述接收信号高于或低于所述阈值电压的正弦驱动信号周期内的振动数量。
15.一种测量具有多个驱动电极和多个接收电极的触敏装置中的互电容的方法，所述方法包括：
将周期性驱动信号施加到所述驱动电极中的至少一个，以用于通过互电容耦合到所述接收电极中的至少两个；
确定第一时间周期，其中所述第一时间周期代表由所述接收电极传送的周期性接收信号高于或低于阈值电压电平的时间长度；
将所述第一时间周期与第二时间周期进行比较；
根据比较情况辨识所述触敏装置上发生的触摸或近似触摸事件。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述阈值电压电平为周期性波形。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述周期性波形为三角波。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括放大所述周期性接收信号。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述第二时间周期代表在不存在所述触摸事件的情况下由所述接收电极传送的所述周期性接收信号高于或低于所述阈值电平的时间长度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第二时间周期通过平均化多个时间周期样本来确定。
21.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一时间周期通过平均化多个时间周期样本来确定。
22.根据权利要求15所述的方法，其中所述阈值电压为负电压。
23.根据权利要求15所述的方法，其中所述第二时间周期为预定的时间长度。
24.根据权利要求15所述的方法，其中所述确定步骤包括计算计数器在所述接收信号高于或低于所述阈值电压的周期性驱动信号周期内的振动数量。
25.根据权利要求15所述的方法，其中所述辨识步骤还包括将所述时间长度与预定时间长度进行比较，其中所述预定时间长度与不存在对所述触敏装置的触摸事件的情况相关。
26.根据权利要求15所述的方法，其中所述施加步骤还包括将地电压电平施加到当前还未施加所述周期性驱动信号的所述多个驱动电极中的每一个。
27.一种电路，所述电路被配置为检测第一电极和第二电极附近是否存在物体，所述第一电极以周期性电压信号驱动，所述第二电极传送周期性电压信号，所述周期性电压信号由所述第一电极上的电压信号产生，所述第一电极电容耦合到所述第二电极，通过对第一时间周期和第二时间周期进行比较，检测是否存在物体，其中所述第一时间周期代表由所述接收电极传送的所述周期性接收信号高于或低于阈值电压电平的时间长度。
28.根据权利要求27所述的电路，其中所述阈值电压电平为周期性波形。
29.根据权利要求27所述的电路，其中所述周期性波形为三角波。
30.根据权利要求27所述的电路，还包括放大所述第二电极上传送的所述周期性电压信号。
31.根据权利要求27所述的电路，其中所述阈值电压为负电压。
32.根据权利要求27所述的电路，其中用于测量循环的所述时间长度包括计算计数器在所述接收信号高于（如果所述阈值电压为正）或低于（如果所述阈值电压为负）所述阈值电压期间的振动数量，其中所述测量循环包括一个或多个所述周期性电压信号周期。
33.根据权利要求32所述的电路，其中用于所述测量循环的所述第二时间周期为在不存在触摸事件的情况下所述计数器在所述接收信号高于（如果所述阈值电压为正）或低于（如果所述阈值电压为负）所述阈值电压期间的预定振动数量。
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