經驗談之解決電容式觸摸屏應用中的噪聲問題

觸摸屏設備可能會在一天中受到許多不同噪聲源的干擾，既包含內部噪聲也包含外部噪聲。充電器和顯示器噪聲是當今兩種最常見的問題噪聲源。隨著市場上的充電設備變得越來越輕薄、噪聲越來越大，這種挑戰(zhàn)只會變得更加難以管理。此外，許多其他日常物件也會產生噪聲，引起干擾，如無線電信號、交流電源乃至熒光燈鎮(zhèn)流器等。在存在噪聲的情況下，低性能電容式觸摸系統(tǒng)報告的位置可能失真，從而影響準確度和可靠性。

今天的觸摸屏控制器采用各種不同的方法來提高信噪比，并從噪聲中過濾出不良數(shù)據(jù)，這些方法包括片上生成高壓發(fā)射信號、專業(yè)化硬件加速、高頻發(fā)射、自適應跳頻技術以及飽和防治技術。但是，觸摸技術不斷持續(xù)發(fā)展，涉及的方面包括：觸摸控制器如何利用上述特性，如何動態(tài)地適應于系統(tǒng)中存在的噪聲，以及如何在變化的環(huán)境條件下準確進行觸摸跟蹤。

注入噪聲造成的影響包括較大抖動(針對非移動手指報告的觸摸坐標變動很大)、沒有手指接觸屏幕卻誤報有手指觸摸、手指觸屏時卻不報告手指存在，而且甚至會造成設備完全鎖死等。如果以觸摸屏手機為例，這意味著無法對手機進行解鎖(因為無法報告手指的操控)，或者由于抖動或錯誤觸摸而撥錯號碼(本想深夜打給朋友的電話，結果卻錯撥給了老板，這問題可不小)。圖1顯示了使用目前市場上最暢銷的智能手機測試手指追蹤所獲得的結果(例如，用一個手指畫一個圈)。隨著噪聲的增加，手指在面板上的位置報告(如藍色所示)會出錯，而且會在面板上檢測到錯誤的觸摸(其他顏色所示)。

觸摸屏控制器如何應對噪聲影響，會對用戶觸摸界面的質量體驗造成重大影響。在噪聲條件下觸摸性能不佳，可能會導致客戶不滿，進而增加退貨量。由于各種噪聲之間存在差別，觸摸屏控制器需要能夠檢測、區(qū)分并應對這些噪聲，特別是兩種最容易引起問題的噪聲源：充電器和顯示屏噪聲。

充電器與共模噪聲

電容式觸摸屏設備的一大問題在于充電器發(fā)出高強度的高頻噪聲時觸摸性能會下降。一些移動設備在插入充電器時只提供有限的觸摸功能，或是在連接設備不適用的充電器時顯示不能使用該充電器的信息，以此來應對高噪聲充電器的問題。上述解決方案往最好了說也并不完善。快速瀏覽一下在線論壇和留言板上的相關信息，我們就能發(fā)現(xiàn)觸摸屏設備受充電器噪聲影響的問題很普遍，而且已經讓一些消費者感到很頭疼了。

USB正作為一種標準的充電接口在移動設備中快速推廣，這也催生了大量低成本的售后選配市場充電器。許多充電器更關注成本問題，而不重視性能，這些充電器采用廉價組件，或者缺乏能協(xié)助降低共模噪聲的特定組件。

設備的電源和接地供電電壓相對于地壓波動，但同時二者之間又保持相同的壓差，就會形成共模噪聲。這種波動僅在接地耦合手指觸摸屏幕時才會影響觸摸屏的性能。手指的電勢與地壓相同，手機電源和接地相對其波動，就會導致噪聲通過手指注入觸摸屏。注入的電荷量主要取決于噪聲的峰值對峰值電壓。

此外，電荷的傳輸量還受另外兩個因素的顯著影響：手指和觸摸屏之間的接觸面積，以及觸摸屏覆蓋透鏡的厚度。這兩個因素的影響可通過平行板電容器的電容方程式來理解：

電容越高，意味著注入觸摸屏的噪聲就越大。在這種情況下，電容平行板的一側由手指接觸區(qū)域形成，另一側由觸摸屏傳感器的接收電極形成。首先，隨著手指與觸摸屏接觸面積的增加，電容也相應成比例增加。不過，由于接收電極由極窄的行或列構成，因此實際起作用的是手指的直徑(參見圖2)。

一些OEM廠商使用較小手指(如7毫米)來測試其設備對充電器噪聲的抗擾能力。不過，這不能涵蓋所有使用案例。典型的手指直徑為9毫米，典型的拇指直徑為18到22毫米。如果只測試7毫米的手指，并不能確保拇指解鎖手機或操控滾動列表這樣的常見案例。事實上，如果我們來分析直徑的不同，那么22毫米的拇指注入的電荷是7毫米手指的3倍多!

