CN112332828A - 基于自电容触摸屏的充电电路、模拟接收电路及充电方法 - Google Patents

基于自电容触摸屏的充电电路、模拟接收电路及充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于自电容触摸屏的充电电路、模拟接收电路及充电方法，充电电路的电荷放大器的A输入端连接有反馈电容，反馈电容两端并联有开关Ca_rst，所述电荷放大器的A输入端依次经过开关P3和开关P1‑1后与屏体电容一端连接，所述开关P3与开关P1‑1之间的线路上设置连接有开关P1‑2和开关P2‑1，开关P2‑1连接在B输入端，对应的，开关P1‑3一端与B输入端连接，另一连接有开关P2‑2，其另一端接地，本发明所述的充电电路及充电方法可以解决任何自电容式触摸屏出现的屏体电容无法达到需要电势的问题，适用于任何自电容式触摸屏，应用范围更广。

Description

基于自电容触摸屏的充电电路、模拟接收电路及充电方法
技术领域
本发明涉及充电电路技术领域，具体涉及一种基于自电容触摸屏的充电电路、模拟接收电路以及充电方法。
背景技术
众所周知，具有触控感应功能的电子***包含触控区，可供使用者的手指或触控笔进行接触。电容式触控技术多半使用在中小型尺寸的触控荧屏上，成为市场上应用量最大的主流技术。
使用电容触控式技术的触控荧屏，通常包含叠加在荧屏之上的触控板，以供使用者的手或触控笔接触使用，触控板内部包含有多条导线，每一条导线都耦接到触控感应装置内的触控感应电路。
电容触控式技术主要分为两种，一种是自电容触控技术，一种是互电容触摸技术。这两种技术都是依赖手指或触控笔靠近触控板的导线时，所造成导线上电容值的变化，通过测量驱动电位的压降来得知触控点的位置。
通过检测电容传输的能量来检测屏体电容，屏体电容一端接地，信号检测处理电路接到屏体电容另一端，根据接收点信号电平高低判断电容发生改变的位置(如图1所示)。
启动之时需要先给屏体电容进行充电，存储电荷，通过手指或者触控笔接触触控屏幕，会引起屏体电容里面储存的电荷改变，输出也会引起变化。
如图3所示，电容屏基本工作原理的最初想法：人是假想的接地物(零电势体)，给触摸屏通上一个很低的电压，当用户触摸屏幕的时候，由于是屏体是自电容，当人体触摸屏体时，相当于人体电容与屏体电容并联，会引起屏体的电容增加，但是会吸引走一部分电荷，即屏体电容内部的电荷的减小。电荷放大器的功能就是将这个减小的电荷转变成输出电压的减小。
在此前，大部分所使用的触摸屏绝为手机，平板等小屏幕，屏体电容较小，可以通过一个容值接近的内部调节电容给此电容转移电荷，对屏体电容进行充电。
传统的自容屏体电容充电是通过在集成电路(IC)控制芯片内部，设计一个与屏体电容容值相等的内部调节电容，先给内部调节电容充电，电荷达到需求之后在将里面的电荷转移到屏体电容。
对于屏幕小的触控屏幕，可以通过内部调节电容给屏体电容填充电荷，但是如果屏幕过大，屏体电容也会相应的增大，且内部电容大小会受到芯片面积的限制，内置电容里面存储的电荷转移到屏体电容，并不能使屏体电容上极板电势与需要的电势想接近或者相等，由此可见，上述的现有的设计在应用中，存在许多的缺陷，亟待进一步改进。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于自电容触摸屏的充电电路，该电路可以解决芯片面积过大以及由于屏体电容电势的限制导致的适用范围窄的问题，本发明还提供一种模拟接收电路以及依据充电电路得到的充电方法。
技术方案：本发明一方面提供一种基于自电容触摸屏的充电电路，其与屏体电容的一端连接，屏体电容另一端接地，所述充电电路包括电荷放大器、开关P1-3、开关P2-2、内部调节电容和开关P4，电荷放大器包括A输入端、B输入端和输出端，电荷放大器的A输入端连接有反馈电容，反馈电容两端并联有开关Ca_rst，所述电荷放大器的A输入端依次经过开关P3和开关P1-1后与屏体电容一端连接，所述开关P3与开关P1-1之间的线路上设置连接有开关P1-2和开关P2-1，开关P2-1连接在B输入端，对应的，开关P1-3一端与B输入端连接，另一连接有开关P2-2，其另一端接地，所述内部调节电容的两端分别连接于开关P1-2与开关P2-1之间线路以及开关P1-3与开关P2-2之间的线路上，所述开关P4一端连接在屏体电容与开关P1-1之间的线路上，另一端接地。
