DE102011017469A1

DE102011017469A1 - System und Verfahren zum Übertragen von Ladung zum Umwandeln von Kapazität in Spannung für Touchscreen-Controller

Info

Publication number: DE102011017469A1
Application number: DE102011017469A
Authority: DE
Inventors: Ashutosh Ravindra Joharapurkar; Kathikeya Kodur; Venugopal Reddy; Patrick Chan
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2011-10-27
Also published as: US20110261006A1; CN102262489A; TW201205401A; US8624870B2; TWI505161B

Abstract

Ein Touchscreen-Controller-System bestimmt die tatsächlichen Orte von mehreren gleichzeitigen Berührungen durch Eliminieren von gegenseitiger Kapazität zwischen benachbarten Zeilen und Spalten während Eigenkapazitätsmessungen und durch selektives Freigeben von gegenseitiger Kapazität während Messphasen gegenseitiger Kapazität. Während der Eigenkapazitätsmessungen erzeugt das Controller-System einen Satz von in Frage kommenden Berührungsorten, der die Orte von realen und Geisterberührungen umfasst. Während der Messungen gegenseitiger Kapazität werden lediglich die Orte in dem Kandidaten- oder in Frage kommenden Satz gemessen, und die tatsächlichen Berührungsorte werden ausgehend von diesen Messungen bestimmt. Durch Begrenzen der Messungen gegenseitiger Kapazität auf nur eine kleine Teilmenge der Orte über das gesamte berührungsempfindliche Panel werden reale Berührungsorte auf einer linearen Größenordnung bestimmt. Ausführungsformen der Erfindung sind auch in der Lage, durch Verwendung von auf dem Chip integrierten Kondensatoren, jede Messung in einem einzigen Zyklus durchzuführen.

Description

Verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität unter 35 U.S.C. § 119(e) der parallelen provisorischen US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 61/326,830, eingereicht am 22. April 2010 mit dem Titel „Differentielle kapazitive Touchpad-Schaltung und Verfahren”, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierdurch aufgenommen ist.
Die folgenden parallel eingereichten und parallel anhängigen Anmeldungen desselben Anmelders sind hierdurch ebenfalls durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen: US-Patentanmeldung XX/XXX,XXX mit dem Titel „Verfahren und Vorrichtung zum Verbessern des dynamischen Bereichs eines Touchscreen-Controllers”, Anwaltsakte MAXIM-04400; US-Patentanmeldung XX/XXX,XXX mit dem Titel „Rausch-Eliminierungstechnik für einen kapazitiven Touchscreen-Controller unter Verwendung der differentiellen Erfassung”, Anwaltsakte MAXIM-04600; US-Patentanmeldung XX/XXX,XXX mit dem Titel „Systemintegration von taktilem Feedback und Touchscreen-Controller zum Playout von Nahe-Null-Latenz-Haptik”, Anwaltsakte MAXIM-04700; US-Patentanmeldung XX/XXX,XXX mit dem Titel „Verwendung der Zufalls-Sampling-Technik zur Reduzierung von fingergekoppeltem Rauschen”, Anwaltsakte MAXIM-04800; und US-Patentanmeldung XX/XXX,XXX mit dem Titel „Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von piezoelektrischen Übertrager-Anregungswellenformen unter Verwendung eines Boost-Konverters”, Anwaltsakte MAXIM-04900.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mensch-Maschine-Interfaces. Mehr im einzelnen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf kapazitive berührungsempfindliche Bildschirme (Touchscreens).
Hintergrund der Erfindung
Berührungsempfindliche Bildschirme bzw. Touchscreens oder Touch-Panels stellen ein Interface bereit, um Ausgaben anzuzeigen und Eingaben aufzunehmen, eine Struktur, die sie gut geeignet macht für mobile Telefone, persönliche digitale Assistenten, digitale Musikabspielgeräte und andere kompakte Geräte. Unter Verwendung eines berührungsempfindlichen Bildschirmes kann ein Benutzer Elemente, die auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm angezeigt sind, auswählen oder manipulieren, wie etwa Knöpfe, Schiebeelemente, Ablaufräder und andere auf dem Bildschirm angezeigte Elemente oder Icons.
Bei Systemen nach dem Stand der Technik werden unterschiedliche Verfahren eingesetzt, um die Anwesenheit eines Objekts zu erfassen, wie etwa kapazitive Ladungsübertragungsverfahren und OSC-Relaxationsverfahren. Bei einem kapazitiven berührungsempfindlichen Bildschirm wird beispielsweise eine Ladung an erfassende Elemente und zu diesen benachbarte Objekte übertragen. Die kombinierte gespeicherte Ladung wird dann ausgelesen, wobei Ladungen oberhalb einer Schwelle anzeigen, dass das Objekt oberhalb des erfassenden Elements ist, das gerade ausgelesen wird. Durch Anordnen von erfassenden Elementen in einem Gittermuster mit Spalten und Zeilen kann der spezielle Ort eines Objekts auf dem Gitter bestimmt werden.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines kapazitiven berührungsempfindlichen Bildschirms 100 aus dem Stand der Technik. Der berührungsempfindliche Bildschirm 100 umfasst eine Oberfläche, die mehrere erfassende Elemente 101 enthält, von denen jedes konfiguriert ist, um das Vorhandensein eines Objekts wie etwa eines Fingers 105 zu erfassen, das sich benachbart dazu befindet. Dadurch, dass erfasst wird, zu welchen der erfassenden Elemente sich das Objekt 105 benachbart befindet, wird der Ort des Objekts entlang der Oberfläche des berührungsempfindlichen Bildschirms 100 festgestellt. Der kapazitive berührungsempfindliche Bildschirm 100 funktioniert durch Öffnen und Schließen von Schaltern A, A', B, B', C und C' zum Übertragen einer Ladung, die durch Messschaltungen 110 und 115 gemessen wird und durch Berechnungsmittel 120 berechnet wird. Ein Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet erkennt, dass der kapazitive berührungsempfindliche Bildschirm 100 mehrere Zeittaktphasen und mehrere Ladungsübertragungszyklen benötigt, um zu bestimmen, oh sich ein Objekt benachbart zu seiner Oberfläche befindet.
Der berührungsempfindliche Bildschirm 100 hat mehrere Nachteile. Zum Beispiel muss eine Ladung mehrere Male an externe Kondensatoren C_S1 und C_S2 übertragen werden, um Kapazitätsänderungen zu messen. Dies vergrößert die Latenz und verringert dadurch die maximale Rahmenrate, die unterstützt werden kann. Als Ergebnis weist der berührungsempfindliche Bildschirm 100 eine begrenzte Empfindlichkeit und ein vermindertes Signal-Rausch-Verhältnis auf.
Der berührungsempfindliche Bildschirm 100 leidet, ebenso wie andere kapazitive berührungsempfindliche Bildschirme aus dem Stand der Technik, unter „Geistererfassungen”, während derer die tatsächlichen Orte von gleichzeitigen Berührungen nicht aufgelöst werden können. Wenn gleichzeitige Berührungen an mehreren Stellen auftreten, ist das System nur in der Lage, zu bestimmen, dass mehrere Berührungen aufgetreten sind, die „realen” Berührungen und die „Geister”-Berührungen. Das System ist nicht in der Lage, ohne weiteres zwischen realen und Geister-Berührungen zu unterscheiden. Diese Unklarheit und die Verarbeitung, die notwendig ist, um sie aufzulösen, vergrößert sich expotentiell mit der Anzahl von gleichzeitigen Berührungen.
Manche kapazitive berührungsempfindliche Bildschirme bestimmen gleichzeitige Berührungen unter der Verwendung einer „gegenseitigen Kapazität”, einem Verfahren, bei dem Kapazitäten an den Schnittpunkten von Spalten- und Zeilenlinien erfasst werden. Systeme, die gegenseitige Kapazitätsmessungen unterstützen, erfordern allerdings eine wesentlich komplexere analoge Hardware, die zu einem größeren Stromverbrauch, geringerer Durchsatzleistung, größerer Stanzformgröße und komplexerer Signalverarbeitung führt.
