电容触控系统及其选频方法与流程

本发明涉及一种互动式输入装置，具体地，涉及一种电容触控系统及其选频方法。

背景技术：

电容触控面板因可提供较佳的用户经验，因此广泛地被应用至各式电子装置，例如应用于显示装置以形成触控式显示装置。

例如，图1为公知电容触控系统的方框示意图，其包含电容触控面板91、多个信号产生器92、多个驱动单元93、模拟前端(analog front end)94、数字后端(digital back end)95以及处理单元96。所述电容触控面板91包含彼此相交的多个驱动电极911及多个感测电极912；其中，驱动电极911与感测电极912之间可形成互感电容(mutual capacitance)。信号产生器92中的每一者及驱动单元93中的每一者耦接至驱动电极911以输入驱动信号Sd；所述多个感测电极912通过所述多个驱动电极911与所述多个感测电极912之间的互感电容将从所述驱动信号Sd感应的感测信号Ss输出至所述模拟前端94。所述模拟前端94将所述感测信号Ss转换成数字信号后传送至所述数字后端95以进行后处理。所述数字后端95耦接所述处理单元96，其根据所述数字后端95的后处理结果判断触控位置。

由于所述电容触控面板91所输出的触控信号(touch signal)的数值很小，当电容触控面板91应用于液晶显示器时，触控信号很容易受到液晶显示器的栅极驱动信号的干扰，因而降低触控信号的信噪比(SNR)。

一般而言，若当前驱动频率下所得到的触控讯号的噪声量过高，可利用所谓的跳频(frequency hopping)程序选择其他驱动频率，所述跳频程序侦测信 噪比较佳的驱动频率，以在触控侦测时利用被选择的驱动频率进行驱动。然而，公知的选频过程中仍需要针对驱动电极中的每一者输入驱动信号并侦测多个帧的触控信号，故无法避免较长选频时间及功率消耗。

例如，若以驱动频率200KHZ扫频两个帧为例，在包含20个驱动电极以及每个驱动电极输入32个周期的驱动波形的条件下，仅侦测单一驱动频率则需花费(32周期×20频道/200KHZ)×2帧＝6.4毫秒，而此期间可能让使用者感受到操作中断。若需要连续侦测多个驱动频率，则需花费更多时间并消耗更高功率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种可缩短扫频期间及降低扫频期间的功率消耗的电容触控系统及其选频方法。

本发明提供一种电容触控系统及其选频方法，其在扫频期间无须输入驱动波形即可选择适当的驱动频率，藉以降低扫频期间的功率消耗。

本发明提供一种电容触控系统，包含触控面板、驱动单元、多个放大单元、多个滤波器以及扫频控制单元。所述触控面板包含多个驱动电极及多个感测电极用于形成感应电容。所述驱动单元耦接所述多个驱动电极中的一者，用于在驱动期间以多个预设驱动频率中的一者输出驱动信号并在扫频期间不输出所述驱动信号至所耦接的所述驱动电极。所述多个放大单元分别耦接所述多个感测电极，用于放大所耦接的所述感测电极输出的侦测信号，并具有高通截止频率。所述多个滤波器分别耦接所述多个放大单元，用于输出放大滤波后侦测信号，并具有低通截止频率。所述扫频控制单元，用于在所述扫频期间控制所述高通截止频率及所述低通截止频率以形成等效带通滤波器，并调整所述等效带通滤波器的中心频率对应所述多个预设驱动频率。

本发明还提供一种电容触控系统的选频方法，其中所述电容触控系统包 含触控面板、分别耦接所述触控面板的多个感测电极的多个放大单元以及分别耦接所述多个放大单元的多个滤波器。所述选频方法包含下列步骤：以当前驱动频率的驱动信号驱动所述触控面板，以使所述多个滤波器分别输出放大滤波后侦测信号；当所述放大滤波后侦测信号的信噪比小于阈值时，进入扫频期间；在所述扫频期间停止驱动所述触控面板；控制所述多个放大单元的高通截止频率及所述多个滤波器的低通截止频率以形成等效带通滤波器；以及调整所述等效带通滤波器的中心频率对应多个预设驱动频率。

本发明还提供一种电容触控系统的选频方法，其中所述电容触控系统包含驱动单元、触控面板、分别耦接所述触控面板的多个感测电极的多个放大单元以及分别耦接所述多个放大单元的多个滤波器。所述选频方法包含扫频期间，所述扫频期间中所述驱动单元不输出任何驱动信号至所述触控面板，所述多个放大单元与所述多个滤波器用于形成等效带通滤波器以输出放大滤波后背景信号，并根据调整所述等效带通滤波器的中心频率所得的所述放大滤波后背景信号决定选定驱动频率。

