深入理解應(yīng)用廣泛的QMatrix技術(shù)

　　該場的耦合受到觸摸的衰減，因為人體將會分流掉以電弧的方式通過前面板的一部分場線。所吸收的部分再通過各個電容通道被人體輻射回去。耦合通過電極結(jié)構(gòu)的互電容的信號被收集到一個與驅(qū)動脈沖同步開關(guān)的采樣電容上(圖2)。利用一個脈沖串來改進(jìn)信噪比，每個脈沖串中的脈沖數(shù)量還影響到電路的增益，因為脈沖數(shù)越多，收集的電荷將越多，則收集的信號越強(qiáng)。通過調(diào)整脈沖串的長度，可以方便地改變電路的增益，使之適合于各類按鍵尺寸，面板材料以及面板厚度。


圖2  Qmatrix雙斜率電路
　　脈沖串產(chǎn)生第一個斜坡-即加到采樣電容上面的梯形信號，經(jīng)過電極誘導(dǎo)并通過交叉耦合進(jìn)行充電。脈沖串過后，將斜率電阻置高電平，對采樣電容進(jìn)行放電，直到將電荷放完而出現(xiàn)零交叉點為止。獲得零交叉點所需的斜坡時間取決于信號。該電路的雙斜坡特性保證了在很寬的工作溫度范圍內(nèi)電路的極端穩(wěn)定。

　　脈沖串過后，通過將斜率變換電阻置高電平，對采樣電容上的電荷進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過檢測到零交叉點來產(chǎn)生計時器的值，其值正比于X-Y電極電荷耦合，也反映了手指觸摸所引起的電荷吸收。手指觸摸吸收電荷，故被測信號隨著觸摸而減小。在脈沖串階段引起采樣電容上的電荷形成負(fù)向上的斜坡，而斜率轉(zhuǎn)換則引起電容器的正向斜坡。其結(jié)果是導(dǎo)致轉(zhuǎn)換過程的雙斜坡，其并不依賴于采樣電容的值，在時間和溫度范圍內(nèi)非常穩(wěn)定。

　　抗潮濕：該矩陣方案提供了雙重潮濕抑制特性，這在任何其他容性解決方案中都不具備。首先，存在局部水膜(例如凝露，薄霧或水珠)將會引起耦合信號的略微減小。 由于觸摸將會使信號減小，由潮濕所引起的對信號耦合的貢獻(xiàn)將處于“錯誤”的方向上，因此而不影響錯誤檢測。其次，出現(xiàn)大片可能引開電荷的潮濕水膜時，則利用將電荷的捕獲限制到緊隨脈沖邊沿的一個窄小時間窗口之內(nèi)的窄“門控”時間對其進(jìn)行抑制。由于水膜的建模模型是一個依賴于時間的分布式RC網(wǎng)絡(luò)，該門控時間(微秒數(shù)量級或更短)大大抑制了水膜引起的信號潛在降低的影響。其結(jié)果，QMatrix電路從本質(zhì)上抑制了水膜的影響，從而使其成為潮濕環(huán)境的理想選擇。

　　射頻干擾抑制：由于電極始終連接到一個低阻電路上，并且其電場是封閉的或者自屏蔽的，這對抑制外部干擾是非常關(guān)鍵的。 此外，所有的QMatrix器件都采用對抑制外部輻射和外部電場干擾非常有效的擴(kuò)頻技術(shù)。由該技術(shù)構(gòu)成的控制面板通過了場強(qiáng)大于20V/m的易受度例行測試。

矩陣布局設(shè)計

　　通過利用多條X驅(qū)動和Y接收線并將按鍵的電極設(shè)置到交叉點上來構(gòu)成多鍵矩陣。依時間按順序掃描按鍵，并以相同的方式來掃描機(jī)電鍵盤。QMatrix電極能感應(yīng)通過任何介電材料，如厚度可以高達(dá)50mm玻璃或塑料，具體取決于電極的大小和脈沖串長度(增益)的設(shè)置。

　　任意的按鍵尺寸和布局：按鍵的布置完全隨意，可以設(shè)置到面板的任意地方，并不一定要設(shè)置成圖示的矩形陣列。按鍵信號不交叉，故可以直接彼此相鄰。電極也能夠不受相鄰的接地金屬的影響，甚至可以將電極放置到機(jī)殼或接地面下方1毫米以內(nèi)的位置。X和Y線都不受接地平面和相鄰導(dǎo)體的影響，不過Y線周邊過多的接地會吸收一些收到的電荷，從而引起增益降低，故對Y線的容性負(fù)載有一些實際限制。鍵盤的尺寸、形狀和布局幾乎都是完全任意的，鍵盤的不同尺寸和形狀在一個鍵盤面板上可以混用，可以按平面域20:1的系數(shù)改變。通過串口的指令可以對每個按鍵的靈敏度進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置。有關(guān)電極設(shè)計在量研集團(tuán)的應(yīng)用手冊AN-KD01有更詳細(xì)的討論。


圖3  QT6-系列 QMatrix的設(shè)計實例，其中采用的是便宜的單面CEM-1 PCB材料。感應(yīng)場背對穿過PCB膠合層，其信號強(qiáng)度集中在前面板方向上。使用0歐姆的跳線器作為交叉

　　材料選擇：該電極被定義為2部分交織的電極，可以使用任何導(dǎo)體材料，如PCB銅線或銀線以及碳墨。電極是最普遍的傳統(tǒng)PCB或FPCB，可以膠貼到控制面板的后面。由于信號足夠強(qiáng)并很可靠，故芯片、電路和電極都可以被布置到PCB的遠(yuǎn)離觸摸平面的那一層上，所以可以采用非常便宜的單層沖壓型CEM-1 PCB，其價格通常比FR-4型便宜一半。如圖3所示，可以用0歐姆的跳線器來實現(xiàn)交叉，成本幾乎可以忽略不計。采用工業(yè)用膠將PCB粘接到前面板的背面。另一種節(jié)約成本的方法是采用具有沖孔并在兩面都有銀網(wǎng)的PET薄膠片來形成電極層。后來的方案是允許將膠片插入到具有QMatrix芯片和電路的控制器PCB中(圖4)。


圖4  利用銀線PET薄膜來實現(xiàn)QMatrix鍵盤。64個按鍵只需要16個互聯(lián)(8X + 8Y)