如何设计一个触摸屏感应电容触控系统

1946861 2020-11-25 | pdf | 0.19 MB | 次下载 | 2积分

资料介绍

　　自 2007 年 iPhone®出现后，感应电容触摸屏的应用范围就在不断扩大。尽管如此，真正把感应电容触摸屏集成到设备中仍存在着很大的挑战，尤其在液晶显示器（LCD）、外围器件产生干扰及嘈杂的环境中。有效的解决方案之一是使用高信噪比（SNR）的触摸屏控制器来对抗噪声。一个高信噪比控制器还会有其它优势，下面将会详细描述。 SNR 定义为信号（有用的信息）和噪声（无用信号）的功率比。如果信号和噪声在相同的负载下测量，SNR 可以通过计算幅度均方根（RMS）的平方获得。功率比的值（PS/PN）通常很大，通常用对数（dB）来描述。SNR 可以表示为： SNRdB = 10log10（PS/PN） = 10log10（RMSS/RMSN）² = 20log10（RMSS/RMSN）高 SNR 意味着测到的信号强度比背景噪声高。

　　整体触控性能

　　主要由两个器件决定整体触控性能：触摸屏传感器和触摸屏控制器。触摸屏传感器种类繁多，它们的名称形象的说明了其形状和结构，例如三角形、菱形、雪花形、条形等等。例如，“菱形”是菱形的网格结构，而“条形”是行列交叉的网格，像一个城市的街道。一些传感器类型使用一层 ITO，而其它的则需要两层或三层，这决定于所需的系统性能和触摸屏控制器芯片。通常要根据触摸屏控制器结构来决定触摸屏传感器样式和层结构（“堆叠”）以最大化 SNR。例如，在单层互容带有交叉（搭桥）的菱形样式中，触摸屏表面到 ITO 的 X 层和 Y 层的距离是一样的，这降低了增益误差并使行和列的 SNR 很接近。尽管如此，仍需要增加一层屏蔽层防止传感器受到 LCD 噪声干扰。使用高 SNR 的触摸屏控制器可以降低触摸屏传感器的成本，放宽设计限制，使用更多的样式和层结构。正如下面将要讨论的一样，高 SNR 触摸屏控制器还可提供额外的好处，例如较容易找到触摸中心，降低了触摸屏对环境噪声的灵敏度，并允许使用手套或尖导电笔。

　　控制器架构

　　自容式和互容式是两种主要的电容触摸屏感应检测技术，自容式和互容式的特性简单归纳如下：

　　自容式

　　今天仍在使用的早期技术。

　　受限于“鬼点”（相对于真实触摸位置的错误触摸位置），通常为一点触摸或两点触摸。

　　菱形样式最普遍。

　　对 LCD 噪声抑制较差。

　　简单，低成本控制器。

　　互容式

　　正在攻占市场的新一代设计。

　　真正的两点或多点触摸。

　　较高的精度。

　　传感器样式设计更加灵活，这有助于最大化 SNR。

　　较好的噪声抑制。

　　更复杂，高成本控制器。

　　很多应用仅需要一个或两个触点，因此自容方案更有吸引力，尤其当用户界面的触摸位置可控以消除“鬼点”的时候。自容方案的典型 SNR 超过 30dB，通常需要在 LCD 和传感器的触摸层底部之间增加屏蔽层，这会增加成本，降低显示亮度。其它技术可被用到自容方案以进一步提高 SNR。这包括（a）增加每通道的采样数；（b）增加传感器驱动电压，这增加了固定噪声（如来自 LCD 的噪声）下的信号幅度；（c）在不同频率采样以避免固定频率干扰，如避开 60Hz（这被称为“频率抖动”）。尽管如此，该技术通常会降低帧率，增加功耗，这两样都是不希望的。从以上讨论中可以很清楚地看出，为了最大化 SNR 并支持两点或多点的触摸，互容式是最有希望的感应检测技术。图 1 的系统框图归纳了互容式的实现方法，即把一个激励信号加在触摸屏传感器电容的一极，把另一极连接到触摸屏控制器的模拟前端（AFE），AFE 的输出被转化成数字格式并在数字信号处理器（DSP）中进行进一步处理。