TWI464662B - 適用於電容式觸控面板之雜訊消除電路 - Google Patents

Description

適用於電容式觸控面板之雜訊 消除電路

本發明有關於雜訊消除(noise cancelation)，尤有關於一種適用於電容式觸控面板(capacitive touch panel)之雜訊消除電路。

在目前電容式觸控面板普遍遇到電源雜訊(power noise)干擾的問題，變成是量產的一個門檻。

第1圖顯示一傳統電荷轉移量測(charge transfer measurement)電路之架構圖。第1圖是美國專利公告第6452514號之圖示，該專利文獻中主要是感測(sense)電荷消除電路405中電容器Cz之電容(capacitance)，透過感測電容器Cz的電流變化，來推算電容器Cz的電容變化。

一般傳統電路中，感測電流會比感測電壓有更好的訊號雜訊比(signal noise ratio)，但系統的電源雜訊能會從電荷消除電路405中的電源端點或/及接地端點耦合(couple)雜訊。

為解決上述電源雜訊干擾問題，因此提出本發明。

本發明之目的之一，在於提供一種雜訊消除電路，以解決習知技術中的問題。

根據本發明之一實施例，係提供一種雜訊消除電路， 適用於一電容式觸控面板，包含：一訊號產生器、複數個感測電路以及一處理電路。該訊號產生器，產生一電壓訊號。每一感測電路包含：一感測電容器，其第一端接收該電壓訊號；一電流感測器，其輸入端耦接該感測電容器的第二端，用以感測該感測電容器的電容值以產生一感測電流量；一第一減法器，耦接該電流感測器，用以根據本身感測電路之電流感測器的感測電流量及一鄰近感測電路之電流感測器的感測電流量之差，產生一電流差訊號；一第一電流電壓轉換器，其第一端耦接該第一減法器的輸出端，其第二端接地，用以產生一第一類比電壓訊號；以及，一第一類比數位轉換器，用以將該第一類比電壓訊號，轉換為一第一數位訊號。該處理電路係用以接收該些感測電路產生之複數個第一數位訊號，以判斷是否有觸碰發生。

以下之說明將舉出本發明之數個較佳的示範實施例。熟悉本領域者應可理解，本發明可採用各種可能的方式實施，並不限於下列示範之實施例或實施例中的特徵。另外，眾所知悉之細節不再重覆顯示或贅述，以避免模糊本發明之重點。

第2圖為本發明雜訊消除電路之第一實施例的架構示意圖。請參考第2圖，本發明雜訊消除電路20，適用於一電容式觸控面板(圖未示)，包含一訊號產生器210、複數個感測電路21~2N(N>=2)以及一微處理器250。訊號產生 器210用以產生一可調整週期或/及振幅的電壓訊號ps，例如一方波(square wave)。每一感測電路(21~2N)包含一感測電容器(C_Z1 ~C_ZN )、一電流感測器(221~22N)、一減法器(231~23N)、一電流電壓轉換器(211~21N)以及一類比數位轉換器(241~24N)。其中，各感測電容器(C_Z1 ~C_ZN )具實質上相同的電容值(capacitance)。一實施例中，電流電壓轉換器可利用電容器或電阻器來實現，但本發明不以此為限，目前現有或未來發展出之各種可由電流轉換成電壓的裝置或電路均可適用。

所有感測電路(21~2N)的運作方式皆類似，以下僅以感測電路21為例作說明。感測電容器C_Z1 之一端接收該可控制電壓訊號ps，而該感測電容器C_Z1 的另一端耦接電流感測器221之輸入端，用以感測該感測電容器C_Z1 的電容值以產生一相對應感測電流I₁ 。減法器231的二輸入端耦接該電流感測器221及222的輸出端，用以根據本身分支21之電流感測器221的感測電流I₁ 及鄰近分支22之電流感測器222的感測電流I₂ 之電流量差，產生一電流差訊號(I₁ -I₂ )。電流電壓轉換器211之一端耦接該減法器231的輸出端，另一端則接地，使該電流差訊號(I₁ -I₂ )對電流電壓轉換器211充電。於本發明中，電流電壓轉換器211之作用是將電流訊號轉換成電壓訊號。類比數位轉換器241的輸入端耦接該電流電壓轉換器211的輸出端，用以將類比電壓訊號a1，轉換為一數位訊號b1。

