使用分频多工的电容触控系统及其运作方法与流程
本发明有关一种触控系统，更特别有关一种使用分频多工的电容触控系统及其运作方法。
背景技术：
电容式传感器(capacitivesensor)通常包含一对电极用以感测导体。当所述导体存在时会造成所述对电极间的电荷移转量(chargetransfer)发生改变，因此可根据电压值变化来检测所述导体的存在与否。将多个电极对排列成阵列则可形成感测阵列。
图1a及图1b显示一种已知电容式传感器的示意图，其包含第一电极91、第二电极92、驱动电路93以及检测电路94。所述驱动电路93用以输入驱动信号x至所述第一电极91，所述第一电极91及所述第二电极92间会产生电场以将电荷转移至所述第二电极92，所述检测电路94则可检测所述第二电极92的电荷转移量y。所述电场例如以电容表示。
当导体存在时，例如以等效电路8来表示，所述导体会扰乱所述第一电极91及所述第二电极92间的电场而降低电荷移转量y'，所述检测电路94则可检测到电压值变化，并据以判断所述导体的存在。
由于电容式传感器常应用于各式其他电子装置，例如液晶显示器(lcd)，因而所述检测电路94所检测到电压值变化会受到所述电子装置的噪声干扰而影响检测精确度。
有鉴于此，有需要提出一种方案，以解决上述问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种电容触控系统及其运作方法，其于每一输入通道输入具有多个驱动频率的混和信号，可达到降低噪声干扰、降低耗能并减少检测时间的目的；其中，所述混和信号例如以分频多工或正交分频多工调变驱动信号而成。
本发明提供一种电容触控系统，包含驱动电路、电容感测阵列、编码模块、调变模块、检测电路以及解码模块。所述驱动电路用以输出驱动信号。所述电容感测阵列包含行列式地排列的多个感测单元。所述编码模块相对每列的所述多个感测单元对所述驱动信号进行编码，以输出多个编码后驱动信号。所述调变模块对所述多个编码后驱动信号进行分频多工调变，以并行地输出多个编码及调变后驱动信号至每列的所述多个感测单元，其中，所述多个编码及调变后驱动信号的每一个包含多个驱动频率。所述检测电路耦接所述电容感测阵列，用以根据每行的所述多个感测单元的检测信号相对所述多个驱动频率的每一个分别产生检测矩阵。所述解码模块解码所述多个检测矩阵，以相对所述多个感测单元的每一个输出多个二维检测向量，其中，所述多个感测单元的每一个相关的所述多个二维检测向量分别对应所述多个驱动频率。
本发明还提供一种电容触控系统，包含驱动电路、电容感测阵列、调变模块以及检测电路。所述驱动电路用以输出驱动信号。所述电容感测阵列包含行列式地排列的多个感测单元。所述调变模块对所述驱动信号进行分频多工调变，以分别输出调变后驱动信号至每列的所述多个感测单元，其中，所述调变后驱动信号包含多个驱动频率。所述检测电路耦接所述电容感测阵列，用以根据每行的所述多个感测单元的检测信号相对所述多个驱动频率的每一个分别产生二维检测向量。
本发明还提供一种电容触控系统的运作方法。所述电容触控系统包含电容感测阵列，所述电容感测阵列包含多个驱动电极及多个接收电极。所述运作方法包含：于所述电容感测阵列的帧期间的多个驱动时段的所述多个驱动时段的每一个并行地对所述多个驱动电极输入编码及调变后驱动信号，其中，所述编码及调变后驱动信号以分频多工进行调变以包含多个驱动频率；于所述帧期间内依序检测所述电容感测阵列的所述多个接收电极，以相对所述多个接收电极的每一个产生多个检测矩阵，其中，所述多个接收电极的每一个相关的所述多个检测矩阵分别相对所述多个驱动频率；以及解码所述多个检测矩阵以相对所述多个接收电极的每一个的所述多个驱动频率的每一个产生多个二维检测向量。
本发明还提供一种电容触控系统，包含驱动电路、电容感测装置、调变模块以及检测电路。所述驱动电路用以输出驱动信号。所述电容感测装置包含至少一感测单元。所述调变模块用以对所述驱动信号进行分频多工调变，以输出调变后驱动信号至所述至少一感测单元，其中，所述调变后驱动信号包含多个驱动频率。所述检测电路耦接所述电容感测装置，用以根据所述至少一感测单元的检测信号相对所述多个驱动频率的每一个分别产生二维检测向量。
为了让本发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，于本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示，于此先述明。
附图说明
图1a～1b为已知电容式传感器的方块示意图；
图2为本发明实施例的电容触控感测装置的方块示意图；
图3a～3b为本发明某些实施例的电容触控感测装置的方块示意图；
图4为根据本发明实施例的向量范数与阈值的示意图；
图5为本发明实施例的电容触控系统的示意图；
图6显示本发明第一实施例的并行驱动电容触控系统的各驱动时段中各通道的驱动信号的示意图；
图7显示本发明第一实施例的并行驱动电容触控系统的示意图；
图8为本发明第二实施例的电容触控系统的驱动端的方块示意图；
图9为本发明第二实施例的电容触控系统的检测端的方块示意图；
图10为根据本发明实施例的调变后驱动信号的示意图；
图11为本发明第二实施例的电容触控系统的运作方法的流程图。
附图标记说明
10、1011～10nm感测单元
101、91第一电极
102、92第二电极
103耦合电容
11时序控制器
