CN102200869A - 电容式触控装置及其感测装置 - Google Patents

Abstract

一种电容式触控装置及其感测装置。感测装置包括参考电容模块、开关模块、积分电路以及控制电路。开关模块接收控制信号、第一参考电压及第二参考电压，并依据控制信号使参考电容模块及电容式触控板分别耦接第一及第二参考电压或使参考电容模块耦接至电容式触控板上的感测电容。积分电路接收调整电压，并针对参考电容模块及感测电容所储存的电荷量的电荷差值来进行积分，并借以获得积分结果。控制电路在电容式触控板未被触碰时，依据积分结果产生电压调整信号来调整调整电压。本发明使电容式触控板在进行触碰检测时，可以不需要考虑到触控装置中的电路元件及布线所产生的等效电容误差，更准确的检测出电容式触控板上的电容变化。

Description

电容式触控装置及其感测装置

技术领域

本发明涉及一种电容式触控装置，且特别涉及一种电容式触控装置的电容变化的感测装置。

背景技术

在消费性电子产品日益普及化的今天，为提供更为人性化的人机界面，触控板已成为多种电子产品的必要配备。而在现今的技术领域中，触控板又可概分为电容式触控板以及电阻式触控板。

电容式触控板主要是依据当触控板被使用者碰触时所产生的电容变化来进行触碰点的检测。其中，一种所谓的电荷转移电容的测量电路(chargetransfer capacitance measurement circuit)常被应用来进行电容式触控板的触碰点的检测。请参照图1，图1示出公知的电容式触控装置的感测装置100。在感测装置100的操作上，首先导通开关S3以使残存在电容Cc上的电荷可以被完全的清除。接着导通开关S1，并使触控板上感测电容Cs可以被充电到参考电压VDD的电压电平。

在感测电容Cs完成充电后，关闭掉开关S1、S3并导通开关S2，以使储存在感测电容Cs上的电荷部分转移到电容Cc上，直到这个电荷转移动作完成(感测电容Cs与Cc耦接端的电压Vint稳定时)为止。然后再通过重复的导通及断路开关S1(同时断路及导通开关S2)，使电压Vint超过参考电压Vref并使比较器CMP1的输出发生转态。计数器110则计数比较器CMP1输出的转态状况，再通过控制电路120来得知比较器CMP1输出的转态的时间，并进而获知感测电容Cs的电容变化，进以检测出触碰的状态。

由于感测电容Cs的电容变化约略只有1％～5％，因此计数器110所能获得的计数值的变化也不会太大，相对的，感测装置100的敏感度就不会太高。而为了使计数值的变化可以变大，公知技术也通过提高电容Cc的电容值。但这种作法却又增加了电路的成本。

发明内容

本发明提供一种感测装置，用以检测电容式触控板的电容变化。

本发明提供一种电容式触控装置，准确的检测出其电容式触控板的电容变化。

本发明提出一种感测装置，用以检测电容式触控板的电容变化。感测装置包括参考电容模块、开关模块、积分电路以及控制电路。开关模块耦接参考电容模块及电容式触控板，接收控制信号、第一参考电压及第二参考电压，并依据控制信号使参考电容模块及电容式触控板分别耦接第一及第二参考电压或使参考电容模块耦接至电容式触控板。积分电路具有第一、二输入端，其第一输入端耦接参考电容模块与电容式触控板的共同耦接点，其第二输入端接收调整电压。积分电路在以调整电压为基准下，针对参考电容模块及电容式触控板所储存的电荷量的电荷差值来进行积分，并借以获得积分结果。控制电路耦接积分电路，在电容式触控板未被触碰时，控制电路依据积分结果产生电压调整信号来调整调整电压。

在本发明的一实施例中，上述的参考电容模块包括多个电容以及多个开关单元。所有的电容的一端共同耦接开关模块，而各开关单元分别串接于第二参考电压与各电容间。所有的开关单元的控制端则耦接控制电路。