Zusammenfassung der Erfindung
Controller-Systeme für berührungsempfindliche Bildschirme in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung unterstützen die Eliminierung von gegenseitiger Kapazität und selektive gegenseitige Kapazitätsmessungen zwischen Sensoren, wodurch die Notwendigkeit von Offset-eliminierenden Kapazitäten vermindert wird. Diese Controller-Systeme für berührungsempfindliche Bildschirme sind auch in der Lage, Geisterberührungen auf einem Panel zu eliminieren, eine Eigenschaft, die beim Erfassen von mehreren Berührungen ohne Unklarheit wesentlich ist. Dies erfolgt ohne die Notwendigkeit, gegenseitige Kapazitätsmessungen zwischen jeder Kombination von Spalte und Zeile vorzunehmen.
Controller-Systeme für berührungsempfindliche Bildschirme gemäß der vorliegenden Erfindung benötigen lediglich einen einzelnen Ladungsübertragungszyklus, um Kapazitätsänderungen zu erfassen, die die Anwesenheit eines Objekts anzeigen. Diese Controller-Systeme für berührungsempfindliche Bildschirme nutzen Kondensatoren, die auf einem Chip integriert sind, die wesentlich kleiner sind als extern integrierte Kondensatoren und schneller geladen und entladen werden können. Diese Controller-Systeme für berührungsempfindliche Bildschirme können schnellere Rahmenraten unterstützen, können die Empfindlichkeit verbessern und erfordern keine externen Komponenten für die Sensoren.
Controller-Systeme für berührungsempfindliche Bildschirme nach der vorliegenden Erfindung wandeln eine Sensorkapazität eines berührungsempfindlichen Bildschirmpanels in eine direkt proportionale Spannung um. In einer Reset-Phase werden die Systeme auf Erdniveau gefahren und nehmen kein Rauschen oder Störungen von externen Quellen auf. In einer Ausführungsform liegen alle Knotenspannungen entweder auf einer Referenzspannung oder auf Erdniveau, mit Ausnahme eines Schalters in dem Rückkopplungs- oder Rückführungspfad. Diese Struktur reduziert den Effekt der Ladungsinjektion, da der größte Teil der Ladungsinjektion zu einem konstanten Offset für das System führt, wobei dieser Offset durch eine Kalibrierung ausgeglichen werden kann.
Unter einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Controller-System für einen Touchscreen zum Erfassen eines oder mehrerer Objekte benachbart zu und/oder in Kontakt mit einer Oberfläche des Touchscreen-Controllers eine Anzahl von Erfassungslinien oder -leitungen, die benachbart zu der Oberfläche des berührungsempfindlichen Panels angeordnet sind. Benachbarte Erfassungsleitungen weisen eine gegenseitige Kapazität auf. Eine Anzahl von kapazitiven Erfassungselementen sind jeweils mit einer der Erfassungsleitungen gekoppelt. Eine Steuerlogik ist konfiguriert, um gegenseitige Kapazitäten zwischen ausgewählten und nicht ausgewählten Erfassungsleitungen während einer Eigenkapazitäts-Messphase auf das gleiche Potential zu bringen, und um gegenseitige Kapazität zwischen ausgewählten und nicht ausgewählten Erfassungsleitungen während einer Messphase für gegenseitige Kapazität auf unterschiedliche Potentiale zu bringen. In einer Ausführungsform umfasst das Controller-System für einen berührungsempfindlichen Bildschirm eine Spannungsmessschaltung, die eine Ladung auf einem ausgewählten kapazitiven Erfassungselement in eine entsprechende Spannung umwandelt, die anzeigt, ob sich ein Objekt benachbart dazu befindet.
Unter einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Erfassen der Anwesenheit von Objekten gleichzeitig auf oder benachbart zu einer Oberfläche eines berührungsempfindlichen Panels ein individuelles Auswählen von Spalten- und Zeilenleitungen des berührungsempfindlichen Panels, um einen oder mehrere mögliche Orte der Objekte entlang der Oberfläche zu bestimmen, und Kombinationen von Spalten- und Zeilenleitungen des berührungsempfindlichen Panels lediglich von den möglichen Orten auszulesen, um einen oder mehrere tatsächliche Orte der Objekte entlang der Oberfläche zu bestimmen. In einer Ausführungsform werden die Schritte des individuellen Auswählens von Spalten- und Zeilenleitungen und des Auslesens von Kombinationen von Spalten- und Zeilenleitungen auf einer einzelnen integrierten Schaltung ausgeführt. Das Verfahren umfasst auch das Eliminieren einer gegenseitigen Kapazität zwischen den Spalten- und Zeilenleitungen beim individuellen Auslesen von ausgewählten Spalten- und Zeilenleitungen, und ein wahlweises Freigeben einer gegenseitigen Kapazität zwischen benachbarten Spalten- und Zeilenleitungen beim Auslesen von ausgewählten Kombinationen von Spalten- und Zeilenleitungen.
In einer Ausführungsform umfasst das Bestimmen von einem oder mehreren tatsächlichen Orten ein Vergleichen von Eigenkapazitätsmessungen der möglichen Orte mit entsprechenden Messungen der gegenseitigen Kapazität.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines berührungsempfindlichen Bildschirms nach dem Stand der Technik.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Mobiltelefons, das mit einem berührungsempfindlichen Bildschirm versehen ist, zur Erläuterung von Grundlagen der Erfindung.
3 zeigt ein schematisches Diagramm, das mehrere Komponenten eines berührungsempfindlichen Bildschirms zeigt, zur Erläuterung von Grundlagen der Erfindung.
4 zeigt ein ins Einzelne gehendes Diagramm, das auf Bauteile zurückgehende und parasitäre kapazitive Elemente eines kapazitiven berührungsempfindlichen Bildschirms zeigt, zur Erläuterung von Grundlagen der Erfindung.
5A und 5B zeigen eine Sensorkomponente während Rücksetz- und Messphasen, entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt ein schematisches Diagramm eines Offset-Kondensators entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt Spannungsdiagramme während Rücksetz- und Messphasen für die Sensorkomponenten nach 5A und 5B.
8A bis C sind schematische Diagramme einer Sensorkomponente, bei der Integrationsoperationen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden.
9 zeigt Spannungsdiagramme der Sensorkomponente in 8A bis C während unterschiedlicher Betriebsphasen.
10 zeigt reale und Geisterorte mehrfacher Berührungen auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm, zur Erläuterung der Grundlagen der Erfindung.
11 zeigt die Schritte eines Verfahrens zum Messen der Spannung auf Erfassungselementen, wobei sowohl Eigenkapazität als auch gegenseitige Kapazität genutzt werden, um Geistereffekte entsprechend der vorliegenden Erfindung zu eliminieren.
12 zeigt die Schritte eines Verfahrens zum wahlweisen Freigeben einer gegenseitigen Kapazität in Kombination mit einer Eigenkapazität, wie in 11 erläutert ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung umfasst Techniken zum Reduzieren oder Eliminieren eines Fehlers im Ausgangssignal von kapazitiven Sensoranordnungen wie berührungsempfindlichen Flächen oder Touchpads, Touchscreens, berührungsempfindliche Schieber usw., einschließlich Sensoren, die die Anwesenheit und die Position eines Stifts erfassen, und auch solche, die die Position eines Fingers erfassen und bestimmen. Während die erläuternde Ausführungsform, die hier beschrieben ist, auf ein Mobiltelefon angewendet ist, versteht es sich, dass kapazitive Berührungssensoren in einer breiten Vielzahl von Vorrichtungen verwendet werden. Beispiele für solche Vorrichtungen sind tragbare Geräte wie etwa ein persönlicher digitaler Assistent (PDA5), Empfänger für globale Positionierungssysteme (GPS) und auch größere Geräte wie etwa Touchscreen-gesteuerte Anzeigen und Computersysteme wie auch Anwendungen.