12、121～12n、22驱动电路
13、94、23检测电路
130多工器
131、131'混合器
132、132'积分器
133、133'模拟数字转换单元
134、134'降频单元
14、24处理单元
2电容触控系统
200电容感测阵列
25、251～25n编码模块
26调变模块
27、251～25n解码模块
2t驱动端
2r检测端
2af模拟前端
2am多工器
2db数字后端
93驱动电路
8导体
x(t)驱动信号
xc(t)调变后驱动信号
x1(tk)～xn(tk)、x1～xn编码及调变后驱动信号
y(t)检测信号
y1(t)、y2(t)调变后检测信号
sw1～swm、swn开关组件
mx1、mx2混和信号
md、md_f1～md_fn检测矩阵
i、q检测向量的分量
d1～dn驱动电极
s1～sn接收电极。
具体实施方式
请参照图2所示，其为本发明实施例的电容触控感测装置的方块示意图。本实施例的电容触控感测装置包含感测单元10、驱动电路12、检测电路13以及处理单元14。所述电容触控感测装置通过判断所述感测单元10的电荷变化以检测对象(例如，但不限于，手指、水滴或金属等)是否接近所述感测单元10。检测所述对象是否靠近所述感测单元10的方法已为已知，并不限于上述方法。
所述感测单元10包含第一电极101(例如驱动电极)及第二电极102(例如接收电极)，当电压信号输入至所述第一电极101时，所述第一电极101与所述第二电极102间产生电场并形成耦合电容103。所述第一电极101与所述第二电极102可适当配置而并无特定限制，只要能形成所述耦合电容103即可(例如通过其间的介电层)；其中，所述第一电极101与所述第二电极102间产生电场及耦合电容103的原理已为已知，故于此不再赘述。
所述驱动电路12例如为信号产生器，其可发出驱动信号x(t)至所述感测单元10的第一电极101。所述驱动信号x(t)可为时变信号，例如周期信号。其他实施例中，所述驱动信号x(t)也可为脉冲信号，例如方波、三角波等，但并不以此为限。所述驱动信号x(t)通过所述耦合电容103可耦合检测信号y(t)至所述感测单元10的第二电极102。
所述检测电路13耦接所述感测单元10的第二电极102以接收所述检测信号y(t)，并利用两混合信号分别调变(或混合)所述检测信号y(t)并产生一对调变后检测信号。所述一对调变后检测信号经过积分、降频及/或滤波后用以作为二维检测向量(i,q)的两分量。所述两混合信号例如为彼此正交或非正交的连续信号或向量。一实施例中，所述两混合信号包含正弦信号及余弦信号。
所述处理单元14用以计算所述一对调变后检测信号的大小(scale)以作为所述二维检测向量(i,q)的向量范数(normofvector)，并比较所述向量范数与至少一阈值th以判断碰触事件(touchevent)。一实施例中，所述处理单元14可利用软件的方式计算出所述向量范数
图4中，当没有任何对象接近所述感测单元10时，假设所述处理单元14计算出的所述向量范数为r；当对象接近所述感测单元10时，所述向量范数减少为r'。当所述向量范数r'小于阈值th时，所述处理单元14则可判定对象位于所述感测单元10附近并造成碰触事件。必须说明的是，当其他对象，例如金属，接近所述感测单元10时，也有可能导致所述向量范数r增加，因此所述处理单元14也可在所述向量范数超过另一预设阈值时判定为碰触事件。某些实施例中，所述处理单元14通过比较所述向量范数的变化量(例如图4的向量范数r'相较于向量范数r的差值)与变化阈值以判定碰触事件，而非比较向量范数的数值与预设阈值。
图3a及3b为本发明某些实施例的电容触控感测装置的示意图，其分别显示检测电路13的不同实施方式。
图3a中，所述检测电路13包含模拟数字转换单元(adc)133、两混合器131及131'及两积分器132及132'，用以处理检测信号y(t)以产生二维检测向量(i,q)。所述模拟数字转换单元133用以将所述检测信号y(t)转换为数字检测信号yd(t)。所述两混合器131及131'用以分别将两混合信号，例如此时显示为
由于所述两数字分量i、q为所述一对调变后检测信号y1(t)及y2(t)的累积值，本发明中，所述一对调变后检测信号y1(t)及y2(t)有时直接称为二维检测向量的两数字分量。由于所述数字检测信号yd(t)为所述检测信号y(t)的数字值，本发明中，所述数字检测信号yd(t)有时直接称为检测信号y(t)。
图3b中，所述检测电路13包含模拟数字转换单元133、混合器131及积分器132，而两混合信号mx1及mx2经过多工器130依序输入所述混合器131以与所述数字检测信号yd(t)进行调变来产生两调变后检测信号y1(t)及y2(t)。此外，所述模拟数字转换单元133、所述混合器131及所述积分器132的功能与图3a类似，故于此不再赘述。
本实施例的电容触控感测装置的检测方法包含步骤：提供驱动信号至一感测单元的第一电极；以两混合信号分别调变所述驱动信号通过耦合电容耦合至第二电极的检测信号以产生一对调变后检测信号；以及计算所述一对调变后检测信号的大小并据以判断碰触事件。