本发明还提供一种读取电路，用于耦接触控面板并读取所述触控面板输出的多个侦测信号。所述读取电路包含多个放大单元、多个滤波器及扫频控制单元。所述多个放大单元耦接所述触控面板，用于放大所述触控面板输出的所述多个侦测信号，并具有高通截止频率。所述多个滤波器分别耦接所述多个放大单元，用于输出放大滤波后侦测信号，并具有低通截止频率。所述扫频控制单元用于控制所述高通截止频率及所述低通截止频率以形成等效带通滤波器，并调整所述等效带通滤波器的中心频率分别对应所述触控面板的多个预设驱动频率的至少一部分预设驱动频率。

本发明某些实施例的电容触控系统及选频方法中，所述多个放大单元用作为高通滤波器并具有高通截止频率且所述多个滤波器用作为低通滤波器并具有低通截止频率。所述控制单元用于在扫频期间控制所述高通截止频率 及所述低通截止频率以形成等效带通滤波器、调整所述等效带通滤波器的一中心频率对应多个预设驱动频率并选择所述多个预设驱动频率相关的放大滤波后背景信号中能量值最小者，藉以决定选定驱动频率。

为了让本发明说明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，详细说明如下。此外，在本发明中，相同的构件以相同的符号表示，于此合先述明。

附图说明

图1为公知电容触控系统的方框示意图。

图2为本发明一实施例的电容触控系统的方框示意图。

图3为本发明另一实施例的电容触控系统的方框示意图。

图4为本发明一实施例的电容触控系统的模拟前端的示意图。

图5为本发明一实施例的电容触控系统的选频方法的示意图。

图6为本发明一实施例的电容触控系统的选频方法的流程图。

具体实施方式

请参照图2所示，其为本发明一实施例的电容触控系统的方框示意图。所述电容触控系统1包含多个驱动单元11、触控面板12、模拟前端13、模拟数字转换(ADC)电路14以及数字后端15。某些实施例中，所述模拟数字转换电路14可包含于所述模拟前端13内。

所述模拟前端13用于对所述触控面板12输出的模拟信号进行前处理。接着，前处理过的模拟信号由所述模拟数字转换电路14转换为数字信号以供所述数字后端15进行后处理。所述前处理例如包括对模拟信号进行放大(amplification)、降频(downconversion)、累积(accumulation)以及滤波(filtering)等，但并不以此为限。所述后处理例如包括根据所述数字信号判断相对所述 触控面板12的触控位置和/或触控位置变化(例如位移量)，并判断所述数字信号的噪声量等，但并不以此为限。

所述触控面板12例如为电容触控面板，其包含多个驱动电极121以及多个感测电极122用于形成感应电容(inductive capacitance)；其中，所述感应电容可为自感电容(self capacitance)或互感电容(mutual capacitance)，并无特定限制。例如，一条驱动电极121可与一条感测电极122相交错以形成感测单元Cm；其中，图2及3中仅显示一个感测单元Cm且为了简化图式其他组驱动电极121与感测电极122所形成的感测单元Cm并未绘出。于触控面板形成多个驱动电极及多个感测电极的方式已为公知，故于此不再赘述。

当驱动信号Sd被输入至所述驱动电极121时，通过所述感应电容可在所述感测电极122感应出至少一个侦测信号Si。当至少一个手指或导体靠近所述触控面板12时，则会改变附近的感测单元Cm的电容值而相对改变所述侦测信号Si。藉此，所述处理单元151便可根据电容值改变量侦测至少一个触控位置。电容触控面板通过感应电容相对驱动信号Sd感应出至少一个侦测信号Si的方式已为公知，故于此不再赘述。本发明旨在提出一种可缩短扫频期间并降低所述扫频期间的消耗功率的电容触控系统及其选频方法(frequency selection method)。

所述多个驱动单元11分别耦接所述多个驱动电极121，用于在驱动期间(driving interval)以多个预设驱动频率中的一者输出驱动信号Sd至所耦接的所述驱动电极121，并在扫频期间(frequency scanning interval)不输出所述驱动信号Sd至所耦接的所述驱动电极121。参照图5所示，其为本发明实施例的电容触控系统的选频方法的示意图。所述电容触控系统1例如可包含75KHZ、100KHZ、200KHZ、300KHZ、400KHZ及500KHZ等多个预设驱动频率，但并不以此为限。所述驱动单元11例如输出具有周期性驱动波形(driving waveform)或非周期性驱动波形的驱动信号Sd至所耦接的所述驱动 电极121；其中，所述驱动波形例如可为方波、弦波、三角波、梯形波等，并无特定限制。