Nunmehr bezugnehmend auf 2 ist ein Mobiltelefon 200 entsprechend einer Ausführungsform der vorlegenden Erfindung dargestellt. Das Mobiltelefon 200 umfasst einen Mikroprozessor (μP) 214, der mit einem Speicher 215 gekoppelt ist, der Programmanweisungen zur Ausführung durch den Mikroprozessor 214 speichert, und umfasst im allgemeinen einen nicht-flüchtigen Speicher für derartige Programmanweisungen, sowie einen temporären Speicher zur Verwendung durch den Mikroprozessor 214. Die Programmanweisungen, die in einem Speicher 215 gespeichert sind, umfassen Programmanweisungen, die Computerprogrammprodukte gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bilden, die die Position eines oder mehrerer Finger und/oder Stifte auf der Oberfläche eines berührungsempfindlichen Sensors bestimmen, der in einer integrierten Flüssigkristallanzeige(LCD)/Touchpad 212 enthalten ist. Das LCD/Touchpad 212 ist mit einer Touchpad-Schaltung 220 entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gekoppelt, die die Möglichkeit umfasst, die Kapazität von zwei oder mehr Elementen des Touchpad innerhalb des LCD/Touchpad 212 zu messen. Alternativ, wie mehr im einzelnen weiter unten beschrieben wird, kann die vorliegende Erfindung eine Spannung integrieren, die an den zwei oder mehr Elementen besteht, die im allgemeinen durch Bildung eines Bezugspotentials zu einer anderen Schicht erzeugt wird. Eine oder mehrere Integratorschaltung(en) kann bzw. können vorgesehen sein, um die Integration auszuführen, oder die vorliegende Erfindung kann Programmanweisungen innerhalb des Speichers 215 umfassen, um die Spannungen zu messen, die auf den zwei oder mehreren Elementen bestehen, von gleichzeitigen Abtastungen der Spannungen, und die Spannungen integrieren. Das Mobiltelefon 200 umfasst auch eine Anzeigesteuerung 216 zum Koppeln des Mikroprozessors 214 mit dem LCD innerhalb des integrierten LCD/Touchpad 212, und Radioschaltungen 218 zum Bereitstellen von drahtlosen Telefon-Kommunikationsverbindungen. Das Mobiltelefon 200 umfasst ferner einen Audiocodierer-Decodierer 217, der mit einem Mikrophon 213 und einem Lautsprecherelement 211 gekoppelt ist, das Sprachverbindungen mit einem Nutzer bereitstellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Kapazität von zwei oder mehr Spalten bzw. Zeilen einer zweidimensionalen Touchpad-Anordnung oder von zwei oder mehr Elementen einer eindimensionalen Touchpad-Anordnung, wie etwa eines Schiebers, gleichzeitig gemessen, entweder direkt oder durch Messen einer Spannung, die auf den Elementen besteht. Die Messungen werden subtrahiert, um eine Messung zu erhalten, die frei von Fehlern eines gemeinsamen Modus ist, die in erster Linie auf einfallendem Rauschen beruhen, wie etwa dem, das durch den Betrieb des LCD erzeugt wird, eine etwaige Hintergrundbeleuchtung oder sonstige Stromversorgung unter einem integrierten LCD/Touchpad 212 und sonstige externe, umgebungsbedingte Quellen von Rauschen bzw. Störungen.
Nunmehr sei auf 3 Bezug genommen, wobei Einzelheiten der Touchpad-Schaltung 220 in dem Mobiltelefon 200 nach 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt sind. So wie in sämtlichen Darstellungen, beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Elemente. Die Touchpad-Schaltung 220 umfasst ein Paar Multiplexer 260A und 260B, die mit jeder von acht Reihen von Touchpad-Elementen 280 gekoppelt sind. Einzelne Touchpad-Elemente 280 sind dargestellt, aber es versteht sich, dass bei mehr oder weniger Spalten und Zeilen von gleichen oder ungleichen Anzahlen und auch bei ein- oder zweidimensionalen Touchpads die Techniken der vorliegenden Erfindung genutzt werden können. Der Multiplexer 260A wählt eine erste Zeile oder ein erstes Element aus den Touchpad-Elementen 280 aus. Der Multiplexer 260B wählt eine andere, zweite Zeile oder ein anderes, zweites Element aus dem Touchpad-Elementen 280 aus. Ein Paar von Kapazitäts-Messschaltungen 270A und 270B messen jeweils die Kapazität am Ausgang der Multiplexer 260A und 260B, die sich aufgrund der Anwesenheit eines Fingers oder Stifts in der Nähe des ausgewählten Elements ändern, und wandelt die Kapazitäten in entsprechende Spannungssignale um.
Eine Steuerlogikschaltung 225 stellt ein Rücksetzsignal rst bereit, um die Kapazitätsmessschaltungen 270A und 270B zurückzusetzen, wodurch die Kapazitätsmessschaltungen 270A und 270B vorbereitet werden, um Kapazitätsmessungen vorzunehmen. Die Steuerlogik kann integral mit dem Mikroprozessor 214 ausgebildet sein. In einem solchen Fall wird das Signal Rst durch den Mikroprozessor 214 gebildet. Auswahlwerte Sel1 und Sel2 werden an Adresseingänge der Multiplexer 260A und 260B angelegt, um die Messelemente vor der Ausführung der Messung auszuwählen. Das Rücksetzsignal rst wird nicht mehr angelegt oder blockiert, so dass die Kapazitätsmessschaltungen 270A und 270B in die Lage versetzt werden, die Kapazität der entsprechenden ausgewählten Touchpad-Elemente 280 zu messen. Die Ausgänge der Kapazitätsmessschaltungen 270A und 270B werden differentiell an die Eingänge eines Analog-Digital-Wandlers (analog-to-digital converter ADC) 240 gelegt, wodurch digitale Werte erzeugt werden, die dem Unterschied zwischen den Kapazitäten entsprechen, die an den Ausgängen der Multiplexer 270A und 270B gemessen worden sind, nachdem ein Erfassungskontrollsignal, Erfassung, angelegt worden ist, zum Erfassen der Ausgänge der Kapazitätsmessschaltungen 270A und 270B. Daher werden etwaige Störungen oder Rauschen eines gemeinsamen Modus und ein Offset, die an den Ausgängen der Multiplexer 260A und 260B vorhanden sind, im wesentlichen im Ausgang des ADC 240 eliminiert.
4 zeigt ein schematisches Diagramm 400, das die Touchpad-Schaltung 220 nach 3 modellhaft nachbildet, zur Erläuterung von Grundlagen der Erfindung. Die schematische Darstellung 400 zeigt, dass jede der sich schneidenden Zeilen- und Spaltenlinien (bspw. R1 und C1), die das Touchpad 212 bilden, eine gegenseitige Kapazität C_U enthalten. Jede Zeilenlinie enthält eine Sensorkapazität (C_X) und eine Sensor-Offsettkapazität (C_XOFF), die jeweils mit Erde gekoppelt sind. Für Modellierungszwecke sei darauf verwiesen, dass C_XOFF zu seinem entsprechenden C_X kombiniert werden kann.
