多點觸摸表面控制器的製作方法

2023-06-10 12:29:56

專利名稱：多點觸摸表面控制器的製作方法
多點觸摸表面控制器本申請是申請號為200780023742. 4，申請日為2007年4月5日，發明名稱為「多 點觸摸表面控制器」的專利申請的分案申請。
背景技術：
現在有許多類型的用於在計算機系統中執行操作的輸入設備。操作通常對應於在 顯示屏上移動光標和/或進行選擇。例如，輸入設備可包括按鈕或按鍵、滑鼠、軌跡球、觸摸 板、操縱杆、觸控螢幕等等。觸摸板和觸控螢幕(統稱「觸摸表面」)由於其操作的簡便性和通用 性以及其不斷下降的價格而變得越來越流行。觸摸表面使用戶通過簡單地用手指、指示筆 等觸摸可以是板或顯示屏的表面就能進行選擇以及移動光標。通常，觸摸表面識別觸摸及 觸摸的位置，而計算機系統解釋該觸摸，然後基於觸摸而執行動作。特別令人感興趣的是觸控螢幕。在申請人於2004年5月6日提交的、名為 "Multipoint Touchscreen」、序列號為10/840，862的共同待審的專利申請中描述了各種類 型的觸控螢幕，該申請全文包括在此以供參考。如其中所提到的，觸控螢幕通常包括觸摸面板、 控制器和軟體驅動。觸摸面板通常是具有觸摸敏感表面的透明面板。將觸摸面板置於顯示 屏之前，以便觸摸敏感表面覆蓋顯示屏的可視區域。觸摸面板記錄觸摸事件並將這些信號 發送給控制器。控制器處理這些信號並發送數據給計算機系統。軟體驅動器將觸摸事件翻 譯成計算機事件。有多種類型的觸控螢幕技術，包括電阻性、電容性、紅外、聲表面波、電磁、近場成像 等。這些設備的每一種都具有在設計或配置觸控螢幕時已考慮到的優點和缺點。在這些現有 技術中發現的一個問題是，它們僅僅能夠報告單點事件，即使在多個對象被放置在感測表 面上也是如此。即，它們不具備同時跟蹤多個接觸點的能力。在電阻性和傳統的電容性技 術中，確定所有同時發生的觸摸點的平均值，並報告落在這些觸摸點之間某處的單個點。在 表面波和紅外技術中，由於遮蔽(masking)，不可能辨別出落在相同水平或垂直線上的多個 觸摸點的確切位置。任一種情況下，都會產生錯誤的結果。這些問題在諸如平板PC之類的手持式設備中尤其成為問題，在這種情況下，一隻 手用來拿著平板，而另一隻手用於生成觸摸事件。例如，如圖1A和1B所示，拿著平板2使 得拇指3與觸控螢幕5的觸摸敏感表面4的邊緣重疊。如圖1A所示，如果觸摸技術利用求平 均，即電阻性和電容性面板所使用的技術，則將報告落在左手拇指3和右手食指6之間某處 的單個點。如圖1B所示，如果技術利用投影掃描，即紅外和聲表面波面板所使用的技術，則 由於拇指3的大的垂直分量，很難辨別食指6的確切垂直位置。平板2僅能分辨出灰色表 示的塊。實質上，拇指3遮蔽了食指6的垂直位置。雖然如今幾乎所有可得到的基於商用觸控螢幕的系統僅提供單點檢測，並具有有限的解析度和速度，而現在可得到的其他產品能夠檢測多個觸摸點。不幸的是，這些產品 僅工作在不透明表面上，這是因為電路必須被放在電極結構的後面。這類產品的例子包括 Fingerworks系列的觸摸板產品。過去，使用這類技術可檢測到的點的數量受限於檢測電路的尺寸。
因此，本技術領域中所需要的是能夠實現多點觸摸的觸控螢幕控制器，該控制器能 夠有助於使用透明觸摸傳感器，並提供便於集成的封裝。

發明內容
這裡公開了用於多點觸摸觸摸表面的控制器。多點觸摸觸摸表面控制器的一個方 面涉及將用於激勵多點觸摸傳感器的驅動電子設備和用於讀取多點觸摸傳感器的感測電 路集成到單個集成封裝裡。所述控制器的另一個方面涉及通過提供多個激勵波形給傳感器來抑制傳感器中 的噪聲的技術，其中所述波形具有不同的頻率。當噪聲出現在特定頻率處時，該技術允許 至少一個無噪聲檢測周期。所述控制器的另一個方面涉及電荷放大器，該電荷放大器包括可編程部件，即可 編程電阻器和電容器，以使得電路易於被重新配置，從而為各種傳感器條件提供最佳的感 測配置。所述控制器的另一個方面涉及偏置補償電路，該偏置補償電路通過消除多點觸摸 表面傳感器輸出的靜態部分，使得感測電路的全部動態範圍可被分配給輸出信號的變化部 分，從而擴大控制器的動態範圍。所述控制器的另一個方面涉及解調電路，該解調電路通過應用已知具有特定頻率 特性的特定解調波形，來增強傳感器配置的抗噪聲能力。所述控制器的另一個方面涉及將各種算法應用到從上述多個激勵頻率中獲得的 傳感器輸出，以進一步增強系統的抗噪聲能力。通過參考下面的詳細描述和附圖，將更充分地理解這些方面以及其他方面。


