专利名称：自电容触摸检测电路及方法
自电容触摸检测电路及方法技术领域 本发明涉及输入检测技术，特别涉及触摸输入设备的输入检测，尤其涉及自电容触摸输入电容的检测电路及方法。
背景技术输入输出终端是如手机、MP3播放器、GPS导航仪、电脑等等电子设备必不可少的部分。较为常见的是以键盘为输入终端，以显示器为输出终端。传统的键盘多为机械按钮式键盘，其不足之处在于:按键生硬，需要一定力度，用久了容易被周边机械装置或尘粒卡住；且按键旁边多有缝隙，不防水；按动键盘时由于机械摩擦会发出一定程度的噪声，影响近距离人群的生活。其后出现的触摸输入法不仅免除上述烦恼，还提高了人机交互的互动性。尤其触摸屏的出现，使可视化输入变成现实，大大提高设备使用的友善性。传统触摸屏输入终端以电阻式触摸屏最为常见，其价格低廉，采用压敏电阻来检测触摸，即靠外界压力产生机械形变来改变电阻阻值。其不足之处在于:触摸屏上需要有软的弹性装置，以便在压力释放后恢复形变，而弹性装置用久了容易老化，导致按键失灵；此夕卜，该电阻式触摸屏不能识别多点触摸，同一时刻只能是单点输入，无法适应日益繁杂的界面输入需求；再者，其制作材料决定了屏幕的透光率无法得到提高。电容式触摸输入技术由此应运而生，既消除了机械按键的诸多不便，又解决了电阻式触摸屏的透光率、老化问题，更为重要的是可支持多点触摸输入。现有电容式触摸屏/键主要采用自电容检测触摸输入和互电容检测触摸输入两种技术。自电容检测技术是将电容的一端接地，从电容的另一端发送和接收信号来检测电容的变化以识别是否有触摸输入。检测单个自电容的变化只需要一个IO端口即可，占用IO端口少。同时该类触摸屏可以用单层导电材料来生产实现，大大节约了屏的生产成本。互电容检测技术是在电容的一端发射信号，从电容的另一端接收信号来检测电容的变化以识别是否有触摸输入。因此检测单个互电容的变化需要两个IO端口，占用IO端口相对较多。同时该类触摸屏需要用两层导电材料来生产实现，屏的制作成本相对高昂。现有自电容检测技术有多种检测方法。有的基于张驰振荡的原理将电容转化为频率或周期信号进行测量，有的采用电阻、电容充放电的方法进单斜率或双斜率积分计数来测量电容，有的采用调节电容充放电电流大小进行逐次逼近的办法测量电容，等等。这些自电容检测办法存在一共同缺陷，即抗环境干扰能力很弱。尤其是对应用在手机上的触摸显示屏来说，面临来自LCD显示的干扰和来自手机射频信号的干扰，现有自电容检测办法所实现的触摸信号的信噪比不高，大部分都在30:1以下，将导致出现触摸屏的分辨率低、触摸检测容易被误动作等现象。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处而提供一种自电容触摸检测电路及方法，提高触摸信号的信噪比来加强触摸输入检测的准确度。为解决上述技术问题，本发明的基本构思为:采用混频技术来削弱混频频率之外的频率成分对电容检测结果的干扰，同时注意到触摸操作所带来的输入电容改变其实小于屏幕输入固有的电容，且该屏幕输入固有的电容不受触摸影响，故采用固定偏移去除技术来消除所述输入固有的电容，将大大提高触摸信号的信噪比；尤其是该信号提供给模数转换器进行模数转换，其动态范围得到拓宽。此外，为避免电子产品使用环境中固有频率对混频频率造成干扰，采用扩频技术使参与混频的频率动态变化，更有助于提高了触摸电容检测电路的抗干扰能力。作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种自电容触摸检测电路，用于触摸显不输入屏的输入信号检测端，以对一端接地的电容进行触摸输入电容检测；包括有一输入端连接着该电容另一端的电压放大器；还包括激励信号源，产生并输出一个激励信号往所述电压放大器，来激励该电压放大器将触摸输入电容的容值调制成电压信号，以送往第一混频器；激励信号源还输出一个同步信号往该第一混频器；尤其是，还包括整流器、第二混频器和减法器，整流器接收所述同步信号并对该同步信号进行全波整流后送往第二混频器，第二混频器还接收一个反映触摸输入电容容值的固定量的偏移量信号；所述第一混频器及第二混频器的输出均送往减法器，在减法器作减法运算后输出信号的直流成分则用来表示触摸输入电容的大小。