Nunmehr auf 5A bezugnehmend, sind Einzelheiten der Kapazitätsmessschaltungen 270A und 270B von 3 dargestellt, die gemeinsam mit 270 bezeichnet sind. Eine Kapazitätsmessschaltung, die in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, umfasst ein Schaltnetzwerk, dass durch die Schalter S1A bis S1D, die Schalter S2A bis S2C und den Schalter S3 gebildet ist. Ein Rückführ- oder Integrationskondensator C_INT ist selektiv mit einem Operationsverstärker 420 durch die Schalter S1C und S2D gekoppelt. Wie in 5A dargestellt ist, koppelt der Schalter S3 den Eingang des gegenseitigen Kondensators C_U mit Erde und der Schalter S1B koppelt den invertierenden Eingang des Verstärkers 420 mit einer Bezugsspannung V_REF, wenn das Rücksetzsignal Rst anliegt. Auch ist während des Anliegens des Rücksetzsignals Rst der Schalter S2B offen und der Schalter S1C geschlossen, was zur Folge hat, dass der Integrationskondensator C_INT auf die Bezugsspannung V_REF geladen wird. Auch ist während des Anliegens des Rücksetzsignals Rst der Schalter S1A geschlossen, wodurch der Ausgang des Multiplexers 260 mit Erde gekoppelt wird, was eine Kapazität C_X des ausgewählten Elements entlädt, sowie eine etwaige Streu-Offsetkapazität entlang des Pfads zu dem ausgewählten Element C_XOFF. Ein Offset-Eliminierungskondensator C_OFF ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 420 gekoppelt und wird auf die Bezugsspannung V_REF geladen, wenn das Rücksetzsignal Rst durch die Aktivierung des Schalters S1D angelegt ist, der den zweiten Anschluss des Offset-Eliminierungskondensators C_OFF erdet. Daher ist der Zustand der Kapazitäten in der Kapazitätsmessschaltung 270 nach einer Einstellzeit so, dass der Integrationskondensator C_INT und der Offset-Eliminierungskondensator C_OFF auf die Bezugsspannung V_REF geladen sind, und dass die Elementkapazität C_X und eine etwaige Streu-Offsetkapazität C_XOFF im wesentlichen entladen sind.
Wie in 5B dargestellt ist, sind dann, wenn ein Messkontrollsignal Meas gesetzt wird, nachdem das Rücksetzsignal Rst zurückgesetzt ist, was im allgemeinen dadurch ausgeführt wird, dass sichergestellt wird, dass nicht überlappende Steuersignale durch die Steuerlogik 225 erzeugt werden, die Schalter S1C und S1B aufgrund der Rücksetzung des Rücksetzsignals Rst offen, und der Schalter S3 koppelt die gegenseitige Kapazität C_U mit der Bezugsspannung V_REF. Der Schalter S2B wird durch Setzen des Messsteuersignals Meas geschlossen, was zur Folge hat, dass der Integrationskondensator C_INT zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 420 gekoppelt wird. Da der Integrationskondensator C_INT auf eine Spannung von V_REF geladen wird, im Hinblick auf den Eingangsanschluss, und da der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 420 ebenfalls auf die Bezugsspannung V_REF bezogen ist, ist der anfängliche Ausgang des Operationsverstärkers 420 im wesentlichen Null. Während des Setzens des Messsteuersignals Meas ist der Schalter S2A geschlossen, und der Schalter S1A war zuvor beim Zurücksetzen des Rücksetzsignals Rst geöffnet worden. Außerdem wird der Offset-Eliminierungskondensator C_OFF von Erde entkoppelt, wenn das Rücksetzsignal Rst den Schalter S1D veranlasst zu öffnen, und wird mit der Bezugsspannung V_REF an dem zuvor geerdeten Anschluss bzw. Terminal gekoppelt, wenn das Messsteuersignal Meas den Schalter S2C dazu verlasst, zu schließen. Als Ergebnis des Schließens der Schalter S2A und S2C wird eine positive Ladungsmenge, die gleich C_OFF·V_REF ist, wobei C_OFF die Kapazität des Offset-Eliminierungskondensators C_OFF ist, von dem Offset-Eliminierungskondensator C_OFF zu dem Integrationskondensator C_INT übertragen, und eine negative Ladungsmenge, die gleich –C_X·V_REF ist, wird von dem Ausgangsanschluss des Multiplexers 260 zu dem Integrationskondensator C_INT übertragen, wobei C_X die Summe der Kapazitäten der Elementkapazität C_X und einer etwaigen Streu-Offsetkapazität C_XOFF ist. (Im Zusammenhang mit einem speziellen Kontext erkennt ein Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet, wenn sich eine Bezeichnung wie etwa C_OFF auf ein Element, einen Wert eines Elements, eine Ladung auf einem Element usw. bezieht).
Die Ausgangsspannung V₀ des Operationsverstärkers 420 ist gleich der ausgangsbezogenen Spannung über dem Integrationskondensator C_INT plus V_REF, was aus V₀ = Q_F/C_INT + V_REF berechnet werden kann, wobei Q_F die Ladung auf dem Integrationskondensator C_INT ist. Die gesamte Ladung, die zu dem Integrationskondensator C_INT übertragen wird, wenn das Messsteuersignal Meas angelegt bzw. gesetzt ist, beträgt C_X·V_REF – C_OFF·V_REF = ΔQ_F. Die anfängliche Ladung auf dem Integrationskondensator C_INT ist –C_INT·V_REF, so dass der letztendliche Wert der Ladung Q_F durch Gleichung (1) gegeben ist: –C_INT·V_REF + C_X·V_REF – C_OFF·V_REF Gleichung (1) und die Ausgangsspannung V₀ durch Gleichung (2) gegeben ist: V₀ = (–C_INT·V_REF + C_X·V_REF – C_OFF·V_REF)/C_INT + V_REF = (C_X/C_INT – C_OFF/C_INT)·V_REF Gleichung (2)
Das gleiche Ergebnis kann erhalten werden, indem ein Ladungserhalt am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 420 angesetzt wird. Daher ist die Ausgangsspannung V₀ proportional zu der Kapazität des Elements plus eine etwaige Streu-Offsettkapazität. Der Offset-Eliminierungskondensator C_OFF bewirkt eine Vorspannung oder Beeinflussung der Messung weg von einem stets negativen Ergebnis, und die relative Kapazität des Integrationskondensators C_INT legt den dynamischen Bereich der Messung fest. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Integrationskondensator C_INT eine wesentlich größere Kapazität relativ zu den Kapazitäten C_X und C_XOFF besitzen, und die Schalter S1A und S2A werden durch separate Zeitgebersignale betätigt, die eine höhere Frequenz als das Messsteuersignal Meas und das Rücksetzsignal Rst haben. Der Operationsverstärker 420 und der Integrationskondensator C_INT arbeiten dann als ein Integrator, der die Ladung integriert, die von der Kapazität am Ausgang des Multiplexers 260 übertragen wird, wodurch eine zusätzliche Filterung von Rauschen bzw. Störungen erzielt wird.
Der Rückführungsfaktor für den Operationsverstärker 420 wird durch das Verhältnis von C_X und C_OFF zu C_INT bestimmt. C_X ist ein externer Kondensator, auf den die Konstrukteure keinen Einfluss haben. Er kann zwischen einem sehr kleinen Wert und einem großen Wert variieren. C_OFF wird eingesetzt, um den Effekt der parasitären Kapazität C_XOFF zu eliminieren. In einer Ausführungsform, die in 6 dargestellt ist, ist C_OFF ein kapazitives Digital-Zu-Analog-Steuerelement, das aus Kondensatoren einheitlicher Größe aufgebaut ist. Anstelle des Ein- und Ausschaltens von Einheitskondensatoren, in Abhängigkeit des Werts von C_X, kann die Anzahl von Fingern an der Bodenplatte von C_OFF, die während der Messphase auf V_REF oder Erdniveau gebracht werden, verändert werden. Wenn die Bodenplatte von einigen der Finger von C_OFF in der Messphase auf Erdniveau gebracht wird, besteht keine resultierende Ladungsübertragung von diesen Fingern, da die Spannung über diesen in den beiden Zyklen konstant bleibt. Der Rückführungsfaktor wird durch alle Finger des C_OFF-Kondensators und den externen Kondensator C_X festgelegt. Dies reduziert die Veränderung des Rückführungsfaktors des Operationsverstärkers wesentlich.
