從控制器角度看感應電容觸控系統(tǒng)

自2007年iPhone出現(xiàn)后，感應電容觸摸屏的年銷售額已增長了100倍，并且速度沒有減慢的跡象。本文描述了把感應電容型觸摸屏集成到一個設備中時須面對的很多設計和應用挑戰(zhàn)，并重點強調了控制器信噪比的重要性。

簡介
自2007年iPhone出現(xiàn)后，感應電容觸摸屏的應用范圍就在不斷擴大。盡管如此，真正把感應電容觸摸屏集成到設備中仍存在著很大的挑戰(zhàn)，尤其在液晶顯示器（LCD）、外圍器件產(chǎn)生干擾及嘈雜的環(huán)境中。有效的解決方案之一是使用高信噪比（SNR）的觸摸屏控制器來對抗噪聲。一個高信噪比控制器還會有其它優(yōu)勢，下面將會詳細描述。
SNR定義為信號（有用的信息）和噪聲（無用信號）的功率比。如果信號和噪聲在相同的負載下測量，SNR可以通過計算幅度均方根（RMS）的平方獲得。功率比的值（PS/PN）通常很大，通常用對數(shù)（dB）來描述。SNR可以表示為：
SNRdB = 10log10(PS/PN) = 10log10(RMSS/RMSN)2= 20log10(RMSS/RMSN)
高SNR意味著測到的信號強度比背景噪聲高。

整體觸控性能
主要由兩個器件決定整體觸控性能：觸摸屏傳感器和觸摸屏控制器。觸摸屏傳感器種類繁多，它們的名稱形象的說明了其形狀和結構，例如三角形、菱形、雪花形、條形等等。例如，“菱形”是菱形的網(wǎng)格結構，而“條形”是行列交叉的網(wǎng)格，像一個城市的街道。一些傳感器類型使用一層ITO，而其它的則需要兩層或三層，這決定于所需的系統(tǒng)性能和觸摸屏控制器芯片。
通常要根據(jù)觸摸屏控制器結構來決定觸摸屏傳感器樣式和層結構（“堆疊”）以最大化SNR。例如，在單層互容帶有交叉（搭橋）的菱形樣式中，觸摸屏表面到ITO的X層和Y層的距離是一樣的，這降低了增益誤差并使行和列的SNR很接近。盡管如此，仍需要增加一層屏蔽層防止傳感器受到LCD噪聲干擾。使用高SNR的觸摸屏控制器可以降低觸摸屏傳感器的成本，放寬設計限制，使用更多的樣式和層結構。正如下面將要討論的一樣，高SNR觸摸屏控制器還可提供額外的好處，例如較容易找到觸摸中心，降低了觸摸屏對環(huán)境噪聲的靈敏度，并允許使用手套或尖導電筆。
控制器架構
自容式和互容式1是兩種主要的電容觸摸屏感應檢測技術，自容式和互容式的特性簡單歸納如下：
自容式
今天仍在使用的早期技術。
受限于“鬼點”（相對于真實觸摸位置的錯誤觸摸位置），通常為一點觸摸或兩點觸摸。
菱形樣式最普遍。
對LCD噪聲抑制較差。
簡單，低成本控制器。
互容式
正在攻占市場的新一代設計。
真正的兩點或多點觸摸。
較高的精度。
傳感器樣式設計更加靈活，這有助于最大化SNR。
較好的噪聲抑制。
更復雜，高成本控制器。
很多應用僅需要一個或兩個觸點，因此自容方案更有吸引力，尤其當用戶界面的觸摸位置可控以消除“鬼點”的時候。自容方案的典型SNR超過30dB，通常需要在LCD和傳感器的觸摸層底部之間增加屏蔽層，這會增加成本，降低顯示亮度。

其它技術可被用到自容方案以進一步提高SNR。這包括（a）增加每通道的采樣數(shù)；（b）增加傳感器驅動電壓，這增加了固定噪聲（如來自LCD的噪聲）下的信號幅度；（c）在不同頻率采樣以避免固定頻率干擾，如避開60Hz（這被稱為“頻率抖動”）。盡管如此，該技術通常會降低幀率，增加功耗，這兩樣都是不希望的。

從以上討論中可以很清楚地看出，為了最大化SNR并支持兩點或多點的觸摸，互容式是最有希望的感應檢測技術。圖1的系統(tǒng)框圖歸納了互容式的實現(xiàn)方法，即把一個激勵信號加在觸摸屏傳感器電容的一極，把另一極連接到觸摸屏控制器的模擬前端（AFE），AFE的輸出被轉化成數(shù)字格式并在數(shù)字信號處理器（DSP）中進行進一步處理。

圖1.互容式系統(tǒng)框圖。
設計挑戰(zhàn)
當把電容觸摸屏傳感器集成到觸控設備中時會遇到很多技術挑戰(zhàn)。下文所述情況均可受益于高SNR的觸摸屏控制器。