进一步地，上述方案中，还包括模数转换器，把所述直流成分由模拟信号转换成数字信号以供所述触摸显示输入屏的中央处理器处理；还包括积分器，接收来自所述减法器的信号并通过积分运算滤除该信号中的交流成分后送往所述模数转换器的输入端。还可以进一步包括第二数模转换器，接收来自所述触摸显示输入屏的中央处理器的偏移量数据并转换成送往第二混频器的所述偏移量信号。具体地说，上述方案中，所述激励信号源包括数字式波形产生器、数模转换器、低通滤波器、相位调节器及包络调节器；所述数字式波形产生器根据来自所述触摸显示输入屏的中央处理器的时钟信号和频率控制字来产生预定的激励波，分两路分别送往所述数模转换器和相位调节器的输入端；模数转换器的输出端连接数低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端输出送往电压放大器的所述激励信号；相位调节器的输出端连接包络调节器的输入端，包络调节器的输出端输出送往第一混频器的所述同步信号。所述电压放大器采用运算放大器，该运算放大器的正输入端接入所述激励信号，负输入端连接所述电容另一端，输出端与所述正输入端之间的差分电压被送往所述第一混频器。作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种自电容触摸检测方法，用于触摸显示输入屏的输入信号检测，用来对一端接地的电容进行触摸输入电容检测，包括步骤:
设置一输入端连接着该电容另一端的电压放大器，用一激励信号来激励该电压放大器将触摸输入电容的容值调制成电压信号；
设置第一混频器，利用提供给该第一混频器的同步信号来对所述电压信号进行混频，以滤除混频频率之外的其它频率成分的干扰；
尤其是，还包括步骤:
根据所述同步信号及一个反映触摸输入电容容值的固定量的偏移量信号来混频产生一个输出信号，与所述第一混频器的输出信号进行相减运算来消除检测中输入电容的固定成分，从而获得触摸操作带来的所述触摸输入电容。上述方案中，还包括步骤:将所述触摸输入电容由模拟信号的直流成分中提取出来并转换成数据信号送往所述触摸显示输入屏的中央处理器。上述方案中，用一受控于所述触摸显示输入屏的中央处理器的数字式波形产生器来产生触摸输入电容检测所需要的激励，包括用模数转换器和低通滤波器将该数字式波形产生器的输出转换成所述激励信号，用相位调节器和包络调节器将该数字式波形产生器的输出转换成所述同步信号。上述方案中，所述数字式波形产生器采用直接数字频率综合的方式来产生并输出周期性的正弦波、三角波或方波。进一步地，所述中央处理器控制所述数字式波形产生器产生并输出频率具有实时变化的波形以实现扩频。上述方案中，所述偏移量信号由所述触摸显示输入屏的中央处理器控制提供，该中央处理器提供的偏移量数据经一个数模转换器转换成该偏移量信号。采用本发明，自电容触摸检测具有较强的抗干扰能力，所检测的信号信噪比高；且电路易于数字化实现，便于集成应用于集成电路芯片中。电路的结构简单也有助于减小芯片面积。
图1为本发明自电容触摸检测电路的结构示意 图2为图1中波形产生器的结构示意 图3为图1中电压放大器的一种具体实施电路 图4为图1中混频器以及减法器的一种具体实施电路 图5为图1中模数转换器的一种具体实施电路结构示意图。