Die Ausführungsform von C_OFF, die in 6 dargestellt ist, ermöglicht die Kalibrierung der Kapazitätsmessschaltung 270 in 3. In der Ausführungsform nach 6 kann C_OFF programmierbar gemacht werden. Zusätzliche Finger eines Kondensators, der eine gemeinsame Platte aufweist, werden durch eine Anzahl von Schaltern S_C1 bis S_CN ausgewählt, ansprechend auf einen Satz von digitalen Signalen als Trimmung, die effektiv einen Satz von auswählbaren kapazitiven Elementen C1–CN bereitstellen, der dazu verwendet werden kann, C_OFF einzustellen, statisch Element für Element, nach Kalibrierung. In einer Ausführungsform wird C_OFF zur Eliminierung des Offsets auf Null gesetzt.
Unter Bezugnahme auf 5A sind der Integrationskondensator C_INT und der Operationsverstärker 420 auf einem einzelnen integrierten Schaltkreis ausgebildet. Als ein Beispiel sind sämtliche Elemente auf der rechten Seite der gestrichelten Linie auf einer einzigen integrierten Schaltung. Es sei darauf verwiesen, dass der Integrationskondensator C_INT, da er sich auf dem Chip befindet, kleiner ist als ähnlich funktionierende Kondensatoren im Stand der Technik, was die Zeit verkürzt, die benötigt wird, um ihn zu laden und zu entladen. Ein solcher Aufbau reduziert die Latenz der Touchscreen-Verarbeitung.
Nunmehr auf 7 bezugnehmend, ist ein Signalwellenformdiagramm dargestellt, in dem die Arbeitsweise der Kapazitätsmessschaltung 400 nach 5A erläutert ist. Die Spannung V_CF ist die Spannung über dem Rückführkondensator C_INT, und die Spannung V_CX ist die Spannung am Ausgang des Multiplexers 260. Während des ersten Anlegens des Rücksetzsignals Rst zu einem Zeitpunkt T_a wird die Spannung V_CF auf V_REF gesetzt, und die Spannung V_CX wird auf Null gesetzt. Der dargestellte Zustand für die erste Messung ist C_X = 0,50 C_INT und C_OFF = 0. Zu einem Zeitpunkt T_b wird das Rücksetzsignal blockiert, und das Messsteuersignal Meas wird angelegt. Die Spannung V_CF fällt auf 0,5 V_REF, und die Spannung V₀ steigt auf 0,5·V_REF, was mit der oben angegebenen Gleichung (2) konsistent ist. Außerdem wird zum Zeitpunkt T_b das Abtaststeuersignal Sample angelegt und der Wert des Unterschieds zwischen den Ausgangssignalen der Kapazitätsmessschaltungen 270A und 270B wird abgetastet und dann bei einem Zeitpunkt T_c an der abfallenden Kante des Abtast-Steuersignals Sample erfasst. Da der Betrieb der beiden Kapazitätsmessschaltungen 270A und 270B identisch ist mit Ausnahme der an ihren Eingängen vorhandenen Kapazität, ist in 7 nur ein Satz von Wellenformen dargestellt. Im nächsten Messintervall, das zum Zeitpunkt T_d beginnt, beträgt C_X = 2C_INT und C_OFF = C_INT. Die Spannung V_CF fällt auf Null, und die Spannung V₀ steigt auf V_REF, was mit der oben angegebenen Gleichung (2) konsistent ist.
Es sei darauf verweisen, dass die Anzahl von Ladungsübertragungszyklen vergrößert werden kann, um den Bereich zu vergrößern oder um die Integration auszuführen.
Innerhalb eines Felds von kapazitiven Sensorelementen kann eine gegenseitige Kapazität zwischen Zeilen und Spalten wie auch zwischen benachbarten Zeilen und zwischen benachbarten Spalten den effektiven dynamischen Bereich von Kapazitätsmessungen reduzieren, da die gegenseitige Kapazität stets vorhanden ist, oder eine Eliminierung erforderlich machen, durch Techniken wie etwa die Vergrößerung des Offsets-Eliminierungskondensators C_XOFF in der Kapazitätsmessschaltung 400 von 5A. Um zu verhindern, dass ein elektrostatisches Streu-Rauschen nicht ausgewählte Elemente 280 in 3 lädt, d. h. solche Elemente, die nicht durch Auswahlwerte Sel1 und Sel2 ausgewählt sind, können die nicht ausgewählten Elemente durch Schaltkreise innerhalb der Multiplexer 260A und 260B geerdet werden. Typischerweise werden die nicht verwendeten Sensoren geerdet. Wenn die nicht verwendeten Sensoren geerdet werden, vergrößert dies die Kapazität von dem geerdeten Sensor im Form einer gegenseitigen Kapazität. Dies erfordert einen größeren Offsets-Eliminierungskondensator. in der ersten Phase sind sämtliche Sensoren geerdet. in der zweiten Phase geht der gemessene Sensor auf V_REF, wenn er mit dem negativen Anschluss des Operationsverstärkers verbunden wird. Wenn alle nicht verwendeten Sensoren während der zweiten Phase auf V_REF gebracht werden, tragen sie keine Ladung in Richtung auf den Integratorausgang bei. Dies verringert die Offset-Kapazität, die eliminiert werden muss, ohne den Rückführungsfaktor zu verändern.
In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform wird die Kapazität am Eingang einer Sensorschaltung gemessen und erzeugt einen proportionalen Spannungsausgang. Gemäß dieser Ausführungsform wird eine Spannung proportional zu der Eingangskapazität im analogen Bereich über mehrere Zyklen integriert. Dies reduziert die Nacharbeitung, die durch den Mikrocontroller erfolgen muss.
8A–C sind schematische Darstellungen einer Sensorschaltung 500, bei der ein Kopplungskondensator Cc zum Integrieren einer Spannung verwendet wird, die proportional zu einer Eingangskapazität im analogen Bereich ist, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung. Die Anordnung ist ähnlich wie die Ladungsübertragungsschaltung, die in 5A dargestellt ist. Die Schaltungen in 5A und 8A unterscheiden sich darin, dass die Schaltung 500 einen Schalter S2D aufweist, der den Kopplungskondensator Cc mit einem Knoten Vx koppelt, einen Schalter S1E über Cc und einen Schalter S1F, der eine obere Platte des Kondensators C_OFF mit der Bezugsspannung V_REF koppelt. Wie in sämtlichen Abbildungen, beziehen sich ähnlich bezeichnete Elemente auf ein identisches oder ähnliches Element.
Der Kupplungskondensator Cc und der Rückführungskondensator C_INT bilden zusammen eine Intergratorschaltung, die als ein Mittelwertbildner funktioniert. Die Ladung wird von Cc auf C_INT während jedes Integrationszyklus übertragen. C_INT sammelt diese Ladung über die Anzahl von Integrationszyklen. Der Operationsverstäker 420 hält die Ladung über C_INT für alle Integrationszyklen aufrecht, und somit den integrierten Ausgang. Die Anzahl von Integrationszyklen, die durchgeführt werden können, hängt von der maximalen Sensorkapazität C_X am Eingang und von dem Verhältnis Cc/C_INT ab. Die Vergrößerung in der Anzahl von Integrationszyklen vergrößert die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Sensorschaltung 500 gesättigt wird und dadurch Daten verlorengehen. Ein kleiner Wert von Cc führt zu einer niedrigen Integrationsverstärkung, ergibt aber eine bessere Einschwingantwort. Auf der anderen Seite ergibt ein großer Wert von Cc eine bessere Verstärkung, wobei allerdings auch der Einschwingzeitbedarf steigt.
Die Wahl von N, der Anzahl von Integrationszyklen, stellt eine Abwägung der Systemauslegung dar und ist ein Kompromiss zwischen digitaler Nachverarbeitungszeit, zusätzlicher Matrizenfläche und analoger Einschwingzeittoleranz. Wenn die Schaltung mit einer geringeren Einschwinggenauigkeit gegenüber einer vergrößerten Matrizenfläche (aufgrund der digitalen Nachverarbeitung) toleriert werden kann, ist diese Architektur für eine solche Schaltung gut geeignet.
