CN102968224A

CN102968224A - 触控面板的控制电路及控制方法

Info

Publication number: CN102968224A
Application number: CN2011102564503A
Authority: CN
Inventors: 朱浚学
Original assignee: TPK Touch Solutions Inc
Current assignee: TPK Touch Solutions Inc
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: TWI453647B; KR101488008B1; EP2565755B1; KR20130024768A; US8947395B2; TW201310320A; JP5502946B2; EP2565755A3; TWM445220U; US20130050140A1; EP2565755A2; JP2013054729A; CN102968224B

Abstract

本发明提供一种检测触控面板的电容的控制电路及控制方法，该控制电路包含：一信号检测电路，充电触控面板上的一感测线而获得该感测线的一强度信号；一强度/频率转换单元，将强度信号转换为一频率信号，其中频率信号的频率是对应于该强度信号的电平；及一频率解析单元，解析频率信号以获得相对应的感测线的一信号量。电容式触控面板的控制电路具有良好的SNR，且不受电路环境的噪声信号的影响而降低SNR，控制电路使用简单的组件以减少占用芯片的面积及降低其成本。

Description

触控面板的控制电路及控制方法

技术领域

本发明涉及一种触控面板的控制电路及控制方法，特别涉及一种检测触控面板的电容变化的控制电路及控制方法。

背景技术

触控面板所使用的触控技术依感应原理可分为电阻式(Resistive)、电容式(Capacitive)、音波式(Surface Acoustic Wave)及光学式(Optics)等四种。

请合并参考图1与图2，分别绘示已知电容式触控面板的控制电路的方块图及电路图。控制电路10是电性连接于电容式触控面板12，其中控制电路10包括脉冲产生器20、多任务器22、多任务器24、积分器26、取样及保持电路28及模拟至数字转换器(Analog to Digital Converter；后续简称为ADC)32。

脉冲产生器20所产生的脉冲是作为一种驱动信号，会经由多任务器22传送至电容式触控面板12的X轴驱动线与Y轴驱动线，而电容式触控面板12的Y轴感测线与X轴感测线上所感测的电容变化数值是作为触控感测信号，会经由多任务器24传送至积分器26。

在图2中，电容式触控面板12经由多任务器24传送到积分器26的触控感测信号为脉冲信号，积分器26将数个脉冲信号积分成梯形方波信号并传送至取样及保持电路28。

之后，在图1中，取样及保持电路28会对积分器26所积分的梯形方波信号进行取样，及对所取样得到的信号保持直流(Direct Current，DC)电压的电平。ADC 32会将上述取样后的模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号传送至微处理器(未图标)做信号处理。

上述已知电容式触控面板12所使用的控制电路10至少有下列缺点：

a.在电路环境中会产生噪声信号，而该噪声信号亦会经由积分器26而积分成为信号的一部分，导致整体系统的SNR(Signal to Noise Ratio，信号噪声比)降低。

b.积分器26需利用一周期时间将电容式触控面板12上的电荷转移累积以达到后级电路可处理的电压，此一冗长的积分时间会影响到电容式触控面板12的帧速率(frame rate)，而此问题虽可使用特殊的硬件方式(例如：取样及保持电路28)来补偿，但会造成成本增加的问题。

c.使用积分器26、取样及保持电路28及数字至模拟转换器32会占用芯片较大的面积。

发明内容

本发明提供一种触控面板的控制电路及控制方法，其可使电容式触控面板的系统具有良好的SNR，而且控制电路不受环境中所产生的噪声信号的影响而降低SNR，控制电路使用简单的组件构成，有效地减少占用芯片的面积及降低整体系统的成本。

本发明的第一方面是提供一种触控面板的控制电路，其特征在于，包含：

一信号检测电路，充电该触控面板的一感测线而获得该感测线的一强度信号；

一强度/频率转换单元，将该强度信号转换为一频率信号，其中该频率信号的频率是对应于该强度信号的电平；及

一频率解析单元，解析该频率信号以获得相对应的感测线的一信号量。

根据本发明的第一方面所述的控制电路，其特征在于，所述的感测线是第一轴向感测线或第二轴向感测线。

根据本发明的第一方面所述的控制电路，其特征在于，所述的信号检测电路是一电容检测电路，用以提供一电源来充电该感测线的一等效电容，并对应提供同样大小的该电源来充电该电容检测电路的一内部电容，以获得该强度信号。

