TWI479402B - 觸控感應電路及方法 - Google Patents

Description

觸控感應電路及方法

本發明係關於觸控感應技術，更係關於提升觸控感應靈敏度之技術。

觸控感應科技的進步讓我們的日常生活起了重大的改變。舉凡家用電器、手機、電腦等電子裝置，其操控介面上的傳統機械開關皆已逐漸被觸控裝置所取代。

就電容式觸控裝置而言，其目的在處理人體碰觸電容式開關時所產生的電容值變化。由於電容值的變化相當微弱，因此，外界的溫度、濕度以及電磁干擾皆可能造成觸控裝置發生誤動作，甚至導致整個裝置失效。若觸控裝置係一手持式產品，不同使用者的不同觸控行為都可能造成觸控裝置產生不一致的反應。此外，觸控電路IC在量產時也常因為製程飄移因素而使其觸控感應的靈敏度受到影像。

為了避免前述情事，習知技術在生產觸控產品時必須一一針對各個產品做測試及微調，才能維持觸控裝置的品質。然而，此舉不僅耗時耗力，也限制了觸控裝置在電子裝置上的應用。

本發明提供一種觸控感應電路。該觸控感應電路包 括：一觸控電容器，用以承受一觸碰；一觸控電容頻率偵測單元，耦接至該觸控電容器，用以偵測該觸控電容器之一電容輸出頻率；一參考頻率產生單元，耦接至該觸控電容頻率偵測單元及該參考頻率產生單元，用以得出該電容輸出頻率與該參考頻率之一差值後，再計算該差值因觸碰所產生的差值變化率；以及一判斷單元，耦接至該運算單元，用以在該差值之變化率超過一基準值時判斷該觸控電容器正被觸碰。

本發明另提供一種觸控感應方法。該觸控感應方法包括：偵測一觸控電容器之一電容輸出頻率；產生一參考頻率；得出該電容輸出頻率與該參考頻率之一差值後，再計算該差值因觸碰所產生的差值變化率；在該差值之變化率超過一基準值時判斷該觸控電容器正被觸碰。

下文為介紹本發明之最佳實施例。各實施例用以說明本發明之原理，但非用以限制本發明。本發明之範圍當以後附之權利要求項為準。

為了克服習知技術的缺失、提升電容式觸控裝置的零敏度以及抗干擾的能力，本發明提供一種特別的電容式觸控感應電路及觸控感應方法。下文將參照附圖說明本發明的各個實施例。

觸控感應電路

第1圖係依據本發明一實施例之電容式觸控感應電路 之系統方塊圖。本發明之電容式觸控感應電路100包括一觸控電容器110、一觸控電容頻率偵測單元120、一參考頻率產生單元130、一運算單元140以及一判斷單元150。其中，該觸控電容器110可用以承受使用者之觸碰，而其電容值(電容量)Cs會因觸碰而發生變化。一般來說，當人體觸碰電容器110時，其電容值Cs會變大。

如第1圖所示，本發明之觸控電容頻率偵測單元120係耦接至該觸控電容器110，可用來偵測該觸該電容器110之一電容輸出頻率fdet。第2圖係依據本發明一實施例之觸控電容頻率偵測單元120及觸控電容器110之示意圖。在此實施例中，本發明之觸控電容頻率偵測單元120包括一施密特觸發器(Schmitt trigger)122、一切換電容網路124、一充放電電路126以及一組充放電開關128。本發明係採用施密特觸發器122係用以做為一振盪架構，其耦接至前述觸控電容器110，目的在因應電容值Cs的變化了產生雙穩態振盪訊號，以做為後續數位訊號處理之用。如第3圖所示，習知技術中常以一電阻將施密特觸發器122之輸入端與輸出端連接起來。然而，為了能夠更精準的控制觸控電容器110所產生的電容輸出頻率fdet，本發明另以該切換電容網路124取代習知的電阻，以利更加精準地控制其阻值，後文將再詳述之。雖然此實施例係以切換電容網路124取代傳統電阻，然而，熟悉本技藝人士可了解到本發明不必以此為限。本發明之切換電容網路124係連接至該施密特觸發器122之輸入端，包括兩個切換電晶體T1及T2以及一接地電容器Cswr。該兩個切換電晶體T1及 T2皆連接至一節點P，並以一切換頻率fswr輪流開啟及關閉，而該接地電容器Cswr則連接於該節點P與接地端之間。由此可知，本發明之切換電容網路124之等效電阻值Rswr將等於：1/(Cswr×fswr)。因此，施密特觸發器122最後輸出的電容輸出頻率fdet可表示為fdet=1/(K×Rswr×Cs)，此即表示fdet/fswr=(1/K)×(Cswr/Cs)，其中K為常數，其值約為0.69。從此式可了解到，透過控制本發明之切換電容網路124中兩電晶體開關T1及T2間的切換頻率fswr，即可產生適當大小的電容輸出頻率fdet。本發明切換電容網路124之設計不僅將觸控電容器110所輸出的訊號予以數位化，其更能精確地將電容輸出頻率控制在適當範圍，將有助於提升整體觸控感應電路100對觸碰感應之零敏度。