圖1A和1B說明現有技術的觸控螢幕技術的某些問題。圖2說明根據本公開的某些教導的、包括多點觸摸觸控螢幕和多點觸摸觸控螢幕控制 器的計算設備的立體圖。圖3是根據本公開的某些教導的、包括多點觸摸觸控螢幕和多點觸摸觸控螢幕控制器 的計算設備的框圖。圖4A和4B說明在多點觸摸觸摸表面中的驅動電極和感測電極的兩種可能的布置。圖5是說明利用結合本公開的各種教導的多點觸摸控制器在多點觸摸表面和主 計算機設備之間的通信的層次圖。圖6是一個結合本公開的各種教導的多點觸摸控制器的等價電路，該等價電路示 出控制器的輸出電路、多點觸摸傳感器的單元以及輸入電路。圖7是在結合本公開的各種教導的多點觸摸控制器的某些實施例中包括的電荷 放大器的電路示意圖。圖8是根據本發明的各種教導的、多點觸摸表面和多點觸摸控制器系統的框圖。圖9說明根據本發明的某些教導的其中不同頻率的驅動波形被施加到多點觸摸 傳感器的序列。
圖10是說明結合本公開的某些教導的多點觸摸控制器的輸入電路的框圖。圖11A和11B說明各種解調波形及其通帶的頻譜。圖12說明激勵波形序列和特定的解調波形以及所產生的輸出。圖13說明多數決定原則算法所採用的噪聲抑制技術。 圖14是描繪控制器工作的流程圖。
具體實施例方式這裡描述了多點觸控螢幕控制器(MTC)。根據與Apple Computer, Inc. of Cupertino, California製造的計算機系統兼容的設備和應用而描述的本發明的以下實施 例僅僅是示意性的而不應當被認為是在任何一個方面加以限制。圖2是觸控螢幕顯示器配置30的立體圖。顯示器配置30包括顯示器34和位於顯 示器34前面的透明觸控螢幕36。顯示器34可被配置成向用戶顯示圖形用戶界面(GUI)，GUI 可能包括指針或光標以及其他信息。透明觸控螢幕36是對用戶的觸摸敏感的輸入設備，其允 許用戶與顯示器34上的圖形用戶界面交互。通常，觸控螢幕36識別觸控螢幕36的表面38上 的觸摸事件，隨後向主機設備輸出該信息。例如，主機設備可對應於計算機，諸如臺式機、膝 上型電腦、手持式或平板電腦。主機設備解釋觸摸事件，隨後基於該觸摸事件執行動作。與現有技術的觸控螢幕相比，這裡示出的觸控螢幕36被配置成識別同時發生在觸摸 敏感表面38上的不同位置處的多點觸摸事件。即，觸控螢幕36允許同時跟蹤多個接觸點 T1-T4。觸控螢幕36為同時發生在觸控螢幕36的表面上的每個觸摸點T1-T4生成單獨的跟蹤 信號S1-S4。在一個實施例中，可識別的觸摸的數目可以為大約15，這使得可跟蹤用戶的 10個手指和2個手掌以及3個另外的接觸。多點觸摸事件可單獨或一起使用以在主機設 備中執行單個或多個動作。在美國專利6，323，846,6, 888，536,6, 677，932,6, 570，557以及 共同待審的美國專利申請 11/015，434、10/903，964、11/048，264、11/038，590、11/228，758、 11/228，700,11/228, 737,11/367, 749中公開了用於控制主機設備的大量多點觸摸事件的 例子，上述專利或專利申請每一個的全部內容都包括在此以供參考。圖3是採用多點觸摸觸控螢幕的計算機系統50的框圖。計算機系統50可以是例如 個人計算機系統，諸如臺式機、膝上型電腦、平板電腦或手持式電腦。計算機系統還可以是 公共計算機系統，諸如信息站、自動櫃員機(ATM)、銷售點終端(P0S)、工業機器、遊戲機、街 機、售賣機、航空電子票終端、餐館預約終端、顧客服務站、圖書館終端、學習設備，等等。