专利名称：以电信号变化时间为检测对象的电容变化检测模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及电信号的快速检测装置，特别是涉及用于互电容触摸屏以检测触碰动作造成的互电容变化的检测模块。
背景技术：
现有技术用于电容式触摸屏是把对触摸屏的触碰动作转化为的电容值变化，继而 确定输入信息的装置。所述触摸屏都包括用于检测电容变化的模块，用于及时侦测触碰动 作的发生，这是触摸屏准确及时产生输出数据的前提条件。因此，所述电容变化检测模块决 定了触摸屏对触碰动作的响应速度。现有技术互电容触摸屏，如图5所示，包括电极群、激 励信号模块20'和互电容数据侦测模块90'，所述电极群包括与所述激励信号模块电连 接的驱动电极70'和与所述互电容数据侦测模块电连接的传感电极80'。如图6所示，所 述激励信号模块20'用于发出扫描信号至各驱动电极70'，从而在驱动电极70'和传感 电极80'之间形成互电容CM。所述互电容数据侦测模块90'用于侦测所述互电容Cm的变 化，并及时准确地将互电容的变化数据及位置数据输出给相应的数据处理设备。所述电容 变化检测模块10'就是互电容数据侦测模块90'的一部分，用于及时发现互电容的变化， 并且将侦测到的电容变化数据传输给数据处理模块30'，该数据处理模块30'将互电容 变化数据处理成为反映触碰动作中心坐标数据。现有技术所述电容变化检测模块10'都是以电信号变化为检测对象，如图7所 示，所述电容变化检测模块10'包括运算放大器11'、检测电容Cs、和信号转换模块12'。 触摸屏的互电容Cm电连接接所述运算放大器1Γ的反向输入端_ ；所述检测Cs跨接在运 算放大器11'的反向输入端_和输出端；所述运算放大器11'的同向输入端+接参考电源 UKrf，其输出端接到所述信号转换模块12'，该信号转换模块12'的作用是将检测到的信号 量化，最后送给数据处理模块30'，所述数据处理模块30'通常是微型数据处理单元MCU。 所述电容变化检测模块10'的几个重要节点是，互电容Cm与激励信号模块20'电连接之 处，即该激励信号模块20'的输出端A'点，所述运算放大器1Γ的反向输入端_，即B' 点，以及该运算放大器11'的输出端，即C'点。如图8所示，分别是在触摸屏未被触碰时 上述三个节点对应的波形WA'、WB'、WC'，以及发生触摸时C'的波形WC"。所述激励信 号模块20'从A'点发出扫描信号，波形是一个方波，高电平为VDDH，低电平为0。当上升 沿到来时，由于互电容CM的存在，B'点电压会跟着有一个阶跃上升，由于所述运算放大器 11'的虚短特性，其输出端会流出电流至检测电容Cs，使得B'点电压恢复至跟同相输入端 +的参考电源UKrf相等。由电容的串联分压特性，且稳定后B'点电压不变，当电压稳定后 有，
AVa Cs at. AVaxCm=A M ,Mk^k'点的电压变化量，点的电压变化量。C'点电压^的中间值为URef，因此，Vc输出高电平VOH为
，低电平VOL为
。这一电
平再通过所述信号转换模块12'量化送给数据处理模块30'。由于Uref、Va和CS都是固定值，通过比较信号转换模块12'输出的结果和出厂设定值相比较，如果其值发生了变化，即 可判定互电容Cm发生了变化，触摸屏备发生了触摸事件，由以上公式可以计算出变化的幅 度，并可根据对应扫描的行、检测的列得出触摸点的坐标。如图8中C'点波形所示，实线为 没有发生触摸的波形WC'，虚线是发生了触摸的波形WC"。可以看出，它们中心值相等，发 生触摸的列的电压振幅比没有触摸的小。所述电容变化检测模块10'还存在以下的缺陷和不足之处1.由上述的检测方案过程可知，它所检测的是一个稳定值，即图8中C'点波形的 平坦部分。因此它对触摸屏以及电容变化检测模块10'内部的建立时间要求比较高，希望 A'点发出扫描信号后，能够尽快响应到C'点，并且尽快稳定，以保证更多的时间给后面的 信号转换模块12'做量化操作。