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TWI393041B - Sensing Circuit and Method of Capacitive Touchpad - Google Patents

Sensing Circuit and Method of Capacitive Touchpad Download PDF

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TWI393041B
TWI393041B TW098124097A TW98124097A TWI393041B TW I393041 B TWI393041 B TW I393041B TW 098124097 A TW098124097 A TW 098124097A TW 98124097 A TW98124097 A TW 98124097A TW I393041 B TWI393041 B TW I393041B
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TW
Taiwan
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capacitor
sensing
measuring
switches
switch
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TW098124097A
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English (en)
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TW201104538A (en
Inventor
Chun Chung Huang
I Shu Lee
Hsiu Ju Yang
Ching Chung Wang
Kun Ming Tsai
Yu Hui Lin
Original Assignee
Elan Microelectronics Corp
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Publication date
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Priority to US12/836,016 priority patent/US8378987B2/en
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Description

電容式觸控板的感測電路及方法
本發明係有關一種電容式觸控板，特別是關於一種電容式觸控板的感測電路及方法。
由於電容式觸控板具有輕薄等優點，因此逐漸取代傳統的控鍵及滑鼠等輸入裝置。圖1顯示習知的二維電容式控板10，其包括多條X軸感應線(trace)TX1~TX8及多條Y軸感應線TY1~TY6。現行的電容式觸控板10之偵測多採用量測自身電容(self capacitor)方式，例如，手指觸碰在位置12會引起感應線TX8及TY3的電容值改變，因此可以判定手指係在感應線TX8及TY3的交叉點12。然而，這樣的方式在多指應用上無法正確辨識手指的位置。例如圖2所示的雙指觸碰，兩手指同時觸碰在位置20及22會引起感應線TX2、TX4、TY2及TY4的電容值改變，由此電容值的變化判斷的觸點位置有兩種可能性，除了手指20及22真正的位置(TX2,TY4)及(TX4,TY2)之外，會出現兩個鬼點在位置(TX2,TY2)及(TX4,TY4)24及26，這使得電容式觸控板10無法正確判斷出真正的觸點位置20及22。