計算機系統50包括處理器56，處理器56被配置成執行指令並執行與計算機系統 50相關聯的操作。處理器56所需的計算機代碼和數據通常被存儲在可操作地耦接到處理 器56的存儲器方塊58中。存儲器方塊58可包括只讀存儲器(ROM) 60、隨機存取存儲器 (RAM)62、硬碟驅動器64和/或可移動存儲媒體，諸如⑶-ROM、PC卡、軟盤以及磁帶。也可 以通過網絡來訪問這些存儲設備中的任一個。計算機系統50還包括可操作地耦接到處理 器56的顯示設備68。顯示設備68可以是包括液晶顯示器(諸如有源矩陣、無源矩陣等)、 陰極射線管(CRT)、等離子體顯示器等等的多種顯示器類型中的任何一種。計算機系統50還包括通過1/0控制器66和觸控螢幕控制器76可操作地耦接到處 理器56的觸控螢幕70。(1/0控制器66可與處理器56集成，或者可以是一個單獨的組件。) 在任一種情況下，觸控螢幕70是位於顯示設備68前面的透明面板，並且可與顯示設備68集 成或者可作為單獨的組件。觸控螢幕70被配置成接收來自用戶觸摸的輸入，並將該信息發送給處理器56。在大多數情況下，觸控螢幕70識別其表面上的觸摸以及觸摸的位置以及幅度。參考圖5可以更好地理解在觸摸傳感器和主機設備系統之間的接口，其中圖5是 圖3所示系統的層次圖。觸摸傳感器301位於最底層。在一個優選實施例中，傳感器與 ASIC (專用集成電路)305接口，該ASIC305激勵傳感器並讀取原始的傳感器輸出，如同下面 將要詳細描述的那樣。ASIC 305通過信令306與生成電容圖像的DSP(數位訊號處理器) 和/或微控制器307接口。ASIC 305與DSP/微處理器307 —起形成多點觸控螢幕控制器。DSP/微處理器307包括接口 308，接口 308用於接受來自ASIC 305的信令306，然 後這些信號被傳送給數據捕獲和錯誤抑制層309。來自該層的數據可由模塊310以及特徵 (即，觸摸點)提取和壓縮模塊311訪問，以進行校準、基線及備用處理。一旦特徵被提取， 則作為高層信息通過接口 303被傳送給主計算機302。接口 303例如可以是USB(通用串 行總線)接口。可替換地，可使用其他形式的接口，諸如IEEE 1394 ( "Firewire")>RS-232 串行接口、SCSI (小型計算機系統接口)，等等。感測設備的精確物理結構對於完全理解這裡所公開的觸控螢幕控制器並不是必要 的。但是，通過參考上面作為參考而引入的專利和專利申請，可理解該結構的細節。出於本 說明的目的，傳感器可被假定為如下面參考圖4A和4B描述的那樣構建的互電容設備。傳感器面板包括兩層電極結構，一層上有驅動線，另一層上有感測線。任一情況 下，都由電介質材料將各層隔開。在圖4A的笛卡兒布置中，一層包括N個水平、優選地為等 間距的行電極81，而另一層包括M個垂直、優選地為等間距的列電極82。在圖4B所示的極 布置中，感測線可以是同心圓，驅動線可以是徑向延伸線(或反之亦然)。本領域技術人員 將理解，基於無限多種坐標系統的其他配置也是可能的。每個交叉83代表一個像素並具有特徵互電容(characteristicmutual capacitance)CSIGO以有限距離接近像素83的接地對象(諸如手指)將行和列交叉之間的 電場分流，使得在該位置處的互電容CSK減小。對於典型的傳感器面板，典型的信號電容Csre 大約為0. 75pF，由手指觸摸像素引起的變化大約為0. 25pF。電極材料可以根據應用而不同。在觸控螢幕應用中，電極材料可以是在玻璃基板上 的IT0(氧化銦錫)。在不需要是透明的觸摸平板中，可以使用在FR4基板上的銅。感測點 83的數量可以廣泛地變化。在觸控螢幕應用中，感測點83的數量通常取決於所期望的靈敏 度以及所期望的觸控螢幕70的透明度。更多的節點或感測點通常增加靈敏度而減小透明度 (反之亦然)。在工作期間，通過用預定電壓波形85驅動每行(或列)而將其充電(以下將更詳 細的討論)。