如图6所示，行扫描信号在触摸屏上的走线通常是氧化铟 锡IndiumTin Oxide,简称ΙΤ0，其电导率较小，走线电阻较大，导致走线延迟大，在尺寸较大 的触摸设备上这一点更加明显，从扫描信号发出到达Cm所需时间长，因此采用现有技术电 容变化检测模块10'对触摸屏的走线电阻要求比较高；同样的原因，对所述电容变化检测 模块10'中的运算放大器11'的建立时间也有较高的要求；2.为了实现较高的检测精度，所述信号转换模块12'通常会采用Σ结构，其内部 包括积分器、子信号转换模块、子译码电路，以及大量的数字调制解调电路，占用面积相当 可观。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于避免现有技术的不足之处而提出一种节约成本，降 低对触摸屏的寄生参数的要求，降低对运算放大器的建立时间的要求，并降低检测电路的 复杂性和芯片面积的以电信号变化时间为检测对象的电容变化检测模块。本发明解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现设计、制造一种以电信号变化时间为检测对象的电容变化检测模块，用于检测互 电容触摸屏发生的触碰动作，所述电容变化检测模块的输入端电连接形成触摸屏互电容的 两电极板之一，该互电容的另一电极板电连接激励信号模块的扫描信号输出端；所述电容 变化检测模块的输出端电连接数据处理模块。尤其是，所述电容变化检测模块包括扫描信 号检测电容、恒流充电模块、电容充电控制开关、充电检测模块和响应时间检测模块，以及 电连接在检测电容两端的充电反馈模块。所述扫描信号检测电容电连接在所述电容变化检 测模块的输入端与恒流充电模块之间。所述充电反馈模块用于在检测到所述电容变化检 测模块的输入端的阶跃电信号时，控制所述电容充电控制开关接通所述充电检测模块，并 将扫描信号检测电容的电信号变化转移输出至该充电检测模块，所述阶跃电信号由激励信 号模块输出的扫描信号造成。所述恒流充电模块用于对所述扫描信号检测电容进行恒流充 电。所述充电检测模块用于检测扫描信号检测电容的充电情况，当达到充电阈值时，输出信 号至所述响应时间检测模块的计时结束输入端。所述响应时间检测模块的计时开始输入端 电连接激励信号模块的扫描信号输出端，用于将所述扫描信号检测电容充电达到充电阈值的时间输出至所述电容变化检测模块的输出端。所述数据处理模块将电容变化检测模块输 出的时间数据与预设的时间数据比较，以判断互电容触摸屏是否被触碰。所述电容充电控制开关是绝缘栅型场效应管，或者是三极管。
更为具体的方案，所述充电反馈模块是第一比较运算放大器，所述恒流充电模块 是电流源，所述电容充电控制开关是P沟道增强型绝缘栅型场效应管；所述充电检测模块 是第二比较运算放大器。所述第一比较运算放大器的同向输入端电连接所述电容变化检测 模块的输入端，该第一比较运算放大器的反向输入端电连接第一参考电源，所述第一比较 运算放大器的输出端电连接所述P沟道增强型绝缘栅型场效应管的栅极。所述扫描信号 检测电容一端电连接所述电容变化检测模块的输入端，另一端电连接所述P沟道增强型绝 缘栅型场效应管的漏极、所述第二比较运算放大器的反向输入端和所述电流源的电流输出 端。所述P沟道增强型绝缘栅型场效应管的源极和衬底电连接所述电容变化检测模块的电 源。所述第二比较运算放大器的同向输入端电连接第二参考电源，其输出端电连接所述响 应时间检测模块的计时结束输入端。另外，所述响应时间检测模块包括一个以上的D触发器、并串转换器、锁存器和两 个非门。从所述响应时间检测模块的计时开始输入端输入信号经过两个非门输入至所有D 触发器的清零端。各D触发器的反向输出端电连接自身的输入端，所有D触发器按输出端 电连接下一 D触发器时钟端的方式串行电连接，首个D触发器的时钟端电连接所述电容变 化检测模块提供的时钟，D触发器各自的输出端别电连接所述并串转换器的并行数据输入 端。所述并串转换器输出数据至所述锁存器；该锁存器的锁存指令从所述响应时间检测模 块的计时结束输入端获取，所述锁存器输出的被锁存数据就是所述响应时间检测模块的输 出数据。同现有技术相比较，本发明“以电信号变化时间为检测对象的电容变化检测模块” 的技术效果在于1.本发明以电信号变化时间为检测对象，不需要在电路进入稳态后才侦测电容变 化，令电容变化被尽早侦测到，同时，降低了对触摸屏的走线电阻和电容变化检测模块的建 立时间的要求。2.本发明简化了电路结构，节约了芯片面积。
