如何设计一个触摸屏感应电容触控系统

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上传日期: 2020-11-25

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标签:触摸屏(1157)控制器(7348)传感器(22057)

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。

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