當手指沒有觸碰該電容式觸控面板時，每一感測電容 器(C_Z1 ~C_ZN )的電容值為C₁ 、C₂ 、.....、C_N ，而每一電流感測器(221~22N)產生相對應的感測電流為I₁ 、I₂ 、I₃ .....、I_N 。當手指觸碰該電容式觸控面板時，感測電容器(C_Z1 ~C_ZN )的電容值變化為(C₁ +dC₁ )、(C₂ +dC₂ )、.....、(C_N +dC_N )，導致電流感測器(221~22N)產生之感測電流變化為(I₁ +d I₁ )、(I₂ +d I₂ )、......、(I_N +dI_N )。這可由以下公式推導而出：I=C*dv/dt，其中由於dv、dt不變，故電流量(I)的變化會正比於電容值(C)的變化。

另外，電容值變化量(dC₁ ~dC_N )係與手指及該感測電容器之間的距離成反比，亦即，手指的觸碰位置與一感測電容器(C_Z1 ~C_ZN )的距離越接近，則電容值變化量(dC₁ ~dC_N )越大，故電流感測器(221~22N)產生之感測電流變化量(d I₁ ~dI_N )也越大，最後類比數位轉換器(241~24N)產生的數位訊號(b1~bN)也隨之變大。最後，微處理器250從整體數位訊號(b1~bN)的相對值大小，即可判斷是否有手指觸碰該電容式觸控面板，並從個別數位訊號(b1~bN)相對值的相對大小關係，即可判斷手指觸碰該電容式觸控面板之位置。一實施例中，微處理器250可由一微控制器來替代。

一實施例中，當手指觸碰該電容式觸控面板時，感測電流為(I₁ +dI₁ )、(I₂ +dI₂ )、.....、(I_N +dI_N )，而通常電流量(I₁ 、I₂ 、...、I_N )是電流變化量(d I₁ 、d I₂ 、...、dI_N )的30~50倍大。

當手指沒有觸碰該電容式觸控面板時，每一感測電容器(C_Z1 ~C_ZN )的電容值為C₁ 、C₂ 、.....、C_N ，而每一電流感測器(221~22N)產生相對應的感測電流為I₁ 、I₂ 、I₃ .....、I_N 。當手指觸碰該電容式觸控面板時，感測電容器(C_Z1 ~C_ZN )的電容值變化為(C₁ +dC₁ )、(C₂ +dC₂ )、.....、(C_N +dC_N )，導致電流感測器(221~22N)產生之感測電流變化為(I₁ +d I₁ )、(I₂ +d I₂ )、.....、(I_N +d_IN )。這可由以下公式推導而出：I=C^＊ dv/dt，其中由於dv、dt不變，故電流量(I)的變化會正比於電容值(C)的變化。

另外，電容值變化量(dC₁ ~dC_N )係與手指及該感測電容器之間的距離成反比，亦即，手指的觸碰位置與一感測電容器(C_Z1 ~C_ZN )的距離越接近，則電容值變化量(dC₁ ~dC_N )越大，故電流感測器(221~22N)產生之感測電流變化量(dI₁ ~dI_N )也越大，最後類比數位轉換器(231~23N)產生的數位訊號(db1~bN)也隨之變大。最後，微處理器250從整體數位訊號(b1~bN)的相對值大小，即可判斷是否有手指觸碰該電容式觸控面板，並從個別數位訊號(b1~bN)相對值的相對大小關係，即可判斷手指觸碰該電容式觸控面板之位置。一實施例中，微處理器250可由一微控制器來替代。