具体实施例方式 下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。为了在触摸显示输入屏的输入信号检测中滤除其它频率成分对自电容触摸检测的干扰，现有自电容触摸检测采用了混频技术，对一端接地的电容进行触摸输入电容检测时包括了以下的方法步骤:设置一输入端连接着该电容另一端的电压放大器，用一激励信号来激励该电压放大器将触摸输入电容的容值调制成电压信号；设置第一混频器，利用提供给该第一混频器的同步信号来对所述电压信号进行混频，以滤除混频频率之外的所述其它频率成分的干扰。由于输入屏本体存在一个触摸输入电容容值的固定量，依该方法步骤检测得到的触摸输入电容往往不能真实反映人体触摸操作带来的触摸输入电容，从而信号的信噪比难以得到提高。故本发明方法基于以上步骤，还包括了以下步骤:根据所述同步信号及一个反映触摸输入电容容值的固定量的偏移量信号来混频产生一个输出信号，与所述第一混频器的输出信号进行相减运算来消除检测中输入电容的固定成分，从而获得触摸操作带来的所述触摸输入电容。根据本发明方法，本发明设计了一种用于触摸显示输入屏的输入信号检测端的自电容触摸检测电路，包括有一输入端连接着电容另一端的电压放大器；还包括激励信号源，产生并输出一个激励信号往所述电压放大器，来激励该电压放大器将触摸输入电容的容值调制成电压信号，以送往第一混频器；激励信号源还输出一个同步信号往该第一混频器；还包括整流器、第二混频器和减法器，整流器接收所述同步信号并对该同步信号进行全波整流后送往第二混频器，第二混频器还接收一个反映触摸输入电容容值的固定量的偏移量信号；所述第一混频器及第二混频器的输出均送往减法器，在减法器作减法运算后输出信号的直流成分则用来表不触摸输入电容的大小。图1为上述本发明电路的一种具体结构。主要结构包括:电压放大器40，以波形产生器10、数模转换器20、低通滤波器30、相位调节器50和包络调节器60来共同实现的上述激励信号源，第一混频器82，以整流器70、第二混频器81和减法器83来共同实现的一个固定偏移去除模块800。各模块构件的功能细述如下:
激励信号源的实现可以用数字电路的形式，也可以是模拟电路的形式。为便于电路的集成化设计，图1是以数字电路形式为例对激励信号源的结构进行细化:数字式波形产生器10用于产生触摸检测电路需要频率的激励波，波形可以是正弦波、三角波、方波等，根据不同应用而定，本实施例中以正弦波为例。该波形产生器10的输出分两路，一路连接第一数模转换器20来作数字模拟量的转换，进而输出模拟形式的正弦波，因该模拟形式的正弦波曲线有阶梯，需经过低通滤波器30将其变成平滑的正弦波401，该平滑的正弦波401用作为送往电压放大器40的所述激励信号，电压放大器40根据激励将触摸输入电容Ci的容值转化为电压信号402后送往第一混频器82,该电压信号402的输出频率与低通滤波器的输出信号的频率相同。为实现波形的平滑，低通滤波器30的转折频率应大于输入正弦波的正弦频率且小于该输入正弦波的阶梯频率。由于低通滤波器30存在相位延迟，以及电压放大器40受电容Ci和连线寄生阻抗的影响存在相位延迟，所以第一混频器82的另一输入信号应经过相位延迟后才能同步参与混频，相位调节器50即充当此角色；故波形产生器10输出的另一路送往相位调节器50进行相位延迟补偿，补偿相位的多少为低通滤波器的输出相位延迟与电压放大器的输出相位延迟相加，使延迟补偿后最终获得的所述同步信号的波形与另一送往第一混频器82的输入信号(即电压放大器40的输出信号)同频同相。相位调节器50的输出端连接包络调节器60的输入端，该包络调节器60用于调节混频的输入信号的包络，将输入的等幅正弦波601调节成具有包络的正弦波602 (用作为所述同步信号)，正弦波的频率和相位均不发生改变。包络形状可以是高斯、梯形、三角形等任意形状，本实施例以梯形包络为例，包 络调节器60的输出波形为梯形正弦波。包络调节器60的实现方式可以是将输入时序序列与设定的包络形状序列相乘得到，其乘法可以用简单的移位寄存器实现，因其为现有技术，不在此赘述。电压放大器40可以以差分电压形式进行输出，差分电压的幅度与输入电容Ci的容值成正比，与输入频率无关；差分电压的频率与激励信号同频。差分电压被送至第一混频器82，与包络调节器60的输出进行混频，由于两者都是正弦信号，且同频同相，只是幅度不同而已，依据三角函数公式(I)可以得出输出混频信号821包含有直流成分和交流成分。^χ)*^χ)=lcosCijc)(O