本發明之充放電電路126係透過充放電開關128以及前述切換電容網路124耦接至該觸控電容器110，目的在提供一充電電壓V+及一放電電壓V-至該觸控電容器110上。請一併參照第2圖與第4圖，其中，第4圖係本發明一實施例之充放電電路結構示意圖。本發明之充放電電路126至少包括一運算放大器162以及一電流鏡164。其中該運算放大器162耦接至該觸控電容器110，用以接收該觸控電容器110之實際電壓Vin。明確地說，本發明之運算放大器162係一單一增益放大(unit gain)器，其可用以確保電阻R1與電阻R2相連接之節點X上的電壓與實際電壓值相同。該電流鏡164以一輸入端A連接至一電源VDD，並以一輸出端B串聯至一第一電阻R1，而該第一電阻R1又 串聯至一第二電阻R2。在一實施例中，該第一電阻R1與該第二電阻R2具有相同的電阻值。其中，該第一電阻R1與該第二電阻R2相連接之節點X可接收該觸控電容器110上之實際電壓Vin。如圖所示，由於該第一電阻R1與該第二電阻R2具有相同的電阻值，因此電流I可在兩電阻上形成相同的跨壓△V，使得該第一電阻R1可在節點B上輸出該放電電壓V-，其值等於Vin-△V，並使得該第二電阻R2可在節點Y上輸出該充電電壓V+，其值等於Vin+△V。最後，充放電開關128中的電晶體T3以及T4會配合對觸控電容器110充放電之時機輪流開啟及關閉。明確地說，當對觸控電容器110充電時，電晶體T3開啟，而電晶體T4關閉；而當對觸控電容器110放電時，電晶體T3關閉，而電晶體T4開啟。本發明充放電電路126之設計，其目的在於迅速平衡觸控電容110之電壓位準、提升充放電的品質，亦具有提升本發明觸控感應電路100靈敏度之功效。如第4圖所示，在某些實施例中，本發明之充放電電路126更包括濾波電路166及168，目的在進一步穩定所輸出的充放電電壓之電壓位準，然而，此實施例中濾波電路166及168之電路架構僅為方便說明，本發明不必以特定的濾波電路為限。

本發明之參考頻率產生單元130可用以產生一參考頻率fref。其中，參考頻率產生單元130之目的在參生一個與觸控電容頻率偵測單元120所偵測到的電容輸出頻率fdet相近但不相等的參考頻率fref。第5圖係依據本發明一實施例之參考頻率產生單元130之結構示意圖。在此實施 例中，該參考頻率產生單元130包括一參考電容器112以及一參考電容頻率取樣單元114。其中，該參考電容器112之電容值為Cint，其值應與前述觸控電容器110電容值相近但不相等。在一最佳實施例中，該參考電容頻率取樣單元114應與前述觸控電容頻率偵測單元120有著相同電路結構，至少包括一施密特觸發器(Schmitt trigger)132、一切換電容網路134、一充放電電路136以及一組充放電開關138。由於熟悉本技藝人士可參照文前關於觸控電容頻率偵測單元120的實施例了解參考頻率產生單元130的工作原理及實施方式，故本文不在贅述之。由於參考頻率產生單元130可與觸控電容頻率偵測單元120在相同的製程環境中被製造於相同的積體電路之上，因此製程飄移因素對整個積體電路所造成的不良影像將可被適當地消除。