根据本发明的第一方面所述的控制电路，其特征在于，所述的电容检测电路所产生的该强度信号的电压V_out是如下公式表示：

V_{out} \approx \frac{L_{a} W_{b}}{W_{a} L_{b}} \frac{(V_{DD} - V_{T}) C_{X}}{C}

其中，L_a为该电容检测电路的一晶体管a的栅极长度，W_a为该晶体管a的栅极宽度，L_b为该电容检测电路的一晶体管b的栅极长度，W_b为该晶体管b的栅极宽度，V_DD为供应电压，V_T为晶体管的临界电压，C_X为感测线的等效电容与该控制电路的电路板的杂散电容之和，C为电容检测电路的该内部电容。

根据本发明的第一方面所述的控制电路，其特征在于，所述的电容检测电路包含：

一缓冲级电路，用于稳定该电容检测电路的该强度信号；以及

一电平移位器，用于调整及放大该电容检测电路的该强度信号的电平。

根据本发明的第一方面所述的控制电路，其特征在于，所述的强度/频率转换单元是一电压控制振荡器，且该频率解析单元是一频率计数器或一频率鉴别器。

根据本发明的第一方面所述的控制电路，其特征在于，还包含：

一第一多任务器，电性连接该信号检测电路，用以切换选择该感测线；以及

一第二多任务器，电性连接该信号检测电路，用以切换选择该强度信号以传送至该强度/频率转换单元。

本发明的第二方面是提供一种触控面板的控制方法，其特征在于，包含下列步骤：

充电该触控面板的一感测线而获得该感测线的一强度信号；

转换该强度信号为一频率信号，其中该频率信号的频率是相关于所对应的感测线的该强度信号的电平；及

解析该频率信号以获得所对应的感测线的一信号量。

根据本发明的第二方面所述的控制方法，其中，其特征在于，在所述的充电的步骤中，由一信号检测电路提供一电源来充电该感测线的一等效电容，并对应提供同样大小的该电源来充电该信号检测电路的一内部电容，以获得该强度信号。

根据本发明的第二方面所述的控制方法，其特征在于，还包含：

以开关切换方式将充电用电源传送至该感测线；以及

以开关切换方式传送该强度信号。

附图说明

图1为已知电容式触控面板的控制电路的方块图；

图2为已知电容式触控面板的控制电路的电路图；

图3为本发明的电容式触控面板的系统方块图；

图4为本发明的电容式触控面板所感应的电容变化的示意图；

图5为本发明的电容检测电路的电路图；

图6为本发明的电容检测电路的等效电路图；

图7为本发明电容检测电路的输出端的电压V_out与电容式触控面板的感测线的电容C_X的关系的曲线图；

图8为本发明的另一电容检测电路的电路图；以及

图9为本发明的另一电容式触控面板的系统方块图。

主要元件标号说明

10控制电路 12电容式触控面板

20脉冲产生器 22多任务器

26积分器 28取样及保持电路

32模拟至数字转换器 40电容式触控面板

42控制电路 44多任务器

46电容检测电路 48多任务器

50电压控制振荡器 52频率计数器

54微控制器 60电容检测电路

62缓冲级电路 64电平移位器

70控制电路 82微控制器

721多任务器 722多任务器

72N多任务器 741电容检测电路

742电容检测电路 74N电容检测电路

761多任务器 762多任务器

76N多任务器 781电压控制振荡器

782电压控制振荡器 78N电压控制振荡器

801频率计数器 802频率计数器

80N频率计数器

具体实施方式

本发明的触控面板的控制电路包含一信号检测电路、一强度/频率转换单元、一频率解析单元及多任务器。

信号检测电路用以充电触控面板上的第一轴向感测线与第二轴向感测线而获得各感测线的一强度信号。强度/频率转换单元将强度信号转换为一频率信号，其中该频率信号的频率是相关于所对应的强度信号的电平。频率解析单元解析该频率信号以获得相对应的感测线的一信号量，并将该信号量传送至控制电路外部的一微控制器。一第一多任务器电性连接信号检测电路，以切换选择该等感测线。一第二多任务器电性连接该信号检测电路，以切换选择该强度信号而传送至强度/频率转换单元。