手指和接收電極之間的距離(d)主要由觸摸屏覆蓋透鏡的厚度決定(見圖3)。典型的覆蓋透鏡厚度范圍從0.5毫米到1.0毫米不等。這就意味著具有 0.5毫米覆蓋透鏡的設備其“d”是1.0毫米覆蓋透鏡設備的一半，而電容則為2倍。換言之，0.5毫米覆蓋透鏡注入的噪聲是1.0毫米覆蓋透鏡的兩倍。隨著設備的外觀形狀向更輕薄的趨勢發(fā)展，覆蓋透鏡的厚度以及觸摸控制器承受更輕薄透鏡造成更大噪聲的能力也變得益發(fā)重要。

雖然充電器需要通過若干項產品認證，但對于共模噪聲并沒有什么相關的要求。2010年，一批手機OEM廠商就制定通用規(guī)范EN62684達成共識，用以管理充電器在頻率范圍內可允許的最大峰值對峰值電壓。該規(guī)范要求充電器產生的噪聲不得超過1Vpp(從1kHz到100kHz)，而在100kHz頻率以上則要求更低的電壓強度。典型的選配市場充電器并不遵循這一指導性要求。

雖然較低噪聲的充電器產生的噪聲在1–5Vpp之間，但噪聲較高的充電器的波動范圍則達到20–40Vpp，這就會產生巨量電荷轉移。注入電荷的量取決于噪聲的電壓幅度(Q=C*V)。雖然噪聲量很大，但觸摸屏控制器仍必須能檢測到引發(fā)幅度較小的電荷變化的手指。

電容式觸摸屏手機還面臨一種新型共模噪聲，那就是移動高清鏈接(MHL)，這是用來從手機向HDTV傳輸音頻視頻的標準接口。手機通過MHL適配器連接到HDTV，該適配器將手機的USB接口轉換成電視的HDMI接口。這種共模噪聲來源于電視電源，并會通過HDMI和USB線纜傳遞給手機。

更輕薄設備帶來的挑戰(zhàn)

現(xiàn)如今，輕薄即時尚。積極推出越來越薄的觸摸屏設備，特別是觸摸屏手機，面臨雙重問題：一是從顯示屏耦合到傳感器的噪聲增加;二是傳感器的寄生電容提高。

顯示屏生成的噪聲相對于充電器噪聲而言強度要低很多，但對觸摸性能產生的影響很大，因為其距離觸摸傳感器很近。雖然AMOLED顯示屏很安靜(但比 LCD更昂貴)，但如今市場上大多數(shù)還都是噪聲更高的ACVCOM和DCVCOM型LCD顯示屏。這種顯示屏的常用電極VCOM層就是噪聲的來源。讓我們回過頭來再討論一下方程式(1)，這次是要確定平行板電容器在觸摸傳感器中指定接收電極和顯示屏VCOM層之間所產生的電容的大小。這里，面積“A”就是接收電極的全部面積，由于顯示屏覆蓋整個屏幕，因此距離“d”就是接收電極和VCOM層之間的距離。

此前，觸摸屏設備采用氣隙或屏蔽層來保護觸摸傳感器不受顯示屏噪聲耦合至接收電極的影響。不過，這些解決方案會增加厚度和成本(4英寸顯示屏的屏蔽層增加了多達1.00美元的成本)?，F(xiàn)在，隨著設備變得越來越薄，氣隙和屏蔽層都被取消，而且觸摸傳感器采用光學透明膠(OCA)直接連接至顯示屏。這就導致傳感器的接收電極更靠近噪聲較高的VCOM層，從而就會縮短“d”、增加電容，并耦合更多噪聲。由于OCA(電介質常量 為3)取代氣隙(電介質常量 為1)，因此電容會進一步提升。輕薄式產品的下一個發(fā)展趨勢就是觸摸傳感器的部分或全部都需要集成在顯示屏中，也就是所謂的in-cell(內嵌式觸控)、On-cell(外掛式觸控)。這樣的顯示屏集成協(xié)議棧會讓傳感器的接收電極更接近顯示屏的VCOM層，從而耦合更多噪聲。