例如参照图3a或3b所示，所述驱动电路12输入驱动信号x(t)至所述感测单元10的第一电极101后，所述驱动信号x(t)通过所述耦合电容103耦合检测信号y(t)至所述感测单元10的第二电极102。接着，所述检测电路13以两混合信号mx1及mx2分别调变(或混和)所述检测信号y(t)以产生一对调变后检测信号y1(t)及y2(t)。所述处理单元14计算所述一对调变后检测信号y1(t)及y2(t)的大小并据以判断碰触事件；其中，计算所述一对调变后检测信号y1(t)及y2(t)的大小以及比较所述一对调变后检测信号y1(t)及y2(t)的大小与至少一阈值的方式例如可参照图4及其相关说明。此外，在计算所述一对调变后检测信号y1(t)及y2(t)的大小前，可利用所述积分器132及/或132'累积所述一对调变后检测信号y1(t)及y2(t)，以作为所述二维检测向量(i,q)的两数字分量i、q。
请参照图5所示，其为本发明实施例的电容触控系统的示意图，也即多个电容触控感测装置可形成电容触控系统。阵列排列的多个感测单元10形成电容感测阵列，其可用作为触控面板(touchpanel)。每一列感测单元10分别由驱动电路121～12n驱动且所述检测电路13例如通过多个开关组件sw1～swm或多工器(mux)检测每一行感测单元10的输出信号y(t)。图5中，驱动电路121用以驱动第一列感测单元1011～101m；驱动电路122用以驱动第二列感测单元1021～102m；…；驱动电路12n用以驱动第n列感测单元10n1～10nm；其中，n及m为正整数且其数值根据电容感测阵列的尺寸及分辨率决定，并无特定限制。
本实施例中，每一感测单元10(此处以圆圈表示1011～10nm)均包含第一电极及第二电极用以形成耦合电容，如图2、3a及3b所示。所述多个驱动电路121～12n分别耦接至一列感测单元10的第一电极。例如时序控制器11用以控制所述多个驱动电路121～12n分别输出驱动信号x(t)至所述多个感测单元10的第一电极。所述多个驱动电路121～12n可依序或并行驱动感测单元1011～10nm。可以了解的是，图5中的所述多个驱动电路121～12n可与所述时序控制器11形成单一驱动电路。
所述检测电路13通过多个开关组件sw1～swm或多工器分别耦接一行感测单元10的第二电极，用以依序检测所述驱动信号x(t)通过所述多个感测单元10的耦合电容耦合至所述第二电极的检测信号y(t)，并利用两混合信号分别调变所述检测信号y(t)以产生一对调变后检测信号；其中，产生所述一对调变后检测信号的方式已详述于图3a及3b及其相关说明，故于此不赘述。
所述处理单元14则根据所述一对调变后检测信号判断碰触事件及碰触位置。如前所述，所述处理单元14可计算所述一对调变后检测信号(例如i、q)所形成的二维检测向量的向量范数，并比较所述向量范数与至少一阈值th以判定所述碰触，如图4所示。
在依序驱动的实施例中，当所述时序控制器11控制所述驱动电路121输出所述驱动信号x(t)至第一列感测单元1011～101m时，所述多个开关组件sw1～swm则依序被开启以使所述检测电路13能够依序检测第一列感测单元1011～101m的每一个感测单元所输出的检测信号y(t)，相对每一个感测单元的检测例如参照图3a及3b。接着，所述时序控制器11依序控制其他驱动电路122～12n输出所述驱动信号x(t)至每一列感测单元。当所述检测电路13检测过所有感测单元1011～10nm后，则完成一个扫描周期(scanperiod)或称帧期间(frameperiod)。所述处理单元14则将扫描周期中发生所述碰触事件的感测单元的位置判定为碰触位置。可以了解的是，所述碰触位置可能不只发生于单一感测单元10，所述处理单元14可将多个感测单元10的位置均视作碰触位置，或将多个感测单元10其中的一者(例如中心或重心)的位置视作碰触位置。
某些实施例中，为了节省图5中电容触控系统的耗能，所述时序控制器11可控制所述多个驱动电路121～12n的至少一部份(大于1个驱动电路)同时输出所述驱动信号x(t)至相对应列的感测单元。所述检测电路13则以不同的两混和信号mx1、mx2分别调变相对不同行的检测信号y(t)。除此之外，判断碰触事件及碰触位置的方式则类似图5，故于此不再赘述。例如，不同组的混和信号mx1、mx2可预先储存于非挥发内存中。
所述检测电路13可还包含滤波器及/或放大器等组件，以增加信号质量。此外，所述处理单元14也可与所述检测电路13合并为单一组件，且其功能可利用软件及/或硬件的方式实现。
信号传输过程中信号在线的电容所造成的相位差可通过计算二维检测向量的向量范数(normofvector)被忽略；换句话说，如果各通道的驱动信号x(t)间存在相位差，即可以通过计算二维检测向量的向量范数被忽略。因此，并行驱动的实施例中，可利用彼此具相位差的多个驱动信号在相同驱动时段(drivetimeslot)并行驱动(concurrentdrive)不同输入通道(channel)，并在检测端通过计算各输出通道的二维检测向量的向量范数来判定碰触事件及/或碰触位置。此外，于不同输入通道的驱动信号x(t)实施相位偏移可有效利用模拟数字转换器的动态范围；其中，所述相位偏移例如可选择使用随机相位偏移(randomphaseoffset)或制定相位偏移(formulatedphaseoffset)实现，但并不以此为限。
请参照图7所示，其显示本发明第一实施例的并行驱动电容触控系统的示意图。所述电容触控系统2包含驱动端2t、电容感测阵列200以及检测端2r；其中，所述电容感测阵列200具有多个输入通道及多个输出通道。例如，所述电容感测阵列200包含多个感测单元(例如2011～20nn)行列式地排列，此处所述输入通道例如指所述驱动端2t驱动的感测单元列(或行)而所述输出通道例如指所述检测端2r检测的感测单元行(或列)。
