TWI484392B - 觸碰面板的判讀方法與裝置 - Google Patents

Description

觸碰面板的判讀方法與裝置

本案是關於一種判讀方法與裝置，特別是關於一種觸碰面板的判讀方法與裝置。

目前應用在觸控面板上的電容式觸控感應技術大多採用類比/數位(A/D)轉換技術來針對電容電位的變化進行解析。舉例來說，當手指觸碰到電路板或玻璃面板時，由手指所吸收的電荷很有限，而未被手指所吸收的電荷則分成二部分：一部分輻射至空間中，另一部分則被直接耦合至積分器與放大裝置。

被耦合至積分器與放大裝置的信號電位將形成該觸碰點的觸碰電位值，將該觸碰電位值與該觸碰點未被觸碰時的原始電位值進行比較，可知該觸碰電位值與該原始電位值的比約為80%~90%。也就是說，該觸碰電位值與該原始電位值之間的差額僅佔該原始電位值的10%~20%。

由此可知，經由A/D轉換後，有效的數據範圍也只有A/D轉換電路的位元數的10%~20%。因此，若遇到觸碰電容板的特性不佳的情況時，容易導致感應解析度變差，但若因此而欲提高解析度卻又必須提高A/D轉換電路的位元數或增加額外電路，然而此舉將導致電路的設計成本增加。

其次，若面板的尺寸面積較大時，觸碰點的量亦會增加，在採用類比/數位轉換技術的情況下，較長的掃描時間會嚴重影響到使用的流暢度。

最後，對於大尺寸面板來說，由於分佈在較遠端的電容所含有的等效連線阻抗較大，因此當再發送信號給各等效電容時，位於最遠端的電容所獲得的能量相較於近端的電容來得 低，因此大尺寸面板的觸碰靈敏度會大幅受到影響。

為了改善上述問題，US 2007/0247172 A1案件提出了一種觸碰裝置，但其具有下列缺點：(1)按鍵為對地(GND)充電再由按鍵電荷轉至另一電容以進行電位比較，需要進行電荷轉移；(2)並無提到計數方式如何進行；(3)只對單一按鍵對地進行充電；及(4)並未對電位進行積分放大後再行比較，因此所需充電速度較慢。

因此，有必要構思一種無需利用A/D轉換技術的觸碰面板的判讀方法與裝置。

根據上述構想，本案提出一種觸碰面板的判讀方法與裝置，其中該觸碰面板上的任一觸碰點是電連接於一觸碰電容，該判讀方法包括下列步驟：對該觸碰電容所具有的電荷能量進行積分放大，進而在一總和時間長度內獲得一基準電位值，其中該總和時間長度是一基準時間長度及一額外時間長度的總和；及在該總和時間長度內，於該基準時間長度經過後，以一系統時脈計數該額外時間長度，據以判讀該觸碰點。

根據上述構想，本案更提出一種觸碰面板的判讀裝置，其中該觸碰面板上的任一觸碰點是電連接於一觸碰電容，該判讀裝置包括：一積分放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端是電性耦合於該觸碰電容的輸出端，該第二輸入端是電性耦合於地，其中該積分放大器對該觸碰電容所具有的電荷能量進行積分放大，進而在一總和時間長度內獲得一基準電位值，且該總和時間長度是一基準時間長度 及一額外時間長度的總和；一比較器，具有一非反相輸入端、一反相輸入端及一輸出端，該非反相輸入端是電連接於該積分放大器的該輸出端，該反相輸入端接收該基準電位值；及一計數器，電性耦合於該比較器的該輸出端，其中該計數器是受控於該比較器，而在該總和時間長度內，於該基準時間長度經過後，以一系統時脈計數(counting)該額外時間長度，據以判讀該觸碰點。

本案是採用比較器的參考電位來決定系統是否要開始啟動高速計數，因為所有觸碰電容充電位準皆是以比較器的參考電位為準，因此每個觸碰電容所形成的電位亦相同，使得觸碰面板上所有觸碰電容的靈敏度皆達到一致，此外，因為系統是採用高速計數方式進行計數，使得解析度可大幅提升。

本案得藉由下列圖式及詳細說明，俾得更深入之了解：

本案的主要構想是不採用類比/數位(A/D)轉換技術，而僅藉由對觸碰面板的各個觸碰電容進行積分放大，再利用高速的時脈對積分所耗費的時間進行計數，以判讀觸碰面板上的觸碰點是否被觸碰。

請參閱第1圖，其為本案所提出觸碰面板的判讀裝置一較佳實施例的電路圖，其中判讀裝置1主要包括了一脈波產生器10(在此實施例中是以一振盪器作代表)、一開關組11、一積分放大器12、一比較器13、一計數器14以及一記憶體15。

未繪製於圖中的觸碰面板上的任一觸碰點皆電連接於一觸碰電容，雖然在第1圖中僅繪製了單一個觸碰電容16來作代表，但熟習本項技術者皆知在使用額外的多工器的情況下，第1圖的判讀裝置1可負責整個觸碰面板上的各個觸碰點的判讀工作。