在本发明的一实施例中，上述的控制电路更包括在电容式触控板未被触碰时，依据积分结果来控制各开关单元的导通与否，以调整参考电容模块的电容值。

在本发明的一实施例中，上述的感测装置更包括模拟数字转换器。模拟数字转换器串接在积分电路与控制电路的耦接路径间。模拟数字转换器接收积分结果并将积分结果由模拟格式转换为数字格式。

在本发明的一实施例中，上述的感测装置更包括数字模拟转换器，串接积分电路与控制电路间。数字模拟转换器接收电压调整信号并转换数字格式的电压调整信号为模拟格式。

在本发明的一实施例中，上述的开关模块包括第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关。第一开关串接在参考电容模块与积分电路间。第二开关串接在参考电容模块与第一参考电压间。第三开关串接在电容式触控板与积分电路间。第四开关串接在电容式触控板与第二参考电压间。其中，第一、二、三、四开关接受控于控制信号，且第一、三开关与第二、四开关的导通或关闭状态相反，第一开关与第三开关的导通或关闭状态相同，且第二开关与第四开关的导通或关闭状态相同。

在本发明的一实施例中，上述的积分电路包括运算放大器、积分电容以及第一、二及第三积分开关。运算放大器的第一输入端耦接积分电路的第一输入端，其第二输入端耦接积分电路的第二输入端，其输出端产生积分结果。积分电容的一端耦接运算放大器的第一输入端，第一积分开关的一端与运算放大器及积分电容共同耦接，其另一端耦接运算放大器的输出端。第二积分开关串接在积分电容的另一端与运算放大器的输出端间。第三积分开关的一端接收积分起始电压，其另一端与积分电容及第二积分开关共同耦接。

在本发明的一实施例中，上述的第二积分开关与第三积分开关的导通关闭状态相反，第一、三积分开关的导通关闭状态相同。

本发明提出一种电容式触控装置，包括电容式触控板以及感测装置。电容式触控板具有多个感测电容。感测装置耦接电容式触控板用以检测各感测电容的电容变化。感测装置包括参考电容模块、开关模块、积分电路以及控制电路。开关模块耦接参考电容模块及电容式触控板。开关模块接收控制信号、第一参考电压及第二参考电压，并依据控制信号使参考电容模块及感测电容分别耦接第一及第二参考电压或使参考电容模块耦接至电容式触控板的其中之一。积分电路具有第一、二输入端，其第一输入端耦接参考电容模块与感测电容的其中之一的共同耦接点。其第二输入端接收调整电压，并针对参考电容模块及感测电容的其中之一所储存的电荷量的电荷差值来进行积分，并借以获得积分结果。控制电路耦接积分电路，在电容式触控板未被触碰时，依据积分结果产生电压调整信号。

基于上述，本发明通过在电容式触控板未被触碰时，检测积分电路输出的积分结果来获知积分电路两输入端间的等效电容的差异，并依据积分结果来改变调整电压以降低上述等效电容的差异。进以使电容式触控板在进行触碰检测时，可以不需要考虑到触控装置中的电路元件及布线所产生的等效电容误差，更准确的检测出电容式触控板上的电容变化。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1示出公知的电容式触控装置的感测装置100。