参考以下附图进一步说明本发明的触控面板的控制电路的内部操作。

图3为本发明的电容式触控面板的系统方块图。在图3中，控制电路42包含一多任务器44、作为上述信号检测电路用的一电容检测电路46、一多任务器48、作为上述强度/频率转换单元用的一电压控制振荡器50及作为上述频率解析单元的一频率计数器52。其中，多任务器44、48可以是多对一开关或是多个一对一开关，而频率解析单元亦可使用一频率鉴别器。

请合并参考图4，当手指等触碰电容式触控面板40的触控点P时，触控点P的位置及其邻近处在X轴感测线及Y轴感测线的等效电容会产生电容值的变化，依此变化，可让后续的微控制器54计算出触控点P的坐标位置。其中，X轴感测线及Y轴感测线在电容式触控面板40的中心位置处所感应的等效电容的电容值会是最大，而越远离该中心位置处，X轴感测线及Y轴感测线所感应的等效电容的电容值也随之变小。

多任务器44电性连接电容式触控面板40的每一X轴感测线及Y轴感测线，由控制电路42外部的微控制器54控制多任务器44的切换，以将电容式触控面板40的每一X轴感测线及Y轴感测线所感应的等效电容的电容值依序传送至电容检测电路46。

电容检测电路46经由多任务器44提供充电用电源至X轴感测线及Y轴感测线，并接收每一X轴感测线及Y轴感测线所感应的等效电容的电容值。当电容检测电路46对X轴感测线及Y轴感测线的其中一者充电时，会根据对该感测线充电的充电电流而提供相同的充电电流对一内部电容充电，经充电的内部电容的两端会形成一电压，而该电压即为强度信号，如图5为本发明的电容检测电路的电路图及图6为本发明的电容检测电路的等效电路图所示。其中，电容检测电路46中的内部电容C₁可为可变电容，藉以调整电容检测电路46的强度信号的电平。

在图5中，晶体管m3及晶体管m4是例如形成一电流镜的充放电电路，晶体管m1的栅极输入时钟ck1，晶体管m2的栅极及晶体管m5的栅极输入时钟ck2。时钟ck1及时钟ck2每一者是由微控制器54输入至晶体管m1的栅极、晶体管m2的栅极及晶体管m5的栅极，时钟ck1及时钟ck2控制晶体管m1、晶体管m2及晶体管m5的导通与关闭。其中，本实施例所述的晶体管的种类不限制是采用NMOS、PMOS、NPN BJT或PNP BJT的设计。

电容检测电路46的操作原理可分为充电和放电两个阶段。当时钟ck1为Low(低电位)及时钟ck2为Low时，此阶段为充电阶段，晶体管m1为导通、晶体管m2及晶体管m5为关闭，供应电压V_DD将作为充电用的一电流经过晶体管m3及晶体管m1而由输入端(晶体管m1与晶体管m2的连接处)经多任务器44来提供于电容式触控面板40的感测线，可视为对感测线的等效电容(包含电路板的信号路径所产生的杂散电容)进行充电。由于晶体管m3及晶体管m4形成电流镜电路，所以流经晶体管m4的电流是相同于流经晶体管m3的电流，而流经晶体管m4的电流会对内部电容C₁进行充电，此时对内部电容C₁进行充电所产生的电压即为电容检测电路46所获得的强度信号，而该强度信号是相对应于被充电的感测线的等效电容的电容值)。当时钟ck1为High(高电位)及时钟ck2为High时，此阶段为放电阶段，晶体管m1为关闭、晶体管m2及晶体管m5为导通，提供至电容式触控面板40的感测线的电流经多任务器44于输入端由晶体管m2对接地端进行放电，同样地已充电的内部电容C₁经由晶体管m5对接地端进行放电。

