多个同时频率检测的制作方法

专利名称：多个同时频率检测的制作方法
技术领域：
本发明涉及用作用于计算系统的输入装置的触摸传感器面板，并 且，更具体来说，涉及使用多个数字混频器以执行噪声的频镨分析并 识别低噪声激励频率，并涉及使用多个激励频率和相位来检测和定位 触摸传感器面板上的触摸事件。
背景技术：
许多类型的输入装置，诸如按钮或键、鼠标、跟踪球、触摸传感器面板(touch sensor panel)、游戏杆和触摸屏等，当前可用于在计 算系统中执行操作。触摸屏由于其操作简易性和通用性以及其正在降 低的价格而正在尤其变得越来越流行。触摸屏可包含触摸传感器面板 (其可以是具有触摸敏感表面的清洁的面板)和可位于面板后面使得 触摸敏感表面可基本上覆盖显示装置的可视区域的显示装置。触摸屏 可允许用户通过在由显示装置显示的用户界面(UI)指示的位置上用 手指、触笔或其他物体触摸触摸传感器面板而执行各种功能。通常， 触摸屏可识别触摸传感器面板上的触摸事件和触摸事件的位置，并且， 计算系统然后可根据在触摸事件的时间出现的显示来解释触摸事件， 然后可基于该触摸事件执行一个或更多个动作。触摸传感器面板可由行和列迹线的矩阵形成，在行与列彼此相交 的位置上(同时，行与列被介电材料分开)存在传感器或像素。各行 可由激励信号驱动，并且，由于激励信号与触摸的量成比例，因此可 由于注入各列中的电荷而识别触摸位置。但是，激励信号需要的高电 压会迫使传感器面板电路尺寸更大，并分离成两个或更多个离散的芯 片。另外，由于操作LCD所需要进行的电压开关可在电容上耦合到 触摸传感器面板的列上并导致不精确的触摸测量，因此，由基于电容的触摸传感器面板和诸如液晶显示器(LCD)的显示装置构成的触摸 屏会遭受噪声问题。此外，用于对系统进行供电或充电的交流(AC) 适配器也可将噪声耦合到触摸屏中。其他的噪声源可包含系统中的开 关电源、背光逆变器和发光二极管(LED)脉沖驱动器。这些噪声源 中的每一个都具有唯一的频率和可随时间变化的干扰振幅。发明内容本发明涉及使用多个数字混频器执行噪声的频谱分析并识别低噪 声激励频率，以及涉及使用多个激励频率和相位检测和定位触摸传感 器面板上的触摸事件。多个感测信道中的每一个可与触摸传感器面板 中的列耦合，并且可具有多个混频器。每个感测信道中的每个混频器 可利用能够被控制为产生特定频率、相位和延迟的解调频率的电路。当执行频i普分析器功能时，不向触摸传感器面板中的任一行施加 激励信号。可以将所有感测信道的输出之和反馈到各感测信道中的混 频器中的每一个，此和可代表被施加到触摸传感器面板上的包含所有 检测到的噪声在内的总电荷。所述多个混频器可配对，并且各对混频 器可使用特定频率的同相(I)和正交(Q)信号对所有感测信道的和 进行解调。各混频器对的解调的输出可用于计算该特定频率上的噪声 的量值，其中，量值越小，那么该频率上的噪声越低。可以选择供随 后的触摸传感器面板扫描功能使用的几个低噪声频率。当执行触摸传感器面板扫描功能时，在多个步骤中的每一个上， 选择的低噪声频率的^^个相位可用于同时激励触摸传感器面板的多个 行，并且，每个感测信道中的多个混频器可被配置为使用选择的低噪 声频率对从与每个感测信道连接的列接收的信号进行解调。来自多个 混频器的解调信号然后可被保存。在完成了所有步骤之后，可以在计 算中使用保存的结果以确定各频率上的对触摸传感器面板的触摸的图 像，


图1示出根据本发明的一个实施例的可利用多个数字混频器以执位以检测和定位触摸传、感器面板上的触摸事;的示例性计算系统。图2a示出根据本发明的一个实施例的示例性互电容式触摸传感 器面板。图2b是根据本发明的一个实施例的处于稳态(无触摸)条件的示 例性像素的侧视图。图2c是根据本发明的一个实施例的处于动态(触摸)条件的示例 性像素的侧视图。图3a示出根据本发明的一个实施例的示例性感测信道或事件检 测和解调电路的一部分。图3b示出根据本发明的一个实施例的N个示例性感测信道或事 件检测和解调电路的筒化框图。图3c示出根据本发明的一个实施例的可被配置为频谱分析器或 面板扫描逻辑的10个感测信道的示例性框图。图4a示出根据本发明的一个实施例的表示LCD阶段和触摸传感 器面板阶段的示例性时序图。图4b示出根据本发明的一个实施例的说明LCD阶段和触摸传感 器面板阶段的示例性流程图。图4c示出根据本发明的一个实施例的示例性电容扫描规划。图4d示出根据本发明的一个实施例的用于计算不同的低噪声频 率上的全图像结果的对于特定信道M的示例性计算。图5a示出根据本发明的一个实施例的可利用多个数字混频器执相位检测和定位触摸传、感器面板上的触摸事件;示例性移动电话。 图5b示出根据本发明的一个实施例的可利用多个数字混频器以和相位检测和定位触摸传、感器面板上的触摸亊件^示例性数字音频播 放器。
具体实施方式
在以下对优选实施例的描述中，参照了附图，这些附图构成其一 部分，并且，在这些附图中，以例示的方式示出了可实践本发明的特 定实施例。应当理解，在不脱离本发明的实施例的范围的情况下，可 以使用其他实施例并且可进行结构变化。本发明涉及使用多个数字混频器执行噪声的频谱分析，以识别低 噪声激励频率，并涉及使用多个激励频率和相位检测和定位触摸传感 器面板上的触摸事件。多个感测信道中的每一个可与触摸传感器面板 中的列耦合并可具有多个混频器。感测信道中的各个混频器可利用能 够被控制以产生具有特定频率、相位和延迟的解调频率的电路。当执行频镨分析器功能时，不向触摸传感器面板中的各个行中的 任一个施加激励信号。可以将所有感测信道的输出之和反馈到各感测 信道中的混频器中的每一个，此和可以代表施加于触摸传感器面板的 包含所有检测到的噪声的总电荷。混频器可配对，并且各对混频器可使用特定频率的同相(I)和正交(Q)信号对所有感测信道的和进行解调。各混频器对的解调的输出可用于计算该特定频率上的噪声的量值，其中，量值越小，那么该频率上的噪声越低。