优选地，所述多个驱动电极121中的每一者均耦接驱动单元11，为简化图式，图2及3仅显示一个驱动单元11，但其并非用于限定本发明。某些实施例中，所述多个驱动单元11可分别通过切换开关(未绘示)与所述多个驱动电极121耦接，藉以控制所述多个驱动单元11与所述多个驱动电极121的连接或断开。所述多个驱动单元11中的每一者可以耦接一条以上的驱动电极121；亦即，驱动信号Sd可同时驱动一条以上的驱动电极121。

当所述驱动信号Sd输入至所述驱动电极121后，相关的感测电极122则输出至少一个侦测信号Si至所述模拟前端13。本实施例中，所述模拟前端13包含多个放大单元131，用于进行信号放大以及多个滤波器132，用于进行信号滤波。在一实施例中，所述多个感测电极122通过切换开关(未绘示)分别耦接所述多个放大单元131，以通过所述多个切换开关控制所述侦测信号Si的输出。

所述多个放大单元131例如可为集成可编程增益放大电路(Integrated Programmable Gain Amplifier)，其分别耦接所述多个感测电极122。在一实施例中，所述多个放大单元131中的每一者耦接一条所述多个感测电极122，用于放大所耦接的所述感测电极122输出的所述侦测信号Si并输出放大后侦测信号Sia。本实施例中，所述多个放大单元131具有高通滤波器的特性，并具有高通截止频率(high-pass cutoff frequency)。

所述多个滤波器132例如可为噪声抑制滤波器(Anti-Aliasing Filter)，其分别耦接所述多个放大单元131。在一实施例中，所述多个滤波器132中的每一者耦接一个所述多个放大单元131，用于对所述放大后侦测信号Sia进行滤波并输出放大滤波后侦测信号Siaf。本实施例中，所述多个滤波器132具有低通滤波器的特性，并具有低通截止频率(low-pass cutoff frequency)。

例如参照图4所示，其显示本发明实施例的电容触控系统1的放大单元131及滤波器132的示意图。所述滤波器132输出所述放大滤波后侦测信号Siaf至所述模拟数字转换电路14以被转换为数字信号。

请再参照图2所示，所述数字后端15包含处理单元151，其例如可为数字信号处理器(DSP)，可用于进行触控判断并决定是否进入扫频模式；其中，所述处理单元151例如根据预设侦测期间(例如32个驱动波形期间，但并不以此为限)所侦测的数字信号(例如由所述放大滤波后侦测信号Siaf数字化而得)判断是否有导体靠近所述触控面板12，并判断所述数字信号的信噪比。例如在一实施例中，所述驱动单元11以当前驱动频率输出所述驱动信号Sd至所述触控面板12，所述模拟前端13例如还包含累积电容133，用于累积所述预设侦测期间的所述放大滤波后侦测信号Siaf的电荷。所述模拟数字转换电路14取样所述累积电容133的电压并转换取样值为数字信号，并将所转换的数字信号输入至所述处理单元151。当所述处理单元151判断所求得的所述数字信号的信噪比(SNR)小于阈值时，则进入所述扫频期间；其中，所述阈值可根据系统的噪声容忍度决定，并无特定限制。

本实施例中，所述处理单元151还可包含扫频控制单元16，用于在所述扫频期间控制所述高通截止频率及所述低通截止频率以形成等效带通滤波器(equivalent bandpass filter)，并调整所述等效带通滤波器的中心频率对应所述多个预设驱动频率。此外，所述扫频控制单元16还同时控制所述驱动单元11在所述扫频期间停止输出所述驱动信号Sd至所述触控面板12。

在一实施例中，所述扫频控制单元16在扫频期间依序调整所述等效带通滤波器的中心频率Fc相等于预设驱动频率中的每一者。例如图5中，所述等效带通滤波器的中心频率Fc被依序调整为大致相等于75KHZ、100KHZ、200KHZ、300KHZ、400KHZ及500KHZ，或反向为之。当所述中心频率Fc被调整至预设驱动频率中的每一者时，所述扫频控制单元16例如 根据扫频侦测期间(其可相等或不等于所述驱动期间的预设侦测期间，例如32个驱动波形期间)侦测放大滤波后侦测信号Siaf。本发明中，所述扫频期间指所述触控面板12不接收任何驱动信号Sd且所述扫频控制单元16调整截止频率的期间；而所述驱动期间指所述驱动单元11输入所述驱动信号Sd至所述触控面板12且所述处理单元151根据侦测结果判定触控事件的期间。