为了方便公式的推导，以图6的等效电路图来介绍图5的电容检测电路46的简化模型。其中，等效电容C_X为电容式触控面板40的感测线的等效电容(包含电路板的连接线所产生的杂散电容)。

根据图6的等效电路的推导结果如下：

I_{1} = \frac{1}{2} μ_{0} C_{OX} \frac{W}{L} {(V_{GS} - V_{T})}^{2}

其中，μ₀为晶体管的电子的迁移率，C_OX为晶体管的氧化物介电常数与氧化物厚度比值，W为晶体管的栅极宽度，L为晶体管的栅极长度，V_GS为晶体管的栅极与源极间的电压差，V_T为晶体管的临界电压。

电流I₁对电容式触控面板40的感测线的等效电容C_X充电一段时间t后，在电容检测电路46的输入端所产生的电压差V_X为：

V_{X} = {&Integral;}_{0}^{t} I_{1} dT

根据电容检测电路46的电路配置与晶体管的特性可推导出输出端的电压V_out如下：

V_{out} = \frac{L_{3} W_{4}}{W_{3} L_{4}} \frac{(V_{DD} - V_{T})}{C_{1}} [1 - \frac{1}{1 + \frac{1}{C_{X}} (\frac{μ_{0} C_{OX} W_{3}}{2 L_{3}}) (V_{DD} - V_{T}) t}] C_{X}

\approx \frac{L_{a} W_{b}}{W_{a} L_{b}} \frac{(V_{DD} - V_{T})}{C_{1}} C_{X}

其中，V_out为电容检测电路46的输出端的电压，L₃为晶体管m3的栅极长度，W₃为晶体管m3的栅极宽度，L₄为晶体管m4的栅极长度，W₄为晶体管m4的栅极宽度。

因此，电容检测电路46的输出端的电压V_out与C_X/C₁成比例关系，如图7为本发明电容检测电路的输出端的电压V_out与电容式触控面板的感测线的等效电容C_X的关系的曲线图所示。

在图7中，可以发现手指触碰电容式触控面板40的位置的感测线所感应的等效电容C_X的电容值是较大的(如图7中所示的等效电容C_X最大值2.5pF)，因此经由电容检测电路46检测后所得到的电压V_out(即强度信号)是相对地较大的；并且，随着离手指触碰电容式触控面板40的位置越远，感测线所感应的等效电容C_X的电容值也逐渐变小，(如图7中所示等效电容C_X随着手指触碰电容式触控面板40的位置越远而由2.0pF、1.5pF、1.0pF、0.5pF逐渐变小)，因此经由电容检测电路46检测后所得到的电压V_out相应于等效电容C_X逐渐变小而随之变小。

为了使电容检测电路有更佳的电路特性，如图8为本发明的另一电容检测电路的电路图所示，电容检测电路60的晶体管m4与晶体管m5的连接处耦接一缓冲级电路(例如包含缓冲电路(Buffer)及电源追随电路(SourceFollower))62，其用于稳定电容检测电路60的输出电压V_out不受其他负载效应的影响，如后级的电压控制振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)50(如图3所示)。缓冲级电路62耦接一电平移位器(Level Shifter)64，电平移位器64可例如进一步包含有可编程增益放大器，以用来调整及放大电容检测电路60的输出电压V_out的电平，并将调整及放大后的输出电压V_out传送至后级电路如电压控制振荡器50。

在图5中的电容检测电路46是由几个NMOS、PMOS、NPNBJT或PNPBJT所组成的电路，相较于图1的已知电容检测电路10由脉冲产生器20、积分器26及取样及保持电路28所组成的大型电路，本实施例的电容检测电路46是成本低、占用芯片面积小、性能优异、并且可支持低供应电压(如：3V～1.8V)。

在图3中，多任务器48电连接至电容检测电路46的输出端，而由微控制器54控制多任务器48的切换，以将电容检测电路46的输出端的电压V_out(即强度信号)传送至电压控制振荡器50。