可以选择几个低噪声频率供随后的触摸传感器面板扫描功能使用。当执行触摸传感器面板扫描功能时，在多个步骤中的每一个中，所选择的低噪声频率的各个相位可用于同时激励触摸传感器面板的多个行，并且，各感测信道中的多个混频器可被配置为使用所选择的低 噪声频率对从与各感测信道连接的列接收的信号进行解调。然后可以保存来自多个混频器的解调信号。在完成所有步骤之后，可以在计算 中利用所保存的结果来确定各频率上的触摸传感器面板的触摸的图 像。虽然在此可以针对互电容式触摸传感器对本发明的一些实施例进 行描述，但应理解，本发明的实施例不限于此，而是一般可应用于诸 如自电容式触摸传感器的其他类型的触摸传感器。此外，虽然在此针对具有行和列的触摸传感器的正交阵列对触摸传感器面板中的触摸传感器进行了描述，但应理解，本发明的实施例不限于正交阵列，而是 一般可应用于按任意数量的维数和取向(包括对角、同心圆和三维以 及随机取向)配置的触摸传感器。此外，在此描述的触摸传感器面板可以是单触摸传感器面板或多点触摸(multi-touch)传感器面板，在 申请人:的发明名称为"Multipoint Touchscreen"、在2004年5月6日 提交并在2006年5月11日公开的美国公开申请第2006/0097991号的 共同未决的美国申请第10/842862号中描述了其中的后者，通过引用 将其内容并入于此。图1例示了根据本发明的实施例的示例性计算系统100,其可利 用多个数字混频器执行噪声的频谱分析并识别低噪声激励频率，并可 利用多个激励频率和相位检测和定位触摸传感器面板上的触摸事件。 计算系统100可包含一个或更多个面板处理器102和外设104,以及 面板子系统106。 一个或更多个面板处理器102可包含例如ARM968 处理器或具有类似的功能和性能的其他处理器。但是，在其他实施例 中，可以替代性地通过诸如状态机的专用逻辑来实现面板处理器功能。 外设104可包含但不限于随机存取存储器(RAM)或其他类型的存储 器或存储设备、监视器定时器(watchdog timer )等。面板子系统106 可包含但不限于一个或更多个感测信道108、信道扫描逻辑110和驱 动器逻辑114。信道扫描逻辑110可访问RAM 112、自主地从感测信 道读取数据，并提供针对感测信道的控制。另外，信道扫描逻辑110 可控制驱动器逻辑114，以按各种频率和相位产生可被选择性地施加 给触摸传感器面板124的各个行的激励信号116。在一些实施例中， 面板子系统106、面板处理器102和外设104可被集成到单个专用集 成电路(ASIC)中。触摸传感器面板124可包含具有多个行迹线或驱动线和多个列迹 线或感测线的电容性感测介质，但是也可以使用其他感测介质。可以 由诸如氧化铟锡(ITO)或氧化锑锡(ATO)的透明导电介质形成行 和列迹线，但也可以使用诸如铜的其他透明和非透明材料。在一些实施例中，行和列迹线可相互垂直，但在其他实施例中，其他非笛卡尔 取向是可能的。例如，在极坐标系中，感测线可以是同心圆，并且驱 动线可以是沿径向延伸的线(反之亦然)。因此，应当理解，这里使 用的术语"行"和"列"、"第 一维度"和"第二维度"或"第 一轴"和"第二 轴"旨在不仅包含正交的网格，而且包含具有第一和第二维度的其他几 何配置的相交的迹线(例如，极坐标配置的同心和径向线)。可以在 由基本上透明的介电材料分开的基本上透明的衬底的单侧、在衬底的 相对的两侧或在由介电材料分开的两个单独的村底上形成行和列。在迹线相互上下穿过(相交)(但不直接相互电接触)的迹线"交 点，，上，迹线可基本上形成两个电极(但多于两个的迹线也可相交)。 行迹线与列迹线的各个交点可代表电容性感测节点并可被视为图片元素(像素)126，这在将触摸传感器面板124视为捕获触摸的"图像" 时会尤其有用。(换句话说，在面板子系统106已确定是否已在触摸 传感器面板中的各个触摸传感器上检测到触摸事件之后，发生触摸事 件的多点触控面板(multi-touch panel)中的触摸传感器的图案可被视 为触摸的"图像"(例如，对面板进行触摸的手指的图案)。当给定的 行保持在直流(DC)电压电平上时，行电极和列电极之间的电容表现 为杂散电容，并且，当用交流(AC)信号激励给定的行时，该电容表 现为互信号电容Csig。可通过测量在被触摸的像素上存在的信号电荷 Qsig的变化来检测触摸传感器面板的附近或之上的手指或其他物体 的存在，该信号电荷Qsig是Csig的函数。触摸传感器面板124的各 列可驱动面板子系统106中的感测信道108 (这里也被称为事件检测 和解调电路)。计算系统100还可包含用于接收来自面板处理器102的输出并基 于该输出执行动作的主机处理器128，这些动作可包含但不限于移动 诸如光标或指针的对象、滚动或摇动、调整控制设置、打开文件或文 档、查看菜单、进行选择、执行指令、操作与主机设备连接的外围设 备、接听电话呼叫、放置电话呼叫、终止电话呼叫、改变音量或音频 设置、存储诸如地址、常拨号码、已接呼叫、未接呼叫的与电话通信有关的信息、登录计算机或计算机网络、允许被授权的个人访问计算 机或计算机网络的受限制的区域、加栽与计算机桌面的用户优选配置 相关的用户配置文件、允许访问网站内容、启动特定的程序和/或对消息进行加密或解码等。主机处理器128还可执行可能与面板处理无关 的附加功能，并且可与程序存储器132和诸如用于向装置的用户提供 UI的LCD显示器的显示装置130耦合。在一些系统中，传感器面板124可由高压驱动器逻辑驱动。高压 驱动器逻辑需要的高压(例如，18V)可迫使高压驱动器逻辑形成为 与可在低得多的数字逻辑电压电平(例如，1.7 3.3V)下操作的面板 子系统106分开。但是，在本发明的实施例中，芯片上(on-chip)驱 动器逻辑114可代替芯片外(off-chip)高压驱动器逻辑。虽然面板子 系统106可具有低的数字逻辑电平电源电压，但芯片上驱动器逻辑114 可通过将两个晶体管级联(cascade)在一起以形成电荷泵115，产生 比数字逻辑电平电源电压大的电源电压。