所述驱动端2t用以于所述电容感测阵列200的扫描周期(或称帧期间)的多个驱动时段的所述多个驱动时段的每一个并行地对多个输入通道(或驱动电极d1～dn)输入编码及调变后驱动信号。所述检测端2r于所述帧期间内依序耦接所述电容感测阵列200的多个输出通道(或接收电极s1～sn)，并解码检测所述多个输出通道所求得的多个检测矩阵md以相对每一感测单元产生二维检测向量，并计算所述多个二维检测向量的向量范数；其中，所述多个检测矩阵md的每一矩阵元素(matrixelement)是所述多个驱动时段的每一个中求得的相对一个接收电极的检测信号，所述检测矩阵md例如为维矩阵。所述多个检测矩阵md的矩阵元素的产生方式例如参照图3a及3b。例如，所述检测端2r利用两混和信号mx1、mx2调变所述多个接收电极s1～sn的多个检测信号y(t)以分别产生一对调变后检测信号y1(t)、y2(t)，并以积分器累积所述一对调变后检测信号y1(t)、y2(t)以相对每对调变后检测信号y1(t)、y2(t)分别产生所述多个检测矩阵md的矩阵元素。所述帧期间的所有驱动时段相关的矩阵元素则形成所述检测矩阵md。
此外，所述检测端2r还比较所述向量范数与至少一阈值以判断碰触事件及/或碰触位置(如图4)。一实施例中，所述多个驱动时段的数目等于所述多个输入通道(或所述多个驱动电极d1～dn)的数目。
本实施例中，所述编码及调变后驱动信号可使用哈达马矩阵(hadamardmatrix)进行编码，也即，所述驱动端2t使用哈达马矩阵相对每一输入通道对驱动信号x(t)进行编码。所述检测端2r则使用所述哈达马矩阵的反哈达马矩阵解码所述检测矩阵md。所述编码及调变后驱动信号可仅进行相位调变，或同时进行相位及振幅调变，例如可使用正交振幅调变(qam)来实现。
一实施例中，所述电容触控系统2包含驱动电路22、编码模块25、调变模块26、所述电容感测阵列200、检测电路23、解码模块27以及处理单元24。一实施例中，所述驱动电路22、所述编码模块25及所述调变模块26共同组成所述驱动端2t；所述检测电路23、所述解码模块27及所述处理单元24共同组成所述检测端2r；其中，所述检测端2r还包含模拟前端。可以了解的是，所述驱动端2t及所述检测端2r同步运作。
另一实施例中，所述编码模块25及所述调变模块26可组合成单一编码调变模块；所述解码模块27也可包含于所述处理单元24或所述检测电路23内。
所述驱动电路22输出驱动信号x(t)至所述编码模块25，例如x(t)＝vd×exp(jwt)；其中，vd为驱动电压值、w为驱动频率而t为时间。如前所述，所述驱动信号x(t)并不限于连续信号。
所述编码模块25相对每列感测单元(或每一驱动电极d1～dn)对所述驱动信号x(t)进行编码，以输出多个编码后驱动信号xc(t)。如前所述，所述编码模块25可使用编码矩阵，例如哈达马矩阵对所述多个驱动信号x(t)进行编码。可以了解的是，只要是能够使各输入通道的信号通过编码进行区别，也可使用其他编码矩阵。此外，所述编码矩阵的尺寸可根据输入通道数而定。
所述调变模块26相对每列感测单元(或每一驱动电极d1～dn)对所述多个编码后驱动信号xc(t)进行相位调变，以并行地输出多个编码及调变后驱动信号至每列感测单元；所述相位调变使输入至不同列感测单元(或不同驱动电极d1～dn)的所述多个编码及调变后驱动信号彼此间具有相位差；藉此，可抑制所述检测端2r中的模拟数字转换单元(adc)的输入电压(如图3a及3b)，以避免超出模拟数字转换单元的动态范围。其他实施例中，也可对编码后驱动信号xc(t)同时进行振幅及相位调变，例如使用正交振幅调变。例如图7中，所述调变模块26输出编码及调变后驱动信号x1(tk)至第一输入通道、编码及调变后驱动信号x2(tk)至第二输入通道…以及编码及调变后驱动信号xn(tk)至第n输入通道；其中，k表示扫描周期的各驱动时段且x1(tk)～xn(tk)例如可参照图6所示。
编码矩阵例如可利用式(1)所示的矩阵表示且各矩阵元素可以ars表示，其中，各矩阵元素ars的下标r相对于各驱动时段(例如k1～kn)而各矩阵元素ars的下标s相对于各输入通道，
调变模块26的运作可利用数学式(2)所示的对角矩阵(diagonalmatrix)表示，其中，x1～xn为多个(complexnumber)且较佳彼此间具有相位差。x1～xn系用以分别对不同输入通道进行相位调变。当使用正交振幅调变(qam)作为调变机制时，x1～xn彼此间具有振幅差以及相位差；其中，各矩阵元素x1～xn的下标相对于各输入通道。
请同时参照图6及7所示，根据式(1)及式(2)，所述调变模块26例如于第一时段k＝1同时输出驱动信号x(t)a11x1至第一输入通道(或驱动电极d1)、驱动信号x(t)a12x2至第二输入通道(或驱动电极d2)…以及驱动信号x(t)a1nxn至第n输入通道(或驱动电极dn)；所述调变模块26于第二时段k＝2同时输出驱动信号x(t)a21x1至第一输入通道、驱动信号x(t)a22x2至第二输入通道…以及驱动信号x(t)a2nxn至第n输入通道；…所述调变模块26于第n时段k＝n同时输出驱动信号x(t)an1x1至第一输入通道、驱动信号x(t)an2x2至第二输入通道…以及驱动信号x(t)annxn至第n输入通道。当所有时段k＝1～k＝n的编码及调变后驱动信号x1(tk)～xn(tk)输入至所述电容感测阵列200后，则完成一个驱动帧的动作。本实施例中，所述多个时段k1～kn在时间轴上可为连续或相隔预设时间区间。
