圖解觸摸屏的電磁干擾問題

開發(fā)具有觸摸屏人機(jī)界面的移動(dòng)手持設(shè)備是一項(xiàng)復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)于投射式電容觸摸屏設(shè)計(jì)來說更是如此，它代表了當(dāng)前多點(diǎn)觸摸界面的主流技術(shù)。投射式 電容觸摸屏能夠精確定位手指輕觸屏幕的位置，它通過測(cè)量電容的微小變化來判別手指位置。在此類觸摸屏應(yīng)用中，需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題是電磁干擾 (EMI)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。干擾引起的性能下降可能對(duì)觸摸屏設(shè)計(jì)產(chǎn)生不利影響，本文將對(duì)這些干擾源進(jìn)行探討和分析。

投射式電容觸摸屏結(jié)構(gòu)

典型的投射式電容傳感器安裝在玻璃或塑料蓋板下方。圖1所示為雙層式傳感器的簡(jiǎn)化邊視圖。發(fā)射(Tx)和接收(Rx)電極連接到透明的氧化銦錫 (ITO)，形成交叉矩陣，每個(gè)Tx-Rx結(jié)點(diǎn)都有一個(gè)特征電容。Tx ITO位于Rx ITO下方，由一層聚合物薄膜或光學(xué)膠(OCA)隔開。如圖所示，Tx電極的方向從左至右，Rx電極的方向從紙外指向紙內(nèi)。

圖1：傳感器結(jié)構(gòu)參考。

傳感器工作原理

讓我們暫不考慮干擾因素，來對(duì)觸摸屏的工作進(jìn)行分析：操作人員的手指標(biāo)稱處在地電勢(shì)。Rx通過觸摸屏控制器電路被保持在地電勢(shì)，而Tx電壓則可變。變化的 Tx電壓使電流通過Tx-Rx電容。一個(gè)仔細(xì)平衡過的Rx集成電路，隔離并測(cè)量進(jìn)入Rx的電荷，測(cè)量到的電荷代表連接Tx和Rx的“互電容”。

傳感器狀態(tài)：未觸摸

圖2顯示了未觸摸狀態(tài)下的磁力線示意圖。在沒有手指觸碰的情況下，Tx-Rx磁力線占據(jù)了蓋板內(nèi)相當(dāng)大的空間。邊緣磁力線投射到電極結(jié)構(gòu)之外，因此，術(shù)語“投射式電容”由之而來。

圖2：未觸摸狀態(tài)下的磁力線。

傳感器狀態(tài)：觸摸

當(dāng)手指觸摸蓋板時(shí)，Tx與手指之間形成磁力線，這些磁力線取代了大量的Tx-Rx邊緣磁場(chǎng)，如圖3所示。通過這種方式，手指觸摸減少了Tx-Rx互電容。 電荷測(cè)量電路識(shí)別出變化的電容(△C)，從而檢測(cè)到Tx-Rx結(jié)點(diǎn)上方的手指。通過對(duì)Tx-Rx矩陣的所有交叉點(diǎn)進(jìn)行△C測(cè)量，便可得到整個(gè)面板的觸摸分 布圖。

圖3還顯示出另外一個(gè)重要影響：手指和Rx電極之間的電容耦合。通過這條路徑，電干擾可能會(huì)耦合到Rx。某些程度的手指-Rx耦合是不可避免的。

圖3：觸摸狀態(tài)下的磁力線。

專用術(shù)語

投射式電容觸摸屏的干擾通過不易察覺的寄生路徑耦合產(chǎn)生。術(shù)語“地”通常既可用于指直流電路的參考節(jié)點(diǎn)，又可用于指低阻抗連接到大地：二者并非相同術(shù)語。 實(shí)際上，對(duì)于便攜式觸摸屏設(shè)備來說，這種差別正是引起觸摸耦合干擾的根本原因。為了澄清和避免混淆，我們使用以下術(shù)語來評(píng)估觸摸屏干擾。

Earth(地)：與大地相連，例如，通過3孔交流電源插座的地線連接到大地。

Distributed Earth(分布式地)：物體到大地的電容連接。

DC Ground(直流地)：便攜式設(shè)備的直流參考節(jié)點(diǎn)。

DC Power(直流電源)：便攜式設(shè)備的電池電壓?；蛘吲c便攜式設(shè)備連接的充電器輸出電壓，例如USB接口充電器中的5V Vbus。

DC VCC(直流VCC電源)：為便攜式設(shè)備電子器件(包括LCD和觸摸屏控制器)供電的穩(wěn)定電壓。

Neutral(零線)：交流電源回路(標(biāo)稱處在地電勢(shì))。

Hot(火線)：交流電源電壓，相對(duì)零線施加電能。

LCD Vcom耦合到觸摸屏接收線路

便攜式設(shè)備觸摸屏可以直接安裝到LCD顯示屏上。在典型的LCD架構(gòu)中，液晶材料由透明的上下電極提供偏置。下方的多個(gè)電極決定了顯示屏的多個(gè)單像素;上 方的公共電極則是覆蓋顯示屏整個(gè)可視前端的連續(xù)平面，它偏置在電壓Vcom。在典型的低壓便攜式設(shè)備(例如手機(jī))中，交流Vcom電壓為在直流地和 3.3V之間來回震蕩的方波。交流Vcom電平通常每個(gè)顯示行切換一次，因此，所產(chǎn)生的交流Vcom頻率為顯示幀刷新率與行數(shù)乘積的1/2。一個(gè)典型的便 攜式設(shè)備的交流Vcom頻率可能為15kHz。圖4為L(zhǎng)CD Vcom電壓耦合到觸摸屏的示意圖。

圖4：LCD Vcom干擾耦合模型。