從控制器角度談感應電容觸控系統的設計挑戰
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自2007年iPhone出現后，感應電容觸摸屏的應用范圍就在不斷擴大。盡管如此，真正把感應電容觸摸屏集成到設備中仍存在著(zhù)很大的挑戰，尤其在液晶顯示器(LCD)、外圍器件產(chǎn)生干擾及嘈雜的環(huán)境中。有效的解決方案之一是使用高信噪比(SNR)的觸摸屏控制器來(lái)對抗噪聲。一個(gè)高信噪比控制器還會(huì )有其它優(yōu)勢，下面將會(huì )詳細描述。
SNR定義為信號(有用的信息)和噪聲(無(wú)用信號)的功率比。如果信號和噪聲在相同的負載下測量，SNR可以通過(guò)計算幅度均方根(RMS)的平方獲得。功率比的值(PS/PN)通常很大，通常用對數(dB)來(lái)描述。SNR可以表示為：
高SNR意味著(zhù)測到的信號強度比背景噪聲高。
整體觸控性能
主要由兩個(gè)器件決定整體觸控性能：觸摸屏傳感器和觸摸屏控制器。觸摸屏傳感器種類(lèi)繁多，它們的名稱(chēng)形象的說(shuō)明了其形狀和結構，例如三角形、菱形、雪花形、條形等等。例如，“菱形”是菱形的網(wǎng)格結構，而“條形”是行列交叉的網(wǎng)格，像一個(gè)城市的街道。一些傳感器類(lèi)型使用一層ITO，而其它的則需要兩層或三層，這決定于所需的系統性能和觸摸屏控制器芯片。
通常要根據觸摸屏控制器結構來(lái)決定觸摸屏傳感器樣式和層結構(“堆疊”)以最大化SNR。例如，在單層互容帶有交叉(搭橋)的菱形樣式中，觸摸屏表面到ITO的X層和Y層的距離是一樣的，這降低了增益誤差并使行和列的SNR很接近。盡管如此，仍需要增加一層屏蔽層防止傳感器受到LCD噪聲干擾。使用高SNR的觸摸屏控制器可以降低觸摸屏傳感器的成本，放寬設計限制，使用更多的樣式和層結構。正如下面將要討論的一樣，高SNR觸摸屏控制器還可提供額外的好處，例如較容易找到觸摸中心，降低了觸摸屏對環(huán)境噪聲的靈敏度，并允許使用手套或尖導電筆。
控制器架構
自容式和互容式[1]是兩種主要的電容觸摸屏感應檢測技術(shù)，自容式和互容式的特性簡(jiǎn)單歸納如下：
自容式
●今天仍在使用的早期技術(shù)。
●受限于“鬼點(diǎn)”(相對于真實(shí)觸摸位置的錯誤觸摸位置)，通常為一點(diǎn)觸摸或兩點(diǎn)觸摸。
●菱形樣式最普遍。
●對LCD噪聲抑制較差。
●簡(jiǎn)單，低成本控制器。
互容式
●正在攻占市場(chǎng)的新一代設計。
●真正的兩點(diǎn)或多點(diǎn)觸摸。
●較高的精度。
●傳感器樣式設計更加靈活，這有助于最大化SNR。
●較好的噪聲抑制。
●更復雜，高成本控制器。
很多應用僅需要一個(gè)或兩個(gè)觸點(diǎn)，因此自容方案更有吸引力，尤其當用戶(hù)界面的觸摸位置可控以消除“鬼點(diǎn)”的時(shí)候。自容方案的典型SNR超過(guò)30dB，通常需要在LCD和傳感器的觸摸層底部之間增加屏蔽層，這會(huì )增加成本，降低顯示亮度。
其它技術(shù)可被用到自容方案以進(jìn)一步提高SNR。這包括(a)增加每通道的采樣數；(b)增加傳感器驅動(dòng)電壓，這增加了固定噪聲(如來(lái)自L(fǎng)CD的噪聲)下的信號幅度；(c)在不同頻率采樣以避免固定頻率干擾，如避開(kāi)60Hz(這被稱(chēng)為“頻率抖動(dòng)”)。盡管如此，該技術(shù)通常會(huì )降低幀率，增加功耗，這兩樣都是不希望的。
從以上討論中可以很清楚地看出，為了最大化SNR并支持兩點(diǎn)或多點(diǎn)的觸摸，互容式是最有希望的感應檢測技術(shù)。圖1的系統框圖歸納了互容式的實(shí)現方法，即把一個(gè)激勵信號加在觸摸屏傳感器電容的一極，把另一極連接到觸摸屏控制器的模擬前端(AFE)，AFE的輸出被轉化成數字格式并在數字信號處理器(DSP)中進(jìn)行進(jìn)一步處理。
圖1. 互容式系統框圖
設計挑戰
當把電容觸摸屏傳感器集成到觸控設備中時(shí)會(huì )遇到很多技術(shù)挑戰。下文所述情況均可受益于高SNR的觸摸屏控制器。
傳感器層設計：如今存在各種各樣的觸摸屏傳感器層結構，分別對應材料、厚度、性能和成本的不同要求。如圖2所示。而單層還是多層襯底，“向上”還是“向下”架構，X和Y層厚度的變化，透光膠(OCA)厚度的變化以及其它因素都會(huì )影響傳感器產(chǎn)生的信號幅度。由于高SNR觸摸屏控制器可以處理較寬動(dòng)態(tài)范圍的觸摸屏傳感器信號，結構差異引起的影響會(huì )被削弱。這就給了設計者更多的自由去選擇傳感器層結構。
圖2. 一種互容式觸摸屏傳感器的層結構(與實(shí)物不成比例)。
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