本案所提出觸碰面板的判讀裝置其配置方式如下：積分放大器12具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端是電性耦合於觸碰電容16的輸出端，該第二輸入端是電性耦合於地。

比較器13具有一非反相輸入端、一反相輸入端及一輸出端，該非反相輸入端是電連接於積分放大器12的該輸出端，該反相輸入端接收一基準電位值Vref。

計數器14電性耦合於比較器13的該輸出端，其中計數器14是受控於比較器13。

在本實施例中，積分放大器12是由一積分電容121及一放大器122所構成，其中放大器122具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端是電性耦合於積分電容121的輸入端，該第二輸入端是電性耦合於地，該輸出端是電性耦合於積分電容121的輸出端。

脈波產生器10電性耦合於觸碰電容16的輸入端，用以產生一連續脈波並將其輸入該觸碰電容，其中該連續脈波中的各脈波皆具有一上升緣及一下降緣。

開關組11具有一第一端、一第二端及一第三端，開關組11是電性耦合於觸碰電容16與積分放大器12之間，該第一端是電性耦合於觸碰電容16的輸出端，該第二端是電性浮接於積分放大器12的該第一輸入端，該第三端是電性浮接於地。

在本實施例中，該開關組是由一第一開關S1及一第二開關S2所構成。第一開關S1具有一第一端及一第二端，該第一端是電性耦合於觸碰電容16的輸出端，該第二端是電性浮接於地。第二開關S2具有一第一端及一第二端，該第一端是電性耦合於觸碰電容16的輸出端，該第二端是電性浮接於積分放大器12的該第一輸入端。

記憶體15電性耦合於計數器14，用以儲存計數器14的計數值。

欲完成本案的判讀方法，判讀裝置1在工作時可分為以下二種模式：

(1)初始模式

脈波產生器10對觸碰電容16輸入一連續脈波，該連續脈波中的各脈波皆具有一上升緣及一下降緣。

開關組11是有二個開關S1與S2所構成，藉由斷開開關S1並導通開關S2，便可以僅在該連續脈波中的各脈波的該上升緣通過觸碰電容16期間，對觸碰電容16所具有的電荷能量利用積分放大器12進行積分放大，而藉由導通開關S1並斷開開關S2，便可以僅在該連續脈波中的各脈波的該下降緣通過觸碰電容16期間，對觸碰電容16所具有的電荷能量進行放電至地。藉由此一重覆程序，便可於一基準時間長度內在積分電容121內獲得等於該基準電位值Vref的電荷能量。

另一方面，從積分電容121剛開始被充電時，計數器14即以一基準時脈開始計數，直到積分電容121內積分至等於該基準電位值Vref的電荷能量時，比較器13即輸出一低準位信號，使得計數器14停止計數，此時記憶體15會記錄下該基準時間長度。

之後，開關S1與S2同時導通，積分電容121與觸碰電容16的電位則同時歸零。

(2)掃描模式

若欲判讀觸碰面板是否被觸碰，則進行掃描模式，同樣利用脈波產生器10對觸碰電容16輸入具有該上升緣及該下降緣的該連續脈波，亦同樣藉由開關組11的作動，以達成僅在該 連續脈波中的各脈波的該上升緣通過觸碰電容16期間，對觸碰電容16所具有的電荷能量利用積分放大器12進行積分放大，以及僅在該連續脈波中的各脈波的該下降緣通過觸碰電容16期間，對觸碰電容16所具有的電荷能量進行放電至地。進而再次地於另一個時間長度內在積分電容121內獲得等於該基準電位值Vref的電荷能量。

由於與觸碰電容16電連接的觸碰點被觸碰時，電容值會變大，因此，再次地僅在該連續脈波中的各脈波的該上升緣通過觸碰電容16期間，對觸碰電容16所具有的電荷能量利用積分放大器12進行積分放大時，想要在積分電容121內同樣地獲得等於該基準電位值Vref的電荷能量所耗費的時間長度一定會增加；將此段時間長度定義為一總和時間長度，其中該總和時間長度是前述基準時間長度與一額外時間長度的總和。

和初始模式不同之處在於，在掃描模式中，計數器14是在該總和時間長度內，於該基準時間長度經過後，才以一系統時脈針對該額外時間長度進行計數，由於該系統時脈相對於前述基準時脈是一極高頻的時脈，因此判讀裝置便能夠利用相較先前技術更高的解析度，據以判讀出該觸碰點確實已被觸碰。

請參閱第2圖，其為第1圖中在初始模式與掃描模式下、積分電容所儲存之電荷能量的電位時序對照圖。由第2圖可以看出，在初始模式下，計數器14以該基準時脈FL開始計數，直到積分電容121內積分至等於該基準電位值Vref的電荷能量時，共需耗費該基準時間長度T-No Touch。