其中，直流成分的大小与输入信号的幅度成正比，为可利用部分；交流成分则为无效信号，最好予以滤除，例如但不限于用一积分器，将积分时间设置为交流信号周期的整数倍来予以积分滤除。为便于触摸显示输入屏的中央处理器的控制、处理，可以进一步将模拟的输出混频信号821转换成数字信号，故本发明电路还包括模数转换器90，把所述直流成分由模拟信号转换成数字信号以供所述中央处理器处理。为消除交流成分的影响，可以在所述模数转换器90前端设置一个所述积分器。固定偏移去除模块800用来将触摸输入电容的固定成分去除，增加信噪比。该固定偏移去除模块800至少包括整流器70、第二混频器81和减法器83。整流器70对由包络调节器60送来的所述同步信号进行全波整流，即对输入波形作取绝对值的动作，将负半轴的幅度信号镜像至正半轴，在数学上等效为IfOO I，其输出信号811送至第二混频器81参与混频。第二混频器81还接收一个反映触摸输入电容容值的固定量的偏移量信号，该偏移量信号可以是模拟输入或数字输入，为便于中央处理器支持多点输入的测试，本实施例中将其设定为数字输入，故还设置一个第二数模转换器80，接收来自所述中央处理器的偏移量数据Voff并转换成送往第二混频器81的所述偏移量信号。当电压放大器40输出差分电压时，设定Voff的大小等于或接近触摸输入电容Ci的固定成分所对应的差分电压大小，以便后续减法器83能将触摸信号中的固定成分予以去除。所述触摸输入电容容值的固定量是指触摸输入电容的容值有一部分是不受触摸输入影响的，触摸输入电容容值的大小等效于电容的固定量与受触摸影响变化部分容值的相加。触摸时电容容值的变化量往往很小，只有不到IpF容值变化，触摸输入电容的固定量则由于受连线寄生电容的影响以及自身触摸节点的面积的影响，其容值很大，往往达到50pF数量级甚至更大，这样不到IpF的触摸容值变化占总的触摸电容容值的比重是很小的，故以变化的触摸容值而非总的触摸电容容值来作为触摸输入电容检测结果加以处理，将大大提高输入信号的信噪比。第二混频器81将偏移量信号与整流器70的输出进行混频，混频输出的波形812仍是正弦波整流后的波形812，送至减法器83作参与减法运算。减法器83将第一混频器82的输出减去第二混频器81的输出，该减法器83的输出信号831亦包含有直流成分和交流成分，直流成分的大小与触摸操作带来的触摸输入电容的大小成正比，触摸时接触的面积越大，触摸电容变化部分越大且是增大的，所述直流成分越大。交流成分则为无效信号，可以用积分器滤除，其滤除原理可参考公式(2)，因此只要积分时间是输入信号周期的整数倍，就只剩有直流成分由积分器输出。
权利要求
1.一种自电容触摸检测电路，用于触摸显示输入屏的输入信号检测端，以对一端接地的电容进行触摸输入电容检测；包括有一输入端连接着该电容另一端的电压放大器；还包括激励信号源，产生并输出一个激励信号往所述电压放大器，来激励该电压放大器将触摸输入电容的容值调制成电压信号，以送往第一混频器；激励信号源还输出一个同步信号往该第一混频器；其特征在于: 还包括整流器、第二混频器和减法器，整流器接收所述同步信号并对该同步信号进行全波整流后送往第二混频器，第二混频器还接收一个反映触摸输入电容容值的固定量的偏移量信号；所述第一混频器及第二混频器的输出均送往减法器，在减法器作减法运算后输出信号的直流成分则用来表示触摸输入电容的大小。
2.根据权利要求1所述的自电容触摸检测电路，其特征在于: 还包括模数转换器，把所述直流成分由模拟信号转换成数字信号以供所述触摸显示输入屏的中央处理器处理；还包括积分器，接收来自所述减法器的信号并通过积分运算滤除该信号中的交流成分后送往所述模数转换器的输入端。