进一步的，包括：
所述B输入端输入基准电压V1。
进一步的，包括：
开关P1-1、开关P1-2和开关P1-3均由第一信号控制，开关P1-2和开关P2-1均由第二信号控制，且第一信号和第二信号绝对相反。
另一方面，本发明还提供一种模拟接收电路，包括上述的基于自电容触摸屏的充电电路、滤波器和模拟数字转换器，所述充电电路的输出端连接滤波器的输入端，滤波器的输出端连接模拟数字转换器的输入端。
最后，本发明提供一种基于自电容触摸屏的充电电路实现的充电方法，包括以下步骤：
(1)确定屏体电容和内部调节电容的电容大小；
(2)确定单次对内部调节电容充电，使其达到需要充电电压的时间t、单次将内部调节电容的电荷转移到屏体电容的时间T以及需要充电及电荷转移的次数n；
(3)设置一个以(t+T)为周期，时长为n*(t+T)的方波，用来控制对应的开关，对屏体电容充电，使屏体电容内部电荷填充到需要的值；
(4)充电完成之后，启动触摸屏。
进一步的，包括：
步骤(3)中，对屏体电容充电，使屏体电容内部电荷填充到需要的值，具体包括：
(31)闭合开关P2-1，开关P2-2、开关P4、开关Ca_rst，开关P1-1，开关P1-2、开关P1-3以及开关P3断开，对内部调节电容进行充电，使内部调节电容的电势达到所述基准电压V1，此时内部调节电容上的电荷为Q；
(32)开关P1-1，开关P1-2，开关P1-3闭合，开关P2-1、开关P2-2、开关P3和开关P4断开，开关Ca_rst闭合，屏体电容和内部调节电容相接，内部调节电容的下极板连接到基准电压V1，开始向屏体电容转移电荷，直至屏体电容电荷与步骤(31)中内部调节电容的电荷Q相同；
(33)重复步骤(31)和(32)，直至屏体电容电荷上的电荷达到需求电荷的值nQ，完成对屏体电容的充电；
(34)当屏体电容内的电荷达到需求的值nQ，即屏体电容的电压V2与基准电压V1基本相等，开关P3、开关P1-1、开关P1-2、开关P1-3闭合，开关P2-1、开关P2-2、P4断开，开关Ca_rst断开，电路开启，触摸屏开始工作。
进一步的，包括：
所述需要充电及电荷转移的次数n的计算方法为：
根据公式q＝C*U，对内部调节电容充电一次，产生的电荷Q＝Cb*V1，将电荷Q转移到屏体电容内，可以得到屏体电容的电压
Figure BDA0002681544810000031
最终让屏体电容的电压与基准电压V1基本相等，则得到
Figure BDA0002681544810000032
n为Cs/Cb值的向上取整，其中，Cs为屏体电容的容值，Cb为内部调节电容的容值。
有益效果：(1)采用本发明所述的充电电路及充电方法可以解决任何自电容式触摸屏出现的屏体电容无法达到需要电势的问题，适用于任何自电容式触摸屏，应用范围更广；(2)由于本发明不限制内部调节电容的大小与屏体电容基本相同，可以比屏体电容容值小很多，因此能够减小内部调节电容Cb，相应的能减少芯片面积。
附图说明
图1为本发明实施例所述的触摸屏集成电路控制芯片示意图；
图2为本发明所述的模拟接收电路的示意图；
图3为本发明实施例所述的电容屏工作原理图；
图4为本发明实施例所述的充电电路示意图；
图5为本发明所述的对内部调节电容充电时的电路图；
图6为本发明所述的电荷搬运过程时的电路图；
图7是本发明实施例所述的多次充电累计电荷时的电路图；
图8是本发明实施例所述的屏体电容的电荷变化流程图；
图9是本发明实施例所述的屏体电容内部电荷量对电荷放大器输出的影响示意图；
图10是本发明实施例所述的启动电路的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种电容触摸屏，该触摸屏内嵌集成电路，集成电路包括模拟接收端、数字AFE模块，即analog front end，以及屏体电容Cs，屏体电容一端接地，另一端连接模拟接收端，模拟接收端连接数字AFE，数字AFE模块用来设置方波，用来控制芯片内部对应的开关，对屏体电容充电，使屏体电容内部电荷填充到需要的值。
具体的，模拟接收端内为模拟接收电路，模拟接收电路具体包括：
