從控制器角度看感應(yīng)電容觸控系統(tǒng)

自2007年iPhone出現(xiàn)后，感應(yīng)電容觸摸屏的年銷售額已增長(zhǎng)了100倍，并且速度沒(méi)有減慢的跡象。本文描述了把感應(yīng)電容型觸摸屏集成到一個(gè)設(shè)備中時(shí)須面對(duì)的很多設(shè)計(jì)和應(yīng)用挑戰(zhàn)，并重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了控制器信噪比的重要性。

簡(jiǎn)介
自2007年iPhone出現(xiàn)后，感應(yīng)電容觸摸屏的應(yīng)用范圍就在不斷擴(kuò)大。盡管如此，真正把感應(yīng)電容觸摸屏集成到設(shè)備中仍存在著很大的挑戰(zhàn)，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(duì)抗噪聲。一個(gè)高信噪比控制器還會(huì)有其它優(yōu)勢(shì)，下面將會(huì)詳細(xì)描述。
SNR定義為信號(hào)（有用的信息）和噪聲（無(wú)用信號(hào)）的功率比。如果信號(hào)和噪聲在相同的負(fù)載下測(cè)量，SNR可以通過(guò)計(jì)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(duì)數(shù)（dB）來(lái)描述。SNR可以表示為：
SNRdB = 10log10(PS/PN) = 10log10(RMSS/RMSN)2= 20log10(RMSS/RMSN)
高SNR意味著測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)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。觸摸屏傳感器種類繁多，它們的名稱形象的說(shuō)明了其形狀和結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(tǒng)性能和觸摸屏控制器芯片。
通常要根據(jù)觸摸屏控制器結(jié)構(gòu)來(lái)決定觸摸屏傳感器樣式和層結(jié)構(gòu)（“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(shè)計(jì)限制，使用更多的樣式和層結(jié)構(gòu)。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(duì)環(huán)境噪聲的靈敏度，并允許使用手套或尖導(dǎo)電筆。
控制器架構(gòu)
自容式和互容式1是兩種主要的電容觸摸屏感應(yīng)檢測(cè)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(duì)于真實(shí)觸摸位置的錯(cuò)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(duì)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(shè)計(jì)。
真正的兩點(diǎn)或多點(diǎn)觸摸。
較高的精度。
傳感器樣式設(shè)計(jì)更加靈活，這有助于最大化SNR。
較好的噪聲抑制。
更復(fù)雜，高成本控制器。
很多應(yīng)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(dāng)用戶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(shù)；（b）增加傳感器驅(qū)動(dòng)電壓，這增加了固定噪聲（如來(lái)自LCD的噪聲）下的信號(hào)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(yīng)檢測(cè)技術(shù)。圖1的系統(tǒng)框圖歸納了互容式的實(shí)現(xiàn)方法，即把一個(gè)激勵(lì)信號(hào)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(zhuǎn)化成數(shù)字格式并在數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）中進(jìn)行進(jìn)一步處理。

圖1.互容式系統(tǒng)框圖。
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
當(dāng)把電容觸摸屏傳感器集成到觸控設(shè)備中時(shí)會(huì)遇到很多技術(shù)挑戰(zhàn)。下文所述情況均可受益于高SNR的觸摸屏控制器。