图1是本发明“以电信号变化时间为检测对象的电容变化检测模块”的电原理示 意框图；图2是本发明第一实施例的电路原理示意图；图3是所述第一实施例各节点波形示意图；图4是本发明第二实施例的响应时间检测模块15的电路原理示意图；图5是现有技术互电容触摸屏的示意图；图6是现有技术互电容触摸屏的互电容原理示意图；图7是现有技术电容变化检测模块10'的电路原理示意图；图8是图7中各节点的波形图。
具体实施例方式以下结合附图所示各实施例作进一步详述。本发明提出一种以电信号变化时间为检测对象的电容变化检测模块，用于检测互电容触摸屏发生的触碰动作，如图1所示，所述电容变化检测模块10的输入端B电连接形 成触摸屏互电容Cm的两电极板之一，该互电容Cm的另一电极板电连接激励信号模块20的 扫描信号输出端A。所述电容变化检测模块1的输出端E电连接数据处理模块30。所述电容变化检测模块10包括扫描信号检测电容Cs、恒流充电模块12、电容充电 控制开关13、充电检测模块14和响应时间检测模块15，以及电连接在检测电容Cs两端的 充电反馈模块11。所述扫描信号检测电容Cs电连接在所述电容变化检测模块10的输入端 B与恒流充电模块12之间。所述充电反馈模块11用于在检测到所述电容变化检测模块10 的输入端B的阶跃电信号时，控制所述电容充电控制开关13接通所述充电检测模块14，并 将扫描信号检测电容Cs的电信号变化转移输出至该充电检测模块14，所述阶跃电信号由激 励信号模块20输出的扫描信号造成。所述恒流充电模块12用于对所述扫描信号检测电容 Cs进行恒流充电。所述充电检测模块14用于检测扫描信号检测电容Cs的充电情况，当达 到充电阈值时，输出信号至所述响应时间检测模块15的计时结束输入端TE。所述响应时间 检测模块15的计时开始输入端Ts电连接激励信号模块20的扫描信号输出端A，用于将所 述扫描信号检测电容Cs充电达到充电阈值的时间输出至所述电容变化检测模块10的输出 端E。所述数据处理模块30将电容变化检测模块10输出的时间数据与预设的时间数据比 较，以判断互电容触摸屏是否被触碰。本发明以电信号变化时间为检测对象，不需要在电路 进入稳态后才侦测电容变化，令电容变化被尽早侦测到。所述电容充电控制开关13可以是绝缘栅型场效应管，还可以是三极管。本发明第一实施例提出一种具体方案，如图2所示，所述充电反馈模块11是第一 比较运算放大器0P，所述恒流充电模块12是电流源SC，所述电容充电控制开关13是P沟 道增强型绝缘栅型场效应管M ；所述充电检测模块14是第二比较运算放大器CMP。所述第 一比较运算放大器OP的同向输入端+电连接所述电容变化检测模块10的输入端B，该第一 比较运算放大器OP的反向输入端-电连接第一参考电源UKefl，所述第一比较运算放大器OP 的输出端电连接所述P沟道增强型绝缘栅型场效应管M的栅极g。所述扫描信号检测电容 Cs 一端电连接所述电容变化检测模块10的输入端B，另一端电连接所述P沟道增强型绝缘 栅型场效应管M的漏极d、所述第二比较运算放大器CMP的反向输入端-和所述电流源SC 的电流输出端。所述P沟道增强型绝缘栅型场效应管M的源极s和衬底B电连接所述电容 变化检测模块10的电源VDD。所述第二比较运算放大器CMP的同向输入端+电连接第二参 考电源UKrf2，其输出端电连接所述响应时间检测模块15的计时结束输入端TE。所述响应时间检测模块15用来检测A点发出扫描信号，到C点电压超过(或低于) Uref2所需的时间。典型而又简单的时间检测电路为，通过一个高频的系统时钟来计数，通 过计算A点上升(或下降)沿到来时，直到D点发生翻转所需的时钟数，即可得到检测电容 充电引起的延迟时间。所述电容变化检测模块10中，A、B、C三点稳定后的电压关系和现有技术方案一致 A'、B'、C'基本相同。不同是的边沿，即变化过程，如图3所示。其中C、D点的波形中， 实线为没有发生触摸的波形WC和WD，虚线为发生了触摸的波形WCc和WDC，可以看出，有无发生触摸，D点翻转所需的时间延迟是不一样的。当A点的上升沿到来时，所述响应时间检测模块15开始计时。由于电容稳压，B点 被拉高，所述第一比较运算放大器输出高电平，电流源SC以电流Ic开始给Cs放电，直至B 点恢复到跟同相端电压Usefl相等。这一过程中，C点电压线性下降，当低于第二比较运算放 大器CMP的翻转电压URef2时，其输出端D发生翻转，时间检测电路停止计时，并将计时结果 送给数据处理模块30。实际上，检测的时间过程为C点从高电平降低到Ultef2所需的时间。 由于充电电流Ic不变，而有无发生触摸的电平起始位置不一样，因此所需的充电时间不一 样。如上所述，C点稳定后的电压跟现有技术方案基本相同，因此高电平为