某些实施例中，所述扫频控制单元16判断所有所述多个预设驱动频率相关的所述放大滤波后侦测信号Siaf中能量值最小的放大滤波后侦测信号，并据此决定选定驱动频率。例如，图5显示的斜线矩形区域表示所述扫频期间中相对于预设驱动频率中的每一者所侦测的能量值，此时所述选定驱动频率例如为200KHZ。某些实施例中，所述能量值可为所述扫频期间中输出的至少一部分所述多个感测电极122相关的所述放大滤波后侦测信号Siaf的能量和，例如将对应所有所述多个感测电极122的所述放大滤波后侦测信号Siaf相加以作为所述能量值。

另一实施例中，进入扫频期间后，所述扫频控制单元16可依序调整所述等效带通滤波器的中心频率Fc大致相等于所述多个预设驱动频率中除所述当前驱动频率及所述当前驱动频率的两个相邻驱动频率以外的剩余预设驱动频率。由于进入扫频期间的原因通常在于利用所述当前驱动频率进行驱动时的高噪声量，因此在扫频时可直接排除所述当前驱动频率及其相邻的驱动频率，例如两个直接相邻的驱动频率，但并不以此为限。某些实施例中，当所述预设驱动频率的数目较多时，在所述扫频期间可排除所述当前驱动频率附近的数个预设驱动频率。接着，所述扫频控制单元16可判断对应所述多个剩余预设驱动频率的所述放大滤波后侦测信号Siaf中能量值最小的放大滤波后侦测信号，并据此决定选定驱动频率。

请参照图3所示，其为本发明另一实施例的电容触控系统的方框示意图。所述电容触控系统1'同样包含多个驱动单元11、触控面板12、模拟前端13、 模拟数字转换电路14以及数字后端15。同样地，所述模拟数字转换电路14亦可包含于所述模拟前端13中。本实施例与图2图不同之处在于，本实施例中所述扫频控制单元16设置于所述模拟前端13中，用于直接根据所述多个预设驱动频率相关的所述放大滤波后侦测信号Siaf的能量值进行选频。

在一实施例中，所述模拟前端13例如还包含累积电容133，用于累积预设侦测期间的放大滤波后侦测信号Siaf。当所述驱动单元11以当前驱动频率输出所述驱动信号Sd且所述处理单元151判断所求得的放大滤波后侦测信号Siaf(例如，所述模拟数字转换电路14取样所述累积电容133而得)的信噪比小于阈值时，则进入扫频期间。所述扫频期间中，所述扫频控制单元16直接根据所有预设驱动频率或所述多个剩余预设驱动频率相关的所述多个放大滤波后侦测信号Siaf的能量值最小的放大滤波后侦测信号决定选定驱动频率。可以理解的是，所述模拟数字转换电路14取样所述放大滤波后侦测信号Siaf的方式并不限于如本发明中所公开的取样电容的电压。

上述实施例中，由于所述扫频期间中，所述驱动单元11并未输入任何驱动信号Sd至所述触控面板12，因此所述多个滤波器132输出的放大滤波后侦测信号Siaf仅包含背景噪声，因此本说明中所述放大滤波后侦测信号Siaf在所述扫频期间有时称为放大滤波后背景信号以进行区分。

换句话说，根据图2及3所示，所述扫频控制单元16可位于所述模拟前端13或位于所述数字后端15，并无特定限制。所述扫频控制单元16可根据数字化前的放大滤波后侦测信号(即模拟信号)或根据数字化后的放大滤波后侦测信号来判断能量和的最小值，并据此决定选定驱动频率。

请参照图6所示，其显示本发明实施例的电容触控系统的选频方法的流程图，其包含下列步骤：进入驱动期间(步骤S₆₁)；比较信噪比与阈值(步骤S₆₂)；当所述信噪比小于所述阈值时，进入扫频期间(步骤S₆₃)；终止驱动信号(步骤S₆₄)；控制截止频率以进行扫频(步骤S₆₅)；以及寻找具有最低输出能 量值的驱动频率(步骤S₆₆)。本实施例的选频方法可同时适用于图2及3的电容触控系统。

请同时参照图2～6所示，接着说明本实施例的选频方法的详细实施方式。

步骤S₆₁：所述驱动期间中，所述驱动单元11以当前驱动频率驱动所述触控面板12，所述驱动信号Sd经过所述多个驱动电极121及所述多个感测电极122之间的感测单元Cm感应至少一个侦测信号Si，其依序经过所述放大单元131及所述滤波器132，以使所述多个滤波器132分别输出放大滤波后侦测信号Siaf。所述放大滤波后侦测信号Siaf例如在累积电容133累积预设侦测时间(例如32个驱动波形期间，但并不以此为限)，并由所述模拟数字转换电路14转换成数字信号。为简化说明，本发明中仍将数字化的放大滤波后侦测信号亦通称为放大滤波后侦测信号。