外形更輕薄產品發(fā)展的第二個問題就是觸摸傳感器的寄生電容(CP)增加。為了想辦法讓整體協(xié)議棧變得更薄，ITO基板層(由玻璃或PET制成)需要越來越薄。這就縮短了傳感器發(fā)射和接收電極之間的距離，從而增加了電容。CP升高在掃描觸摸面板時就需要更長時間的充電和放電，這就減小了掃描面板的最大頻率。這樣做的問題在于，我們希望掃描頻率更高，因為較高頻段的噪聲通常較小。此外，掃描時間延長也意味著功耗增加和刷新率下降。

解決噪聲問題

由于噪聲源眾多，因此觸摸屏控制器需要適應于在既定時間內系統(tǒng)中存在的不同噪聲大小和類型。要確保具有最高穩(wěn)健性的抗噪性，首要關注的因素就是信噪比(SNR)。我們可通過以下幾種不同特性來提高信噪比。

提高信噪比的主要方法之一就是采用非常高的發(fā)射電壓來掃描觸摸屏的傳感器。原始SNR與發(fā)射電壓成正比，因而越大越好。過去，高電壓發(fā)射對于許多觸摸屏控制器來說都一直是個挑戰(zhàn)，只能通過采用外部高電壓模擬電源(有時這會大幅增加功耗，而且大多數(shù)消費類手持設備都無法支持)才能支持，或者需采用較大且昂貴的外部組件，如開關穩(wěn)壓器等。上述兩種方法都會額外增加設備的成本。而現(xiàn)在，新型觸摸屏控制器能通過內部電荷泵生成片上高電壓發(fā)射。

另一個提高SNR的方法就是采用專門的硬件加速機制。雖然要確保噪聲條件下的觸摸性能非常重要，但占用很多CPU的資源來運行噪聲過濾算法會降低刷新率，進而提高功耗。通過采用可與CPU并行工作的專有硬件就能保持目標刷新率和功耗，同時提高噪聲條件下的信噪比，而賽普拉斯的Tx-Boost技術就是一個典范，能將現(xiàn)有的SNR提升到3倍高。

觸摸傳感器的掃描頻率會對噪聲環(huán)境下的觸摸性能產生很大影響。如果噪聲頻率接近掃描面板的頻率，就可能造成觸摸數(shù)據(jù)損壞。在此情況下，我們可通過自適應跳頻技術來將掃描頻率更改到噪聲幅度足夠低的水平，避免數(shù)據(jù)損壞。但是，跳頻的效果有限，取決于可選的發(fā)射頻率范圍以及存在噪聲的頻率范圍。一些充電器會在整個頻率范圍內釋放大量噪聲，因而難以找到無干擾的區(qū)域。較大充電器噪聲的基本頻率為1kHz到300kHz，頻率較高時諧波幅度則較低。我們可在 300kHz到500kHz范圍內采用高頻掃描來解決這個問題，從而徹底避免最高幅度噪聲頻帶和最初的一些諧波。另外，這種方法也能在遠離LCD噪聲頻率范圍的情況下改進顯示屏的抗噪性。

雖然提高SNR的技術很多，但如果噪聲確實非常高，高到完全飽和觸摸屏控制器的接收通道，那么上述改進并不能避免觸摸數(shù)據(jù)損壞。信號處理需要依靠輸出線性結果的模擬前端。如果受噪聲源耦合到大量電荷的影響，輸出持續(xù)鎖定為最大值，那么觸摸屏可能根本就無法使用。要解決這個問題，我們可提高接收通道的范圍，使其能夠應對更大量的電荷。這通常會增加額外的芯片面積，也就是說電容更大。解決這個問題的另一種方法是在接收通道前拆分原始信號，從而降低噪聲，但我們也必須注意，這也會將信號與手指本身分離。

顯示屏和充電器噪聲并不是什么新問題，但噪聲較高的充電器和較薄的顯示屏確實是觸摸屏控制器提高抗噪能力必須要面臨的問題。為了應對更高幅度的噪聲，今天的控制器采用一系列組合特性來提高信噪比，盡可能避免噪聲。說到底，消費者希望設備的觸摸性能保持一致，不會因連接充電器或靠近噪聲較大的熒光燈而影響性能。隨著噪聲難題的不斷變化，觸摸屏控制器也將持續(xù)發(fā)展，確保提供始終一致的性能。