电荷泵115可用于产生可具 有约两倍于数字逻辑电平电源电压的振幅(例如，3.4~6.6V)的激励 信号116(Vstim)。虽然图1示出了电荷泵115与驱动器逻辑114分 开，但电荷泵可以是驱动器逻辑的一部分。图2a例示了根据本发明的实施例的示例性互电容式触摸传感器 面板200。图2a指示在位于行204和列206迹线的交点上的各个像素 202处存在杂散电容Cstray (但是，出于使图简化的目的，在图2a中 例示了仅用于一个列的Cstray)。在图2a的示例中，AC激励Vstim 214、 Vstim 215和Vstim 217可4皮施加到几个行上，而其他行可与DC 连接。如后面解释的那样，Vstim 214、 Vstim 215和Vstim 217可处 于不同的频率和相位上。行上的各个激励信号可导致电荷Qsig = Csig x Vstim经由受影响的像素上存在的互电容被注入各个列中。当在一个 或更多个受影响的像素处存在手指、手掌或其他物体时，可检测到注 入的电荷的变化(Qsig_sense) 。 Vstim信号214、 215和217可包含 正弦波的一个或更多个脉冲(burst)。注意，虽然图2a将行204和 列206例示为基本上垂直的，但是，如上所述，它们不需要这样排列。如上所述，各个列206可与感测信道连接(参见图1中的感测倌道 108)。图2b是根据本发明的实施例的处于稳态(无触摸)条件的示例性 像素202的侧视图。在图2b中，示出了被电介质210分开的列206 和行204迹线或电极之间的互电容的电场线208的电场。图2c是处于动态(触摸)条件的示例性像素202的侧视图。在图 2c中，手指212被放在像素202附近。手指212在信号频率下是低阻 抗物体，并且从列迹线204到人体具有AC电容Cfinger。人体具有约 200pF的对地自电容Cbody，其中，Cbody远大于Cfinger。如果手指 212阻挡行电极和列电极之间的一些电场线208(离开电介质并穿过行 电极之上的空气的那些边缘场)，那么这些电场线通过手指和人体中 固有的电容路径被分路到地，结果，稳态信号电容Csig减小ACsig。 换句话说，组合的人体和手指电容起到将Csig减小ACsig (这里也可 被称为Csig一sense)的量的作用，并可充当到地的分路或动态返回路 径，阻挡一些电场，从而导致净信号电容减小。像素上的信号电容变 为Csig-ACsig，其中，Csig表示静态(无触摸)分量，ACsig表示动 态(触摸)分量。注意，由于手指、手掌或其他物体不能阻挡所有的 电场，特别是完全在介电材料内保持的那些电场，因此，Csig-ACsig 可能总是为非零的。另外，应当理解，当手指更用力或更完全地按压 到多点触控面板上时，手指可趋于展平，阻挡越来越多的电场，ACsig 由此是可变的并代表手指向下按压到面板上的程度(即，从"无触摸" 到"全触摸"的范围)。图3a例示了根据本发明的实施例的示例性感测信道或事件检测 和解调电路300的一部分。在面板子系统中可存在一个或更多个感测 信道300。来自触摸传感器面板的各个列可与感测信道300连接。各 感测信道300可包含虚拟接地放大器302、放大器输出电路309(以下 将更详细地解释)、信号混频器304和累加器(accumulator) 308。 注意，放大器输出电路309也可与其他信号混频器和为了使图简化而 在图3a中未示出的相关电路相连接。也可被称为DC放大器或电荷放大器的虚拟接地放大器302可包 含反馈电容器Cfb和反馈电阻器Rfb。在一些实施例中，由于较小的 Vstim振幅导致可被注入行中的电荷量少得多，因此，可使得Cfb远 小于一些以前的设计。但是，在其他实施例中，由于可以同时激励多 达全部的行，这趋于增加电荷，因此Cfb的大小不会减小。图3a以虛线示出了当将一个或更多个输入激励Vstim施加到触摸 传感器面板中的一个或更多个行上并且不存在手指、手掌或其他物体 时可由与感测信道300连接的触摸传感器面板列贡献的总的稳态信号 电容Csig一tot。在稳态、无触摸条件下，注入列中的总信号电荷Qsig一tot 是通过各个被激励行注入列中的所有电荷的总和。换句话说，Qsig一tot =S (Csig*Vstim，对于所有被激励行)。与列耦合的各个感测信道可 检测由于在该列中的一个或更多个像素上存在手指、手掌或其他人体 部分或物体而导致的总信号电荷的任何变化。换句话说， Qsig—tot_sense = 2 ( ( Csig-Csig_sense ) * Vstim ，对于所有4皮激厉力^f亍)。如上所述，在触摸传感器面板上的各个像素上会存在固有的杂散 电容Cstray。在虚拟接地电荷放大器302中，在+ (非反相的)输入 连接到基准电压Vref的情况下，-(反相的)输入也可被驱动为Vref， 并且，可建立DC操作点。因此，不管在对于虚拟接地电荷放大器302 的输入上存在多大的Csig，-输入可总是被驱动为Vref。由于虚拟接 地电荷放大器302的这一特性，存储在Cstray中的任何电荷Qstray 是恒定的，因为Cstray两端的电压由电荷放大器保持恒定。因此，不 管向-输入添加多大的杂散电容Cstray，进入Cstray中的净电荷将总 是为零。当相应的行保持在DC上时，输入电荷因此为零，并且，当 相应的行被激励时，该输入电荷完全地为Csig和Vstim的函数。在任 一情况下，由于在Csig两端没有电荷，因此杂散电容被排除，并且它 基本上退出任何方程。因此，即使在触摸传感器面板的上方有手，虽 然Cstray可增加，但输出将不受Cstray的变化的影响。虚拟接地放大器302的增益可以较小(例如，0.1)，并且可被计 算为Csig一tot与反馈电容器Cfb之比。可调反馈电容器Cfb可将电荷Qsig转换成电压Vout。