Im Betrieb wird der Rückführungskondensator C_INT beim Beginn einer jeden Kanalkonversion auf V_REF geladen. Während der nächsten N Integrationszyklen bleibt der Integrationskondensator C_INT über den Operationsverstärker 420 angeschlossen, zwischen dem negativen Anschluss und dem Ausgang.
Die Ladungsübertragung erfolgt über drei Phasen, wie nachstehend beschrieben ist.
8A zeigt die Schaltung 500 in der Integrator-Resetphase (Phase 1), der anfänglichen Phase für die Kanalkonversion. Wie in 8A dargestellt ist, sind die Schalter S1A–F alle geschlossen, und die Schalter S2A–D sind alle offen. Sobald der zu konvertierende Kanal von dem Kanalmultiplexer 260 ausgewählt ist, wird die Eingangskapazität C_X (die Kombination aus C_XOFF, C_parasitär und C_TOUCH) auf GND (Erde) entladen. Die Offset-Kapazität C_OFF wird auf V_REF geladen, die Integrationskapazität C_INT wird auf V_REF geladen, und der Kopplungskondensator Cc wird entladen, indem seine Anschlüsse kurzgeschlossen werden und er mit V_REF angesteuert wird. Der Operationsverstärker 420 befindet sich in einer Rücksetzphase, da seine beiden Anschlüsse auf V_REF gebracht werden und sein Ausgang daher auf GND gebracht wird.
Als nächstes wird, wie in 8B dargestellt ist, die Sensorschaltung 500 in die Integratormessphase (Phase 2) gebracht, die Integrationsphase für die Kanalkonversion. Wie in 8B dargestellt ist, sind die Schalter S1A–F alle offen, und die Schalter S2A–D sind alle geschlossen. C_OFF wird auf V_X – V_REF geladen, C_INT wird auf V_REF – V₀ geladen, Cc wird auf (V_X – V_REF) geladen, und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 420 wird durch den Ausgang des Operationsverstärkers 420 auf V_REF gebracht. Der Operationsverstärker 420 befindet sich nun in einer aktiven Phase.
Unter Anwendung des Ladungserhaltungsgesetzes am Knoten V_X werden die folgenden Gleichungen berechnet, um die Spannung bei V_X zu finden: C_X·V_X + C_OFF·(V_X – 2·V_REF) + Cc·(V_X – V_REF) = 0 Gleichung (3) (C_X + C_OFF + Cc)·V_X = (2·C_OFF + Cc)·V_REF Gleichung (4) V_X = ((2·C_OFF + Cc)/(C_X + C_OFF + Cc))·V_REF Gleichung (5)
In ähnlicher Weise wird durch Anwendung des Kirchhoff'schen Stromgesetzes an dem Summations-Verbindungsknoten der Schaltung 500 die Gleichung für den Ausgang V_OUT erhalten: Cc·(V_REF – V_X) + C_F·(–V_o) = 0 Gleichung (6) V_o = (Cc/C_INT)·(V_REF – V_X) Gleichung (7)
Für den N-ten Integrationszyklus ist der Ausgang gegeben durch: V_o = Σ_N((Cc/C_INT)·(V_REF – V_X)) Gleichung (8)
Wie sich aus der Gleichung (8) ergibt, ist die Veränderung in dem Ausgangssignal von einem Ladungsübertragungszyklus zum nächsten ein Verhältnis von (Cc/C_INT). Die Knotenspannung V_X bleibt konstant über die Anzahl von Ladungsübertragungszyklen, solange C_X konstant ist.
Als nächstes wird, wie in 8C dargestellt ist, die Sensorschaltung 500 in die Kopplungskapazitäts-RESET-Phase (Phase 3) gebracht, bei der es sich um die Entladungsphase für den Kopplungskondensator Cc handelt. Wie in 8C dargestellt ist, sind die Schalter S1A, S1D, S1E, S1F und S2B alle geschlossen, und die Schalter S1B, S1C, S2A, S2C und S2D sind alle offen. In der Kopplungskapazitäts-RESET-Phase bleibt der Rückführkondensator C_INT mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 420 verbunden. Der Offset-Eliminierungskondensator C_OFF wird auf V_REF geladen. Die Bodenplatten sind alle an GND angebunden. Der Operationsverstärker 420 befindet sich in der Reset-Phase während des Zyklus. Der Ausgang wird während dieser Phase konstant gehalten, da sich die Ladung über C_INT nicht verändert.
9 ist ein Zeitablaufdiagramm für die Ladungsübertragungsschaltung 500, für N = 4. Unter Bezugnahme auf 9 und 8A bis C gibt Ta den Beginn der Phase 1 an, während der Ph1 auf HOCH geht. Die Schaltung 500 geht in die Reset-Phase für den Integrator und der Ausgang des Operationsverstärkers 420 wird auf 0 V gehalten, die Spannung über C_X ist Null und C_XOFF wird auf V_REF geladen.
Tb zeigt den Beginn der Phase 2 an, während der Ph2 auf HOCH geht. Ph1 geht Niedrig, und es besteht eine Nicht-Überlappungszeit von ungleich Null zwischen Ph1., das auf NIEDRIG geht und Ph2, das auf HOCH geht. Ph2 bleibt während der N-Integrationszyklen auf HOCH. Die Rückführungsschalter des Operationsverstärkers 420 sind geschlossen, und die Schaltung 500 ist mit der Sensorkapazität C_X über Reihenschalter und Cc, den Kopplungskondensator, verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 420 geht auf einen Wert, der durch die vier Kondensatoren C_X, C_OFF, Cc und C_INT entschieden wird, wobei die Spannung über C_X den Wert V_X hat, der durch die oben angegebene Gleichung gegeben ist. Die Spannung über den Rückführungskondensator C_INT, der anfänglich auf V_REF geladen worden war, beginnt abzufallen. Der Ausgang des Integrators fährt mit der Speicherung fort, und die Spannung an V_OUT steigt weiterhin an. Der schrittweise Anstieg in der Ausgangsspannung ist durch die oben angegebenen Gleichungen gegeben. Die Abtastung an dem Integrator erfolgt nach N Integratorzyklen.
Weiterhin unter Bezugnahme auf 9 gibt Tc den Beginn der Phase 3 und das Ende der Phase 2 an. Nach einer Nicht-Überlappungszeit beginnt die nächste Entladungsphase für den Kopplungskondensator Cc. Dies ist die Phase 3, wie vorstehend beschrieben. Während der Phase 3 wird der Ausgang des Integrators ausgehend von Phase 2 konstant gehalten, während der Kopplungskondensator Cc, C_XOFF und C_X alle auf ihre anfänglichen Zustände zurückgesetzt werden. Die Spannung am Knoten V_X wird zwangsweise auf V_REF gesetzt.
Dieser Zyklus der sich wiederholenden Phase 3 und Phase 2 für den Kopplungskondensator Cc wird eine Anzahl von Malen durchgeführt, und der letztendliche Ausgang des Integrators wird auf einen Analog-Zu-Digital-Wandler übernommen. Dieser bildet die einfache Bemittelte Spannung, die die Sensorkapazität dargestellt, die an dem ausgewählten Kanal vorhanden ist.
Für das Beispiel von 9 beträgt C_X = 34 pF, C_OFF = 14,4 pF, Cc = 12,8 pF, C_INT = 19,2 pF und V_REF = 1 V. V_X = ((2·C_OFF + Cc)/(C_X + C_OFF + Cc))·V_REF V_X = 0,680 V V₀ = (Cc/C_INT)·(V_REF – V_X)
Der Änderungsschritt in der Ausgangsspannung mit Integration ist 0,213 V.
Was die Zeiten Td und Te betrifft, werden die Phasen Ta und Tb jeweils für den nächsten Kanal wiederholt. Zur Klarheit ist der Wert von C_X (Sensorkapazität) für die beiden Kanäle als unterschiedlich dargestellt.