图2为示出本发明的一实施例的感测装置200的示意图。

图3为示出本发明的另一实施例的感测装置300的示意图。

图4为示出本发明实施例的感测装置300的动作波形图。

图5为示出本发明实施例的参考电容模块310的一实施方式。

图6为示出本发明的一实施例的电容式触控装置600的示意图。

图7示出电容式触控装置600的动作波形图。

上述附图中的附图标记说明如下：

100、200、300、601：感测装置

110：计数器

210、310、610：参考电容模块

220、320、620：开关模块

230、330、630：积分电路

240、120、340、640：控制电路

350、650：模拟数字转换器

360、660：数字模拟转换器

600：电容式触控装置

Vzr：积分起始电压

OPAMP1：运算放大器

S1～S3、Sp0～Sp4、Sn0～Sn4、Sa、Sb、Sa’：开关

SW1～SWM：开关单元

Vint：电压

CMP1：比较器

TPAD：电容式触控板

TI1、TI2、TC：端点

Vcm1、Vcm1_1：调整电压

CTRL：控制信号

VDD、GND：参考电压

OUT、OUT_1：积分结果

Cp1～Cp4、Cref、Cc、Cs、Cint、C1～CM：电容

T1～T2：时间周期

具体实施方式

首先请参照图2，图2为示出本发明的一实施例的感测装置200的示意图。其中的感测装置200用以检测电容式触控板TPAD上的一感测电容Cp的电容变化。感测装置200包括参考电容模块210、开关模块220、积分电路230以及控制电路240。开关模块220耦接参考电容模块210及该感测电容Cp。积分电路230具有第一、二输入端TI1、TI2，其第一输入端TI1耦接参考电容模块210与该感测电容Cp的共同耦接点TC，其第二输入端TI2接收调整电压Vcm1。控制电路240则耦接积分电路230及参考电容模块210并提供调整电压Vcm1至积分电路230以及用来调整参考电容模块210的电容值的调整信号。

开关模块220接收控制信号CTRL、第一参考电压VDD及第二参考电压GND。开关模块220并依据控制信号CTRL使参考电容模块210及感测电容Cp分别耦接第一及第二参考电压VDD、GND或使参考电容模块210和感测电容Cp一同耦接至积分器输入端TC。简单来说，在本实施例中，开关模块220会依据控制信号CTRL的状态(例如控制信号CTRL呈现逻辑高电平)使参考电容模块210耦接到电压电平较高的第一参考电压VDD以进行充电，并同时使感测电容Cp耦接到电压电平较低的第二参考电压GND以进行放电。相反的，若控制信号CTRL呈现逻辑低电平时，开关模块220则会使参考电容模块210及感测电容Cp共同耦接至耦接点TC，以进行参考电容模块210及感测电容Cp间的电荷转移。

在此请注意，上述开关模块220依据控制信号CTRL的逻辑高低电平来改变参考电容模块210及感测电容Cp的耦接状态的方式仅只是一个范例，并不用以限缩本发明。另外，上述的实施方式也可以变更第一参考电压为参考电压GND，并变更第二参考电压为参考电压VDD。并将参考电容模块210耦接到第一参考电压GND进行放电，而将感测电容Cp耦接到第二参考电压VDD，也同样可以实施本实施例。

积分电路230则用在针对参考电容模块210及感应电容Cp所储存的电荷量的电荷差值来进行积分，并借以获得积分结果OUT。进一步来说，在参考电容模块210及感测电容Cp分别完成通过参考电压VDD及GND的充放电动作后，而被耦接在耦接端TC时，控制电路240提供调整电压Vcm1给积分电路230，并借以计算参考电容模块210及感测电容Cp中所储存的电荷量的差值。简单来说，参考电容模块210所储存的电荷量等于Cref·(VDD-Vcm1)，而感测电容Cp中所储存的电荷量则等于Cp·(Vcm1-GND)，而电荷差值则为Cref·(VDD-Vcm1)-Cp*(Vcm1-GND)。

在此请注意，由于感测装置200中的电路元件的差异以及其间的线路布局的影响，积分电路230的两输入端所看到的等效电容是无法预期的。在本实施例的控制电路240的调整动作下，这些不可预期的现象所可能造成的感测电容Cp的电容变化检测的误差都可以被消除。

在控制电路240完成了Vcm1的调整工作后，感测装置200便可以结束调校的动作，并实际依据积分结果OUT来获知电容式触控板TPAD的触碰状态。而由于积分电路230仅针对电容式触控板TPAD被触碰所产生的感测电容Cp的变化进行积分，因此针对积分结果OUT进行触碰状态检测的解析度将可以有效的增加。