虚拟接地放大器302的输出Vout是可被计算 为-Csig/Cfb的比乘以基于Vref的Vstim的电压。Vstim信令因此可 作为具有小得多的振幅的信号出现在虚拟接地放大器302的输出上。 但是，当存在手指时，由于信号电容减小ACsig，因此输出的振幅甚至 可进一步减小。电荷放大器302的输出是乘以与该电荷放大器相关的 列上的Csig值中的每一个的所有行激励信号的叠加。列可具有由正相 位上的频率驱动的一些像素，并且同时具有由负相位上(或180度的 相差)的相同频率驱动的其他像素。在这种情况下，该频率上的电荷 放大器输出信号的总分量可以是与各Csig值乘以各激励波形而得到 的积的和相关的振幅和相位。例如，如果两个行在正相位上被驱动， 两个行在负相位上被驱动，并且Csig值全部相等，那么总的输出信号 将为零。如果手指接近在正相位上被驱动的像素中的一个并且相关的 Csig减小，那么该频率上的总的输出将具有负相位。虽然在一些实施例中代表Vstim的正弦波可领先于或跟随于其他 非DC信令，但是，可以将施加给触摸传感器面板中的行的Vstim生 成为正弦波脉冲(例如，具有平稳变化的振幅的正弦波，以在波镨上 窄)或其他DC信号中的其他非DC信令。如果Vstim被施加到行上 并且在与感测信道300连接的列上存在信号电容，那么与特定的激励 相关的电荷放大器302的输出可以是以Vref为中心的正弦波列310, 该正弦波列310具有处于稳态条件的可以为Vstim的峰到峰(p-p)振 幅的分数的p-p振幅，该分数与电荷放大器302的增益对应。例如， 如果Vstim包含6.6V p-p正弦波并且电荷放大器的增益为0.1，那么 与该行相关的电荷放大器的输出可为约0.67Vp-p正弦波。应当注意， 在前置放大器的输出上叠加了来自所有行的信号。在块309中将来自 前置放大器的模拟输出转换成数字的。来自309的输出可在数字信号 混频器304 (其为数字乘法器)中与解调波形Fstim316混频。由于Vstim可产生不希望的谐波(特别是在其由方波形成的情况 下)，解调波形Fstim 316可以是高斯正弦波，该高斯正弦波可以以 数字的方式由数控振荡器(NCO) 315产生并与Vstim同步。应当理解，除了用于数字解调的NC0 315以外，独立的NCO可以连接到数 模转换器(DAC) ， DAC的输出可以可选地被反转并用作行激励。 NCO 315可包含用于设置输出频率的数值控制输入、用于设置延迟的 控制输入和用于使得NCO能够产生同相位(I)或正交(Q)的信号 的控制输入。信号混频器304可通过从输出减去Fstim 316对电荷放 大器310的输出进行解调，以提供更好的噪声抑制。信号混频器304 可抑制通带以外的所有频率，在一个示例中该通带可以是Fstim周围 的约+Z-30kHz。在具有许多噪声源的多噪声环境(如802.11和蓝牙等) 中，该噪声抑制会很有益，这些噪声源均具有可干扰敏感(毫微微法 拉水平)感测信道300的一些特征频率。对于被解调的各个关注频率， 由于信号混频器304的输入上的信号的频率相同，因此该信号混频器 304基本上是同步整流器，结果，信号混频器输出314基本上是整流 后的高斯正弦波。图3b例示了根据本发明的实施例的N个示例性感测信道或事件 检测和解调电路300的简化框图。如上所述，感测信道300中的各个 电荷放大器或可编程增益放大器(PGA ) 302可与放大器输出电路309 连接，该放大器输出电路309又可经由多路复用器303与R个信号混 频器304连接。放大器输出电路309可包含抗混叠(anti-aliasing)滤 波器301、 ADC 303和结果寄存器305。可以用来自单独的NCO 315 的信号对各个信号混频器304进行解调。各信号混频器304的解调输 出可与单独的累加器308和结果寄存器307连接。应当理解，在以前的设计中可以检测由高压Vstim信号(例如， 18V)产生的较高的电荷量的PGA302现在可检测由较低压Vstim信 号(例如，6.6V)产生的较低的电荷量。此外，由于各个NCO310可 按不同的频率、延迟和相位产生信号，因此NC0 315可使得同时而又 不同地对电荷放大器302的输出进行解调。特定的感测信道300中的 各个信号混频器304因此可产生代表以前的设计的电荷的大致R分之 一的输出，但是，由于存在分别按不同的频率进行解调的R个混频器， 因此，各个感测信道仍可如以前的设计那样检测到差不多相同的电荷总量。在图3b中，可替代ASIC内的模拟电路以数字的方式实现信号混 频器304和累加器308。替代ASIC内的模拟电路以数字的方式实现 信号混频器和累加器可节省约15%的棵片空间。图3c例示了根据本发明的实施例的可被配置为频谦分析器或面 板扫描逻辑的10个感测信道300的示例性框图。在图3c的示例中， 10个感测信道300中的每一个都可与触摸传感器面板中的单独的列连 接。注意，各个感测信道300可包含将在以下进一步详细说明的多路 复用器或开关303。图3c中的实线连接可代表被配置为面板扫描逻辑 的感测信道，并且虚线连接可代表被配置为频镨分析器的感测信道。 以下将更详细地讨论图3c。图4a例示了根据本发明的实施例的示出LCD阶段402和垂直消 隐(blanking)或触摸传感器面板阶段404的示例性时序图400。在 LCD阶段402中，LCD可有源地进行开关，并且可生成产生图像所 需要的电压。此时不执行面板扫描。在触摸传感器面板阶段404期间， 感测信道可被配置为用于识别低噪声频率的频谱分析器，并且也可被 配置为用于检测和定位触摸的图像的面板扫描逻辑。图4b例示了根据本发明的实施例的对与图3c的示例(本示例) 对应的LCD阶段402和触摸传感器面板阶段404进行描述的示例性 流程图406。在步骤O中，可如上所述的那样更新LCD。步骤1 3可代表低噪声频率识别阶段406。在步骤1中，感测信 道可被配置为频镨分析器。频镨分析器的目的在于识别随后供面板扫 描使用的几个低噪声频率。