步骤S₆₂：所述处理单元151根据所述放大滤波后侦测信号Siaf判断触碰事件以及判断所述放大滤波后侦测信号Siaf的噪声量。当所述放大滤波后侦测信号Siaf的信噪比超过阈值时，仍维持运作于所述驱动期间(或侦测模式)而回到步骤S₆₁；而当所述信噪比小于所述阈值时，则进入扫频期间(或扫频模式)而进入步骤S₆₃。

步骤S₆₃～S₆₄：所述扫频期间中，所述扫频控制单元16控制所述驱动单元11停止驱动所述触控面板12或控制所述多个驱动单元11与所述多个驱动电极121间的切换开关全部断开。因此，所述触控面板12仅输出背景信号至所述多个放大单元131，因此所述多个滤波器132输出放大滤波后背景信号。

步骤S₆₅：驱动信号Sd终止后，所述扫频控制单元16控制所述多个放大单元131的高通截止频率及所述多个滤波器132的低通截止频率以形成等效带通滤波器，并调整所述等效带通滤波器的中心频率Fc对应多个预设驱 动频率，以根据调整所述等效带通滤波器的所述中心频率Fc所得的所述放大滤波后背景信号决定选定驱动频率，如图5所示。在一实施例中，所述等效带通滤波器的频宽例如可为50～100KHZ，但并不以此为限。

步骤S₆₆：在一实施例中，所述扫频控制单元16读取所述多个滤波器132输出的放大滤波后背景信号，其可为模拟信号或数字信号，视所述扫频控制单元16的设置位置而定。例如图2中所述扫频控制单元16位于所述数字后端15，因此所述放大滤波后背景信号则为经过所述模拟数字转换电路14转换的数字背景信号。例如图3中所述扫频控制单元16位于所述模拟前端13，因此所述放大滤波后背景信号则为未经过所述模拟数字转换电路14转换的模拟背景信号。在一实施例中，所述扫频控制单元16可判断所有所述多个预设驱动频率相关的所述放大滤波后背景信号中能量值最小的放大滤波后背景信号，并藉以决定选定驱动频率。另一实施例中，所述扫频控制单元16可判断所述多个剩余预设驱动频率(即所述目前驱动频率及其相邻预设驱动频率以外者)相关的所述放大滤波后背景信号中能量值最小的放大滤波后背景信号，并藉以决定选定驱动频率。

在一实施例中，所述模拟前端13及所述数字后端15形成读取电路(readout circuit)用于耦接触控面板12以读取所述触控面板12输出的多个侦测信号Si。所述读取电路包含多个放大单元131、多个滤波器132以及扫频控制单元16。所述多个放大单元131耦接所述触控面板12，用于放大所述触控面板12输出的所述多个侦测信号Si，并具有高通截止频率。所述多个滤波器132分别耦接所述多个放大单元131，用于输出放大滤波后侦测信号Siaf，并具有低通截止频率。所述扫频控制单元16用于控制所述多个放大单元131的高通截止频率及所述多个滤波器132的低通截止频率以形成等效带通滤波器，并调整所述等效带通滤波器的中心频率Fc分别对应所述触控面板12的多个预设驱动频率的至少一部分预设驱动频率，如图5所示。如前 所述，所述扫频控制单元16可根据所有或至少一部分所述多个预设驱动频率相关的所述放大滤波后侦测信号Siaf中能量值最小的放大滤波后侦测信号决定选定驱动频率。

综上所述，公知电容触控系统中，是通过输入不同驱动频率的驱动信号至触控面板，并判断所述触控面板输出的侦测信号的信噪比，以选择适用的驱动频率。然而，公知电容触控系统的跳频程序需花费较长时间以及较多功率才能确认适当的驱动频率。因此，本发明还提供一种电容触控系统(图2～3)及其选频方法(图6)，其通过调整放大单元的高通截止频率以及滤波器的低通截止频率以根据预设驱动频率中放大滤波后背景信号的能量值最小者决定选定驱动频率。由于本发明的扫频期间中无须输入任何驱动信号至触控面板，故可缩短扫频期间及降低所述扫频期间的耗能。

虽然本发明已以上述实例公开，然其并非用于限定本发明，任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明说明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所限定者为准。