圖3顯示一種電容式觸控板的感測電路30，其中電壓源32提供電壓Vs至電容式觸控板的感應線TXN，開關SW1連接在電容式觸控板的感應線TYM及電容CL之間，開關SW2與電容CL並聯，開關SW1及SW2控制電容CL的充放電，當開關SW1打開(turn on)而開關SW2關閉(turn off)時，在感應線TXN及TYM之交叉點的交互電容(mutual capacitor)Cm將因應電壓Vs產生電流
I=Cm×dVs/dt　公式1
電流I對電容CL充電產生電壓VA，類比數位轉換器34將電壓VA轉為數位信號VD，比較器36比較數位信號VD及臨界值TH產生感測信號ST以判斷是否有手指觸碰感應線TXN及TYM之交叉點。當有手指觸碰感應線TXN及TYM之交叉點時，交互電容Cm的電容值上升，根據公式1，交互電容的電容值上升將使電流I上升，因此加快電壓VA的上升速度，使得數位信號VD大於臨界值。此種利用交互電容Cm的感測方法雖然可以解決多指觸碰時鬼點的問題，但是此方法對開關SW1打開的時間有相當嚴格的要求，當開關SW1打開的時間略長時，可能使數位信號VD大於臨界值TH而造成錯誤的判斷，然而，要準確的控制每次開關SW1打開的時間是相當困難的。
本發明的目的之一，在於提出一種電容式觸控板的感測電路及方法。
本發明的目的之一，在於提出一種利用交互電容判斷觸點位置的感測電路及方法。
根據本發明，一種電容式觸控板的感測電路，該電容式觸控板具有一第一感應線及一第二感應線，二者之交叉點具有一交互電容，該感測電路包括量測電容具有一第一端及一第二端，該量測電容的第一端連接該第二感應線；第一開關連接在一第一電源及該第一感應線之間；第二開關連接在該第一電源及該第二感應線之間；第三開關連接在該第一感應線及一第二電源之間；第四開關連接在該量測電容的第二端及第二電源之間；量測裝置連接該量測電容，根據該量測電容上的電壓判斷該交叉點是否受到碰觸；以及控制裝置連接該第一、第二、第三及第四開關，用以切換該第一、第二、第三及第四開關。
根據本發明，一種電容式觸控板的感測電路，該電容式觸控板具有一第一感應線及一第二感應線，二者之交叉點具有一交互電容，該感測電路包括量測電容具有一第一端及一第二端；第一開關連接在一第一電源及該第一感應線之間；第二開關連接在該第一電源及該量測電容的第一端之間；第三開關連接在該第一感應線及一第二電源之間；第四開關連接在該量測電容的第二端及該第二電源之間；第五開關連接在該第一電源及第二感應線之間；第六開關連接在該第二感應線及第二電源之間；第七開關連接在該第二感應線及該量測電容的第一端之間；量測裝置連接該量測電容，根據該量測電容上的電壓判斷該交叉點是否受到碰觸；以及控制裝置連接該第一、第二、第三、第四、第五、第六及第七開關，用以切換該第一、第二、第三、第四、第五、第六及第七開關。
根據本發明，一種電容式觸控板的感測方法，該電容式觸控板具有一第一感應線及一第二感應線，二者之交叉點具有一交互電容，該感測方法包括先將一量測電容充電，接著設定該交互電容的跨壓，跟著將該量測電容上的電荷注入該交互電容，最後偵測該量測電容上的電壓以判斷該交叉點是否受到碰觸。
圖4顯示本發明的感測方法，首先對一量測電容充電，如步驟S40。接著設定電容式觸控板的兩感應線之交叉點的交互電容的跨壓，如步驟S42。之後進行步驟S44讓量測電容對交互電容充電，因此量測電容的電荷注入交互電容，量測電容的電壓因而下降。當手指觸碰該兩感應線之交叉點時，將引起該交互電容的電容值變化，而該交互電容的電容值變化將影響量測電容的注入交互電容的電荷量，因此可以偵測量測電容上的電壓以判斷是否有手指觸碰該交叉點，如步驟S46。在其他實施例中，在進行步驟S46之前，可以重覆步驟S42及S44或者重覆步驟S40至S44至少一次後再偵測量測電容上的電壓。