当没有激励频率被施加到触摸传感器面板 的任一行上时，所有感测信道的输出之和(其代表包含所有检测到的 噪声在内的被施加到触摸传感器面板上的总电荷)可被反馈到各感测 信道中的混频器中的每一个。混频器可配对，并且各对混频器可通过 使用特定频率的同相(I)和正交(Q)信号对所有感测信道的和进行 解调。各混频器对的解调后的输出可用于计算该特定频率上的噪声的 量值，其中，量值越小，那么该频率上的噪声越低。在步骤2中，可对于不同的频率组重复步骤l的处理。 在步骤3中，可通过识别产生最低的计算的量值的那些频率来选 择供随后的触摸传感器面板扫描使用的几个低噪声频率。步骤4 19可代表面板扫描阶段408。在步骤4 19中，感测信道 可被配置为面板扫描逻辑。在步骤4~19中的每一个中，所选择的低噪 声频率的各个相位可用于同时激励触摸传感器面板的行，并且各感测 信道中的多个混频器可被配置为使用所选择的低噪声频率对从与各个 感测信道连接的列接收的信号进行解调。来自多个混频器的解调信号 然后可被保存。在步骤20中，在完成了所有步骤之后，所保存的结果被用于进行 计算，以在所选择的低噪声频率中的每一个上确定对触摸传感器面板 的触摸的图像。再次参照图3c所示的本示例，虽然感测信道300被配置为频镨分 析器，但不向触摸传感器面板中的任一行施加激励信号。在本示例中， 存在IO个列并因此存在10个感测信道300，并且，每个感测信道300 具有三个混频器304，共有30个混频器。可使用求和电路340将各个 感测信道300中的所有放大器输出电路309的输出加在一起，并通过 多路复用器或开关303 (其可被配置为选择求和电路340而非电荷放 大器302的输出)将其馈送到所有混频器304中。虽然感测信道被配置为频语分析器，但耦合到列上的背景可被测 量。由于不向任一行施加Vstim，因此在任何像素上都不存在Csig, 并且对面板的任何触摸都不应影响噪声结果(除非触摸手指或其他物 体将噪声耦合到地上)。通过在加法器340中将所有放大器输出电路 309的所有输出加到一起，可以获得代表接收到触摸传感器面板中的 总噪声的一个数字位流(bitstream)。在频谱分析之前，噪声的频率 和产生噪声的像素是未知的，但在完成了频镨分析之后的确变为已知 的了。产生噪声的像素不是已知的，并且在频镨分析之后不被恢复， 但是，由于位流被用作一般的噪声收集器，因此它们不必是已知的。虽然被配置为频谱分析器，但图3c的示例中的30个混频器可按15对使用，每一对都对由NC0 315产生的15个不同频率的I和Q信 号进行解调。例如，这些频率可以为200kHz 300kHz。 NCO 315可产 生可被数字混频器340使用的数字斜面正弦波(rampsine wave),以 对求和电路340的噪声输出进行解调。例如，NCO315一0一A可产生频 率F0的I分量，而NCO 315—0—B可产生F0的Q分量。类似地，NCO 315_0—C可产生频率Fl的I分量，NCO 315_1—A可产生Fl的Q分 量，而NCO 315_1—B可产生频率F2的I分量，NCO 315_1_C可产生 F2的Q分量，等等。然后可使用15对混频器通过F0 F14的I和Q分量对求和电路 340的输出(噪声信号)进行解调。可以在累加器308中累加各混频 器304的结果。各累加器308可以是在采样时段上可对来自混频器304 的瞬时值进行累加(加在一起)的数字寄存器。在采样时段结束时， 累加的值代表该频率和相位上的噪声信号的量。特定频率上的I和Q解调的累加结果可代表该频率上的同相位或 正交的内容量。然后可以在量值和相位计算电路342中使用这两个值， 以找到该频率上的总量值(振幅)的绝对值。较高的量值可意味着该 频率上的较高的背景噪声水平。由各个量值和相位计算电路342计算 出的量值可被保存。注意，在没有Q分量时，与解调频率不同相的噪 声可保持不被检测。可对于15个不同的频率F15 F29重复该整个过程。然后可以对 为所述30个频率中的每一个保存的量值进行比较，并且可以选择具有 最小量值(因此具有最低噪声水平)的三个频率，这三个频率在这里 被称为频率A、 B和C。 一般地，所选择的低噪声频率的数量可与各 感测信道中的混频器的数量对应。仍参照图3c，当感测信道300被配置为面板扫描逻辑时，图3c 中的虚线可被忽略。在步骤4~19中的每一个中，所选择的低噪声频率 的各个相位可用于同时激励触摸传感器面板的各个行，并且各感测信 道中的多个混频器可被配置为使用所选择的低噪声频率A、 B和C对 从与各感测信道连接的列接收的信号进行解调。在图3c的示例中，NCO—0_A可产生频率A， NCO_0_B可产生频率B, NCO_0_C可产 生频率C, NCO_l_A可产生频率A， NCO_l_B可产生频率B， NCO—lj:可产生频率C，等等。来自各感测信道中的各个混频器304 的解调信号然后可在累加器308中被累加并被保存。一般地，可由记法xF。S[chM、xFiS[chM".xF]^S[chM表示由R 个低噪声频率F。、 FL..Fw解调的任何感测信道M(这里，M-0~N-1) 的R个混频器输出，这里，xFo表示用频率Fo解调的混频器的输出， xF,表示用频率F!解调的混频器的输出，xFr.!表示用频率F^解调的 混频器的输出，S表示面板扫描阶段中的序号。因此，在步骤4(表示面板扫描阶段中的序号1)中，使用低噪声 频率A、 B和C作为解调频率，要被保存的输出可被称为xal[ch0、 xblch0卜xcl[ch01、xal[chll、xbl[chl、xclchll…xalch9j、xblch9、 xcl[ch9。因此，在本示例中，在步骤4中保存30个结果。在步骤5 (表示面板扫描阶段中的序号2)中，要被保存的30个结果可被称为 xa2[c阔、xb2[ch0、xc2[ch0、xa2[chl、xb2[chl、xcchl]…xa2[ch9、 xb2[ch9、xc2[ch9。