在交叉處，電荷電容性地耦合到多個列(或多個行)。測量每個交叉83的電 容以確定當多個對象觸摸觸摸表面時這些對象的位置。感測電路監控所轉移的電荷以及所 需的時間，從而檢測發生在每個節點處的電容變化。發生變化的位置以及這些變化的幅度 被用來鑑別和量化多點觸摸事件。驅動每行和每列以及感測電荷轉移是多點觸控螢幕控制器 的功能。圖6是每個耦合節點的等同互電容電路220的簡化圖。互電容電路220包括驅動 線222和感測線224，它們空間上被分開從而形成電容耦合節點226。如果沒有對象存在， 節點226處的電容耦合基本保持不變。如果對象——諸如手指——位於節點226附近，通過 節點226的電容耦合改變。對象有效地將電場分流，使得通過節點226轉移的電荷變少。
參考圖5和圖8，ASIC 305生成掃描傳感器面板所必需的所有驅動波形。具體地， 微處理器發送時鐘信號321以設置ASIC的定時，ASIC然後生成適當的定時波形322以創 建行激勵(row stimuli)給傳感器301。解碼器311將定時信號解碼以順序地驅動傳感器 301的每一行。電平位移器310將定時信號322從信令電平(例如3. 3V)轉換成用來驅動 傳感器的電平(例如，18V)。由微處理器307確定驅動傳感器面板的每一行。出於抑制噪聲的目的，期望以多 個不同頻率驅動面板以便抑止噪聲。存在於一特定驅動頻率處的噪聲可以並且很可能不存 在於其他頻率處。在一個優選實施例中，每個傳感器面板行用12個方波周期的3個脈衝串 (burst)(佔空比50%，振幅18V)來激勵，而剩下的行保持接地。為了更好地抑制噪聲， 下面更詳細地描述每個脈衝串的頻率都不同的情況，例如脈衝串頻率為140kHz、200kHz和 260kHz。在每個脈衝串的脈衝期間，ASIC 305對列電極進行測量。對傳感器面板中的所有 剩下的行重複該過程。結果是3個圖像，在不同的激勵頻率處取得每個圖像。此外，優選地使每個隨後的脈衝串所需的激勵頻率變化量最小。因此，希望得到使 該變化最小的跳頻圖案。圖9示出一種可能的跳頻圖案。在這種布置中，用140kHz的脈 衝串，然後是200kHz，最後260kHz的脈衝串來驅動第一行。然後分別用260kHz、200kHz和 140kHz的三個脈衝串來驅動下一行。選擇這種特定的頻率圖案以使頻率之間的變化小，並 使得頻率轉換平滑無突波(glitch)。但是，其他跳頻布置也是可能的，包括掃描多於3個頻 率、掃描偽隨機序列而不是所述的有序圖案的頻率、以及基於噪聲環境而選擇掃描頻率的 適應性跳頻。回到圖6，感測線224被電耦合到電容感測電路230。電容感測電路230檢測和量 化電流變化以及發生電流變化的節點226的位置，並將該信息報告給主計算機。感興趣的 信號是電容Csre，其將電荷從RC網絡A耦合到RC網絡B。來自RC網絡B的輸出直接連接 到ASIC 305的模擬輸入端。ASIC 305也使用來自微處理器307 (圖8)的時鐘信號321 (圖 8)，以作為電容信號的檢測和量化的定時。圖10是說明ASIC 305的輸入級的框圖。輸入信號首先由電荷放大器401接收。 電荷放大器執行以下任務(1)電荷到電壓轉換，⑵電荷放大，⑶存在於列電極處的抑制 或雜散電容，和(4)抗混疊，以及(5)在不同頻率處的增益均衡。圖7是一種可能的電荷放 大器401的圖。由電容器CFB在運算放大器450的反饋通道中執行電荷到電壓轉換。在一個實施 例中，反饋電容器可以被編程為具有從2到32pF的值，這使得輸出電壓電平可被調節，從而 在(皿值的範圍內獲得最佳動態範圍。反饋電阻器RFB也優選地可編程以控制放大器增益。由於與製造公差相關的各種因素，在觸摸表面上Csre會變化，因此基於每個像素 調節電荷放大器的反饋電容CFB是有用的。這允許執行增益補償，以優化每個像素的性能。 在一個實施例中，準每像素調節的執行如下反饋電容器CFB的值由寄存器設置，稱為CFB_ REG。