3.根据权利要求1所述的自电容触摸检测电路，其特征在于: 所述激励信号源包括数字式波形产生器、数模转换器、低通滤波器、相位调节器及包络调节器；所述数字式波形产生器根据来自所述触摸显示输入屏的中央处理器的时钟信号和频率控制字来产生预定的激励波，分两路分别送往所述数模转换器和相位调节器的输入端；模数转换器的输 出端连接数低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端输出送往电压放大器的所述激励信号；相位调节器的输出端连接包络调节器的输入端，包络调节器的输出端输出送往第一混频器的所述同步信号。
4.根据权利要求1所述的自电容触摸检测电路，其特征在于 还包括第二数模转换器，接收来自所述触摸显示输入屏的中央处理器的偏移量数据并转换成送往第二混频器的所述偏移量信 号。
5.根据权利要求1所述的自电容触摸检测电路，其特征在于: 所述电压放大器采用运算放大器，该运算放大器的正输入端接入所述激励信号，负输入端连接所述电容另一端，输出端与所述正输入端之间的差分电压被送往所述第一混频器。
6.根据权利要求1 5任一项所述的自电容触摸检测电路，其特征在于: 该自电容触摸检测电路以集成电路方式集成于集成电路芯片中。
7.一种自电容触摸检测方法，用于触摸显示输入屏的输入信号检测，用来对一端接地的电容进行触摸输入电容检测，包括步骤: 设置一输入端连接着该电容另一端的电压放大器，用一激励信号来激励该电压放大器将触摸输入电容的容值调制成电压信号； 设置第一混频器，利用提供给该第一混频器的同步信号来对所述电压信号进行混频，以滤除混频频率之外的其它频率成分的干扰； 其特征在于，还包括步骤: 根据所述同步信号及一个反映触摸输入电容容值的固定量的偏移量信号来混频产生一个输出信号，与所述第一混频器的输出信号进行相减运算来消除检测中输入电容的固定成分，从而获得触摸操作带来的所述触摸输入电容。
8.根据权利要求7所述的自电容触摸检测方法，其特征在于，还包括步骤: 将所述触摸输入电容由模拟信号的直流成分中提取出来并转换成数据信号送往所述触摸显示输入屏的中央处理器。
9.根据权利要求7所述的自电容触摸检测方法，其特征在于: 用一受控于所述触摸显示输入屏的中央处理器的数字式波形产生器来产生触摸输入电容检测所需要的激励，包括用模数转换器和低通滤波器将该数字式波形产生器的输出转换成所述激励信号，用相位调节器和包络调节器将该数字式波形产生器的输出转换成所述同步信号。
10.根据权利要求9所述的自电容触摸检测方法，其特征在于: 所述数字式波形产生器采用直接数字频率综合的方式来产生并输出周期性的正弦波、三角波或方波。
11.根据权利要求9或10所述的自电容触摸检测方法，其特征在于: 所述中央处理器控制所述数字式波形产生器产生并输出频率具有实时变化的波形以实现扩频。
12.根据权利要求7所述的自电容触摸检测方法，其特征在于: 所述中央处理器是通过频率控制字来控制数字式波形产生器输出波形产生频率变化。
13.根据权利要求7所述的自电容触摸检测方法，其特征在于: 所述偏移量信号由所述触摸显示输入屏的中央处理器控制提供，该中央处理器提供的偏移量数据经一个数模转换器转换成该偏移量信号。
全文摘要
一种自电容触摸检测电路及方法，用于触摸显示输入屏的输入信号检测端，以对一端接地的电容进行触摸输入电容检测；设置一输入端连接着该电容另一端的电压放大器，用一激励信号来激励该电压放大器将检测容值调制成电压信号；该电压信号与一同步信号在第一混频器进行混频以滤除其它频率成分干扰；尤其是，根据该同步信号及一个反映触摸输入电容容值的固定量的偏移量信号来混频产生一个输出信号，与所述第一混频器的输出信号作相减运算以获得触摸操作带来的所述触摸输入电容。本发明还可进一步利用中央处理器对所述激励信号进行扩频处理，使触摸显示输入屏触摸信号的信噪比和抗干扰能力得以提高。
文档编号G06F3/044GK103207711SQ20121001044
公开日2013年7月17日 申请日期2012年1月13日 优先权日2012年1月13日
发明者胡术云 申请人:深圳市汇春科技有限公司