10 zeigt ein Touchpanel 700, zur Erklärung, wie Geistereffekte gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung eliminiert werden. Das Touchpanal 700 enthält vier überlappende Zeilenlinien (R1–R4) und Spaltenlinien (C1–C4). Ein Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet erkennt, dass die Grundlagen der Erfindung mit Touchpanels funktionieren, die eine beliebige Anzahl von Zeilen- und Spaltenlinien aufweisen und im allgemeinen mehr als vier von jeden. Das Touchpanel 700 zeigt lediglich vier Zeilen und Spalten, nur um die Zeichnungen zu vereinfachen.
Gleichzeitige „reale” Berührungen treten auf dem Schnittpunkt der Zeile R1 und der Spalte C1 („R1C1”) und auf dem Schnittpunkt der Zeile 4 und der Spalte 4 (R4C4) auf, wie durch die ausgefüllten Kreise dargestellt ist. Das System, das sämtliche Zeilen- und Spaltenlinien der Reihe nach abtastet, erfasst Berührungen wie dargestellt durch die Profile 705 und 710, d. h. auf der Spalte C1 und C4 und den Zeilen R1 und R4. Die Profile 705 und 710 zeigen an, das Berührungen an irgendeinem der Schnittpunkte von diesen Zeilen- und Spaltenlinien aufgetreten sein könnten, d. h. an den Kombinationen R1C1, R1C4, R4C1 und R4C4. Die Kombinationen, an denen keine Berührungen aufgetreten sind (R1C4 und R4C1), werden „Geisterberührungen” genannt, wie durch die schraffierten Kreise angedeutet ist. Es sei darauf verwiesen, dass die Anzahl von Geisterberührungen, die verarbeitet und aus der weiteren Betrachtung eliminiert werden müssen, um so größer ist, je größer die Anzahl von gleichzeitigen realen Berührungen ist.
Gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung tastet das System der Reihe nach die einzelnen Zeilen- und Spaltenlinien (Eigenkapazität) ab, um einen Satz von „Kandidaten” für Berührungsstellen zu bestimmen, d. h. den Satz, der R1C1, R1C4, R4C1 und R4C4 enthält. Als nächstes werden diese Kombinationen, und nur diese Kombinationen, unter der Verwendung von gegenseitiger Kapazität erfasst. Nur die realen Berührungsstellen zeigen die Anwesenheit eines darüberliegenden Gegenstands an. Auf diese Weise sind bei Ausführungsformen der Erfindung lediglich Suchvorgänge von linearer Größenordnung notwendig (d. h. Anzahl der Zeilen + Anzahl von Spalten, da die Anzahl von Berührungen gegenseitiger Kapazität, die berücksichtigt werden müssen, von der gleichen Größenordnung sind), um reale Berührungen von Geisterberührungen zu unterscheiden.
Im Modus der gegenseitigen Kapazität werden die Schritte gegenüber denen, die vorstehend beschrieben sind, verändert, um eine Eliminierung von gegenseitiger Kapazität zu ermöglichen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 5A und 5B wird in der Rücksetzphase C_X entladen, C_INT wird auf –V_REF geladen und C_OFF wird auf V_REF geladen. C_U werden für alle nicht ausgewählten Linien entladen, und C_U für die ausgewählte Linie (d. h. C_U-R1C1) wird auf –V_REF geladen. In der Messphase wird C_INT über den Operationsverstärker 420 gekoppelt und C_X wird mit dem negativen Anschluss des Operationsverstärkers 420 verbunden. Beide Enden von allen C_Us werden mit V_REF verbunden, so dass ihre Ladung sich nicht ändert. C_U für die ausgewählte Linie (durch den Schalter S3) wird auf V_REF geladen. Der Ausgang des Operationsverstärkers 420 für die ausgewählte Linie ist durch Gleichung (8) gegeben: V₀ = Konstante·V_REF·C_U-R1C1/C_INT + V_REF·(C_X – C_OFF)/C_INT Gleichung (9)
In diesem Beispiel ist die Konstante gleich 2, da ein Umschalten der Polarität den Effekt der gegenseitigen Kapazität verstärkt.
Aus einem Vergleich von Gleichung (2) mit Gleichung (9) wird ohne weiteres deutlich, dass V₀ die Messung der Eigenkapazität nach Gleichung (2) enthält. Wie nachfolgend erläutert, kann die Differenz zwischen diesen beiden Gleichungen, die eine gegenseitige Kapazität zwischen Zeilen angibt, dazu verwendet werden, um Geisterberührungen von realen Berührungen zu unterscheiden.
In einer Ausführungsform wird der ausgewählte Sensor (d. h. eine Zeile für eine Spaltenmessung und eine Spalte für eine Zeilenmessung) während der Entladungsphase auf V_REF und während der Integrationsphase auf Erde gelegt. Alternativ kann der ausgewählte Sensor während der gesamten Zeit auf Erdniveau gehalten werden, wobei in diesem Fall die Konstante den Wert 1 besitzt.
Der Ausgang kann durch einen ADC in einen digitalen Code umgewandelt werden. Wenn der digitale Ausgang von der normalen Messung (z. B. durch die obige Gleichung (2) gegeben) von der gegenseitigen Kapazitätsmessung (Gleichung (9)) abgezogen wird, kann die gegenseitige Kapazität zwischen einer Zeile und einer Spalte ermittelt werden. Dieses Ergebnis wird verwendet, um die Unklarheit in der Position aufzulösen, wenn mehrere gleichzeitige Berührungen vorhanden sind.
11 ist ein Fliesschema der Schritte eines Verfahrens zum Bestimmen des Orts eines Gegenstands benachbart zu einem berührungsempfindlichen Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl Eigenkapazität als auch gegenseitige Kapazität genutzt werden. Nach dem Start bei Schritt 801 wählt der Prozess die nächste zu lesende Zeile (z. B. R1) aus. In Schritt 805, der Rücksetzphase, setzt der Prozess die gegenseitigen Kapazitäten von allen Zeilen zurück (z. B. die kapazitiven Erfassungselemente, die mit jedem von R1–R4 und C1–C4 verbunden sind), und in Schritt 815 lädt der Prozess den Sensor auf der aktuell ausgewählten Linie und liest die Spannung darauf aus. Eine Spannung oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts zeigt die Anwesenheit eines Objekts auf der ausgewählten Linie an. In Schritt 820 bestimmt der Prozess, ob noch weitere Linien zu lesen sind. Wenn dies der Fall ist, geht der Prozess schleifenartig zurück zu Schritt 805. Ansonsten geht der Prozess weiter zu Schritt 825. Die Schritte 805, 810 und 815 sind Teil einer Eigenkapazitäts-Messphase, in der sämtliche Linien individuell gelesen werden.
In Schritt 825 bestimmt der Prozess, ob es mehrere Stellen gegeben hat, an denen eine Berührung erfasst worden ist. Wenn der Prozess feststellt, dass Gegenstände gleichzeitig an mehreren Stellen vorhanden sind, muss der Prozess irgendwelche Geisterberührungen berücksichtigen und ausschließen. Wenn nur eine einzige Berührung vorhanden ist, brauchen Geisterberührungen nicht betrachtet zu werden. Wenn daher in Schritt 830 der Prozess feststellt, dass er Geisterorte identifizieren und ausschließen muss, geht der Prozess zu Schritt 835 weiter. Ansonsten springt der Prozess zu Schritt 840, wo er endet. In Schritt 835 schließt der Prozess etwaige Geisterorte aus und geht dann zu Schritt 840 weiter.