圖5顯示實現本發明感測方法的第一實施例，其中感測電路50連接電容式觸控板的感應線TXN及TYM，用以偵測感應線TXN及TYM之交叉點的交互電容Cm的變化。感測電路50包括開關SW1、SW2、SW3及SW4、量測電容Cb、量測裝置53以及微處理機控制裝置(Microprocessor Control Unit;MCU)54。量測電容Cb具有第一端51連接感應線TYM，開關SW1連接在電源端Vp及感應線TXN之間，開關SW2連接在電源端Vp及感應線TYM之間，開關SW3連接在感應線TXN及接地端GND之間，開關SW4連接在量測電容Cb的第二端52及接地端GND之間，量測裝置53偵測量測電容Cb上的電壓Vcb，MCU 54提供控制信號Sa、Sb、Sc及Sd分別切換開關SW1、SW2、SW3及SW4。
圖6顯示圖5中信號的時序圖，其中波形56為控制信號Sa，波形58為控制信號Sb，波形60為控制信號Sc，波形62為控制信號Sd。圖7至圖9顯示感測電路50的操作。參照圖5及圖6，首先MCU 54送出高準位的控制信號Sa、Sb及Sd以及低準位的控制信號Sc，以使感測電路50進入第一操作狀態。在第一操作狀態期間，如時間t1至t2，開關SW1、SW2及SW4打開而開關SW3關閉，如圖7所示，故電源VP對量測電容Cb充電，使得量測電容Cb上的電壓Vcb=Vp，又感應線TXN及TYM均連接至電源Vp，因此交互電容Cm上的跨壓為零。在時間t2時，MCU 54送出高準位的控制信號Sc及Sd以及低準位的控制信號Sa及Sb以使感測電路50進入第二操作狀態。在第二操作狀態期間，如時間t2至t3，開關SW1及SW2關閉而開關SW3及SW4打開，如圖8所示，量測電容Cb對交互電容Cm充電，故量測電容Cb上的電荷有部分將移轉至交互電容Cm，最後電荷重新分佈使量測電容Cb上的電壓Vcb變為Vp×Cb/(Cb+Cm)。在時間t3時，MCU 54送出高準位的控制信號Sa及Sb以及低準位的控制信號Sc及Sd以使感測電路50進入第三操作狀態。在第三操作狀態期間，如時間t3至t4，開關SW1及SW2打開而開關SW3及SW4關閉，如圖9所示，由於感應線TXN及TYM均連接至電源Vp，因此交互電容Cm上的電荷被釋放，交互電容Cm上的跨壓為零。
接著，MCU 54控制開關SW1、SW2、SW3及SW4以使感測電路50重覆圖8及圖9的第二操作狀態及第三操作狀態，如時間t4至t5，在重覆第二操作狀能及第三操作狀態達到預設次數後，感測電路50停留在第二操作狀態，同時MCU 54送出致能信號Sen致能量測裝置53以偵測量測電容Cb的電壓Vcb，最後量測裝置53送出量測信號ST至MCU 54以完成量測程序。當手指觸碰感應線TXN及TYM之交叉點時，交互電容Cm的電容值減少，故從量測電容Cb移轉至交互電容Cm的電荷量較少，若量測電容Cb上的電壓Vcb高於一參考電壓Vref時，量測裝置53即判定有手指觸碰該交叉點。圖10顯示量測裝置53的實施例，其包括比較器64比較參考電壓Vref及電壓Vcb，當電壓Vcb高於參考電壓Vref時，比較器64送出高準位的量測信號ST至MCU 54。
圖11顯示實現本發明感測方法的第二實施例，其中感測電路66連接電容式觸控板的感應線TXN及TYM，用以偵測感應線TXN及TYM之交叉點的交互電容Cm的變化。感測電路66包括開關SW1、SW2、SW3及SW4、量測電容Cb、量測裝置69以及MCU 70。量測電容Cb的第一端67連接感應線TYM，開關SW1連接在電源端Vp及感應線TXN之間，開關SW2連接在量測電容Cb的第二端68及電源端Vp之間，開關SW3連接在感應線TXN及接地端GND之間，開關SW4連接在感應線TYM及接地端GND之間，量測裝置69偵測量測電容Cb上的電壓Vcb，MCU 70提供控制信號Sa、Sb、Sc及Sd分別切換開關SW1、SW2、SW3及SW4。