电压控制振荡器50是一种利用输入电压来控制振荡频率的电子振荡电路，亦即，输入至电压控制振荡器50的电压越高，电压控制振荡器50所产生的输出频率越高。

电容检测电路46的输出端的电压V_out经由多任务器48输入至电压控制振荡器50，而电压V_out为直流电压。手指触碰电容式触控面板40的位置的感测线所感应的等效电容C_X的电容值是较大的，且经由电容检测电路46检测后所得到的电压V_out相对地是较大的，因此电压控制振荡器50根据较大的电压V_out而产生较高的输出频率；反之，邻近于手指触碰电容式触控面板40的位置的感测线所感应的等效电容C_X的电容值是较小的，且经由电容检测电路46检测后所得到的电压V_out相对地是较小的，因此电压控制振荡器50根据较小的电压V_out而产生较低的输出频率。

电压控制振荡器50将所产生的输出频率输入至频率计数器52(或频率鉴别器)，由频率计数器52(或频率鉴别器)计数电压控制振荡器50所输入的输出频率而得到一计数值，该计数值为对应的感测线所感应的等效电容C_X的电容值的信号量。

由于微控制器54控制多任务器44使电容式触控面板40的特定感测线所感应的等效电容C_X的电容值传送至电容检测电路46，因此频率计数器52(或频率鉴别器)接收到电压控制振荡器50所产生的输出频率，该输出频率是对应于特定感测线所感应的等效电容C_X的电容值。如图4所示，电容式触控面板40在手指触碰电容式触控面板40的位置的X轴感测线及Y轴感测线所感应的等效电容的电容值是较大的，因此对应于手指触碰电容式触控面板40的位置的X轴感测线及Y轴感测线处由频率计数器52(或频率鉴别器)所计数的计数值是较高的，而邻近手指触碰电容式触控面板40的位置的X轴感测线及Y轴感测线所感应的等效电容的电容值是较小的，因此对应于邻近手指触碰电容式触控面板40的位置的X轴感测线及Y轴感测线处由频率计数器52(或频率鉴别器)所计数的计数值为较低的，所以微控制器54根据接收频率计数器52(或频率鉴别器)的计数值以比较各X轴感测线及Y轴感测线的等效电容的电容值，其中微控制器54比较出至少一个X轴感测线及一个Y轴感测线的等效电容的电容值高于其他X轴感测线及Y轴感测线的等效电容的电容值，便得知手指触碰电容式触控面板40的位置。

本实施例的控制电路42的优点如下：

a.当电容式触控面板40的供应电压越来越低(5V、3V、1.8V、1.2V)时，电压控制振荡器50在低供应电压的情况下仍可产生高频率信号，操作在高频率信号的控制电路42的SNR不易受低供应电压的影响而降低。

b.在电路环境中所产生的噪声信号不会降低控制电路42的SNR，因为电压控制振荡器50可操作在较高的频率(如MHz～GHz范围)信号，不会因为环境中的噪声信号而影响电压控制振荡器50所输出的振荡频率。

c.手指触碰电容式触控面板40所感应的等效电容的电容值可使电压控制振荡器50所产生的振荡频率的变化范围大，如此不易受环境中的噪声信号影响，而使控制电路42具有高的SNR。

图9为本发明的另一电容式触控面板的系统方块图。图9的电容式触控面板与图3的电容式触控面板40具有相同功能与配置，因此用相同的组件符号并省略其说明。在图9中，控制电路70包含多任务器721、722、...、72N、电容检测电路741、742、...、74N、多任务器761、762、...、76N、电压控制振荡器781、782、...、78N及频率计数器801、802、...、80N(亦可使用频率鉴别器)。多任务器721、电容检测电路741、多任务器761、电压控制振荡器781及频率计数器801实质上等同图3的控制电路42的各组件且与各组件功能相同，而多任务器722、电容检测电路742、多任务器762、电压控制振荡器782及频率计数器802实质上等同图3的控制电路42的各组件且与各组件功能相同，以此类推，并且不多加描述。其中N为大于或等于2的整数，可考虑整体系统在对于手指触碰电容式触碰面板40的处理时间而适当地设计N。