如前所述，所述电容感测阵列200包含第一列感测单元2011～201n、第二列感测单元2021～202n…以及第n列感测单元20n1～20nn(即输入通道1～n)。所述多个编码及调变后驱动信号x(t)a11x1、x(t)a12x2～x(t)a1nxn于第一时段k＝1时分别输入至第一列感测单元2011～201n、第二列感测单元2021～202n…以及第n列感测单元20n1～20nn。其他时段k＝2～k＝n输入至每列感测单元的编码及调变后驱动信号也显示于图6。此外，所述电容感测阵列200中的信号线路相对于不同通道的驱动信号具有不同的电抗，其例如可以维矩阵[y1y2…yn]t数学地表示所述电容感测阵列200的电抗矩阵。在扫描周期内，当所述电容感测阵列200未被碰触时，所述电抗矩阵大致维持不变；而当发生碰触事件时，所述电抗矩阵的至少一个矩阵元素发生变化，因而改变所述检测信号y(t)。
如图7所示，所述电容感测阵列200的每行感测单元分别通过开关组件sw1～swn或多工器耦接至所述检测电路23。于扫描周期的每一驱动时段k1～kn内，所述多个开关组件sw1～swn依序耦接相对应的行感测单元至所述检测电路23，以使所述检测电路23耦接所述电容感测阵列200，并根据每行感测单元的检测信号y(t)相对每行感测单元分别产生检测矩阵md。例如图7显示开关组件sw2将所述电容感测阵列200的第二行感测单元耦接至所述检测电路23以产生相对所述接收电极s2的检测矩阵md。
所述检测矩阵md的每一矩阵元素(i1+jq1)～(in+jqn)的产生方式例如参照图3a及3b。例如，所述检测电路23利用两混和信号mx1及mx2调变每一驱动时段k1～kn的检测信号y(t)以分别产生一对调变后检测信号y1(t)、y2(t)，并以积分器(例如132,132')累积相对每一驱动时段k1～kn的所述一对调变后检测信号y1(t)、y2(t)以产生所述检测矩阵md的矩阵元素。更详言之，每一驱动时段k1～kn，所述检测电路23相对输出通道均分别产生检测信号、一对调变后检测信号及矩阵元素，所述多个驱动时段k1～kn的矩阵元素则形成所述检测矩阵md。
因此，扫描周期完成(即一张帧)后，从所述电容感测阵列200的每行感测单元所输出的检测信号y(t)则可以数学地表示成式(3)所示的x(t)×[编码矩阵]×[调变矩阵]×[电抗矩阵]；其中，编码矩阵的矩阵元素由所使用的编码方式而定；调变矩阵的矩阵元素由调变机制而定而电抗矩阵的矩阵元素则由电容感测阵列200决定。如前所述，所述检测电路23包含至少一积分器(例如图3a、3b所示)，用以根据所述检测信号y(t)求得二维检测向量(i+jq)的两数字分量，例如(i1,q1)～(in,qn)。
因此，所述检测电路23在扫描周期完成后所输出的相对每行感测单元的检测向量可以检测矩阵md＝[(i1+jq1)(i2+jq2)…(in+jqn)]t表示；其中，(i1+jq1)为根据一行(例如第二行)感测单元于第一驱动时段k＝1的检测信号y(t)所求得的检测向量，由于编码及调变后驱动信号x1(tk)～xn(tk)于所述第一驱动时段k＝1内分别输入各输入通道，因此所述检测向量(i1+jq1)为包含了第一驱动时段k＝1内所有输入通道相关的检测信号的迭加(superposition)，而为迭加检测向量。同理，(i2+jq2)为根据一行感测单元于第二驱动时段k＝2的检测信号y(t)所求得的检测向量且为第二驱动时段k＝2内所有输入通道相关的检测信号的迭加检测向量；…；in+jqn为根据一行感测单元于第n驱动时段k＝n的检测信号y(t)所求得的检测向量且为第n驱动时段k＝n内所有输入通道相关的检测信号的迭加检测向量。更详言之，所述检测矩阵md的每一矩阵元素(i1+jq1)～(in+jqn)均为迭加检测向量。
为了去耦合(decoupling)各输入通道相关的检测信号的迭加检测向量，所述检测电路23将所述检测矩阵md传送至所述解码模块27以进行解码，以相对所述多个感测单元的每一个(例如2011～20nn)分别产生二维检测向量。例如，所述解码模块27输出一行(例如第二行)感测单元中每一输入通道(即感测单元)相关的二维检测向量，如式(4)所示；其中，相对第二行感测单元的输入通道1的二维检测向量表示为(i12+jq12)、输入通道2的二维检测向量表示为(i22+jq22)…以及输入通道n的二维检测向量表示为(in2+jqn2)；其中，i及q为二维检测向量的两数字分量，(i12+jq12)～(in2+jqn2)则为去耦合二维检测向量。图7中，扫描周期完成后，所述解码模块27可相对每一行感测单元(或每一接收电极)输出一组二维检测向量(i+jq)，也即此时为n组去耦合二维检测向量[(i1+jq1)(i2+jq2)…(in+jqn)]t，且每一二维检测向量对应一个感测单元。所述解码模块27使用所述编码矩阵的反矩阵来对迭加检测向量(即所述多个检测矩阵)解码以去耦合迭加检测向量；例如，哈达马矩阵的反矩阵。