，而翻转电平为URrf2，因此所需的充电时间为， 上式中，只有触摸设备上的互电容Cm是变量，因此，通过检测D点的延迟时间，可 以判断出是否发生触摸事件。根据扫描帧频，通过调节Cs、Ic*Vref2，可以将t以及触摸 后延迟时间的变化At设定在一个合理的值，既可保证t和At维持在一个较大的值更利 于测量，又可保证在扫描信号下降沿到来前比较器一定发生反转，保证完成一个检测周期。 另外，通过调节A点扫描信号的占空比，增大高电平所占的比例，可以进一步增大t和At 的值，更便于测量。上述过程只是以检测A点的上升沿为例，实际上也可以检测下降沿，只要把电流 源SC改为PMOS电流源，将第一比较运算放大器OP的输出级接到N型绝缘栅场效应管(或 NPN型三极管)即可，并将扫描信号的低电平的占空比设的更高即可。本发明第二实施例，如图4所示，提出所述响应时间检测模块15的具体电路实例。
所述响应时间检测模块15包括一个以上的D触发器DTl........DTm、并串转换器151、锁
存器152和两个非门153、154，m是自然数。从所述响应时间检测模块15的计时开始输入 端1输入信号经过两个非门153、154输入至所有D触发器的清零端CLR。各D触发器的反
向输出端电连接自身的输入端D，所有D触发器按输出端Q电连接下一 D触发器时钟端 CLK的方式串行电连接，首个D触发器的时钟端CLK电连接所述电容变化检测模块10提供 的时钟ck，D触发器各自的输出端Q分别电连接所述并串转换器151的并行数据输入端。 所述并串转换器151输出数据至所述锁存器152 ；该锁存器152的锁存指令从所述响应时 间检测模块15的计时结束输入端TE获取，所述锁存器152输出的被锁存数据就是所述响 应时间检测模块15的输出数据。所述响应时间检测模块15是使用高速系统时钟对其进行 计数，从上升沿开始，到下降沿结束。检测从计时开始输入端Ts输入有效电平开始到从计时 结束输入端Te输入有效电平结束过程中覆盖多少个(二进制)ck周期。当计时开始输入 端Ts输入有效电平时，D触发器构成的计数器清零，当其上升沿到来时开始计数，得到Stl，，
S1,......，Slri，Sn，将其转为串行输出，直到计时结束输入端Te输入有效电平时，锁存器锁
存数据并输出，D触发器构成的计数器再清零，完成一个周期的检测。所述数据处理模块30将计数结果和没有发生触摸的结果进行比较，即可得知电容是否发生变化。 本发明降低了对触摸屏的走线电阻和电容变化检测模块的建立时间的要求；并且
简化了电路结构，节约了芯片面积。
权利要求
一种以电信号变化时间为检测对象的电容变化检测模块，用于检测互电容触摸屏发生的触碰动作，所述电容变化检测模块(10)的输入端(B)电连接形成触摸屏互电容(CM)的两电极板之一，该互电容(CM)的另一电极板电连接激励信号模块(20)的扫描信号输出端(A)；所述电容变化检测模块(10)的输出端(E)电连接数据处理模块(30)；其特征在于所述电容变化检测模块(10)包括扫描信号检测电容(CS)、恒流充电模块(12)、电容充电控制开关(13)、充电检测模块(14)和响应时间检测模块(15)，以及电连接在检测电容(CS)两端的充电反馈模块(11)；所述扫描信号检测电容(CS)电连接在所述电容变化检测模块(10)的输入端(B)与恒流充电模块(12)之间；所述充电反馈模块(11)用于在检测到所述电容变化检测模块(10)的输入端(B)的阶跃电信号时，控制所述电容充电控制开关(13)接通所述充电检测模块(14)，并将扫描信号检测电容(CS)的电信号变化转移输出至