12 zeigt detailliertere Komponenten des Schritts 835 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Komponente 835 startet bei Schritt 850, in dem Parameter initialisiert werden, wie etwa dadurch, dass der „nächste” Ortskandidat zu dem ersten Ortskandidaten gesetzt wird. Als nächstes aktiviert der Prozess in Schritt 851 selektiv die gegenseitige Kapazität an dem nächsten Ortskandidaten (z. B. Gleichung (9) oben), und bestimmt in Schritt 852 den Unterschied zwischen dieser Ablesung und der entsprechenden Ablesung, wenn die gegenseitige Kapazität nicht aktiviert ist. In Schritt 853 bestimmt der Prozess, ob es irgendeinen Unterschied gibt, und wenn das der Fall ist, geht er weiter zu Schritt 854, wo der Ort als ein „realer” Berührungsort klassifiziert wird. Von Schritt 854 geht der Prozess weiter zu Schritt 855. Wenn der Prozess in Schritt 853 feststellt, dass kein Unterschied zwischen den beiden Ablesungen besteht, identifiziert der Prozess den Ort als einen „Geisterort”, schließt ihn als realen Berührungsort aus und geht weiter zu Schritt 855. In Schritt 855 stellt der Prozess fest, ob es weitere zu prüfende Ortskandidaten gibt. Wenn dies der Fall ist, geht der Prozess schleifenartig zurück zu Schritt 851. Anderenfalls geht der Prozess zu Schritt 856 und endet dort.
Nachdem die tatsächlichen Berührungsorte bestimmt worden sind, können sie zu irgendeinem nachfolgenden Anwendungsprogramm übertragen werden, das sie als Eingangsgröße verwendet.
Gemäß der Erfindung wird bei einem Touchscreen-Controller eine einzelne integrierte Schaltung verwendet, um Messungen sowohl der Eigenkapazität als auch der gegenseitigen Kapazität auszuführen, um mehrere gleichzeitige Berührungen in einer linearen Anzahl von Messungen aufzulösen. Der Controller eliminiert gegenseitige Kapazitäten während der Eigenkapazitäts-Phase und aktiviert selektiv die gegenseitige Kapazität während der Phase der gegenseitigen Kapazität. In beiden Phasen wandelt der Controller eine Sensorkapazität in dem Touchscreen in eine direkt proportionale Spannung um. Touchscreens gemäß der vorliegenden Erfindung eliminieren den Effekt der gegenseitigen Kapazität und haben daher einen vergrößerten dynamischen Bereich.
Für einen Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet ist ohne weiteres ersichtlich, dass andere Modifikationen an den Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, der durch die angefügten Ansprüche festgelegt ist.

Claims

Touchscreen-Controller-System zum Erfassen eines oder mehrerer Objekte benachbart zu einer Oberfläche des berührungsempfindlichen Panels, umfassend: eine Anzahl von Erfassungsleitungen, die benachbart zu der Oberfläche des berührungsempfindlichen Panels angeordnet sind, wobei benachbarte Erfassungsleitungen eine gegenseitige Kapazität aufweisen; eine Anzahl von kapazitiven Erfassungselementen, die jeweils mit einer der Erfassungsleitungen gekoppelt sind; und eine Steuerlogik, die konfiguriert ist, um Erfassungsleitungen zum Auslesen auszuwählen und um gegenseitige Kapazitäten zwischen ausgewählten und nicht ausgewählten Erfassungsleitungen während einer Eigenkapazitäts-Messphase auf das gleiche Potential zu bringen, und um gegenseitige Kapazitäten zwischen ausgewählten und nicht ausgewählten Erfassungsleitungen während einer Messphase für gegenseitige Kapazität auf unterschiedliche Potentiale zu bringen.
Touchscreen-Controller-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsleitungen als Zeilen- und Spaltenleitungen angeordnet sind, die ein Gittermuster bilden.
Touchscreen-Controller-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenkapazitäts-Messphase ein individuelles Auslesen einer Kapazität auf jedem der kapazitiven Erfassungselemente umfasst, um zu bestimmen, ob sich ein Objekt benachbart dazu befindet.
Touchscreen-Controller-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messphase gegenseitiger Kapazität ein Auslesen einer Kapazität auf Kombinationen von Kapazitäts-Erfassungselementen umfasst, um zu bestimmen, ob sich ein Gegenstand benachbart dazu befindet.
Touchscreen-Controller-System nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Spannungsmessschaltung, die eine Ladung auf einem ausgewählten kapazitiven Erfassungselement in eine entsprechende Spannung umwandelt, die anzeigt, ob sich ein Gegenstand benachbart dazu befindet.
Touchscreen-Controller-System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmessschaltung einen Operationsverstärker umfasst, der eine Rückführungsschleife aufweist, die einen Integrationskondensator umfasst, wobei der Operationsverstärker und der Integrationskondensator auf einem einzigen integrierten Schaltkreis ausgebildet sind.
Touchscreen-Controller-System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmessschaltung einen Offset-Eliminierungskondensator in Parallelschaltung zu dem Integrationskondensator umfasst.
Touchscreen-Controller-System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Offset-Eliminierungskondensatar konfiguriert ist, um einen minimalen Rückführungsfaktor für den Operationsverstärker zu bilden, um eine Veränderung in einem Rückführungsfaktor, die durch eine Veränderung in einem externen parasitären Kondensator hervorgerufen wird, abzuschwächen.
Touchscreen-Controller-System nach Anspruch 6, weiter umfassend einen Kopplungskondensator, wobei die Steuerlogik konfiguriert ist, um eine Ladung von dem Kopplungskondensator zu dem Integrationskondensator während aufeinander folgender Integrationszyklen zu übertragen.
Touchscreen-Controller-System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmessschaltung eine Spannungsdifferenz erzeugt, die proportional zu einer Kapazität des Gegenstands und des Integrationskondensators ist.
Verfahren zum Erfassen der Anwesenheit von Gegenständen gleichzeitig auf oder benachbart zu einer Oberfläche eines berührungsempfindlichen Panels, umfassend: individuelles Auswählen von Zeilen- und Spaltenleitungen des berührungsempfindlichen Panels zum Auslesen, um einen oder mehrere in Frage kommende Orte des Gegenstands entlang der Oberfläche zu bestimmen; und Auslesen von Kombinationen von Zeilen- und Spaltenleitungen des berührungsempfindlichen Panels nur aus den in Frage kommenden Orten, um einen oder mehrere tatsächliche Orte der Gegenstände entlang der Oberfläche zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des individuellen Auswählens von Zeilen- und Spaltenleitungen und des Auslesens von Kombinationen von Zeilen- und Spaltenleitungen auf einem einzelnen integrierten Schaltkreis ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend das Eliminieren einer gegenseitigen Kapazität zwischen den Zeilen- und Spaltenleitungen, beim individuellen Auslesen von ausgewählten Zeilen- und Spaltenleitungen, und selektives Freigeben einer gegenseitigen Kapazität zwischen benachbarten Zeilen- und Spaltenleitungen, beim Auslesen von ausgewählten Kombinationen von Zeilen- und Spaltenleitungen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen von einem oder mehreren tatsächlichen Orten ein Vergleichen von Eigenkapazitätsmessungen der in Frage kommenden Orte mit entsprechenden gegenseitigen Kapazitätsmessungen der in Frage kommenden Orte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das individuelle Auslesen von Zeilen- und Spaltenleitungen und das Auslesen von Kombinationen von Zeilen- und Spaltenleitungen jeweils in einem einzelnen Integrationszyklus ausgeführt werden.
Verfahren zum Eliminieren einer gegenseitigen Kapazität zwischen Erfassungsleitungen in einem Touchscreen, wenn Erfassungsleitungen zum Auslesen ausgewählt werden, um das Vorhandensein von Gegenständen darauf zu bestimmen, wobei das Verfahren umfasst: Beibehalten der gegenseitigen Kapazitäten von nicht ausgewählten Erfassungsleitungen auf gemeinsamen Potentialen während Rücksetz- und Messphasen, um dadurch gegenseitige Kapazitäten dazwischen zu eliminieren; und Laden der gegenseitigen Kapazitäten von ausgewählten Erfassungsleitungen auf unterschiedliche Potentiale während der Rücksetz- und Messphasen, wobei die unterschiedlichen Potentiale sich jeweils von dem gemeinsamen Potential unterscheiden, und dadurch Erzeugen von gegenseitigen Kapazitäten zwischen den ausgewählten Erfassungsleitungen und den nicht ausgewählten Erfassungsleitungen während der Rücksetz- und Messphasen.