回到第2圖。本發明最主要的優勢來自於所提供的運算單元140，其可進一步提升本發明觸控感應的靈敏度，並消除製程飄移之影響。明確地說，本發明之運算單元140可計算觸控電容頻率偵測單元120所偵測到的電容輸出頻率fdet與參考頻率產生單元130所產生的參考頻率fref之差值之變化率。舉例來說，假設當觸控電容器110未受到觸碰時，觸控電容頻率偵測單元120所偵測到的電容輸出頻率fdet之值為10kHz；而當觸控電容器110受到觸碰時，觸控電容頻率偵測單元120所偵測到的電容輸出頻率fdet之值會變為9kHz(一般來說，當人體觸碰電容器110時，其電容值會變大，而其輸出頻率會變小)，此外，假設本發明之參考頻率產生單元130所提供的參考頻率fref為 11kHz(與電容輸出頻率fdet相近但不相等)，其值不受觸控行為之影響。習知技術中，多以偵測電容輸出頻率fdet之變化率之方式判斷是否正在受到觸碰，就此例而言，偵測電容輸出頻率fdet之變化率僅為(9kHz-10kHz)/10kHz=10%，相當容易受到製程飄移以及各種干擾而被忽略，造成觸控感應不良。與習知技術不同的是，本發明運算單元140會先將電容輸出頻率fdet扣除參考頻率fref而取得一差值後，再計算該差值因觸碰所產生的變化率(後文簡稱為「差值變化率」)。就此例而言，其差值變化率為(2kHz-1kHz)/1kHz=100%，為前者10%之10倍，其相當於將原先的靈敏度放大10倍，極有利於觸碰行為之偵測與感應。本發明之運算單元140主要可由一減法器與一除法器所組成(圖未示)，由於其電路實施方式繁多，故本文將不再贅述其電路細節。

本發明之判斷單元150可預先將適當的差值變化率儲存成一基準值。之後，每當運算單元140所計算得到的差值變化率超過前述基準值時，本發明之判斷單元150即可判斷該觸控電容器110正在被觸碰，完成整個觸控感應之動作。值得注意的是，外界環境的變化(例如電源電力的變化、環境溫度、濕度的變化)皆會對前述差值變化率造成影響。因此，在某些實施例中，本發明之運算單元140可針對前述不同的環境分別計算其差值變化率，而判斷單元150即可將不同環境下的差值變化率儲存為基準值，如此一來，本發明即可滿足動態運算的需求。

觸控感應方法

除了前述觸控感應電路，本發明另提供一種觸控感應方法。第6圖係依據本發明一實施例之觸控感應方法流程圖。本發明之觸控感應方法600包括：在步驟S602中，偵測一觸控電容器之一電容輸出頻率；在步驟S604中，產生一參考頻率；在步驟S606中，計算該電容輸出頻率與該參考頻率之差值之變化率；在步驟S607中，進行基準值計算，以及在步驟S608中，當該差值之變化率超過一基準值時判斷該觸控電容器正被觸碰。值得注意的是，在一理想實施例中，步驟S604所產生的參考頻率應與該電容輸出頻率相近但不相等。由於熟悉本技藝人士可參照前文關於觸控感應電路的內容理解並實施本發明之觸控感應方法600中的各個步驟，故本文將不再贅述本方法的其他各種實施例。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電容式觸控感應電路