一實施例中，當手指觸碰該電容式觸控面板時，感測電流為(I₁ +dI₁ )、(I₂ +dI₂ )、.....、(I_N +dI_N )，而通常電流量(I₁ 、I₂ 、...、I_N )是電流變化量(d I₁ 、d I₂ 、...、dI_N )的30~50倍大。

當手指沒有觸碰該電容式觸控面板時，每一感測電容器(C_Z1 ~C_ZN )的電容值為C₁ 、C₂ 、.....、C_N ，而每一電流感 測器(221~22N)產生相對應的感測電流為I₁ 、I₂ 、I₃ .....、I_N 。因為感測電容器(C_Z1 ~C_ZN )具實質上相同的電容值，故電流感測器(221~22N)產生的感測電流幾乎相等，即I₁ ≒I₂ ≒....≒I_N 。因此，減法器(231~23N)進行減法運算後，得到電流差訊號幾乎等於0。此時，若電路產生電源雜訊，將導致電流感測器(221~22N)產生之感測電流為(I₁ +noise_1)、(I₂ +noise_2)、.....、(I_N +noise_N)，其中noise_1、noise_2、...、noise_N表示因電源雜訊而產生之電流變化量。因為noise_1、noise_2、...、noise_N是由於電源雜訊而同時發生的共模雜訊(common noise)，所以noise_1≒noise_2≒......≒noise_N。因此，在各減法器(231~23(N-1))進行減法運算後，得到電流差訊號將趨近於0。

另一方面，在手指觸碰該電容式觸控面板時，若電路剛好產生電源雜訊，將導致電流感測器(221~22N)產生之感測電流(I₁ +dI₁ +noise_1)、(I₂ +dI₂ +noise_2)、.....、(I_N +dI_N +noise_N)。如上所述，I₁ ≒I₂ ≒....≒I_N 以及noise_1≒noise_2≒......≒noise_N，以減法器231為例，在進行減法運算後，得到電流差訊號等於(dI₁ -dI₂ )。因此，一旦電路產生電源雜訊，無論手指是否觸碰該電容式觸控面板，本發明雜訊消除電路都能有效防止電源雜訊的問題。

第3圖為本發明雜訊消除電路之第二實施例的架構示意圖。比較第2圖及第3圖，第二實施例與第一實施例的第一個差異在於，各電流電壓轉換器(211~21N)係利用取 樣保持電容器(C_S1 ~C_SN )來實施。第二個差異在於：在每一感測電路(31~3N)中，新增一電流放大器(261~26N)，耦接在減法器(231~23N)以及取樣保持電容器(C_S1 ~C_SN )之間，以放大電流變化量。

當手指觸碰該電容式觸控面板時，若直接放大電流感測器(221~22N)的輸出電流，例如(I₁ +dI₁ )×K倍，並不能拉開電容變化量(dC₁ 、dC₂ 、....、dC_N )跟感測電容器(C_Z1 ~C_ZN )原本的電容值(C₁ 、C₂ 、.....、C_N )的比例。有鑑於此，本實施例利用電流放大器(261~26N)來放大減法器(231~23N)產生的電流差訊號(以減法器231為例，其電流差訊號等於(dI₁ -dI₂ )≒(I₁ +dI₁ )-(I₂ +dI₂ ))。因為僅放大電流變化量(相當於電容變化量)部分，故可以拉開電容變化量(dC₁ 、dC₂ 、....、dC_N )跟感測電容器(C_Z1 ~C_ZN )原本的電容值(C₁ 、C₂ 、.....、C_N )的比例，並進而放寬後級類比數位轉換器241的規格(specification)，以節省硬體成本。至於其他元件的運作方式與第2圖的第一實施例相同，於此不再贅述。

從上述實施例可以發現到，在邊緣的感測電路(2N或3N)的減法器23N會面臨沒有電流訊號可以減的問題。此時，通常微處理器250會選擇忽視chN的輸入值bN。為解決上述各感測電路之減法運算不一致的問題，因此進一步提出以下實施例。