各个多任务器721、722、...、72N以并联方式电性连接电容式触控面板40的X轴感测线及Y轴感测线，由控制电路70外部的微控制器82控制多任务器721、722、...、72N的切换，以将电容式触控面板40的X轴感测线及Y轴感测线所感应的等效电容的电容值同时传送至电容检测电路741、742、...、74N，以分别产生对应于X轴感测线及Y轴感测线的等效电容的电容值的强度信号。电压控制振荡器781、782、...、78N根据该等强度信号分别产生输出频率，并且平行地输入至频率计数器801、802、...、80N(或频率鉴别器)。频率计数器801、802、...、80N根据该等输出频率分别产生计数值，并且平行地输入至微控制器82。微控制器82比较该等计数值以得的手指触碰电容式触控面板40的位置。

大尺寸电容式触控面板40具有数量较多的X轴感测线及Y轴感测线，若以图3的控制电路42的电路配置来响应手指触碰大尺寸电容式触控面板40，势必需要长的响应时间，而以图9的具有多组相同组件的控制电路70来平行处理响应手指触碰大尺寸电容式触控面板40，可大大地缩短其响应时间。

在另一实施例中，为了避免因为电路组件过多而占用过多电容式触控面板40的空间，可以用一个多任务器、一个电压控制振荡器及一个频率计数器(或频率鉴别器)来取代N个多任务器761、762、...、76N、N个电压控制振荡器781、782、...、78N及N个频率计数器801、802、...、80N。让N个电容检测电路741、742、...、74N搭配N个多任务器721、722、...、72N来进行多任务处理，而该一个多任务器及该一个电压控制振荡器则是分时(可由微控制器82产生分时信号来控制N个多任务器721、722、...、72N)来处理电容检测电路74x输出的强度信号，而该一个频率计数器(或频率鉴别器)处理该一个电压控制振荡器的输出频率，并将计数值传送至微控制器82。

本发明的优点提供一种触控面板的控制电路及控制方法，电容式触控面板的控制电路具有良好的SNR，而且控制电路不受环境中所产生的噪声信号的影响而降低SNR，控制电路使用简单的组件构成，有效地减少占用芯片的面积及降低整体系统的成本。

虽然本发明已参照较佳具体例及举例性附图叙述如上，惟其应不被视为限制性者。本领域技术人员对其形态及具体例的内容做各种修改、省略及变化，均不离开本发明的权利要求的所主张范围。

Claims

1.一种触控面板的控制电路，其特征在于，包含：

一强度/频率转换单元，将该强度信号转换为一频率信号，其中该频率信号的频率对应于该强度信号的电平；及

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述的感测线为第一轴向感测线或第二轴向感测线。

3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述的信号检测电路为一电容检测电路，用以提供一电源来充电该感测线的一等效电容，并对应提供同样大小的该电源来充电该电容检测电路的一内部电容，以获得该强度信号。

4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述的电容检测电路所产生的该强度信号的电压V_out如下公式表示：

V_{out} \approx \frac{L_{a} W_{b}}{W_{a} L_{b}} \frac{(V_{DD} - V_{T}) C_{X}}{C}

其中，L_a为该电容检测电路的一晶体管a的栅极长度，W_a为该晶体管a的栅极宽度，L_b为该电容检测电路的一晶体管b的栅极长度，W_b为该晶体管b的栅极宽度，V_DD为供应电压，V_T为晶体管的临界电压，C_X为感测线的等效电容与该控制电路的电路板的一杂散电容之和，C为电容检测电路的该内部电容。

5.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述的电容检测电路包含：

6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述的强度/频率转换单元为一电压控制振荡器，且该频率解析单元为一频率计数器或一频率鉴别器。

7.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包含：

8.一种触控面板的控制方法，其特征在于，包含下列步骤：

充电该触控面板的一感测线而获得该感测线的一强度信号；

转换该强度信号为一频率信号，其中该频率信号的频率相关于所对应的感测线的该强度信号的电平；及

解析该频率信号以获得所对应的感测线的一信号量。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，在所述的充电的步骤中，由一信号检测电路提供一电源来充电该感测线的一等效电容，并对应提供同样大小的该电源来充电该信号检测电路的一内部电容，以获得该强度信号。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，还包含：

以开关切换方式将充电用电源传送至该感测线；以及

以开关切换方式传送该强度信号。