110‧‧‧觸控電容器

120‧‧‧觸控電容頻率偵測單元

130‧‧‧參考頻率產生單元

140‧‧‧運算單元

150‧‧‧判斷單元

T1、T2、T3、T4‧‧‧電晶體

122‧‧‧施密特觸發器

124‧‧‧切換電容網路

126‧‧‧充放電電路

128‧‧‧充放電開關

Cswr‧‧‧接地電容器

Cs‧‧‧觸控電容器之電容值

Cint‧‧‧參考電容器之電容值

fdet‧‧‧觸控電容之電容輸出頻率

fref‧‧‧參考頻率

Vin‧‧‧實際電壓

V+‧‧‧充電電壓

V-‧‧‧放電電壓

162‧‧‧運算放大器

164‧‧‧電流鏡

166‧‧‧濾波電路

168‧‧‧濾波電路

112‧‧‧參考電容器

114‧‧‧參考電容頻率取樣單元

132‧‧‧施密特觸發器

134‧‧‧切換電容網路

136‧‧‧充放電電路

138‧‧‧充放電開關

S602~S608‧‧‧步驟

第1圖係依據本發明一實施例之電容式觸控感應電路之系統方塊圖。

第2圖係依據本發明一實施例之觸控電容頻率偵測單元120及觸控電容器110之示意圖。

第3圖係本發明之切換電容網路取代示意圖。

第4圖係本發明一實施例之充放電電路結構示意圖。

第5圖係依據本發明一實施例之參考頻率產生單元130之結構示意圖。

第6圖係依據本發明一實施例之觸控感應方法流程圖。

100‧‧‧電容式觸控感應電路

110‧‧‧觸控電容器

120‧‧‧觸控電容頻率偵測單元

130‧‧‧參考頻率產生單元

140‧‧‧運算單元

150‧‧‧判斷單元

Claims (12)

1. 一種觸控感應電路，包括：一觸控電容器，用以承受一觸碰；一觸控電容頻率偵測單元，耦接至該觸控電容器，用以偵測該觸控電容器之一電容輸出頻率；一參考頻率產生單元，用以產生一參考頻率；一運算單元，耦接至該觸控電容頻率偵測單元及該參考頻率產生單元，用以得出該電容輸出頻率與該參考頻率之一差值後，再計算該差值因觸碰所產生的差值變化率；以及一判斷單元，耦接至該運算單元，用以在該差值之變化率超過一基準值時判斷該觸控電容器正被觸碰。
2. 如申請專利範圍第1項所述之觸控感應電路，其中該參考頻率相近但不相等於該電容輸出頻率。
3. 如申請專利範圍第1項所述之觸控感應電路，其中該觸控電容頻率偵測單元更包括一施密特觸發器(Schmitt trigger)，其以一輸入端串聯至該電觸控電容器之一輸出端。
4. 如申請專利範圍第3項所述之觸控感應電路，其中該觸控電容頻率偵測單元更包括一切換電容網路，其中該切換電容網路連接至該施密特觸發器之輸入端。
5. 如申請專利範圍第4項所述之觸控感應電路，其中該切換電容網路更包括：兩切換電晶體，皆連接至一節點，以一切換頻率輪流 開啟及關閉；以及一接地電容器，連接於該節點與一接地端之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之觸控感應電路，該觸控電容頻率偵測單元更包括一充放電電路，耦接至該觸控電容器，用以提供一充電電壓及一放電電壓至該觸控電容器。
7. 如申請專利範圍第6項所述之觸控感應電路，更包括一組充放電開關，耦接於該充放電電路以及該觸控電容器之間，用以控制該充放電電路。
8. 如申請專利範圍第7項所述之觸控感應電路，其中該充放電電路更包括：一電流鏡，其以一輸入端連接至一電源，並以一輸出端串聯至一第一電阻，而該第一電阻又串聯至一第二電阻，其中該第一電阻與該第二電阻連接於一節點；該節點用以接收該觸控電容器之一實際電壓，而該第一電阻係用以輸出該放電電壓，而該第二電阻係用以輸出該充電電壓。
9. 如申請專利範圍第8項所述之觸控感應電路，其中該第一電阻與該第二電阻具有相同的電阻值。
10. 如申請專利範圍第1項所述之觸控感應電路，其中該參考頻率產單元更包括：一參考電容器；以及一參考電容頻率取樣單元，耦接至該參考電容器，用以偵測該參考電容器之一電容輸出頻率，其中該參考電容頻率取樣單元與該觸控電容頻率偵測單元具有相同的電路結構。
11. 一種觸控感應方法，包括：偵測一觸控電容器之一電容輸出頻率；產生一參考頻率；得出該電容輸出頻率與該參考頻率之一差值後，再計算該差值因觸碰所產生的差值變化率；在該差值之變化率超過一基準值時判斷該觸控電容器正被觸碰。
12. 如申請專利範圍第11項所述之觸控感應方法，其中該參考頻率相近但不相等於該電容輸出頻率。