最后，所述处理单元24可计算每一个二维检测向量，例如(i11+jq11)～(inn+jqnn)，的向量范数，并将求得的所述向量范数与至少一阈值th进行比较以确认碰触，如图4所示。
藉此，在一个扫描周期完成后，所述处理单元24则可根据n×n个向量范数与阈值th的比较结果判断所述电容感测阵列200的碰触事件及/或碰触位置；其中，n表示阵列尺寸。
此外，当本实施例中所述驱动信号x(t)还实施振幅调变时，所述处理单元24可还包含自动准位控制(alc)来消除振幅偏移。例如，所述处理单元24内(或另行设置内存)可事先储存有所述电容感测阵列200未被触压时所述自动准位控制的控制参数，其使各感测单元的检测结果大致相同。藉此，当发生碰触时，则可更精确的判定碰触事件。
此外，如前所述，所述多个感测单元的每一个(2011～20nn)包含第一电极101及第二电极102用以形成耦合电容103(如图2、3a及3b)。所述编码及调变后驱动信号x1(tk)～xn(tk)耦合至所述第一电极101；所述检测电路23耦接所述第二电极102，用以检测所述编码及调变后驱动信号x1(tk)～xn(tk)通过所述耦合电容103耦合至所述第二电极102的检测信号y(t)。
请参照图8及9所示，图8为本发明第二实施例的电容触控系统的输入端2t的方块示意图而图9为本发明第二实施例的电容触控系统的检测端2r的方块示意图。本实施例的电容触控系统同样包含电容感测阵列200、驱动端2t及检测端2r，其与图7的主要差异在于，所述调变模块26还可产生包含多个驱动频率的驱动信号以驱动所述电容感测阵列200。此外，所述调变模块26仍可如同上述第一实施例相对每列的所述多个感测单元对所述多个编码后驱动信号xc(t)进行相位调变，以使得相对不同列感测单元的所述多个编码及调变后驱动信号间具有相位差，以增加动态检测范围。
所述电容感测阵列200同样包含多个驱动电极d1～dn及多个接收电极s1～sn，以形成多个感测单元2011～20nn行列式地排列，如图7所示。图8中，所述编码模块25显示为包含编码器251～25n用以分别对所述驱动电路22输出的驱动信号x(t)进行编码，然其仅用以说明而非用以限定本发明。所述编码模块25用以相对每列的所述多个感测单元对所述驱动信号x(t)进行编码，以输出多个编码后驱动信号xc(t)，其编码的方式已说明于前，故于此不再赘述。
本实施例中，所述调变模块26对所述多个编码后驱动信号xc(t)进行分频多工(fdm)调变，以并行地输出多个编码及调变后驱动信号x1～xn至每列的所述多个感测单元(或驱动电极d1～dn)，其中，所述多个编码及调变后驱动信号的每一个x1～xn包含多个驱动频率f1～fn。所述调变模块26可利用传统分频多工或正交分频多工(ofdm)对所述多个编码后驱动信号xc(t)进行调变，如图10所示。例如，图8显示利用多个驱动频率f1～fn调变所述驱动信号xc(t)并进行信号混和以产生所述多个编码及调变后驱动信号x1～xn。某些实施例中，所述多个驱动频率f1～fn间的频率差为50～150khz，但并不以此为限。所述多个驱动频率f1～fn的数目并无特定限制，可根据所述频率差及可驱动频率范围而定。
图9中，所述检测端2r包含模拟前端2af、多工器2am以及数字后端2db。所述模拟前端2af例如用以将电流信号转换为电压信号并以模拟滤波器对电压信号滤波以增加信噪比，并输出检测信号y(t)。换句话说，本实施例中，检测信号y(t)为电压信号。所述多工器2am例如用以将不同接收电极s1～sn的检测信号y(t)耦接至模拟数字转换单元133进行数字化；其中，所述多工器2am的功用如同图7的多个开关组件sw1～swn。某些实施例中，所述模拟数字转换单元133利用过取样(oversampling)将所述检测信号y(t)数字化以产生数字化检测信号yd(t)。图9中，虽然所述模拟数字转换单元133显示为包含于所述检测电路23内，然其仅用以说明而非限定本发明。所述模拟数字转换单元133耦接于所述电容感测阵列200与所述检测电路23间即可。
所述检测电路23电性耦接所述电容感测阵列200，用以根据每行的所述多个感测单元的检测信号y(t)相对所述多个驱动频率的每一个f1～fn分别产生检测矩阵md。例如，相对每一接收电极s1～sn，所述检测电路23相对所述驱动频率f1产生检测矩阵md_f1＝[i1_f1+jq1_f1…in_f1+jqn_f1]t；相对所述驱动频率f2产生检测矩阵md_f2＝[i1_f2+jq1_f2…in_f2+jqn_f2]t；…以及相对所述驱动频率fn产生检测矩阵md_fn＝[i1_fn+jq1_fn…in_fn+jqn_fn]t。某些实施例中，所述检测电路23最多可包含2n个混和器131、131'及n个带通滤波器，其中n为驱动频率f1～fn的数目。可以了解的是，当不同时使用所有动频率f1～fn时，n的有效数目可不固定。
如前所述，一对混和器131、131'利用两混和信号mx1、mx2调变检测信号，例如数字检测信号yd(t)，以产生一对调变后检测信号y1(t)、y2(t)。所述多个带通滤波器用以滤波所述一对调变后检测信号y1(t)、y2(t)以相对所述多个驱动频率的每一个f1～fn分别产生检测矩阵md的各矩阵元素。
如前所述，若为并行驱动模式，所述检测矩阵md的各矩阵元素为迭加检测向量，而需要经过解码模块27进行去耦合。若非并行驱动模式，所述检测矩阵md的各矩阵元素即为相对应各感测单元的二维检测向量。