该充电检测模块(14)，所述阶跃电信号由激励信号模块(20)输出的扫描信号造成；所述恒流充电模块(12)用于对所述扫描信号检测电容(CS)进行恒流充电；所述充电检测模块(14)用于检测扫描信号检测电容(CS)的充电情况，当达到充电阈值时，输出信号至所述响应时间检测模块(15)的计时结束输入端(TE)；所述响应时间检测模块(15)的计时开始输入端(TS)电连接激励信号模块(20)的扫描信号输出端(A)，用于将所述扫描信号检测电容(CS)充电达到充电阈值的时间输出至所述电容变化检测模块(10)的输出端(E)；所述数据处理模块(30)将电容变化检测模块(10)输出的时间数据与预设的时间数据比较，以判断互电容触摸屏是否被触碰。
2.根据权利要求1所述的以电信号变化时间为检测对象的电容变化检测模块，其特征 在于所述电容充电控制开关充电控制开关(13)是绝缘栅型场效应管，或者是三极管。
3.根据权利要求1所述的以电信号变化时间为检测对象的电容变化检测模块所述充电反馈模块(11)是第一比较运算放大器(OP)，所述恒流充电模块(12)是电 流源(SC)，所述电容充电控制开关充电控制开关(13)是P沟道增强型绝缘栅型场效应管 (M)；所述充电检测模块(14)是第二比较运算放大器(CMP)；所述第一比较运算放大器(OP)的同向输入端(+)电连接所述电容变化检测模块(10) 的输入端(B)，该第一比较运算放大器(OP)的反向输入端㈠电连接第一参考电源(UKrfl)， 所述第一比较运算放大器(OP)的输出端电连接所述P沟道增强型绝缘栅型场效应管(M) 的栅极(g)；所述扫描信号检测电容(Cs) —端电连接所述电容变化检测模块(10)的输入端(B)，另 一端电连接所述P沟道增强型绝缘栅型场效应管(M)的漏极(d)、所述第二比较运算放大器 (CMP)的反向输入端(_)和所述电流源(SC)的电流输出端；所述P沟道增强型绝缘栅型场效应管(M)的源极(S)和衬底(B)电连接所述电容变化 检测模块(10)的电源(Vdd)； 所述第二比较运算放大器(CMP)的同向输入端(+)电连接第二参考电源(UKrf2)， 其输出端电连接所述响应时间检测模块(15)的计时结束输入端(Te)。
4.根据权利要求1至3所述的以电信号变化时间为检测对象的电容变化检测模块，其 特征在于所述响应时间检测模块(15)包括一个以上的D触发器(DTI........DTm)、并串转换器(151)、锁存器(152)和两个非门(153、154)，m是自然数；从所述响应时间检测模块(15)的计时开始输入端(Ts)输入信号经过两个非门(153、 154)输入至所有D触发器的清零端(CLR)；各D触发器的反向输出端(0")电连接自身的输入端(D)，所有D触发器按输出端(Q) 电连接下一 D触发器时钟端(CLK)的方式串行电连接，首个D触发器的时钟端(CLK)电连 接所述电容变化检测模块(10)提供的时钟，D触发器各自的输出端(Q)分别电连接所述并 串转换器(151)的并行数据输入端；所述并串转换器(151)输出数据至所述锁存器(152)；该锁存器(152)的锁存指令从 所述响应时间检测模块(15)的计时结束输入端(Te)获取，所述锁存器(152)输出的被锁 存数据就是所述响应时间检测模块(15)的输出数据。
全文摘要
一种以电信号变化时间为检测对象的电容变化检测模块，用于检测互电容触摸屏发生的触碰动作。尤其是，所述电容变化检测模块包括扫描信号检测电容、恒流充电模块、电容充电控制开关、充电检测模块和响应时间检测模块，以及电连接在检测电容两端的充电反馈模块；所述响应时间检测模块用于将扫描信号检测电容充电达到充电阈值的时间输出至所述电容变化检测模块的输出端。本发明以电信号变化时间为检测对象，不需要在电路进入稳态后才侦测电容变化，令电容变化被尽早侦测到；同时，降低了对触摸屏的走线电阻和电容变化检测模块的建立时间的要求，简化了电路结构，节约了芯片面积。
文档编号G01R27/26GK101847070SQ20101013423
公开日2010年9月29日 申请日期2010年3月23日 优先权日2010年3月23日
发明者刘卫平, 莫良华 申请人:敦泰科技(深圳)有限公司