一種電容屏觸摸檢測電路和檢測方法與流程
2023-11-07 13:51:32 1
本發明涉及電容式觸控螢幕領域，尤其涉及一種電容屏觸摸檢測電路和檢測方法。
背景技術：
近幾年來，隨著智慧型手機、平板電腦的興起，電容式觸控螢幕市場得到了較快的發展。從技術的角度來說，電容式觸控螢幕能取代電阻式觸控螢幕，是由於方便實現多點觸控，電容式觸控螢幕在玻璃表面貼上一層透明的特殊金屬導電物質。當手指觸摸在金屬層上時，觸點的電容就會發生變化，使得與之相連的振蕩器頻率發生變化，通過測量頻率變化可以確定觸摸位置獲得信息。
公開號為CN101840297的中國發明專利申請，公開了一種電容式觸控螢幕的電容檢測電路和檢測方法，其檢測電路如圖1所示。分析這個檢測電路可知，它是一個一路的電容檢測器，即在一個時鐘周期內實現一次對觸摸信號的檢測。其公開的檢測方法既可同時檢測兩行或者兩列，即按照差分的方式工作，也可以每次只檢測一行或者一列，即單端工作模式。
隨著電容式觸控螢幕的廣泛使用以及應用程式，如遊戲，對用戶觸摸體驗的不斷升級，因此，為了提高檢測電路的檢測效率，在智慧型手機的電容屏、PAD屏、筆記本觸控板和觸控遙控器等觸控螢幕上，本領域的技術人員致力於開發一種電容屏觸摸檢測電路和檢測方法，極大地增加了檢測的準確性和高效性。
技術實現要素：
有鑑於現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是如何提高檢測電路的檢測效率。
為實現上述目的，本發明提供了一種電容屏觸摸檢測方法，用於提高檢測效率，在一個時鐘周期內，針對多路的屏電容模塊，通過時序控制，共用檢測模塊，並行進行多路檢測。
進一步地，所述時序控制通過高低電平或開關實現。
進一步地，所述檢測方法包括以下步驟：
步驟1、對第一電容和第三電容進行充電；
步驟2、清空第二電容上的電荷；
步驟3、將所述第一電容和所述第二電容並聯，所述第一電容的電荷分享至所述第二電容；
步驟4、將所述第二電容和所述第三電容反向對接，所述第二電容和所述第三電容的電容被求差；
步驟5、將參考電壓接入所述反向對接的所述第二電容和所述第三電容進行採樣；
步驟6、通過運算放大器和第四電容放大所述採樣的信號，得到檢測結果。
進一步地，所述屏電容模塊包括兩路所述第一電容，其中，在第一路的所述第一電容充電的同時，第二路的所述第一電容依次進行所述分享、所述被求差和採樣，最後得到所述第一路的檢測結果；在第二路的所述第一電容充電的同時，第一路的所述第一電容依次進行所述分享、所述被求差和採樣，最後得到所述第二路的檢測結果。
進一步地，所述屏電容模塊包括四路所述第一電容，所述檢測模塊包括兩路檢測電路，其中，第一路所述檢測電路與第一路和第二路所述第一電容配合，第二路所述檢測電路與第三路和第四路所述第一電容配合；四路的檢測結果在時序上相互錯開輸出。
本發明還提供了一種電容屏觸摸檢測電路，包括充電模塊、電荷分享模塊、電荷求差模塊和採樣放大模塊，所述充電模塊、電荷分享模塊、電荷求差模塊和採樣放大模塊依次級聯，其特徵在於，所述充電模塊包括多組充電通道，每組所述充電通道包括第一開關和第一電容，驅動電壓經所述第一開關連接所述第一電容的正極，所述第一電容的負極接地；所述充電模塊還包括第二開關、第三電容和第四開關A，電源電壓Vdd經過所述第二開關連接所述第三電容的負極，所述第三電容的正極經過所述第四開關A接地。