接着请参照图3，图3为示出本发明的另一实施例的感测装置300的示意图。感测装置300用以检测电容式触控板TPAD内感测电容Cp的电容变化，包括参考电容模块310、开关模块320、积分电路330、控制电路340、模拟数字转换器350以及数字模拟转换器360。其中，开关模块320包括开关Sp0、Sn0、Sp1及Sn1。开关Sp0串接在参考电容模块310与积分电路330间，开关Sn0串接在参考电容模块310与第一参考电压VDD间。开关Sp1串接在感测电容Cp与积分电路330间，开关Sn1串接在电容式触控板TPAD与第二参考电压GND间。

请注意，开关Sp0与开关Sn0的导通或断路的状态相反，开关Sp1与开关Sn1的导通或断路的状态相反。而开关Sp1与开关Sp0的导通或断路的状态相同，且开关Sn1与开关Sn0的导通或断路的状态相同。

积分电路330包括运算放大器OPAMP1、积分电容Cint以及积分开关Sa、Sb、Sa’。运算放大器OPAMP1的第一输入端耦接积分电路330的第一输入端，其第二输入端耦接积分电路330的第二输入端，其输出端产生积分结果OUT_1。积分电容Cint的一端耦接运算放大器OPAMP1的第一输入端，其另一端耦接积分开关Sa及Sb。积分开关Sa的另一端接收积分起始电压Vzr，积分开关Sb的另一端则耦接运算放大器OPAMP1的输出端。另外，积分开关Sa’跨接在运算放大器OPAMP1的第一输入端及输出端间。

在感测装置300的动作细节方面，请同时参照图3及图4，其中图4为示出本发明实施例的感测装置300的动作波形图。首先，感测装置300需进行初始化的动作，也就是积分开关Sa、Sa’被导通(图4示出Sa、Sa’为高电平代表积分开关Sa、Sa’被导通)，而积分开关Sb则被断路(切断)，使积分电路330会进行重置(reset)的动作。在完成积分电路330的重置动作后，积分开关Sa、Sa’被断路，而积分开关Sb则被导通。开关Sp0、Sp1依据控制信号CTRL重复依序导通及断路的动作(开关Sn0、Sn1对应相反于开关Sp0、Sp1重复依序断路及导通)，使感测电容Cp及参考电容模块310中所储存的电荷差值，转换储存到积分电容Cint中。在开关Sp0、Sp1进行N次(N为正整数)的导通并断路的动作后，利用取样信号ADCS来取样积分电路所产生的积分结果OUT_1如下数学式(1)所示：

$\mathrm{OUT}\_1=\mathrm{Vzr}+\frac{[\mathrm{Cp}\·\mathrm{Vcm}1-\mathrm{Cref}\·(\mathrm{VDD}-\mathrm{Vcm}1)}{\mathrm{Cint}}\×N---\left(1\right)$

假定调整电压Vcm1＝VDD/2+dV、C＝Cp-Cn，且dC＝Cref-Cn，其中Cn为电容式触控板TPAD的初始(未被触碰时)电容值。数学式(1)可以改写为如下所示的数学式(2)：

$\mathrm{OUT}\_1=\mathrm{Vzr}+[\frac{\mathrm{\ΔC}}{\mathrm{Cint}}\·\frac{\mathrm{VDD}}{2}+\frac{2\mathrm{Cn}\·\mathrm{dV}-\mathrm{dC}\·\frac{\mathrm{VDD}}{2}}{\mathrm{Cint}}]\×N---\left(2\right)$

其中的

为用来检测电容式触控板TPAD被触后的电容变化的有效数值，而

为希望被调降的值(调整为0为最佳)。

因此，dV可以被设定等于(dC/4Cn)*VDD，而控制电路340可以依此求出最佳的调整电压Vcm1的电压值。另外，由数学式(2)也可以获知，控制电路340也可以通过调整参考电容模块310的电容值Cref来调整dC，达到使