可以类似地对要在步骤6~19中的每一个中保存 的30个输出进行命名。应当理解，图3c中的感测信道的外部的附加逻辑可以在图1的信 道扫描逻辑110中被实现，但它也可位于其他位置。图4c例示了根据本发明的实施例的与本示例对应的示例性电容 扫描规划410。图4c描述了如图4b所示的针对具有15个行R0 R14 的示例性传感器面板的步骤0~19。步骤0可表示LCD可被更新时的LCD阶段。LCD阶段可占用约 i2ms，在此期间没有行可被激励。步骤1~19可表示用于LCD的垂直消隐间隔，在此期间LCD不 改变电压.步骤1~3可表示可占用约0.6ms的低噪声频率识别阶段，在此期 间也没有行可被激励。在步骤1中，范围为200kHz 300kHz的不同频 率(分开至少10kHz)的I和Q分量可:l皮同时施加到^f皮配置为频i普分析器的感测信道中的多对混频器上，并且，这些频率上的噪声的量值可被保存。在步骤2中，范围为300kHz 400kHz的不同频卑的I和Q 分量可被同时施加到被配置为频谱分析器的感测信道中的多对混频器 上，并且，这些频率上的噪声的量值可被保存。在步骤3中，可通过 对产生所保存的最低量值的频率进行定位来识别最低噪声频率A、 B 和C。可以仅仅对在步骤1和2中测得的测量波镨进行最低噪声频率 的识别，或者，也可以考虑来自以前的帧的步骤1和2的历史测量来 进4亍此识别。步骤4~19可表示可占用约3.4ms的面板扫描阶段。 在可占用约0.2ms的步骤4中，A、 B和C的正负相位可被施加 到一些行上，而其他行可保持不被激励。应当理解，十A可表示具有正 相位的扫描频率A， -A可表示具有负相位的扫描频率A，十B可表示 具有正相位的扫描频率B, -B可表示具有负相位的扫描频率B， +C 可表示具有正相位的扫描频率C，-C可表示具有负相位的扫描频率C。 与传感器面板的列耦合的感测信道中的电荷放大器可检测由于各个行 被激励而耦合到列上的总电荷。可通过感测信道中的三个混频器对各 个电荷放大器的输出进行解调，每个混频器接收任一解调频率A、 B 或C。可以获得并保存结果或值xal、 xbl和xcl，其中，xal、 xbl 和xcl是矢量。例如，xal可以是具有10个值xal[ch0、xal[chl、 xal[ch2…xalch9的矢量，xbl可以是具有10个值xbl[ch0、 xblchl、xbl[ch2…xbl[ch9的矢量，xcl可以是具有10个值 xcl[ch0、xcl[chlj、 xcl[ch2...xcl[ch9的矢量。具体地说，在步骤4中，十A被施加到行O、 4、 8和12上，十B、 -B、十B和-B分别被施加到行1、 5、 9和13上，+C、 -C、 +C和-C分 别被施加到行2、 6、 10和14上，并且，没有激励被施加到行3、 7、 11和15上。在提到的频率和相位下，与列0连接的感测信道感测从 所有被激励的行注入列0中的电荷。感测信道中的三个混频器现在可 被设定为对A、 B和C进行解调，并且，可对于感测信道获得三个不 同的矢量结果xal、 xbl和xcl。例如，矢量xal可表示在被+A激励的四个行(例如，行o、 4、 8和12)上被注入列0~9中的电荷的和。 但是，由于出现触摸的特定的行仍是未知的，因此矢量xal不提供完 整的信息。并行地，在同一步骤4中，可以用+B激励行l和5，并且 可用-B激励行9和13，并且，矢量xbl可表示在被+B和-B激励的行(例如，行l、 5、 9和13)上被注入列0~9中的电荷的和。并行地， 在同一步骤4中，可以用+C激励行2和14,并且可用-C激励行6和 10，并且，矢量xcl可表示在被+C和-C激励的行(例如，行2、 6、 10和14)上被注入列0~9中的电荷的和。因此，在步骤4结束时，获 得并存储分别包含10个结果、共包含30个结果的三个矢量。除了可以对不同的行施加A、 B和C的不同相位并且在各个步骤 中获得不同的矢量结果以外，步骤5 19与步骤4类似。在步骤19结 束时，在图4c的示例中将获得总共480个结果。通过在步骤4 19中 的每一个中获得480个结果，使用组合的、因子的(factorial)方法， 其中，针对每个像素，获得与三个频率A、 B和C中的每一个的触摸 的图像有关的信息。应当注意，步骤4~19例示了多相位扫描和多频率扫描这两个特征 的组合。每个特征可具有其自身的益处。多频率扫描可以节省2/3的 时间，而多相位扫描可提供变好约l倍的信噪比(SNR)。可通过使用多个频率的不同相位同时激励大多数或所有行来使用 多相位扫描。在本申请人的共同未决的美国申请No. 11/619433中(2007年l月3日提交，发明名称为"Simultaneous Sensing Arrangement")描述了多相位扫描，通过引用将其内容并入于此。多 相位扫描的一种益处是可从单次面板扫描获得更多的信息。由于多相概率最小化，因此，多相位扫描可实现更精确的结果。另外，可通过使用多个频率同时激励大多数或所有行来使用多频 率扫描。如上所迷，多频率扫描会节省时间。例如，在一些前面的方 法中，可以按频率A在15个步骤中扫描15个行，然后可按频率B在 15个步驟中扫描15个行，然后可按频率C在15个步骤中扫描15个行，这样，共有45个步骤。但是，使用如图4c的示例所示的多频率 扫描，可只需要总共16个步骤(步骤4~19)。多频率扫描在其最简 单的实施例中可包含在第一步骤中同时按频率A扫描R0、按频率B 扫描Rl并按频率C扫描R2，然后在步骤2中同时按频率A扫描Rl、 按频率B扫描R2并按频率C扫描R3，等等，总共15个步骤。在步骤4 19结束时，当获得并存储了上述的480个结果时，可利 用这480个结果执行附加的计算。图4d例示了根据本发明的实施例的与本示例对应的用于计算不 同的低噪声频率上的全图像结果的对于特定信道M的示例性计算。在 本示例中，对于各个信道M (其中M = 0 9)，可以执行图4d所示的 45个计算，以获得各个行和各个频率A、 B和C的行结果。