使用开关电容器模拟信号处理的电容式触摸感测系统技术方案

一种用于电容式触摸面板的电容式触摸感测系统，使用模拟电路来执行电容感测和信号处理。所述系统在几个时间阶段上操作，以对触摸面板的电容传感器进行充电和放电，并确定其电容。所述系统在几个阶段上主动重新配置并重复使用电路部件，以使电路尺寸、复杂性和功耗最小化。通过在一小段模拟电路中执行主要的信号处理功能，结果大大减少了芯片面积。这通过将信号处理功能组合成小型、时间顺序的开关电容器模拟电路来降低成本。

【技术实现步骤摘要】
使用开关电容器模拟信号处理的电容式触摸感测系统
本专利技术涉及电容式触摸感测系统。更具体地，本专利技术涉及使用开关电容器信号处理的电容式触摸感测系统。
技术介绍
电容式触摸传感器通常与诸如液晶显示器(LCD)的显示器组合使用以提供诸如智能电话、平板电脑或其它便携式设备的电子设备的用户界面。LCD可以用于向用户提供文本和图形信息。电容式触摸传感器可以用于感测用户与设备的触摸交互，包括在触摸传感器的表面上感测诸如手指、触笔或其它物体的敲击、滑动和旋转的运动。在其它应用中，触摸传感器单独使用，无需LCD或其它显示器即可接收用户输入。电容式触摸传感器的设计要求包括低成本以及对噪声和其它电气干扰的抗干扰性。电容式触摸传感器一般在具有实质性电气干扰的环境中工作。在诸如智能电话的设备中，相邻的LCD或其它显示器由可能有噪声的信号驱动。设备的其它电路也可能是干扰源。对这种干扰的抗干扰性是一个重要的设计目标。由于智能手机和其它包含电容式触摸传感器的设备通常是具有较低利润率的商品，因此最小化部件成本和组装成本也很重要。随着设备小型化并且变得更加高度集成，在一些情况下，期望将电容式触摸传感器电路与显示驱动器电路集成，所述显示驱动器电路产生驱动LCD或其它显示器所需的信号。传感器和驱动器电路甚至可以集成在相同的集成电路中或相邻集成。因此，触摸传感器将靠近显示像素，并且将从显示器拾取更多的噪声。在高度集成的实施例中，触摸传感器和显示器集成在单个组件中。在这种情况下，触摸传感器将在LCD基板上，远离传感器显示组件的盖玻片，从而远离手指、触笔或其它信号源。因此，当噪声大于常规实施例时，信噪比将相对较小。在这样的系统中，必须增加增益，从而提高灵敏度，以便能够检测传感器电容的小变化。然而由于背景电容大，不可能在常规的触摸感测系统中进行限幅。传统的电容式触摸传感器利用模拟数字技术来感测与触摸传感器的触摸或其它交互。模拟数字输入电路通常采用广泛的数字信号处理技术。这些电路用于执行必要的电容感测和噪声滤波等工艺。然而，这些电路通常需要在一个或多个集成电路上的大的、昂贵的电路块。组件的成本通常与实现所需的集成电路面积成比例。模拟数字组件加上数字信号处理组件的成本可大大增加成品的部件成本和组件成本。其次，如果在数字域中进行信号处理，则模数转换器的任何低于最低有效位的信号都将丢失并且无法恢复。所使用的模数转换器以牺牲硅片面积为代价提高分辨率。因此，需要一种电容式触摸传感器，其提供降低的成本、更高的灵敏度和改进的对噪声和其它电干扰的抗干扰性。
技术实现思路
提出了一种从电容式触摸传感器提供对触摸传感器数据帧的改进扫描的系统和方法。帧表示整个电容式触摸传感器面板的扫描，提供指示电容式触摸传感器面板的触摸的数据(如果有的话)。电容式触摸传感器面板通常包括电容传感器Cx的阵列或矩阵。每个电容式触摸传感器具有一个相关联的通道电路，其具有数量有限的可重复使用的部件。可以通过选择性地重新配置这些部件来重复使用通道电路的部件，以在通道电路的每个操作阶段提供必要的功能。示例性实施例采用连接到多组开关、电容器、运算放大器、比较器和数字计数器的多组n个电容传感器，用于感测相应n个电容传感器的电容变化。由控制电路提供的可选择的开关器件和配置数据用于重新配置和重复使用这些电路部件，以在离散的时间阶段中改变互连这些器件的电路拓扑。这有助于提高部件的使用效率并降低总体电路尺寸和复杂性。每个阶段负责不同的信号处理动作。