CFB_REG的值根據下述等式設置CFB_REG[Y] = CFB_UNIV+CFB[Y] 其中，Y是一行內的單個像素，CFB_UNIV被逐行調節，而CFB [Y]是系統啟動時加載 的查找表。在可替換的配置中，CFB_UNIV對於所有行可以是常數，或者CFB[Y]查找表可以逐行轉出(switch out)。此外，雖然以行和列的形式進行了討論，但是調節布置同樣適用於非笛卡兒坐標系統。顯然，希望測量Csre，同時儘可能地抑制在物理傳感器中的任何寄生電阻和電容的 影響。通過將放大器45D的正相輸入451保持為常數值，例如地，可實現對傳感器中的寄生 電阻和電容的抑制。反相輸入452被耦接到正被測量的節點。本領域技術人員將理解，反 相輸入452 (連接到正被測量的列電極)會因此而被保持為虛接地。由於雜散電容器的淨 電荷不變化(即，雜散電容上的電壓被保持為虛接地)，因此在列電極處存在的任何寄生電 容——例如由用戶觸摸列電極導致的PCB雜散電容或動態雜散電容——得到抑制。因此， 電荷放大器輸出電壓453僅僅是激勵電壓、CSIG和CFB的函數。由於激勵電壓和CFB由控制 器確定，因此可以很容易地推斷出CSIG。ASIC輸入引腳455和電荷放大器的反相輸入452之間的串聯電阻器454與RFB和 CFB的反饋網絡一起形成抗混疊濾波器(anti-aliasingfilter)。電荷放大器的高通滾降由反饋電阻器Rfb和反饋電容器CFB的並聯組合設置。再參考圖10，電荷放大器401的輸出傳送給解調器403。解調器403是5位量化 連續時間模擬(四象限)乘法器。解調器403的用途是抑制在輸入到ASIC 305的信號上 存在的頻帶外噪聲源(來自手機、微波爐等)。電荷放大器的輸出402 (VSK)與存儲在查找 表404中的5位量化波形混合。通過將適當的係數編程到查找表404中，確定解調波形的 形狀、振幅和頻率。解調波形確定混頻器的通帶、阻帶、阻帶波動和其他特性。在一個優選 實施例中，高斯型正弦波被用作為解調波形。高斯正弦波提供陡峭的通帶並具有減小的阻 帶波動。解調器403的另一方面涉及解調器相位延遲調節。如參考圖10所見，觸摸表面電 極可由RC網絡(RC網絡A和RC網絡B)表示，該RC網絡在其交叉點處具有互電容(Csre)。 每個RC網絡構成一個低通濾波器，而CSK引入高通濾波器響應。因此，觸摸面板看起來像 一個帶通濾波器，僅允許具有一定頻率範圍的信號通過該面板。該頻率範圍，即低於CSK的 截止頻率但是高於RC網絡A和B的截止頻率的那些頻率，確定了可用於驅動觸摸面板的那 些激勵頻率。因此，面板將施加一相位延遲到通過該面板的激勵波形上。該相位延遲對於傳統 的不透明觸摸面板是可忽略的，這種面板中的電極結構通常由PCB跡線形成，PCB跡線具有 相對其特徵阻抗可忽略的電阻。但是，對於通常由氧化銦錫(IT0)導電跡線構成的透明面 板，電阻分量可能相當大。這給激勵電壓通過面板的傳播引入了顯著的時間(相位)延遲。 該相位延遲使得解調波形相對於進入前置放大器的信號被延遲，因而減小了從ADC輸出的 信號的動態範圍。為補償該相位延遲，可提供延遲時鐘寄存器(「DCL」，未示出)，延遲時鐘寄存器可 用來相對於進入前置放大器的信號而延遲解調波形，從而補償外部面板延遲，並最大化動 態範圍。該寄存器被輸入到解調器403並簡單地將解調波形延遲一預定量。該量可在面板 啟動時通過測量確定，或者可基於已知的製造特性將面板作為一個整體來進行估計得到。 觸摸表面的每個像素可具有其自己的唯一確定的延遲參數，以將讀取電路充分優化，或者， 延遲參數可逐行地被確定。調節通常類似於上面討論的用於調節電荷放大器反饋電容器和 偏置補償電壓的技術。