而在掃描模式下，想要在積分電容121內同樣地獲得等於該基準電位值Vref的電荷能量所耗費的該總和時間長度T-Touch一定大於該基準時間長度T-No Touch；亦即，該總和時間長度是該基準時間長度T-No Touch與該額外時間長度T-C 的總和，而計數器14則以該系統時脈FH在該額外時間長度T-C內進行計數，藉此據以判讀該觸碰點。

綜上所述，本案是利用外部積分電位與自行設定的參考電位相比，若外部積分電位達到參考電位時，將記錄下充電時間、或是開始以高速頻率進行計數與停止計數時間，不但節省系統設計成本與耗能，更可提升系統辯別觸控按鍵之解析度。相較於採用A/D轉換技術的先前技術，本案具有下述優點：(1)本案採用計數方式並非A/D轉換，所以耗電較低；(2)因系統計數位準是比較器參考位準，因此所有的觸摸電容將可獲得相同的電位場以進行偵測；(3)本案可應用於大尺寸面板與多按鍵偵測；(4)本案應用在觸控面板時，由於比較器的位準可靈活設定，因此電容型式的設計彈性較大；及(5)本案結構簡單、電場均勻，具高解析度。另一方面，與前述US 2007/0247172 A1案件的觸碰裝置相比，本案更具有下列優點：(1)本案無需進行電荷轉移，而是直接進行電荷積分充電；(2)本案採用高速計數模式，可大幅提高解析能力；(3)本案適用面板為陣列型，可應用於大型面板觸控偵測與多鍵偵測；及(4)本案須利用積分器進行積分放大後再行比較電位，充電速度較快。

本案得由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

1‧‧‧判讀裝置

10‧‧‧振盪器

11‧‧‧開關組

12‧‧‧積分放大器

121‧‧‧積分電容

122‧‧‧放大器

13‧‧‧比較器

14‧‧‧計數器

15‧‧‧記憶體

FH‧‧‧系統時脈

FL‧‧‧基準時脈

T-Touch‧‧‧總和時間長度

T-No Touch‧‧‧基準時間長度

T-C‧‧‧額外時間長度

Vref‧‧‧基準電位值

第1圖：本案所提出觸碰面板的判讀裝置一較佳實施例的電路圖；及第2圖：第1圖中在初始模式與掃描模式下、積分電容所儲存之電荷能量的電位時序對照圖。

1‧‧‧判讀裝置

10‧‧‧振盪器

11‧‧‧開關組

12‧‧‧積分放大器

121‧‧‧積分電容

122‧‧‧放大器

13‧‧‧比較器

14‧‧‧計數器

15‧‧‧記憶體

FL‧‧‧基準時脈

Vref‧‧‧基準電位值

Claims (6)

1. 一種觸碰面板的判讀裝置，其中該觸碰面板上的任一觸碰點是電連接於一觸碰電容，該判讀裝置包括：一積分放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端是電性耦合於該觸碰電容的輸出端，該第二輸入端是電性耦合於地，其中該積分放大器對該觸碰電容所具有的電荷能量進行積分放大，進而在一總和時間長度內獲得一基準電位值，且該總和時間長度是一基準時間長度及一額外時間長度的總和；一比較器，具有一非反相輸入端、一反相輸入端及一輸出端，該非反相輸入端是電連接於該積分放大器的該輸出端，該反相輸入端接收該基準電位值；及一計數器，電性耦合於該比較器的該輸出端，其中該計數器是受控於該比較器，而在該總和時間長度內，於該基準時間長度經過後，以一系統時脈計數(counting)該額外時間長度，據以判讀該觸碰點。
2. 如申請專利範圍第1項的判讀裝置，其中該積分放大器包括：一積分電容，具有一輸入端及一輸出端；及一放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端是電性耦合於該積分電容的該輸入端，該第二輸入端是電性耦合於地，該輸出端是電性耦合於該積分電容的該輸出端。
3. 如申請專利範圍第1項的判讀裝置，更包括：一脈波產生器，電性耦合於該觸碰電容的輸入端，產生一連續脈波並將其輸入該觸碰電容，其中該連續脈波中的各脈波皆具有一上升緣及一下降緣；及 一開關組，具有一第一端、一第二端及一第三端，該開關組是電性耦合於該觸碰電容與該積分放大器之間，該第一端是電性耦合於該觸碰電容的輸出端，該第二端是電性浮接於該積分放大器的該第一輸入端，該第三端是電性浮接於地，其中該開關組可進行切換，而僅讓該連續脈波中的各脈波的該上升緣通過該觸碰電容以進行積分放大。
4. 如申請專利範圍第3項的判讀裝置，其中該脈波產生器是一振盪器。
5. 如申請專利範圍第3項的判讀裝置，其中該開關組更包括：一第一開關，具有一第一端及一第二端，該第一端是電性耦合於該觸碰電容的輸出端，該第二端是電性浮接於地；及一第二開關，具有一第一端及一第二端，該第一端是電性耦合於該觸碰電容的輸出端，該第二端是電性浮接於該積分放大器的該第一輸入端。
6. 如申請專利範圍第1項的判讀裝置，更包括：一記憶體，電性耦合於該計數器，儲存該計數器的計數值。