在各种实施例中，这些阶段包括以下，这可以结合相关联的附图而被最好地理解。阶段0，复位该阶段在每个扫描帧的开始执行一次。它对所有相关联的电容器放电并复位所有相关联的数字计数器。所有积分器都将复位为初始值。阶段1，对未知传感器电容Cx充电该阶段对每个传感电容器Cx充电。监测进入传感器电容Cx的电流，并使用积分电容器C2和C3在连续时间积分器中对进入传感器电容Cx的电流进行积分。阶段2，对未知传感器电容Cx放电该阶段对每个传感电容器Cx放电。监测来自Cx的放电电流并在相同的连续时间积分器中对来自Cx的放电电流进行积分。电流被反相，使得将其增加到阶段1中的积分。因此，进入传感器电容Cx的总电荷的两倍被存储在积分电容器C2和C3上。阶段3，偏移去除和阶段4、5的设置差分积分器中的积分电容器C2和C3与运算放大器断开，然后在反向C3之后进行并联连接。此操作会造成由于输入共模而导致去除C2和C3电压的任何差异。C2和C3上所得到的信号与Cx成比例，并且用于阶段4和5的处理。阶段4，共用以找到平均信号在阶段4中，所有C3电容器上的一半信号电荷并联连接以共用电荷。所有C3电容器上产生的电压以及电荷是所有n个传感器的平均电荷。C5也被充电到Vref以为阶段5做准备。阶段5，初级积分在该阶段中，从每个C2上的信号电荷中减去C3上的平均电荷，使得对于每个感测通道，仅将与均值的偏差用作信号。在此阶段期间，积分器被配置为开关电容积分器，并进行开关电容信号处理。在相同阶段中，根据通常称为Σ-Δ模拟到数字转换的信号处理步骤中的先前比较结果，减去或增加C5上的固定数量的电荷。这又是2N个周期，其中N是Σ-Δ转换器的位数，将剩余的模拟电荷转换成数字信号，其将与传感器电容减去平均电容成比例。第6阶段，比较器在该阶段中，在差分比较器中比较开关电容积分器的输出。如果比较器输出为正，则计数器增加一个计数，值d＝1，否则计数器递减一个计数，值d＝-1。d的值用于控制阶段5中C5电荷的积分符号，以提供Σ-Δ回路的负反馈。比较器输出是Σ-Δ调制的，并且在2N个周期上对来自比较器的正、负输出数求和之后，Σ-Δ回路将模拟信号电荷转换为等效的数字值。附图说明图1是电容感测电路的示例；图2是电容感测电路的示例；图3是常规电容感测电路的示例；图4是模数转换(ADC)电平对比电容的示意图；图5是电容式触摸感测系统的示例框图；图6是简化模拟前端(AFE)电路的框图；图7-11是示出在AFE电路的各种操作模式中操作期间图6的AFE电路的配置的一系列示例性电路图。图12是适用于图6的模拟前端电路的开关矩阵的示例框图；图13是示出适用于图6的模拟前端电路的连续时间积分器的操作的示例电路图；图14是示出适用于图6的模拟前端电路的开关电容积分器的操作的示例电路图；图15是示出图5的电容式触摸感测系统的并行自电容感测操作模式中的阶段定序器的状态图；图16是示出图5的电容式触摸感测系统的并行自电容感测操作模式中的帧定序器的状态图；图17是示出图5的电容式触摸感测系统的并行自电容感测操作模式中的通道定序器的状态图；图18示出了电容式触摸面板中的互电容矩阵；以及图19示出了示例性的Hadamard矩阵。具体实施方式电容式触摸感测系统可以分为两大类，基于自电容的系统和基于互电容的系统。在基于自电容的系统中，测量传感器相对于地面的电容。在基于互电容的系统中，测量一对传感器的电容。这两种类型的系统都可以在诸如智能手机、平板电脑和其它电子设备的设备中应用。在理论上，导电电极的自电容是隔离的电极的电容，使得所有其它导体和带电表面距离无限远。实际上，在空间中不可能有完全隔离的导体。诸如信号线、金属外壳和形成电容传感器基板的叠层的其它相邻导体增加了导体或传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：对电容式触摸面板的多个传感电容器的相应传感电容器进行充电，并且使用相应的感测电阻器感测相应的充电电流；在相应的积分电路中对相应的充电电流进行积分以产生相应的信号电荷；对相应的传感电容器进行放电并且使用所述感测电阻器感测放电电流；对相应的放电电流进行反相，并且在相应的积分电路中对相应的反相后的放电电流进行积分以产生相应的信号电荷；以及将相应的反相后的放电电流的积分结果增加到相应的充电电流的积分结果，以产生信号电荷。