解調後的信號然後被傳送給偏置補償電路。偏置補償電路包括混頻器402和可 編程偏置DAC 405。混頻器402獲取解調器的輸出電壓453並減去偏置電壓(下面討論) 以增加系統的動態範圍。偏置補償是必要的，這是因為像素電容Csk包括靜態部分和動態部分。靜態部分 是傳感器結構的函數。動態部分是當手指接近像素時Csk變化的函數，因而是感興趣的信 號。偏置補償器的用途是消除或儘量減小靜態分量，從而擴大系統的動態範圍。如上面提到的，偏置補償電路包括兩部分，可編程偏置DAC 405和混頻器402。偏 置DAC 405基於數字靜態偏置值V0FF_REG生成可編程偏置電壓。該數字值由DAC轉換成 靜態模擬電壓(或電流，如果工作在電流域的話)，然後(由混頻器403b)與由解調波形的 絕對值(由模塊404b確定)設置的電壓(或電流)混合。結果是解調波形的整流版本，其 幅度由V0FF_REG的靜態值設置，而解調波形的絕對部分通常從DMOD查找表404中檢索得 到。這使得對於解調波形的給定部分能夠有正確的偏置補償量。因此，偏置補償波形有效 地跟蹤解調波形。類似於電荷放大器反饋電容器，調節偏置補償電路以解決由製造公差等因素導致 的單個像素電容中的差異是有用的。該調節基本上可以類似於上面對於電荷放大器反饋電 容器進行的討論。具體地，在V0FF_REG中存儲的偏置電壓值可如下計算V0FF_REG[Y] = V0FF_UNIV+V0FF[Y]其中，Y是一行內單個列，V0FF_UNIV是逐行設置的偏置電壓，而VOFF[Y]是查找 表。再一次，根據特定的實施方式，調節可逐個真實像素地進行，或者V0FF_UNIV可以是單 個常數值。而且，雖然以行和列的形式進行討論，但是調節布置同樣適用於非笛卡兒坐標系 統。作為上面參考圖10描述的配置的可替換形式，偏置補償可在解調之前進行。在這 種情況下，偏置補償波形的形狀必須與從前置放大器輸出的波形而不是從解調器輸出的波 形相匹配，即，假設可忽略面板中的衰減從而可保持驅動波形的形狀時，偏置補償波形必須 為方波。而且，如果首先進行偏置補償，偏置波形相對於參考電壓是AC波形，S卩，最大值相 對於Vkef為正，且最小值相對於Vkef為負。偏置波形的振幅等於偏置補償量。相反地，如果 首先進行解調，偏置波形為DC波形，即它相對於Vref或者為正或者為負(因為解調波形相對 於也是DC)。再一次，這種情況下的振幅等於用於解調波形的每個部分的偏置補償量。 實質上，偏置補償電路需要與依賴于波形的形狀需要的偏置補償量相關。然後，解調且偏置補償後的信號由可編程增益ADC 406處理。在一個實施例中， ADC 406可以為sigma-delta，但是也可使用類似類型的ADC(諸如跟隨有計數器級的電壓 到頻率轉換器)。ADC執行兩個功能(1)將位於混頻器配置(偏置和信號混頻器)之外的 偏置補償波形轉換為數字值；和(2)執行低通濾波功能，即將混頻器配置所輸出的整流信 號進行平均。偏置補償並解調後的信號看起來像整流高斯型正弦波，其振幅是Cfb和Csre的 函數。返回給主計算機的ADC結果實際上是該信號的平均。使用Sigma delta ADC的一個優點是，對於在數字域進行平均，這樣的ADC要有效 率得多。此外，數字門比模擬低通濾波器和採樣保持元件要小得多，因而可減小整個ASIC 的尺寸。本領域技術人員將進一步理解其它的優點，尤其是在功率消耗和時鐘速度方面。可替換地，可以使用與控制器ASIC分開的ADC。這需要一個多路復用器來在多個通道之間共享ADC，並且每個通道需要一個採樣保持電路以平均並保持解調波形的平均值。 這可能要花費很大的晶片面積(die area)，對於要與具有大量像素的觸摸表面一起使用的 控制器而言是不切實際的。此外，為了實現可接受的操作，外部ADC需要工作得非常快，因 為必須非常迅速地處理大量像素以響應於用戶的輸入而提供及時並平滑的結果。如上面提到的那樣，以三個不同頻率驅動傳感器以產生用於如下所述的抑制噪聲 的三個電容圖像。選擇三個頻率以使得在一個特定頻率處的通帶不與在其它頻率處的通帶 重疊。如上面提到的那樣，一個優選實施例使用的頻率為140kHz、200kHz和240kHz。選擇 解調波形以使得邊帶被抑制。如上面提到的那樣，高斯包絡正弦波是一種優選的解調波形，圖IlA示出了高斯 包絡正弦波及其通帶頻譜。高斯型的正弦波提供具有最小阻帶波動的清晰的通帶。