圖12顯示圖11中信號的時序圖，其中波形72為控制信號Sa，波形74為控制信號Sb，波形76為控制信號Sc，波形78為控制信號Sd。圖7至圖9顯示感測電路50的操作。參照圖11及圖12，在時間T1時，MCU 70送出高準位的控制信號Sb、Sc及Sd以及低準位的控制信號Sa，以使感測電路66進入第一操作狀態。在第一操作狀態期間，如時間T1至T2，開關SW2、SW3及SW4打開而開關SW1關閉，如圖13所示，故電源VP對量測電容Cb充電，使得量測電容Cb上的電壓Vcb=Vp，又感應線TXN及TYM均連接至接地端GND，因此交互電容Cm上的跨壓為零。在時間T2時，MCU 70送出高準位的控制信號Sa及Sb以及低準位的控制信號Sc及Sd以使感測電路66進入第二操作狀態。在第二操作狀態期間，如時間T2至T3，開關SW1及SW2打開而開關SW3及SW4關閉，如圖14所示，量測電容Cb對交互電容Cm充電，故量測電容Cb上的電荷有部分將移轉至交互電容Cm，最後電荷重新分佈使量測電容Cb上的電壓Vcb變為Vp×Cb/(Cb+Cm)。在時間T3時，MCU 70送出低準位的控制信號Sa及Sb以及高準位的控制信號Sc及Sd以使感測電路66進入第三操作狀態。在第三操作狀態期間，如時間T3至T4，開關SW1及SW2關閉而開關SW3及SW4打開，如圖15所示，由於感應線TXN及TYM均連接至接地端GND，因此交互電容Cm上的電荷被釋放，交互電容Cm上的跨壓為零。接著，重覆圖14及圖15第二操作狀態及第三操作狀態，如時間T4至T5，在重覆第二操作狀能及第三操作狀態數次後，感測電路66停留在第二操作狀態，同時MCU 70送出致能信號Sen致能量測裝置69以偵測量測電容Cb的電壓Vcb，最後量測裝置69送出量測信號ST至MCU 70以完成量測程序。
圖16顯示實現本發明感測方法的第三實施例，其中感測電路80連接電容式觸控板的感應線TXN及TYM，用以偵測感應線TXN及TYM之交叉點的交互電容Cm的變化。感測電路80包括開關SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6及SW7、量測電容Cb、量測裝置86以及MCU 88。開關SW1連接在電源端Vp及感應線TXN之間，開關SW2連接在電源端Vp及量測電容Cb的第一端82之間，開關SW3連接在感應線TXN及接地端GND之間，開關SW4連接在量測電容Cb的第二端84及接地端GND之間，開關SW5連接在電源端Vp及感應線TYM之間，開關SW6連接在感應線TYM及接地端GND之間，開關SW7連接在感應線TYM及量測電容Cb的第一端82之間，量測裝置86偵測量測電容Cb上的電壓Vcb，MCU 88提供控制信號Sa、Sb、Sc、Sd、Se、Sf及Sg分別切換開關SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6及SW7。
圖17至圖19顯示感測電路80的操作。感測電路80首先進入第一操作狀態，在第一操作狀態期間，如圖17所示，開關SW1、SW2、SW4及SW6打開而開關SW3、SW5及SW7關閉，故電源VP對量測電容Cb充電，使得量測電容Cb上的電壓Vcb=Vp，又感應線TXN連接至電源Vp而感應線TYM連接至接地端GND，因此交互電容Cm上的跨壓為-Vp。接著感測電路80進入第二操作狀態，在第二操作狀態期間，如圖18所示，開關SW3、SW4及SW7'打開而開關SW1、SW2、SW5及SW6關閉，量測電容Cb對交互電容Cm充電，故量測電容Cb上的電荷有部分將移轉至交互電容Cm，最後電荷重新分佈使量測電容Cb上的電壓Vcb變為Vp×(Cb-Cm)/(Cb+Cm)。接下來，感測電路80可以直接進入第三操作狀態或是重覆第一及第二操作狀態至少一次後進入第三操作狀態。在第三操作狀態期間，如圖19所示，開關SW3及SW4打開而開關SW1、SW2、SW5、SW6及SW7關閉，此時MCU 88送出致能信號Sen致能量測裝置86以偵測量測電容Cb的電壓Vcb，進而判斷交互電容Cm的電容值是否變化，最後量測裝置86送出量測信號ST至MCU 88以完成量測程序。
