从控制器角度谈感应电容触控系统的设计挑战

自2007年iPhone出现后，感应电容触摸屏的应用范围就在不断扩大。尽管如此，真正把感应电容触摸屏集成到设备中仍存在着很大的挑战，尤其在液晶显示器(LCD)、外围器件产生干扰及嘈杂的环境中。有效的解决方案之一是使用高信噪比(SNR)的触摸屏控制器来对抗噪声。一个高信噪比控制器还会有其它优势，下面将会详细描述。

SNR定义为信号(有用的信息)和噪声(无用信号)的功率比。如果信号和噪声在相同的负载下测量，SNR可以通过计算幅度均方根(RMS)的平方获得。功率比的值(PS/PN)通常很大，通常用对数(dB)来描述。SNR可以表示为：

高SNR意味着测到的信号强度比背景噪声高。

整体触控性能

主要由两个器件决定整体触控性能：触摸屏传感器和触摸屏控制器。触摸屏传感器种类繁多，它们的名称形象的说明了其形状和结构，例如三角形、菱形、雪花形、条形等等。例如，“菱形”是菱形的网格结构，而“条形”是行列交叉的网格，像一个城市的街道。一些传感器类型使用一层ITO，而其它的则需要两层或三层，这决定于所需的系统性能和触摸屏控制器芯片。

通常要根据触摸屏控制器结构来决定触摸屏传感器样式和层结构(“堆叠”)以最大化SNR。例如，在单层互容带有交叉(搭桥)的菱形样式中，触摸屏表面到ITO的X层和Y层的距离是一样的，这降低了增益误差并使行和列的SNR很接近。尽管如此，仍需要增加一层屏蔽层防止传感器受到LCD噪声干扰。使用高SNR的触摸屏控制器可以降低触摸屏传感器的成本，放宽设计限制，使用更多的样式和层结构。正如下面将要讨论的一样，高SNR触摸屏控制器还可提供额外的好处，例如较容易找到触摸中心，降低了触摸屏对环境噪声的灵敏度，并允许使用手套或尖导电笔。

控制器架构

自容式和互容式[1]是两种主要的电容触摸屏感应检测技术，自容式和互容式的特性简单归纳如下：

自容式

●今天仍在使用的早期技术。

●受限于“鬼点”(相对于真实触摸位置的错误触摸位置)，通常为一点触摸或两点触摸。

●菱形样式最普遍。

●对LCD噪声抑制较差。

●简单，低成本控制器。

互容式

●正在攻占市场的新一代设计。

●真正的两点或多点触摸。

●较高的精度。

●传感器样式设计更加灵活，这有助于最大化SNR。

●较好的噪声抑制。

●更复杂，高成本控制器。

很多应用仅需要一个或两个触点，因此自容方案更有吸引力，尤其当用户界面的触摸位置可控以消除“鬼点”的时候。自容方案的典型SNR超过30dB，通常需要在LCD和传感器的触摸层底部之间增加屏蔽层，这会增加成本，降低显示亮度。

其它技术可被用到自容方案以进一步提高SNR。这包括(a)增加每通道的采样数；(b)增加传感器驱动电压，这增加了固定噪声(如来自LCD的噪声)下的信号幅度；(c)在不同频率采样以避免固定频率干扰，如避开60Hz(这被称为“频率抖动”)。尽管如此，该技术通常会降低帧率，增加功耗，这两样都是不希望的。

从以上讨论中可以很清楚地看出，为了最大化SNR并支持两点或多点的触摸，互容式是最有希望的感应检测技术。图1的系统框图归纳了互容式的实现方法，即把一个激励信号加在触摸屏传感器电容的一极，把另一极连接到触摸屏控制器的模拟前端(AFE)，AFE的输出被转化成数字格式并在数字信号处理器(DSP)中进行进一步处理。

图1. 互容式系统框图

设计挑战

当把电容触摸屏传感器集成到触控设备中时会遇到很多技术挑战。下文所述情况均可受益于高SNR的触摸屏控制器。

传感器层设计：如今存在各种各样的触摸屏传感器层结构，分别对应材料、厚度、性能和成本的不同要求。如图2所示。而单层还是多层衬底，“向上”还是“向下”架构，X和Y层厚度的变化，透光胶(OCA)厚度的变化以及其它因素都会影响传感器产生的信号幅度。由于高SNR触摸屏控制器可以处理较宽动态范围的触摸屏传感器信号，结构差异引起的影响会被削弱。这就给了设计者更多的自由去选择传感器层结构。

图2. 一种互容式触摸屏传感器的层结构(与实物不成比例)。

厚防护罩：一些应用，例如银行ATM机，可能需要一个厚玻璃罩来防止显示器被破坏。但厚玻璃罩会降低摸信号强度，并降低触摸位置检测精度，这是因为手指离触摸屏传感器距离变大，导致电容范围变大，信号幅值变低，很难确定精确触摸位置，戴手套也会产生相同的效果。

LCD VCOM类型： LCD VCOM是“共模电压”，是LCD屏的参考电压。根据系统要求，可能采用AC VCOM或DC VCOM。AC VCOM是交变的，而DC VCOM是恒压。前一种方式会产生更多的噪声。

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