可替換 地，也可使用其它具有清晰的通帶和最小阻帶波動的波形。例如，斜坡包絡正弦波也具有清 晰的通帶，但是阻帶波動比高斯包絡正弦波的要稍大，圖IlB示出了斜坡包絡正弦波及其 通帶頻譜。本領域技術人員將理解，也可使用其它波形。現在參考圖12，示出了用以解釋系統的噪聲抑制特性的9個波形。電壓波形501 是方波，其表示施加到傳感器的激勵波形。波形504是用作解調波形的高斯包絡正弦波信 號。波形507是解調器的輸出，即波形501和504的乘積。注意，波形507提供位於所施加 的方波電壓的基頻處的清晰的脈衝。中間一列示出示例性的噪聲波形502。解調波形505與解調波形504是一樣的。 注意，解調後的噪聲信號508不產生明顯的尖峰，這是因為噪聲信號的基頻在解調信號的 通帶之外。503示出激發波形和噪聲信號的混合。同樣，解調波形506與解調波形505和504 相同。解調後的混和波仍然顯示出噪聲波形，儘管可應用各種信號處理算法以提取這個相 對孤立的尖峰。此外，噪聲抑制也可通過提供不同頻率的多個激勵電壓並將多數決定原則算法應 用於結果來實現。在多數決定原則算法中，對於每個電容節點，將提供最佳振幅匹配的兩個 頻率通道取平均，並除去剩下的通道。例如，在圖13中，垂直線600代表所測得的電容，標 記601、602和603代表在三個激勵頻率處測得的三個值。值602和603提供最佳匹配，可 能暗示值601有誤。因此值601被丟棄，而值602和603被平均以形成輸出。可替換地，可應用中值濾波器，則在此情況下，值602，即中間值，被選擇作為輸出。 作為另一個替換，可以簡單地將三個結果平均，則在此情況下，結果將為值601和602之間 某處的值。對於本領域技術人員，多種針對多個採樣值的其它噪聲抑制技術是顯而易見的， 任何一種都適合於與這裡所述的控制器一起使用。參考圖14可以進一步理解電路的工作，圖14是描繪控制器工作的流程圖。本領 域技術人員將理解，為了清楚起見，該流程圖中省略了各種定時和存儲器存儲方面。圖像獲取開始於步驟701。然後系統設置時鐘以便以中間時鐘頻率(例如， 200kHz)獲取樣本，如上面參照圖9所討論的那樣(步驟702)。然後更新各種可編程寄存 器(步驟703)，該可編程寄存器控制諸如電壓偏置、放大器增益、延遲時鐘等的參數。讀取 所有的列，將結果存儲為中間向量(步驟704)。然後，設置高時鐘頻率(步驟705)，並針對 該高採樣頻率重複更新寄存器的步驟(步驟706)和讀取所有列並存儲結果的步驟(步驟707)。然後，將時鐘設置為低頻率(步驟708)，並針對該低採樣頻率重複更新寄存器(步驟 709)和列讀取(步驟710)。然後，三個向量根據上述算法被偏置補償(步驟711)。其後，偏置補償向量經歷如 上所述的中值濾波器。可替換地，偏置補償向量可以由根據圖13描述的多數決定原則算法 或者任何其它合適的濾波技術來濾波。在任一情況下，將結果存儲。如果還有更多的行，該 過程返回步驟702處的中間頻率採樣。如果所有的行都已完成(步驟713)，則將完整圖像 輸出給主機設備(步驟714)，並獲取其後的新圖像(步驟701)。雖然已經通過幾個優選實施例描述了本發明，但是存在在本發明範圍之內的修 改、置換和等價形式。例如，術語「計算機」並不必須意味著任何特定種類的設備、硬體和/ 或軟體的組合，也不應當被認為限制於多用途或者單用途設備。此外，雖然關於觸控螢幕描 述了這裡的實施例，但是本發明的教導同樣可應用於觸摸板或任何其它觸摸表面類型的傳 感器。而且，雖然本公開主要關於電容性感測，應當注意，這裡所描述的部分或全部特徵可 以應用於其它感測方法。還應當注意，有許多可替換的方式來實現本發明的方法和設備。 因此，本發明意圖將所附權利要求解釋為包括位於本發明實質精神和範圍內的所有這類修 改、置換和等價形式。
權利要求