圖20顯示實現本發明感測方法的第四實施例，其中感測電路90連接電容式觸控板的感應線TXN及TYM，用以偵測感應線TXN及TYM之交叉點的交互電容Cm的變化。感測電路90包括開關SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6及SW7、量測電容Cb、量測裝置96以及MCU 98。開關SW1連接在電源端Vp及感應線TXN之間，開關SW2連接在電源端Vp及量測電容Cb的第二端94之間，開關SW3連接在感應線TXN及接地端GND之間，開關SW4連接在量測電容Cb的第一端92及接地端GND之間，開關SW5連接在電源端Vp及感應線TYM之間，開關SW6連接在感應線TYM及接地端GND之間，開關SW7連接在感應線TYM及量測電容Cb的第一端92之間，量測裝置96偵測量測電容Cb上的電壓Vcb以產生量測信號ST，MCU 98提供控制信號Sa、Sb，Sc、Sd、Se、Sf及Sg分別切換開關SW1、SW2，SW3、SW4、SW5、SW6及SW7。
圖21至圖23顯示感測電路90的操作。首先感測電路90進入第一操作狀態，在第一操作狀態期間，如圖21所示，開關SW2、SW3、SW4及SW5打開而開關SW1、SW6及SW7關閉，電源VP對量測電容Cb充電，使得量測電容Cb上的電壓Vcb=Vp，又感應線TXN連接至接地端GND而感應線TYM連接至電源端Vp，因此交互電容Cm上的跨壓為Vp。之後感測電路90進入第二操作狀態，在第二操作狀態期間，如圖22所示，開關SW1、SW2及SW7打開而開關SW3、SW4、SW5及SW6關閉，量測電容Cb連接至交互電容Cm，故量測電容Cb及交互電容Cm上的電荷重新分佈使量測電容Cb上的電壓Vcb變為Vp×(Cb-Cm)/(Cb+Cm)。接下來，感測電路90可以直接進入第三操作狀態或是重覆第一及第二操作狀態至少一次後進入第三操作狀態。在第三操作狀態期間，如圖23所示，開關SW1及SW2打開而開關SW3、SW4、SW5、SW6及SW7關閉，此時MCU 98送出致能信號Sen致能量測裝置96以偵測量測電容Cb的電壓Vcb，進而判斷交互電容Cm的電容值是否變化，最後量測裝置96送出量測信號ST至MCU 54以完成量測程序。
10．．．電容式觸控板
12．．．觸碰位置
20．．．觸點位置
22．．．觸點位置
24．．．鬼點位置
26．．．鬼點位置
30．．．感測電路
32．．．電壓源
34．．．類比數位轉換器
36．．．比較器
50．．．感測電路
51．．．量測電容的第一端
52．．．量測電容的第二端
53．．．量測裝置
54．．．微處理機控制裝置
56．．．控制信號Sa的波形
58．．．控制信號Sb的波形
60．．．控制信號Sc的波形
62．．．控制信號Sd的波形
64．．．比較器
66．．．感測電路
67．．．量測電容的第一端
68．．．量測電容的第二端
69．．．量測裝置
70．．．微處理機控制裝置
72．．．控制信號Sa的波形
74．．．控制信號Sb的波形
76．．．控制信號Sc的波形
78．．．控制信號Sd的波形
80．．．感測電路
82．．．量測電容的第一端
84．．．量測電容的第二端
86．．．量測裝置
88．．．微處理機控制裝置
90．．．感測電路
92．．．量測電容的第一端
94．．．量測電容的第二端
96．．．量測裝置
98．．．微處理機控制裝置
圖1係習知的電容式觸控板；
圖2係雙指觸碰的示意圖；
圖3顯示一種電容式觸控板的感測電路；
圖4顯示本發明的感測方法；
圖5顯示實現本發明感測方法的第一實施例；
圖6顯示圖5中信號的時序圖；
圖7顯示圖5中感測電路的第一操作狀態；
圖8顯示圖5中感測電路的第二操作狀態；
圖9顯示圖5中感測電路的第三操作狀態；
圖10顯示圖5中量測裝置的實施例；
圖11顯示實現本發明感測方法的第二實施例；
圖12顯示圖11中信號的時序圖；