降到最低的需求。

并且，在经过控制电路340适当的调整后，积分结果OUT_1可更进一步的改写成下示的数学式(3)：

$\mathrm{OUT}\_1=\mathrm{Vzr}+[\frac{\mathrm{\ΔC}}{\mathrm{Cint}}\·\frac{\mathrm{VDD}}{2}]\×N---\left(3\right)$

请重新参照图3，在本实施例中，感测装置300更在积分电路330与控制电路340间建构了模拟数字转换器350以及数字模拟转换器360。这种架构是应用在控制电路340为一个依据数字信号来进行处理的控制电路。因此，积分电路330所产生的模拟的积分结果OUT_1需经过模拟转数字的格式转换来产生数字的积分结果OUT以传输至控制电路340。相同道理的，控制电路340传送数字格式的调整电压Vcm1_1并通过数字模拟转换器360进行数字转模拟的格式转换以产生模拟的调整电压Vcm1以提供给积分电路330。

以下请参照图5，图5示出本发明实施例的参考电容模块310的一实施方式。其中，参考电容模块310包括电容C1～CM以及开关单元SW1～SWM共M个电容及开关单元，其中的M为正整数。电容C1～CM的一端共同耦接至开关模块320，开关单元SW1～SWM分别串接在电容C1～CM的另一端与第二参考电压GND间。开关单元SW1～SWM均受控于控制电路340来进行导通或关闭的动作。在此，电容C1～CM可以利用多个不同电容值的电容来建构，并当控制电路340要选择其中的一个电容(例如电容C3)的电容值时，则对应只导通开关单元SW3即可。或电容C1～CM也可以用电容值相同的电容来建构，并通过导通开关单元SW1～SWM的个数，来选择电容模块310所提供电容值。

请参照图6，图6为示出本发明的一实施例的电容式触控装置600的示意图。电容式触控装置600包括由具有多个感测电容Cp1～Cpx的电容式触控板TPAD以及感测装置601。感测装置601则包括参考电容模块610、开关模块620、积分电路630、控制电路640、模拟数字转换器650以及数字模拟转换器660。其中的开关模块620对应感测电容Cp1～Cpx以及参考电容模块610配置开关Sp0～Spx及Sn0～Snx。在电容式触控装置600的动作方面，请参照图7，图7为示出电容式触控装置600的动作波形图。其中，在时间周期T1间，感测装置601针对感测电容Cp1进行电容变化的检测，在时间周期T2间，感测装置601针对感测电容Cp2进行电容变化的检测，并在下一个或多个时间周期中，依序对不同的电容式触控板进行电容变化的检测(例如图7所示出的在时间周期T3及T4分别针对感测电容Cp3、Cp4进行电容变化的检测)。

值得一提的是，积分电路630的初始化的动作在每一个周期间都必须动作，因此积分开关Sa、Sa’及Sb在每一个周期的初始时，都会执行积分电路630的初始化所需的交互导通及断路的动作。

综上所述，本发明通过在电容式触控板未被触碰时，检测参考电容模块及感测电容间，在调整电压为基准的条件下，所产生的电荷差值来调整调整电压。使电容式触控板被触碰时，感测装置所检测到的积分结果可以单纯的只与电容式触控板的电容变化呈现比例关系。除提升感测装置的检测结果的准确性外，并在不需要大幅度的加大参考电容模块的电容值的情况下，提高电容式触控板的触碰状态判断的解析度，有效提电容式触碰装置的效能。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种感测装置，用以检测一电容式触控板的电容变化，包括：

一参考电容模块；

一开关模块，耦接该参考电容模块及该电容式触控板，接收一控制信号、一第一参考电压及一第二参考电压，依据该控制信号使该参考电容模块及该电容式触控板分别耦接该第一及第二参考电压或使该参考电容模块耦接至该电容式触控板；