【技术特征摘要】
2016.10.12 US 15/291,5311.一种方法，包括：对电容式触摸面板的多个传感电容器的相应传感电容器进行充电，并且使用相应的感测电阻器感测相应的充电电流；在相应的积分电路中对相应的充电电流进行积分以产生相应的信号电荷；对相应的传感电容器进行放电并且使用所述感测电阻器感测放电电流；对相应的放电电流进行反相，并且在相应的积分电路中对相应的反相后的放电电流进行积分以产生相应的信号电荷；以及将相应的反相后的放电电流的积分结果增加到相应的充电电流的积分结果，以产生信号电荷。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述信号电荷分解为存储在两个电容器上的两个半信号电荷；通过共用存储有一半信号电荷的两个电容器中的一个电容器以得到多个传感电容器的所有传感电容器的平均信号电荷；以及从存储在另一个电容器上的每个相应的半信号电荷中减去所述平均信号电荷以产生所得到的电荷。3.根据权利要求2所述的方法，还包括：量化所得到的电荷以产生表示与多个传感电容器的相应传感电容器的相应电流电容值的均值的偏差的数字数据。4.根据权利要求3所述的方法，还包括：在充电阶段和放电阶段期间，将相应积分电路配置为连续时间积分器；将相应连续时间积分器中将相应的充电电流和相应的放电电流一起积分；在随后的积分阶段期间，将相应的积分电路重新配置为开关电容积分器；计算与每个相应的信号电荷均值的偏差；以及使用重新配置的开关电容积分器、比较器和数字升降计数器执行Σ-Δ模数转换。5.根据权利要求4所述的方法，其中，将相应的积分电路重新配置为开关电容器电路包括：从包括运算放大器电路的相应连续时间积分器中去除连续时间积分器部件，用开关电容器电路中的运算放大器电路代替开关电容积分器部件，以重复使用所述运算放大器电路。6.根据权利要求3所述的方法，其中量化所得到的电荷包括：基于积分结果的符号产生正的结果或负的结果；在数字计数器中组合所述正的结果或负的结果与先前的结果；以及反馈所述正的结果或负的结果以控制误差电荷与平均信号电荷、相应的先前存储的积分结果以及相应的电流信号电荷的积分。7.根据权利要求3所述的方法，还包括：在所述多个传感电容器的所有相应的传感电容器中共用所述电流信号值的一半；以及在所述多个传感电容器的所有相应的传感电容器两端去除所述电流信号值的一半作为共模信号。8.根据权利要求3所述的方法，其中量化所述积分结果包括：基于所述积分结果的数学符号递增或递减计数器电路。9.根据权利要求8所述的方法，其中量化所述积分结果还包括：反馈信号以提供下一个操作周期的积分结果的数学符号。10.一种电容式触摸感测系统，包括：布置在电容式触摸面板中的多个传感器；多个模拟前端电路，每个相应的模拟前端电路被配置为与所述多个传感器中的相应传感器耦合，每个模拟前端电路包括：运算放大器电路，其在充电阶段和放电阶段中能够被配置为连续时间积分器，以将来自相应传感器的电荷积分到一个或多个电容器上，并且在积分阶段中能够被重新配置，以对来自包括一个或多个电容器的多个电容器的电荷进行积分；以及比较器，在积分阶段中被配置为与所述运算放大器电路耦合，以产生表示积分阶段中的积分电荷的数字数据。11.根据权利要求10所述的电容式触摸感测系统，还包括：多个开关矩阵电路，所述多个开关矩阵电路中的相应开关矩阵电路被配置为耦合到...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔蒂德拉·萨迦，肯尼思·C克兰德尔，赫特·辛格·兰德哈瓦，
申请(专利权)人：UICO公司，
类型：发明
国别省市：美国,US