更详言之，由于图7中每一列感测单元的驱动信号x1(tk)～xn(tk)包含单一频率，所以相对每一行感测单元(或接收电极s1～sn)只产生单一检测矩阵md。图9中，由于每一列感测单元的驱动信号x1～xn包含多个驱动频率f1～fn的混和信号，所述检测电路23相对每一行感测单元(或接收电极s1～sn)的每一驱动频率f1～fn分别产生一个检测矩阵md。藉此，当某些频率受到噪声干扰时，后续碰触判断可直接选用信号质量较佳的驱动频率f1～fn，而无须再利用跳频程序依序驱动所述电容感测阵列200以选择适当驱动频率。某些实施例中，当所述模拟数字转换单元133以过取样来取样检测信号y(t)时，所述检测电路23还包含降频单元134、134'以对所述一对调变后检测信号y1(t)、y2(t)进行降频处理，其降频的比例则根据所述过取样的倍数决定。
所述解码模块27解码所述多个检测矩阵md_f1～md_fn，以相对所述多个感测单元的每一个(例如图7的2011～20nn)输出多个二维检测向量，其中，所述多个感测单元的每一个相关的多个二维检测向量分别相对所述多个驱动频率f1～fn。更详言之，所述解码模块27可相对所述感测单元2011求出多个二维检测向量i11+iq11，且每一个二维检测向量i11+iq11相对一个驱动频率f1～fn。同理，所述解码模块27可相对所述多个感测单元2012～20nn分别求出多个二维检测向量i12+iq12～inn+iqnn。藉此，所述处理单元24可相对每一驱动频率f1～fn分别计算n×n个二维检测向量的向量范数，也即，n×n×n个向量范数。
更详言之，上述第一实施例中，所述驱动端2t驱动每一输入通道的驱动信号大致包含单一驱动频率，故所述检测端2r在每一帧期间相对每一感测单元产生一个二维检测向量及其向量范数。第二实施例中，所述驱动端2t驱动每一输入通道的驱动信号包含多个驱动频率，故所述检测端2r在每一帧期间相对每一感测单元产生多个二维检测向量及向量范数，其分别对应所述多个驱动频率f1～fn。第二实施例中产生每一二维检测向量及向量范数的方式类似第一实施例，惟第二实施例中还包含了混和及抽出不同驱动频率信号的步骤。
必须说明的是，本实施例中所述单一驱动频率指所述驱动端2r与所述检测端2t间所默认的操作频率，由于某些因素，驱动信号因受到噪声干扰可能存在其他频率的信号，而本发明中，所谓驱动频率并不包含噪声频率。
请参照图11所示，其为本发明第二实施例的电容触控系统的运作方法的流程图，包含下列步骤：于所述电容感测阵列200的一帧期间的多个驱动时段的所述多个驱动时段的每一个并行地对所述多个驱动电极d1～dn输入编码及调变后驱动信号x1～xn，其中，所述多个编码及调变后驱动信号x1～xn以分频多工(fdm)进行调变以包含多个驱动频率f1～fn(步骤s31)；于所述帧期间内依序检测所述电容感测阵列200的所述多个接收电极s1～sn，以相对所述多个接收电极的每一个s1～sn产生多个检测矩阵md，其中，所述多个接收电极的每一个s1～sn相关的所述多个检测矩阵md分别相对所述多个驱动频率f1～fn(步骤s32)；以及解码所述多个检测矩阵md以相对所述多个接收电极的每一个s1～sn的所述多个驱动频率的每一个f1～fn产生多个二维检测向量(步骤s33)。本运作方法已详述于前，例如步骤s31由所述驱动端2t所执行，而步骤s32～s33由所述检测端2r所执行，故于此不再赘述。
如前所述，所述检测端2r利用两混和信号mx1及mx2调变检测所述多个接收电极s1～sn的多个检测信号y(t)以分别产生一对调变后检测信号y1(t)、y2(t)。所述检测端2r并利用数字滤波器(例如带通滤波器)滤波所述一对调变后检测信号y1(t)、y2(t)以相对所述多个驱动频率f1～fn分别产生所述多个检测矩阵md_f1～md_fn，如图9所示。如前所述，于解码前，可先对所述检测矩阵的矩阵元素进行积分(或累积)。
某些实施例中，所述检测端2r还利用降频单元134、134'对所述一对调变后检测信号y1(t)、y2(t)进行降频处理，其降频的比例端视所述模拟数字转换单元133的过取样倍数而定。
最后，所述检测端2r计算相对每一感测单元(例如图7的2011～20nn)的多个二维检测向量的向量范数；其中，相对每一感测单元2011～20nn的多个二维检测向量的每一个相对一个驱动频率f1～fn。所述检测端2r比较所述多个向量范数与至少一阈值以判定碰触，如图4所示。
藉此，本发明第二实施例的电容触控系统可在一个帧期间即检测多个驱动频率f1～fn的感测结果，以直接选择信号质量较佳的驱动频率的检测结果进行输出，或比对各驱动频率的检测结果以确认碰触情形，而可提升判断精度，降低耗能及检测时间。
必须说明的是，虽然上述实施例仅以互容式触控系统为例进行说明，然而本发明并不以此为限。更详言之，本发明实施例的电容触控系统可适用于互容及自容式电容触控系统，只要于每一输入通道输入同时包含多个驱动频率f1～fn的混和信号即可。检测电路则相对每一感测单元的每一驱动频率f1～fn分别产生二维检测向量。所述处理单元24可相对每一感测单元选择所述多个二维检测向量中信噪比最佳的驱动频率，以达成排除噪声干扰的目的。所述处理单元24也可将每一感测单元相对不同驱动频率的多个二维检测向量进行平均、加总或权值加总，以增加判断精度。