如图2所示，基于自电容触摸屏的充电电路、滤波器和模拟数字转换器，充电电路的输出端连接滤波器(filter)的输入端，滤波器的输出端连接模拟数字转换器(ADC)的输入端。
如图4所示，在本实施例中，基于自电容触摸屏的充电电路包括电荷放大器、开关P1-3、开关P2-2、内部调节电容Cb和开关P4，内部的调节电容不仅有给屏体电容充电的作用,其更主要是调节电荷放大器的offset，可以增加ADC的输入动态范围，从而增加变化量。
电荷放大器包括A输入端、B输入端和输出端，电荷放大器的A输入端连接有反馈电容Cf，反馈电容两端并联有开关Ca_rst，电荷放大器的A输入端依次经过开关P3和开关P1-1后与屏体电容Cs一端连接，开关P3与开关P1-1之间的线路上设置连接有开关P1-2和开关P2-1，开关P2-1连接在B输入端，对应的，开关P1-3一端与B输入端连接，另一连接有开关P2-2，其另一端接地，所述内部调节电容的两端分别连接于开关P1-2与开关P2-1之间线路以及开关P1-3与开关P2-2之间的线路上，开关P4一端连接在屏体电容与开关P1-1之间的线路上，另一端接地。
开关P1-1、开关P1-2和开关P1-3由同一个信号控制，该信号为第一信号，且本申请的开关P1-1、开关P1-2和开关P1-3统称为开关P1，开关P2-1和开关P2-2由同一个信号控制，该信号为第二信号，且本申请的开关P2-1和开关P2-2统称为开关P2，且第一信号和第二信号的信号绝对相反，B输入端输入基准电压V1。
如图8所示，在充电电路的基础上，本发明提供一种充电方法，包括：
(1)通过物理测量手段，确定屏体电容，确定内部调节电容的容值大小，屏体电容和内部调节电容容值大小可根据用户需要任意设置，不必须的设置为基本相同；
(2)通过仿真确定单次对内部调节电容充电，使其达到需要充电电压的时间t、单次将内部调节电容的电荷转移到屏体电容的时间T以及需要充电及电荷转移的次数n；
需要充电及电荷转移的次数n的计算方法为：
根据公式q＝C*U，对内部调节电容充电一次，产生的电荷Q＝Cb*V1，将电荷Q转移到屏体电容内，可以得到屏体电容的电压
Figure BDA0002681544810000051
最终让屏体电容的电压与基准电压V1基本相等，则需要转移的大致次数为
Figure BDA0002681544810000052
其中，Cs为屏体电容的容值，Cb为内部调节电容的容值，大致次数确定后，对得到的大致次数通过向上取整函数ROUNDUP(n，0)，进行向上取整，得到次数n，通过模拟仿真加以验证。
(3)设置一个以(t+T)为周期，时长为n*(t+T)的方波，用来控制对应的开关，对屏体电容充电，使屏体电容内部电荷填充到需要的值；
对屏体电容充电，使屏体电容内部电荷填充到需要的值，具体包括：
(31)如图5所示，开关P2，P4闭合，P1和P3断开，开关Ca_rst闭合，对内部调节电容Cb进行充电，使内部调节电容Cb的电势达到基准电压V1，后面放大器此时为跟随器，输出为V1，此时内部调节电容上的电荷为Q；
(32)如图6所示，开关P1闭合，P2，P3和P4断开，开关Ca_rst闭合，屏体电容Cs和内部调节电容Cb相接，内部调节电容Cb的下极板连接到V1，开始向屏体电容Cs转移电荷，直至屏体电容电荷与步骤(31)中内部调节电容的电荷Q相同；
(33)屏体电容Cs内部电荷的变化，是受到内部调节电容Cb充电时间t和电荷转移到屏体电容Cs的时间T影响的，如图7所示，如果充电时间不足或者电荷转移时间不足，可能会导致屏体电容Cs内的电荷不足，那么会导致V2小于V1，偏差较大，影响电荷放大器的输出，如图9所示，因此，重复步骤(31)和(32)，直至屏体电容电荷上的电荷达到需求电荷的值nQ，完成对屏体电容的充电；
(34)如图10所示，当屏体电容内的电荷达到需求的值nQ，即屏体电容的电压V2与基准电压V1基本相等，开关P3和P1闭合，开关P2，P4断开，开关Ca_rst断开，启动电路开启，触摸屏开始工作。
(4)充电完成之后，启动触摸屏。