進一步地，所述電荷分享模塊包括第三開關、第二電容和第四開關B，所述第三開關連接所述第一電容的正極和所述第二電容的正極，所述第二電容的負極通過所述第四開關B接地；所述電荷求差模塊包括第二電容、第三電容和第六開關，所述第二電容和所述第三電容通過所述第六開關實現正負極反向連接，其中，所述第六開關包括第六開關A、第六開關B和第六開關C；所述第六開關A連接所述第二電容的正極和所述第三電容的負極，所述第六開關B和第六開關C串聯後連接所述第二電容的負極和所述第三電容的正極；所述採樣放大模塊包括第七開關、第八開關、第四電容和運算放大器，參考電壓Vref經過所述第七開關連接所述第三電容的負極，所述第三電容的正極連接所述運算放大器的負輸入端，所述運算放大器的正輸入端連接所述參考電壓Vref，所述第八開關和所述第四電容均跨接於運算放大器的負輸入端和輸出端。
進一步地，所述電容屏觸摸檢測電路還包括清零模塊，所述清零模塊包括第五開關，所述第三開關和所述第二電容經過第五開關接地。
進一步地，所述充電模塊包括兩組充電通道。
進一步地，所述充電模塊包括四組充電通道，並且，所述電容屏觸摸檢測電路包括兩組所述電荷分享模塊、兩組所述電荷求差模塊和兩組所述採樣放大模塊，其中，兩組所述充電通道與一組所述電荷分享模塊、一組所述電荷求差模塊和一組所述採樣放大模塊配合，另兩組所述充電通道與另一組所述電荷分享模塊、另一組所述電荷求差模塊和另一組所述採樣放大模塊配合；所述電容屏觸摸檢測電路還包括第九開關和第十開關，所述第九開關和所述第十開關分別連接兩組所述採樣放大模塊的輸出端。
本發明在技術上實現了更高效的電路掃描；在經濟上能夠更好的帶動觸控螢幕快速觸控技術的發展，為產品帶來更好的用戶體驗，從而帶動相關產品的銷售與推廣，獲得更大的經濟效益；帶動社會觸控技術的革新與發展，使觸控效率得到大大提高，激發觸控領域的技術革新。
以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特徵和效果。
附圖說明
圖1是現有技術中的一路電容檢測電路的電路圖；
圖2是本發明的一個較佳實施例的一周期兩次掃描的電路圖；
圖3是本發明的一個較佳實施例的一周期兩次掃描的開關時序圖；
圖4是本發明的一個較佳實施例的對屏電容Ct充電的等效電路圖；
圖5是本發明的一個較佳實施例的對內置基準電容C3充電的等效電路圖；
圖6是本發明的一個較佳實施例的電荷分享等效電路圖；
圖7是本發明的一個較佳實施例的電荷求差的閉合迴路圖；
圖8是本發明的一個較佳實施例的採樣等效電路圖；
圖9是本發明的一個較佳實施例的放大等效電路圖；
圖10是本發明的另一個較佳實施例的一周期四次掃描的電路圖；
圖11是本發明的另一個較佳實施例的一周期四次掃描的開關時序圖。
具體實施方式
現有技術中的一路電容檢測電路如圖1所示，這個電路可在一個時鐘周期內實現一次對觸控螢幕電容信號的檢測。這種檢測方法既可同時檢測兩行或者兩列，即按照差分的方式工作，也可以每次只檢測一行或者一列，即單端工作模式。如果按照差分的工作模式，則圖1中的Ct1和Ct2則為兩行或者兩列的觸摸電容。如果按照單端工作模式，則圖1中的Ct1和Ct2中有一個為內置基準電容，另一個為行或列的觸摸電容。由於這兩種模式的實施方式基本一樣，下面只描述差分模式的工作原理，即同時檢測兩行或者兩列。這種檢測方法具體實現可以分為五步：充電、電荷分享、電荷求差、採樣和放大。這樣，當Vdriver＝18V、Ct＝50pF、Cs＝50pF、δ＝-3％、C0＝10pF時，圖1中處於保持階段時，Vout＝Vref，處於放大階段時，Vout＝Vref+0.675V，即對應於3％的電容變化轉換成了0.675V的電壓變化。現有技術的一路傳感電容掃描電路，無論是單端模式還是差分模式，一次只能識別一個電容傳感器，識別效率低下。