必须说明的是，虽然上述第一及第二实施例以并行驱动为例进行说明，但其仅用以说明而非用以限定本发明。在依序驱动的实施例中，例如所述驱动电路22依序驱动所述多个输入通道(例如驱动电极d1～dn)时，所述编码模块25及解码模块26可不予实施，所述检测端2r即可依序相对每一感测单元1011～10nm的每一驱动频率f1～fn产生二维检测向量，而无须先产生如图7的检测矩阵md后，再经过解码才产生二维检测向量。在依序驱动的实施例中，所述检测端2r仍相对每一感测单元产生多个二维检测向量。
本实施例中，所述驱动电路22依序输入驱动信号x(t)至每列感测单元(或驱动电极d1～dn)而所述检测电路23通过多工器2am(或多个开关组件sw1～swn)依序检测每行感测单元(或接收电极s1～sn)。由于不进行编码，所述调变模块26对所述驱动信号x(t)进行分频多工调变，以分别输出调变后驱动信号x1～xn至每列的所述多个感测单元。同理，本实施例中，所述多个调变后驱动信号的每一个x1～xn包含多个驱动频率f1～fn，如图10所示。
由于不进行解码，所述检测电路23耦接所述电容感测阵列200，用以根据每行的所述多个感测单元的检测信号y(t)相对所述多个驱动频率的每一个f1～fn分别产生二维检测向量。由于所述驱动端2r依序驱动每列的所述多个感测单元且所述检测端2t依序检测每行的所述多个感测单元，因此上述每行的所述多个感测单元的检测信号y(t)相关于一个感测单元的检测结果。因此，所述检测电路23可直接相对每一感测单元输出最多n个(即驱动频率的个数)二维检测向量。
本实施例中，所述检测电路23利用两混和信号mx1、mx2调变所述检测信号y(t)以产生一对调变后检测信号y1(t)、y2(t)，并滤波所述一对调变后检测信号y1(t)、y2(t)以相对所述多个感测单元的每一个的所述多个驱动频率的每一个f1～fn分别产生二维检测向量。如前所述，根据所述模拟数字转换单元133的过取样频率，所述检测电路23还用以对所述一对调变后检测信号y1(t)、y2(t)进行降频处理。
某些实施例中，不同状况下(例如已知某些频率噪声较大)，所述电容触控系统可选择不同的驱动频率进行驱动，并不限定使用所有驱动频率，例如比较相对不同驱动频率的二维检测向量以决定较佳驱动频率或决定不使用驱动频率。
本发明实施例的电容触控系统包含控制芯片及所述电容感测阵列200，其通过驱动电极d1～dn及接收电极s1～sn耦接所述控制芯片。所述控制芯片包含所述驱动端2t及所述检测端2r。换句话说，上述驱动所述电容感测阵列200、接收检测信号y(t)、以两混和信号混和所述检测信号y(t)以产生一对调变后检测信号y1(t)、y2(t)、计算向量范数以及判断碰触均由所述控制芯片所执行。
此外，如前所述，为了增加模拟数字转换器的动态范围，第二实施例中，不同输入通道的驱动信号间仍可具有相位差。换句话说，可组合第一实施例及第二实施例，以使每一输入通道的驱动信号具有多个驱动频率且不同输入通道的驱动信号间具有相位差。
此外，虽然上述实施例中以电容感测阵列200为例进行说明，然而本发明并不以此为限。其他实施例中，本发明的电容触控系统也适用于包含单一感测单元10的电容感测装置(例如图2所示的电容式传感器)。例如，所述电容感测装置用作为开关组件，以控制电子装置的启闭。此外，所述电容感测装置可包含多于一个的感测单元10，且所述多个感测单元10并不一定以阵列排列。当电容感测装置包含阵列排列的多个感测单元10时，则可形成电容感测阵列200。
因此，本实施例中，所述电容感测装置具有输入通道耦接所述驱动电路22以及输出通道耦接所述模拟前端2af及所述数字后端2db。若仅包含单一感测单元10，则无需实施所述多工器2am。
本实施例的电容触控系统包含驱动电路、电容感测装置、调变模块以及检测电路；其中，所述电容感测装置例如包含单一感测单元或多个感测单元，而所述多个感测单元例如可形成单一等效电容(自容或互容)。所述驱动电路用以输出驱动信号；其中，所述驱动信号用以驱动所述单一感测单元或所述单一等效电容。所述电容感测装置包含至少一感测单元。所述调变模块用以对所述驱动信号进行分频多工调变，以输出调变后驱动信号至所述至少一感测单元，其中，所述调变后驱动信号包含多个驱动频率(如图10所示)。所述检测电路耦接所述电容感测装置，用以根据所述至少一感测单元的检测信号相对所述多个驱动频率的每一个分别产生二维检测向量。
本实施例中，电容触控系统的电容感测装置同样用以检测电容变化，以判断是否有对象靠近或接触所述电容感测装置。本实施的运作方式与前述实施例类似，其差别在于所述驱动电路22驱动至少一感测单元而所述检测电路23检测所述至少一感测单元的检测信号y(t)，所述数字后端2db对所述检测信号y(t)的后处理已说明于前，故于此不再赘述。
如上所述，当电容式传感器应用于不同电子装置时，会受到所述电子装置的噪声干扰而降低检测精确度。因此，本发明还提出一种电容触控系统(图7～9)及其运作方法(图11)，其利用分频多工调变驱动信号以于每一输入通道输入具有多个驱动频率的混和信号，藉以克服噪声干扰而提高检测精度，并可降低耗能及缩短检测时间。
虽然本发明已通过前述实例公开，然其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围为准。
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