圖13顯示圖11中感測電路的第一操作狀態；
圖14顯示圖11中感測電路的第二操作狀態；
圖15顯示圖11中感測電路的第三操作狀態；
圖16顯示實現本發明感測方法的第三實施例；
圖17顯示圖16中感測電路的第一操作狀態；
圖18顯示圖16中感測電路的第二操作狀態；
圖19顯示圖16中感測電路的第三操作狀態；
圖20顯示實現本發明感測方法的第四實施例；
圖21顯示圖20中感測電路的第一操作狀態；
圖22顯示圖20中感測電路的第二操作狀態；以及
圖23顯示圖20中感測電路的第三操作狀態。

Claims (12)

  1. 一種電容式觸控板的感測電路，該電容式觸控板具有一第一感應線及一第二感應線，二者之交叉點具有一交互電容，該感測電路包括：量測電容，具有一第一端及一第二端，該量測電容的第一端連接該第二感應線；第一開關，連接在一第一電源及該第一感應線之間；第二開關，連接在該第一電源及該第二感應線之間；第三開關，連接在該第一感應線及一第二電源之間；第四開關，連接在該量測電容的第二端及第二電源之間；量測裝置，連接該量測電容，根據該量測電容上的電壓判斷該交叉點是否受到碰觸；以及控制裝置，連接該第一、第二、第三及第四開關，用以切換該第一、第二、第三及第四開關。
  2. 如請求項1之感測電路，其中該量測裝置在該量測電容上的電壓高於一參考電壓時，判定該交叉點被觸碰。
  3. 如請求項2之感測電路，其中該量測裝置包括比較器比較該量測電容上的電壓及該參考電壓。
  4. 如請求項1之感測電路，其中該控制裝置送出致能信號致能該量測裝置。
  5. 如請求項1之感測電路，其中該控制裝置在第一操作狀能時打開該第一、第二及第四開關，關閉該第三開關；在第二操作狀態時打開該第三及第四開關，關閉該第一及第二開關；在第三操作狀態時打開該第一及第二開關，關閉該第三及第四開關。
  6. 一種電容式觸控板的感測電路，該電容式觸控板具有一第一感應線及一第二感應線，二者之交叉點具有一交互電容，該感測電路包括：量測電容，具有一第一端及一第二端；第一開關，連接在一第一電源及該第一感應線之間；第二開關，連接在該第一電源及該量測電容的第一端之間；第三開關，連接在該第一感應線及一第二電源之間；第四開關，連接在該量測電容的第二端及該第二電源之間；第五開關，連接在該第一電源及第二感應線之間；第六開關，連接在該第二感應線及第二電源之間；第七開關，連接在該第二感應線及該量測電容的第一端之間；量測裝置，連接該量測電容，根據該量測電容上的電壓判斷該交叉點是否受到碰觸；以及控制裝置，連接該第一、第二、第三、第四、第五、第六及第七開關，用以切換該第一、第二、第三、第四、第五、第六及第七開關。
  7. 如請求項6之感測電路，其中該控制裝置送出致能信號致能該量測裝置。
  8. 如請求項6之感測電路，其中該控制裝置在第一操作狀能時打開該第一、第二、第四及第六開關，關閉該第三、第五及第七開關；在第二操作狀態時打開該第三、第四及第七開關，關閉該第一、第二、第五及第六開關；在第三操作狀態時打開該第三及第四開關，關閉該第一、第二、第五、第六及第七開關。
  9. 一種電容式觸控板的感測方法，該電容式觸控板具有一第一感應線及一第二感應線，二者之交叉點具有一交互電容，該感測方法包括下列步驟：(A)對一量測電容充電；(B)設定該交互電容的跨壓；(C)將該量測電容連接至該交互電容以重新分佈兩者上的電荷；以及(D)偵測該量測電容上的電壓以判斷該交叉點是否受到碰觸。
  10. 如請求項9之感測方法，其中該步驟D更包括在重覆步驟B及C至少一次後偵測該量測電容上的電壓。
  11. 如請求項9之感測方法，其中該步驟D更包括在重覆步驟A至C至少一次後偵測該量測電容上的電壓。
  12. 如請求項9之感測方法，其中該量測電容上的電壓高於一參考電壓時，判定該交叉點被觸碰。
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