一種與電容觸摸傳感器結合使用的偏置補償電路，其中通過測量驅動波形從驅動電極到感測電極的電容耦合來操作所述電容觸摸傳感器，所述偏置補償電路包括可編程偏置數模轉換器，適於生成與在至少一個驅動電極和至少一個感測電極之間的所述電容耦合的靜態分量相對應的偏置信號；以及減法器電路，被配置成從指示在所述至少一個驅動電極和所述至少一個感測電極之間的所述電容耦合的測量信號中減去所述偏置信號。
2.如權利要求1所述的偏置補償電路，所述偏置數模轉換器被配置為基於每個像素提 供不同的偏置信號，每個像素代表一個不同的觸摸傳感器。
3.如權利要求1所述的偏置補償電路，所述偏置數模轉換器被配置為基於靜態偏置值 生成所述偏置信號。
4.如權利要求1所述的偏置補償電路，所述偏置信號與由解調波形的絕對值設置的值 相混合。
5.一種結合了權利要求1所述的偏置補償電路的觸摸傳感器面板。
6.一種結合了權利要求5所述的觸摸傳感器面板的的計算設備。
7.一種用於為電容觸摸傳感器提供偏置補償的方法，包括生成與在所述觸摸傳感器處的電容耦合的靜態分量相對應的偏置信號；以及 從指示在所述觸摸傳感器處的所述電容耦合的測量信號中減去所述偏置信號。
8.如權利要求7所述的方法，還包括基於每個像素提供不同的偏置信號，每個像素代 表一個不同的觸摸傳感器。
9.如權利要求7所述的方法，還包括基於靜態偏置值生成所述偏置信號。
10.如權利要求7所述的方法，還包括將所述偏置信號與由解調波形的絕對值設置的 值相混合。
11.如權利要求7所述的方法，還包括將偏置補償量與解調波形的給定部分相關聯。
12.一種用於為電容觸摸傳感器提供偏置補償的方法，包括測量在所述電容觸摸傳感器處的電容耦合，所述電容耦合包括作為傳感器結構的函數 的靜態分量和作為在傳感器處的觸摸的函數的動態分量；以及 基本上消除所述靜態分量以增大觸摸檢測的動態範圍。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述電容耦合的所述靜態分量的消除是基於每個 像素執行的，每個像素代表一個不同的觸摸傳感器。
14.如權利要求12所述的方法，其中基本上消除所述靜態分量包括基於靜態偏置值 生成偏置信號，以及從指示所測量的電容耦合的信號中減去所述偏置信號。
15.如權利要求14所述的方法，還包括將所述偏置信號與由解調波形的絕對值設置的 值相混合。
16.如權利要求14所述的方法，還包括將所述偏置信號與解調波形的給定部分相關聯。
17.一種用於為電容觸摸傳感器提供偏置補償的設備，包括用於生成與在所述觸摸傳感器處的電容耦合的靜態分量相對應的偏置信號的裝置；以及用於從指示在所述觸摸傳感器處的所述電容耦合的測量信號中減去所述偏置信號的裝置。
18.如權利要求17所述的設備，還包括用於基於每個像素提供不同的偏置信號的裝 置，每個像素代表一個不同的觸摸傳感器。
19.如權利要求17所述的設備，還包括用於基於靜態偏置值生成所述偏置信號的裝置。
20.如權利要求17所述的設備，還包括用於將所述偏置信號與由解調波形的絕對值設 置的值相混合的裝置。
21.如權利要求17所述的設備，還包括用於將偏置補償量與解調波形的給定部分相關 聯的裝置。
22.一種觸摸傳感器面板，包括由多個驅動線和多個感測線的鄰近狀態形成的多個觸摸傳感器；以及 耦接到所述多個感測線的一個或多個電容感測電路，每個電容感測電路被配置為通過 從指示在每個觸摸傳感器處的電容耦合的測量信號中減去在該觸摸傳感器處的電容耦合 的靜態分量，提供偏置補償。
23.—種結合了權利要求22所述的觸摸傳感器面板的計算設備。
全文摘要
本發明公開了一種多點觸摸表面控制器。控制器包括集成電路，集成電路包括用於驅動電容性多點觸摸傳感器的輸出電路和用於讀取所述傳感器的輸入電路。這裡還公開了各種噪聲抑制和動態範圍增強技術，其允許控制器在各種條件下與各種傳感器一起使用，而無需重新配置硬體。
文檔編號G06F3/041GK101989146SQ20101052761
公開日2011年3月23日 申請日期2007年4月5日 優先權日2006年5月2日
發明者B·Q·胡派, C·H·克拉, S·P·豪泰靈 申請人:蘋果公司