一积分电路，具有第一、二输入端，其第一输入端耦接该参考电容模块与该电容式触控板的共同耦接点，其第二输入端接收一调整电压，在以该调整电压为基准下，针对该参考电容模块及该电容式触控板所储存的电荷量的一电荷差值来进行积分，并借以获得一积分结果；以及

一控制电路，耦接该积分电路，在该电容式触控板未被触碰时，依据该积分结果产生一电压调整信号来调整该调整电压。

2.如权利要求1所述的感测装置，其中该参考电容模块包括：

多个电容，所述多个电容的一端共同耦接该开关模块；以及

多个开关单元，各所述开关单元分别串接于该第二参考电压与各所述电容间，所述多个开关单元的控制端耦接该控制电路。

3.如权利要求2所述的感测装置，其中该控制电路还包括在该电容式触控板未被触碰时，依据该积分结果来控制各所述开关单元的导通与否，以调整该参考电容模块的电容值。

4.如权利要求1所述的感测装置，其中该感测装置还包括：

一模拟数字转换器，串接在该积分电路与该控制电路的耦接路径间，接收该积分结果并将该积分结果由模拟格式转换为数字格式。

5.如权利要求1所述的感测装置，其中该感测装置还包括：

一数字模拟转换器，串接该积分电路与该控制电路间，接收该电压调整信号并转换数字格式的该电压调整信号为模拟格式。

6.如权利要求1所述的感测装置，其中该开关模块包括：

一第一开关，串接在该参考电容模块与该积分电路间；

一第二开关，串接在该参考电容模块与该第一参考电压间；

一第三开关，串接在该电容式触控板与该积分电路间；以及

一第四开关，串接在该电容式触控板与该第二参考电压间，

其中，该第一、二、三、四开关接受控于该控制信号，且该第一、三开关与该第二、四开关的导通或关闭状态相反，该第一开关与该第三开关的导通或关闭状态相同，且该第二开关与该第四开关的导通或关闭状态相同。

7.如权利要求1所述的感测装置，其中该积分电路包括：

一运算放大器，其第一输入端耦接该积分电路的第一输入端，其第二输入端耦接该积分电路的第二输入端，其输出端产生该积分结果；

一积分电容，其一端耦接该运算放大器的第一输入端；

一第一积分开关，其一端与该运算放大器及该积分电容共同耦接，其另一端耦接该运算放大器的输出端；

一第二积分开关，串接在该积分电容的另一端与该运算放大器的输出端间；以及

一第三积分开关，其一端接收一积分起始电压，其另一端与该积分电容及该第二积分开关共同耦接。

8.如权利要求7所述的感测装置，其中该第二积分开关与该第三积分开关的导通关闭状态相反，该第一、三积分开关的导通关闭状态相同。

9.一种电容式触控装置，包括：

一电容式触控板，具有多个感测电容；以及

一感测装置，耦接该电容式触控板，并分别检测该电容式触控板的各所述感测电容的电容变化，包括：

一参考电容模块；

一开关模块，耦接该参考电容模块及所述多个感测电容，接收一控制信号、一第一参考电压及一第二参考电压，依据该控制信号使该参考电容模块及所述多个感测电容分别耦接该第一及第二参考电压或使该参考电容模块耦接至所述多个感测电容的其中之一；

一积分电路，具有第一、二输入端，其第一输入端耦接该参考电容模块与所述多个感测电容的其中之一的共同耦接点，其第二输入端接收一调整电压，针对该参考电容模块及所述多个感测电容的其中之一所储存的电荷量的一电荷差值来进行积分，并借以获得一积分结果；以及

一控制电路，耦接该积分电路，在所述多个电容式触控板未被触碰时，依据该积分结果产生一电压调整信号来调整该调整电压。

10.如权利要求9所述的电容式触控装置，其中该控制电路还包括在所述多个感测电容未被触碰时，依据该积分结果来控制各所述开关单元的导通与否，以调整该参考电容模块的电容值。

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