对各个信 道的由45个计算组成的各个组可产生用于与该信道相关的像素的列 的所得像素值。例如，行 0 、 频率 A 计算 (xal[chM+xa2[chM+xa3[chMI+xa4[chM)/4可产生频率A的行0、 信道M结果。在本示例中，在对于每一个信道执行并存储了所有计算 之后，将获得总共450个结果。这些计算与图4b的步骤20对应。在这450个结果中，频率A的有150个、频率B的有150个并且 频率C的有150个。由于为各个列(即，信道)和行交点提供唯一的 值，因此特定频率的150个结果表示该频率下的触摸的图像映射或图 像。然后可通过软件处理这些触摸图像，该软件将这三幅图像合成并 查看它们的特性，以确定哪些频率是固有地多噪声的以及哪些频率是 固有地干净的。然后可执行进一步的处理。例如，如果所有三个频率 A、 B和C均是相对没有噪声的，那么可对于这些结果一起求平均。应当理解，可以在图1的面板处理器102或主机处理器128的控 制下执行图4c和图4d所示的计算，但也可以在其他地方执行它们。图5a例示了根据本发明的实施例的示例性移动电话536，该示例 性移动电话536可包含触摸传感器面板524、使用压敏粘接剂(PSA) 534与传感器面板接合的显示装置530，以及图1的用于向触摸传感器 面板施加多个激励频率和相位的计算系统100中的其他计算系统块，以识别低噪声激励频率并检测和定位触摸事件。图5b例示了根据本发明的实施例的示例性数字音频/视频播放器 540，该数字音频/视频播放器540可包含触摸传感器面板524、使用压 敏粘接剂(PSA) 534与传感器面板接合的显示装置530，以及图1的 用于向触摸传感器面板施加多个激励频率和相位的计算系统100中的 其他计算系统块，以识别低噪声激励频率并检测和定位触摸事件。虽然已参照附图对本发明的实施例进行了全面描述，但应注意， 各种改变和修改对于本领域技术人员来说将变得显见。这些变化和修 改应被理解为被包含于由所附权利要求限定的本发明的实施例的范围 内。
权利要求
1.一种用于从触摸传感器面板获得用于产生触摸的图像的多个值的方法，该方法包括以特定分布向触摸传感器面板的多条驱动线同时施加具有正相位和负相位的多个激励频率；将来自触摸传感器面板的多条感测线中的每一个的信号接收到不同的感测信道中；用多个解调频率对接收到每个感测信道中的信号进行解调，所述解调频率是与激励频率相同但同相位的频率；在每个感测信道中累加用多个解调频率解调的信号，以产生表示用于每个感测信道的累加解调信号的多个值；和存储用于所有感测信道的所述多个值。
2. 根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤重复权利要求 1的步骤多次，并在以多个唯一分布向触摸传感器面板的多条驱动线
3. 根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤对于所述多条 感测线中的每一条，使用存储的多组多个值计算并存储用于各条驱动 线和多个频率中的每一个的驱动线结果。
4. 根据权利要求2所迷的方法，其中，所迷多个解调频率是被选 择的低噪声频率。
5. 根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤在邻近触摸传 感器面板的液晶显示器(LCD)的垂直消隐阶段中获得所述多个值。
6. 在一种包括传感器面板的系统中的一种用于获得用于产生触摸 的图像的多个值的方法，所述传感器面板具有以特定分布由具有正相 位和负相位的多个激励频率同时驱动的多条驱动线，该方法包括以下 步骤用多个解调频率对在传感器面板的各条感测线上接收的感测信号 进行解调，这些解调频率是与激励频率相同但同相位的频率；和对于各条感测线累加多个解调感测信号中的每一个，以产生表示 累加解调感测信号的多个值。
7. 根据权利要求6所述的方法，依次以多个唯一分布用具有正相 位和负相位的多个激励频率同时驱动触摸传感器面板上的所述多条驱 动线，其中，该方法还包括在以多个唯一分布向触摸传感器面板的所述多条驱动线同时施加 具有正相位和负相位的多个激励频率之后存储多组多个值。
8. 根据权利要求7所述的方法，还包括对于所述多条感测线中 的每一条，使用所述存储的多组多个值来计算并存储各条驱动线和所 述多个频率中的每一个的驱动线结果。
9. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述多个解调频率是选择 的低噪声频率。
10. 根据权利要求6所述的方法，还包括以下步骤在邻近触摸 传感器面板的液晶显示器(LCD)的垂直消隐阶段中获得所述多个值。
11. 一种用于从触摸传感器面板获得用于产生触摸的图像的多个 值的设备，该设备包括多个感测信道，每个感测信道包含被配置为从触摸传感器面板的不同感测线接收信号的电荷放大器；与多路复用器的输出耦合的多个混频器；一个与所述多个混频器中的每一个耦合的用于产生解调频 率的频率发生器电路；和一个与所述多个混频器中的每一个耦合的用于产生表示累 加的混频器输出的值的累加器，其中，每个感测信道中的每个频率发生器电路都产生不同的解调 频率，这些不同的解调频率与用不同的相位同时施加以驱动触摸传感 器面板的线的不同激励频率对应。
12. 根据权利要求11所述的设备，其中，频率发生器电路中的一 个或更多个包含数控振荡器(NCO)。
13. 根据权利要求11所述的设备，还包括用于存储由各个感测信 道产生的多个值的存储器。
14. 根据权利要求13所述的设备，还包括处理器，该处理器用于 针对所述多条感测线中的每一条，使用所述存储的多个值来计算并存 储用于各条驱动线和所述多个解调频率中的每一个的驱动线结果。
15. —种包括权利要求11所述的设备的计算系统。
16. —种包括权利要求15所述的计算系统的移动电话。