第4圖為本發明雜訊消除電路之第三實施例的架構示意圖。比較第2圖及第4圖，第三實施例與第一實施例的 第一個差異在於，電流電壓轉換器(211~21N)係利用取樣保持電容器(C_S1 ~C_SN )來實施。第二個差異在於：對於在邊緣的感測電路2N，透過電流數位類比轉換器(I-DAC)421產生虛擬的電流信號I_R1 ，提供給邊緣的感測電路2N進行減法運算，使整體感測電路之減法運算更有一致性，並提高估算電路下方邊緣觸碰位置(或電容式觸控面板下方邊緣觸碰位置)的準確率。

如上所述，當手指沒有觸碰該電容式觸控面板時，因為感測電容器(C_Z1 ~C_ZN )具實質上相同的電容值，故電流感測器(221~22N)產生的感測電流幾乎相等，即I₁ ≒I₂ ≒....≒I_N 。因此，減法器231~23(N-1)進行減法運算後，得到電流差訊號幾乎等於0。同理，邊緣的電路分支2N之減法器23N進行減法運算(I_N -I_R1 )後，得到電流差訊號也應趨近於0。據此，電路在電源開啟(turn-on)之後，微處理器250先對通道chN的數位訊號值bN設定一特定誤差範圍(係收斂且趨近於0，本實施例假設該特定誤差範圍為-3~+3)，並執行如下初始校正程序：微處理器450根據chN的數位訊號值bN大小調整數位控制訊號DS1值，而電流數位類比轉換器(I-DAC)421再根據該數位控制訊號DS1值調整輸出電流量I_R1 ，接著，減法器23N產生電流差訊號(I_N -I_R1 )、類比數位轉換器24N再更新數位訊號bN，如此周而復始，直到數位訊號值bN收斂在該特定誤差範圍內，才完成初始校正程序。至於其他元件的運作方式與第2圖的第一實施例相同，於此不再贅述。

第5圖為本發明雜訊消除電路之第四實施例的架構示意圖。比較第3圖及第5圖，第四實施例與第二實施例之間有二個差異，第一個差異在於：在每一感測電路51~5N，新增一電流放大器(521~52N)。所有感測電路(51~5N)的運作方式皆類似，以下僅以感測電路51為例作說明。電流感測器221在感測該感測電容器C_Z1 的電容值以產生一相對應感測電流I₁ 之後，再利用電流放大器521以進一步放大感測電流I₁ 以產生放大電流I_C1 。本實施例係適用於電容值(C₁ 、C₂ 、.....、C_N )偏小或感測電流(I₁ 、I₂ 、I₃ .....、I_N )偏小的狀況，利用電流放大器(521~52N)放大感測電流後，可放寬後級減法器(231~23N)的規格，以節省硬體成本。

第二個差異在於：新增一電流數位類比轉換器(I-DAC)421及一虛擬感測電路5v。對於在邊緣的感測電路5N，透過電流數位類比轉換器(I-DAC)421產生虛擬的電流信號I_R1 ，提供給邊緣的感測電路5N進行減法運算。該虛擬感測電路5v包含一電流數位類比轉換器(I-DAC)422、一減法器230、一取樣保持電容器C_S0 以及一類比數位轉換器240。對於在邊緣的感測電路(5N、5v)，透過電流數位類比轉換器(I-DAC)421、422產生虛擬的電流信號I_R1 、I_R2 ，讓邊緣的電路分支5N、5v做減法運算，使整體感測電路之減法運算更有一致性，同時提高估算邊緣觸碰位置的準確性。因為在習知電容式觸控面板之感測電路中，手指觸碰的位置是由感測電容器的感測輸出值兩兩內插(interpolation)得到的，至於邊緣的觸碰位置則是利用外插 得到，而外插誤差又比內插誤差大。有鑑於上述問題，本發明透過設置虛擬的感測電路5N、5v，使得上下方邊緣的觸碰位置也可以進行內插運算，以提高估算手指觸碰位置的準確率。相較於第三實施例(第4圖)，第四實施例多增加一虛擬的感測電路5v，使電路更具對稱性，增加估算電路上方邊緣觸碰位置(或電容式觸控面板上方邊緣觸碰位置)的準確率。至於第四實施例在電源啟動之後，微處理器550也需先對通道ch0及chN的數位訊號b0及bN值設定一特定誤差範圍(係收斂且趨近於0，本實施例假設該特定誤差範圍為-3~+3)，再執行與第三實施例相同的初始校正程序如下：微處理器550根據ch0及chN的數位訊號值b0及bN大小分別調整數位控制訊號DS2及DS1值，而電流數位類比轉換器(I-DAC)422及421再根據該數位控制訊號DS2及DS1值分別調整輸出電流量I_R2 及I_R1 ，接著，減法器230及23N分別產生電流差訊號(I_R2 -I_C1 )及(I_CN -I_R1 )，而電流放大器260及26N再分別放大該電流差訊號(I_R2 -I_C1 )及(I_CN -I_R1 )，之後，類比數位轉換器240及24N再分別更新數位訊號b0及bN，如此周而復始，直到數位訊號b0及bN值皆收斂在該特定誤差範圍內，才完成初始校正程序。