實施例1
為了使得觸控識別效率提高，本發明公開了「一路變兩路」的電容傳感器掃描電路，即一個時鐘周期內對兩路電容進行掃描檢測，實現了一個周期內的兩次掃描檢測。具體電路圖如圖2所示。本電路採用不同的時序來對兩路電容分別進行掃描檢測，圖3為兩路並行掃描電路時序圖。
簡單來說，當第一路的第一開關S1_0處於高電平(開關閉合)時，第一路屏電容Ct0(第一電容)開始充電；於此同時，第二開關S2和第四開關A S4_1處於高電平(開關閉合)時，內置基準電容C3(第三電容)開始充電；接著，當第一路的第三開關S3_0和第四開關B S4_2處於高電平(開關閉合)時，第一路屏電容Ct0(第一電容)開始電荷分享，即將第一路的第一電容Ct0內儲存的電荷分享給第二電容C2；再接著，第六開關S6(包括第六開關A S6_1、第六開關B S6_2和第六開關C S6_3)處於高電平(開關閉合)時，第二電容C2和第二電容C3正負極反向對接，第二電容C2和第二電容C3內的電荷被求差值，同時，當第七開關S7處於高電平(開關閉合)，運算放大器的負輸入端採樣到第二電容C2和第三電容C3求差後的輸出電壓，當第八開關S8處於低電平(開關打開)，通過放大電容C4(第四電容)使得運算放大器輸出端取得放大後的電壓。
再接著，當S6(包括S6_1、S6_2和S6_3)恢復到低電平(開關打開)時，C2和C3正負極被斷開，這時，第五開關S5處於高電平(開關閉合)，C2上存儲的電荷被清零，然後S5恢復處於低電平(開關打開)，第二路屏電容Ct1開始分享電荷至C2。後面第二路的求差、採樣和放大的過程和第一路類似。
第二路屏電容Ct1的充電過程和第一路屏電容Ct0分享電荷至C2的過程是同時進行的，相應地，第一路屏電容Ct0的充電過程和第二路屏電容Ct1分享電荷至C2的過程也是同時進行的。
具體地說，第一步：先對第一路屏電容Ct0和內置基準電容C3充電
根據圖3時序，第一路屏電容的開關S1_0、開關S2和開關S4閉合，實現對第一路電容Ct0和內部傳感器電容C3的充電。連接後的簡化電路圖如圖4和圖5所示。
Ct0上的電荷量為：
QCt0＝Vdriver*Ct0
C3上的電荷量為：
Q3＝-Vdd*C3
第二步：清空電容C2裡的電荷
當S5處於高電平時，即開關S5閉合，電容C2正極接地，C2中的電荷被清空。
第三步：再對第二路電容Ct1和內部傳感器電容C3充電
根據圖3時序第二路電容的開關S1_1、開關S2和開關S4閉合，實現對第二路電容Ct1和內部傳感器電容C3的再充電。連接後的簡化電路圖和如圖4和圖5類似，第二路電容充電完成後緊隨第一路電容進行如第四、第五、第六和第七步的步驟，此處不再贅述。
第四步：第一路電容進行電荷分享
將開關S2、S3和S4閉合，得到的電荷分享等效電路圖如圖6所示。此時將Ct0上的電荷轉移到C2上，其中，C2上的電壓為：
C2上的電荷量為：
第五步：第一路電容電荷求差和採樣
將S6閉合，形成的閉合迴路如圖7所示。若規定向左為正方向，則得到的電荷差值為：
將S6、S7和S8閉合，則得到如圖8所示的採樣等效電路圖，可以看出後面連接到一個電壓跟隨器，此時得出結論：
Vout＝Vref
第六步：放大
將開關S6和S7閉合，將S8斷開，即將可變電容C4接入反饋端，如圖9所示。由於V＝Q/C，因此可以通過降低C4的電容值而達到放大電壓的作用，
而∫ifdt＝-ΔQ，因此
當第一路電容完成充電後，第二路電容緊隨其後進行充電、電荷分享、電荷求差、採樣和放大的過程，兩路電容交替進行，大大提高了傳感器檢測的效率。
實施例2