本发明通过数字控制信号，控制开关的关闭与开启，多次对内部调节电容Cb充电并转移电荷到屏体电容Cs，在电荷搬运完之后，达到需要的电势，才接入电荷放大器，电荷放大器接入反馈电容，电路启动成功，最后当我们手指触摸到触摸屏，人体电容并联屏体电容，改变电容大小，然后可以准确的将电荷改变量通过放大器放大，本发明能适用于任何自电容式触摸屏，适用范围更广。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于自电容触摸屏的充电电路，其特征在于，其与屏体电容的一端连接，屏体电容另一端接地，所述充电电路包括电荷放大器、开关P1-3、开关P2-2、内部调节电容和开关P4，电荷放大器包括A输入端、B输入端和输出端，电荷放大器的A输入端连接有反馈电容，反馈电容两端并联有开关Ca_rst，所述电荷放大器的A输入端依次经过开关P3和开关P1-1后与屏体电容一端连接，所述开关P3与开关P1-1之间的线路上设置连接有开关P1-2和开关P2-1，开关P2-1连接在B输入端，对应的，开关P1-3一端与B输入端连接，另一连接有开关P2-2，其另一端接地，所述内部调节电容的两端分别连接于开关P1-2与开关P2-1之间线路以及开关P1-3与开关P2-2之间的线路上，所述开关P4一端连接在屏体电容与开关P1-1之间的线路上，另一端接地。
2.根据权利要求1所述的基于自电容触摸屏的充电电路，其特征在于，所述B输入端输入基准电压V1。
3.根据权利要求2所述的基于自电容触摸屏的充电电路，其特征在于，开关P1-1、开关P1-2和开关P1-3均由第一信号控制，开关P1-2和开关P2-1均由第二信号控制，且第一信号和第二信号绝对相反。
4.一种模拟接收电路，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的基于自电容触摸屏的充电电路、滤波器和模拟数字转换器，所述充电电路的输出端连接滤波器的输入端，滤波器的输出端连接模拟数字转换器的输入端。
5.一种根据权利要求2或3所述的基于自电容触摸屏的充电电路实现的充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定屏体电容和内部调节电容的电容大小；
(2)确定单次对内部调节电容充电，使其达到需要充电电压的时间t、单次将内部调节电容的电荷转移到屏体电容的时间T以及需要充电及电荷转移的次数n；
(3)设置一个以(t+T)为周期，时长为n*(t+T)的方波，用来控制对应的开关，对屏体电容充电，使屏体电容内部电荷填充到需要的值；
(4)充电完成之后，启动触摸屏。
6.根据权利要求5所述的充电方法，其特征在于，步骤(3)中，对屏体电容充电，使屏体电容内部电荷填充到需要的值，具体包括：
(31)闭合开关P2-1，开关P2-2、开关P4、开关Ca_rst，开关P1-1，开关P1-2、开关P1-3以及开关P3断开，对内部调节电容进行充电，使内部调节电容的电势达到所述基准电压V1，此时内部调节电容上的电荷为Q；
(32)开关P1-1，开关P1-2，开关P1-3闭合，开关P2-1、开关P2-2、开关P3和开关P4断开，开关Ca_rst闭合，屏体电容和内部调节电容相接，内部调节电容的下极板连接到基准电压V1，开始向屏体电容转移电荷，直至屏体电容电荷与步骤(31)中内部调节电容的电荷Q相同；
(33)重复步骤(31)和(32)，直至屏体电容电荷上的电荷达到需求电荷的值nQ，完成对屏体电容的充电；
(34)当屏体电容内的电荷达到需求的值nQ，即屏体电容的电压V2与基准电压V1基本相等，开关P3、开关P1-1、开关P1-2、开关P1-3闭合，开关P2-1、开关P2-2、P4断开，开关Ca_rst断开，电路开启，触摸屏开始工作。
7.根据权利要求6所述的充电方法，其特征在于，所述需要充电及电荷转移的次数n的计算方法为：
根据公式q＝C*U，对内部调节电容充电一次，产生的电荷Q＝Cb*V1，将电荷Q转移到屏体电容内，可以得到屏体电容的电压
Figure FDA0002681544800000021
最终让屏体电容的电压与基准电压V1基本相等，则得到
Figure FDA0002681544800000022
n为Cs/Cb值的向上取整，其中，Cs为屏体电容的容值，Cb为内部调节电容的容值。
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