須注意的是本發明不限定電流數位類比轉換器421、422的類型，任何能藉由控制數位輸入值調整輸出電流量的數位類比轉換器，皆屬本發明的範疇。

本發明可有效解決電源雜訊的問題，同時能放寬類比 數位轉換器與減法器的規格，並提高估算邊緣觸碰位置的準確性。

以上雖以實施例說明本發明，但並不因此限定本發明之範圍，只要不脫離本發明之要旨，該行業者可進行各種變形或變更，均應落入本發明之申請專利範圍。

10‧‧‧感測元件

20、30、40、50‧‧‧雜訊消除電路

210、101‧‧‧訊號產生器

100、104‧‧‧電極

105‧‧‧耦合電容器

5v‧‧‧虛擬感測電路

21~2N、31~3N、51~5N‧‧‧感測電路

C_Z1 ~C_ZN ‧‧‧感測電容器

211~21N‧‧‧電流電壓轉換器

221~22N‧‧‧電流感測器

230~23N‧‧‧減法器

C_S1 ~C_SN ‧‧‧取樣保持電容器

240~24N‧‧‧類比數位轉換器

260~26N‧‧‧電流放大器

250、450、550‧‧‧微處理器

401‧‧‧取樣開關

402‧‧‧電荷積分器

403‧‧‧放大器

404‧‧‧重置開關

405‧‧‧電荷消除電路

407‧‧‧量測裝置

408‧‧‧控制器

421、422‧‧‧電流數位類比轉換器

521~52N‧‧‧電流放大器

第1圖顯示一傳統電荷轉移量測電路之架構圖

第2圖為本發明雜訊消除電路之第一實施例的架構示意圖。

第3圖為本發明雜訊消除電路之第二實施例的架構示意圖。

第4圖為本發明雜訊消除電路之第三實施例的架構示意圖。

第5圖為本發明雜訊消除電路之第四實施例的架構示意圖。

20‧‧‧雜訊消除電路

210‧‧‧訊號產生器

21~2N‧‧‧感測電路

C_Z1 ~C_ZN ‧‧‧感測電容器

221~22N‧‧‧電流感測器

231~23N‧‧‧減法器

211~21N‧‧‧電流電壓轉換器

241~24N‧‧‧類比數位轉換器

250‧‧‧微處理器

Claims (11)