如圖10所示，本發明的另一個實施例公開了「一路變四路」的電容傳感器掃描電路，使得觸控識別效率更高，同時節省電容掃描傳感電路的晶片面積。圖11為四路並行掃描電路時序圖。
簡單地說，當sensor0的S1_0處於高電平(開關閉合)時，sensor0的第一路電容開始充電；當sensor1的S1_0處於高電平(開關閉合)時，sensor1的第一路電容開始充電；當sensor0的S1_1處於高電平(開關閉合)時，sensor0的第二路電容開始充電；，當sensor1的S1_1處於高電平(開關閉合)時，sensor1的第二路電容開始充電；當sensor0的S3_0和S4處於高電平(開關閉合)時，sensor0的第一路電容開始電荷分享；當sensor1的S3_0和S4處於高電平(開關閉合)時，sensor1的第一路電容開始電荷分享；當sensor0的S3_1和S4處於高電平(開關閉合)時，sensor0的第二路電容開始電荷分享；當sensor1的S3_1和S4處於高電平(開關閉合)時，sensor1的第二路電容開始電荷分享；當S5處於高電平(開關閉合)時，電容清空電荷並開始處於充電的狀態；當S6、S7和S8處於高電平(開關閉合)時，電路進行求差和採樣的過程；當S8處於低電平(開關斷開)時，電路進行放大的過程。開關S9和S10分別用於控制Sensor0通道或Sensor1通道對ADC的輸出。
具體過程如下：
第1步：先對sensor0的第一路電容Ct0和sensor0的內置基準電容C3充電
根據時序sensor0的第一路電容的開關S0、開關S2和開關S4閉合，實現對sensor0的第一路電容Ct0和sensor0的內部傳感器電容C3的充電。
第2步：再對sensor1的第一路電容Ct0和sensor1的內部傳感器電容C3充電。
第3步：在電荷清空後對sensor0的第二路電容Ct1和sensor0的內部傳感器電容C3進行再充電。
第4步：在電荷清空後對sensor1的第二路電容Ct1和sensor1的內部傳感器電容C3進行再充電。
第5步：在充電完成後sensor0的第一路電容進行電荷分享
將開關sensor0的S2、S3和S4閉合，得到的電荷分享等效電路圖如圖6所示。此時將sensor0的第一路電容Ct0上的電荷轉移到C2上。
第6步：在充電完成後sensor1的第一路電容、sensor0的第二路電容和sensor1的第二路電容依次進行電荷分享。
第7步：將sensor0的S6閉合，sensor0的第一路電容進行電荷求差
第8步：sensor0的第一路電容進行採樣
將sensor0的S6、S7和S8閉合，可以看出後面連接到一個電壓跟隨器。
第9步：sensor0的第一路電容進行電壓放大
將sensor0的開關S6和S7閉合，將S8斷開，即將可變電容C4接入反饋端。
當第一路電容完成充電後，第二路電容緊隨其後進行充電、電荷分享、電荷求差、採樣和放大的過程，兩路電容交替進行；sensor1的第一路電容在進行電荷求差、採樣和放大後，S9閉合，輸出電壓至ADC。
第10步：sensor1的第一路電容在電荷分享結束後進行電荷求差、採樣和放大，然後，S10閉合，輸出電壓至ADC。
第11步：sensor0的第二路電容在電荷分享結束後進行電荷求差、採樣和放大，然後，S9閉合，輸出電壓至ADC。
第12步：sensor1的第二路電容在電荷分享結束後進行電荷求差、採樣和放大，然後，S10閉合，輸出電壓至ADC。
這樣一個周期性的過程便實現了在一個時鐘周期內進行四次採樣的高效操作。
以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。