17. —种包括权利要求15所述的计算系统的数字音频播放器。
18. —种用于操作触摸屏的方法，该触摸屏具有触摸传感器面板 和显示装置，该方法包括在显示装置的活动周期中更新显示装置；和 在显示装置的垂直消隐阶段中从触摸传感器面板获得触摸的图像。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中，显示装置是液晶显示器 (LCD)。
20. —种用于从触摸传感器面板获得多个值的系统，所述多个值 用于产生触摸的图像，该系统包括具有多条驱动线和多条感测线的触摸传感器面板；和 与触摸传感器面板耦合的集成电路，该集成电路包括被配置为对于所述多条驱动线产生多个激励信号的驱动器 逻辑，该驱动器逻辑包含被配置为用于将用于集成电路的低电平电源 电压转换成较高电平电源电压的电荷泵，该驱动器逻辑还被配置为用 于将较高电平电源电压转换成减小的振幅激励信号；和多个感测信道，每个感测信道包含被配置为从触摸传感器面 板的不同感测线接收感测信号的电荷放大器，所述多个感测信道用于 从接收的感测线产生多个值，所述多个值表示多个累加的混频器输出， 其中，每个感测信道中的每个电荷放大器包含减小的反馈电容， 该反馈电容的物理尺寸根据由于减小的振幅激励信号而注入到感测线 上的较低的电荷量而缩小。
21. 根据权利要求20所述的系统，其中，每个感测信道还包括 与多路复用器的输出耦合的多个混频器；与所述多个混频器中的每一个耦合的用于产生解调频率的频率发 生器电路；和与所述多个混频器中的每一个耦合的用于产生表示累加的混频器 输出的值的累加器；其中，每个频率发生器电路都产生不同的解调频率，这些不同的 解调频率与同时施加到触摸传感器面板的驱动线上的不同的激励频率 对应。
22. 根据权利要求21所述的系统，其中，频率发生器电路中的一 个或更多个包含数控振荡器(NCO)。
23. 根据权利要求21所述的系统，还包括用于存储由各个感测信 道产生的所述多个值的存储器。
24. 根据权利要求23所述的系统，还包括处理器，该处理器用于 针对所述多条感测线中的每一条，使用所述存储的多个值来计算并存 储用于各条驱动线和所述多个解调频率中的每一个的驱动线结果。
25. —种包括权利要求21所述的系统的计算系统。
26. —种包括权利要求25所述的计算系统的移动电话。
27. —种包括权利要求25所述的计算系统的数字音频播放器。
28. —种用于从触摸传感器面板获得多个值的方法，所述多个值 用于产生触摸的图像，该方法包括以下步骤利用集成电路内的电荷泵将用于集成电路的低电平电源电压转换 成较高的电平电压；利用较高的电平电压在集成电路内产生减小的振幅激励信号，所 述减小的振幅激励信号用于驱动触摸传感器面板内的多条驱动线；将来自触摸传感器面板中的多条感测线中的每一条的感测信号接 收到集成电路内的多个感测信道中的每一个中的电荷放大器中，所迷 多个感测信道用于从接收的感测信号产生多个值，所述多个值表示多 个累加的混频器输出；和利用各个电荷放大器内的减小的反馈电容，该反馈电容的物理尺 寸根据由于减小的振幅激励信号而注入到感测线上的较低的电荷量而 缩小。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括以下步骤行解调，所述不同的解调频率与同时施加到触摸传感器面板的驱动线 上的不同激励频率对应；和对各个感测信道中的解调的感测信号进行累加以产生所述多个值。
30. 根据权利要求29所述的方法，还包括以下步骤使用一个或 更多个数控振荡器(NCO)产生用于对接收的感测信号进行解调的解 调频率。
31. 根据权利要求28所述的方法，还包括以下步骤存储由各个 感测信道产生的所述多个值，对于所述多条感测线中的每一个，使用的每一个的驱动线结果。 、'，' '
32. —种包括用于从触摸传感器面板获得用以产生触摸的图像的 多个值的设备的移动电话，该设备包括多个感测信道，每个感测信道包含被配置为从触摸传感器面板的不同感测线接收信号的电荷放大器；与多路复用器的输出耦合的多个混频器；一个与所述多个混频器中的每一个耦合的用于产生解调频 率的频率发生器电路；和一个与所述多个混频器中的每一个耦合的用于产生表示累 加的混频器输出的值的累加器，其中，每个感测信道中的每个频率发生器电路产生不同的解调频面板的线的不同激励频率对应。
33. —种包括用于从触摸传感器面板获得用于产生触摸的图像的 多个值的设备的数字音频播放器，该数字音频播放器包括 多个感测信道，每个感测信道包含被配置为从触摸传感器面板的不同感测线接收信号的电荷放大器；与多路复用器的输出耦合的多个混频器；一个与所述多个混频器中的每一个耦合的用于产生解调频 率的频率发生器电路；和一个与所述多个混频器中的每一个耦合的用于产生表示累 加的混频器输出的值的累加器，其中，每个感测信道中的每个频率发生器电路产生不同的解调频 率，这些不同的解调频率与用不同的相位同时施加以驱动触摸传感器 面板的线的不同激励频率对应。
全文摘要
本发明涉及多个同时频率检测。公开了使用多个激励频率和相位以在触摸传感器面板上产生触摸的图像。多个感测信道中的每一个可与触摸传感器面板中的列耦合，并且可具有多个混频器。感测信道中的各个混频器可利用能够产生特定频率的解调频率的电路。在多个步骤中的每一个中，选择的频率的各个相位可用于同时激励触摸传感器面板的各个行，并且各个感测信道中的多个混频器可被配置为使用选择的频率对从与各个感测信道连接的列接收的信号进行解调。在完成了所有步骤之后，可以将来自所述多个混频器的解调信号用于计算，以确定各频率上的对触摸传感器面板的触摸的图像。
文档编号G06F3/041GK101324822SQ20081012559
公开日2008年12月17日 申请日期2008年6月13日 优先权日2007年6月13日
发明者C·H·克拉, S·E·欧康纳, S·P·霍特林, W·C·维斯特曼 申请人:苹果公司