1. 一種雜訊消除電路，適用於一電容式觸控面板，包含：一訊號產生器，產生一電壓訊號；複數個感測電路，每一感測電路包含：一感測電容器，其第一端接收該電壓訊號；一電流感測器，其輸入端耦接該感測電容器的第二端，用以感測該感測電容器的電容值以產生一感測電流量；一第一減法器，耦接該電流感測器，用以根據本身感測電路之電流感測器的感測電流量及一鄰近感測電路之電流感測器的感測電流量之差，產生一第一電流差訊號；一第一電流電壓轉換器，其第一端耦接該第一減法器的輸出端，其第二端接地，用以產生一第一類比電壓訊號；以及一第一類比數位轉換器，用以將該第一類比電壓訊號，轉換為一第一數位訊號；一處理電路，用以接收該些感測電路產生之複數個第一數位訊號，以判斷是否有觸碰發生；以及一第一電流數位類比轉換器，用以根據該處理電路之第一數位控制訊號，產生一第一輸出電流量，以提供給該些感測電路之其一之第一減法器。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之雜訊消除電路，其中各該感測電路更包含：一第一電流放大器，耦接在該第一減法器及該第一電流電壓轉換器之間，用以放大該第一電流差訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所記載之雜訊消除電路，其中各該感測電路更包含：一第二電流放大器，耦接在該電流感測器及該第一減法器之間，用以放大該感測電流。
4. 如申請專利範圍第1項所記載之雜訊消除電路，其中在電源開啟時，該處理電路對耦接該第一電流數位類比轉換器之感測電路執行一初始校正程序，藉以使該感測電路之第一數位訊號收斂及趨近於0。
5. 如申請專利範圍第4項所記載之雜訊消除電路，其中該處理電路更接收耦接該第一電流數位類比轉換器之感測電路之第一數位訊號，以進行內插運算，進而估計一邊緣觸碰位置。
6. 如申請專利範圍第1項所記載之雜訊消除電路，其中各該感測電容器具實質上相同的電容值。
7. 如申請專利範圍第6項所記載之雜訊消除電路，其中當手指沒有觸碰該電容式觸控面板時，無論電路是否產生一電源雜訊，各該電流差訊號皆趨近於0。
8. 如申請專利範圍第1項所記載之雜訊消除電路，其中當手指觸碰該電容式觸控面板時，該些感測電流之至少其一係變大。
9. 一種雜訊消除電路，適用於一電容式觸控面板，包含：一訊號產生器，產生一電壓訊號；複數個感測電路，每一感測電路包含：一感測電容器，其第一端接收該電壓訊號；一電流感測器，其輸入端耦接該感測電容器的第二端，用以感測該感測電容器的電容值以產生一感測電流量； 一第一減法器，耦接該電流感測器，用以根據本身感測電路之電流感測器的感測電流量及一鄰近感測電路之電流感測器的感測電流量之差，產生一第一電流差訊號；一第一電流電壓轉換器，其第一端耦接該第一減法器的輸出端，其第二端接地，用以產生一第一類比電壓訊號；以及一第一類比數位轉換器，用以將該第一類比電壓訊號，轉換為一第一數位訊號；一處理電路，用以接收該些感測電路產生之複數個第一數位訊號，以判斷是否有觸碰發生；以及一虛擬感測電路，係位於該些感測電路的邊緣，該虛擬感測電路包含：一第二電流數位類比轉換器，用以根據該處理電路之第二數位控制訊號，產生一第二輸出電流量；一第二減法器，耦接該第二電流數位類比轉換器，用以根據第二輸出電流量及一鄰近感測電路之電流感測器的感測電流量之差，產生一第二電流差訊號；一第二電流電壓轉換器，其第一端耦接該第二減法器的輸出端，其第二端接地，用以產生一第二類比電壓訊號；以及一第二類比數位轉換器，其輸入端耦接該第二電流電壓轉換器的第一端，用以將該第二類比電壓訊號，轉換為一第二數位訊號； 其中，該處理電路更接收該第二數位訊號，進行內插運算，進而估計一邊緣觸碰位置。
10. 如申請專利範圍第9項所記載之雜訊消除電路，其中在電源開啟時，該處理電路對該虛擬感測電路執行一初始校正程序，藉以使該虛擬感測電路之第二數位訊號收斂及趨近於0。
11. 如申請專利範圍第9項所記載之雜訊消除電路，其中該第一電流電壓轉換器以及該第二電流電壓轉換器分別為一電容器以及一電阻器之其一。