电容式触控技术入门及实例解析

电容式触控技术入门及实例解析洪锦维著化学工业出版社

1.Pixcir IC 特点： (1)

2.触控技术的瓶颈 (1)

3.电容式触控芯片设计方法 (3)

1)开关电容法Switched Capacitor Method (3)

2)充电转换法(Charge Transfer Method) (4)

3)张驰振荡法(Relaxation Oscillator Method) (6)

4)串联电容分压法(Series Capacitor V oltage Division Method) (7)

1.Pixcir IC 特点：

1)采用低压制程0~3.3V 每秒充放电30million次。E=1/2CU2 ，可知较低的电压可以减少充放电过程中的能量损耗。

2)高压制程的输入一般是1.8～5V,扫描脉冲一般为10V+，所以需要增加DC/DC 电路，模拟电路设计增加了芯片体积与功耗。使用高压制程是为了提高信噪比。

3)Pixcir的Tango系列芯片均使用S-R扫描算法进行抗干扰处理。对于单指，S-R 算法几乎可以将干扰降低为0；对于多指，Pixcir使用软件模拟出一个实际的干扰曲线，通过调整SPI速度，可以使驱动信号曲线远离干扰曲线，提高抗干扰能力。

2.触控技术的瓶颈

1)floating

若在不接地的环境下使用，如木制桌椅上，会产生划线断点不连续现象。多指使用过程中，若无可靠GND回路，手指间信号会发生相互干扰。

Drive

Drive

Poor Return

解决方法：

①设备机壳采用技术设计（Iphone 外围的不锈钢圈），保证手持时人体与大地相连接通放电回路。

②

内部增加GND 裸露金属面积，使用电磁辐射方式释放多余电荷。 2)AC Noise

连接充电器时，AC~DC 滤波不完全，引起纹波干扰。（<100MV ）

解决方法：保证充电器达到芯片设计水平；增加设备主板内部滤波模块。 3)大手指问题

大拇指用力按压，会判断为两个或多个触摸。

4)线性度。

5)形变导致的错误报点

组装或使用过程中，TP 形变或由于设备内部金属机构位移会造成sensor 对地电容发生变化产生错误报点。 6)手指分离

两指在间距很小时划线，区分两条轨迹。

3.电容式触控芯片设计方法

1)开关电容法Switched Capacitor Method

充电放电

开关电容器等效电阻

假设充电时Q=CV ，放电时将电荷全部释放。假设1s 充放电N 次，则会有Q=NCV 的电荷完成移动。呈现类似电阻的作用，I=V/R.I 是指1s 从电源到地移动的电荷量。如果两种方式移动的电荷量相同，则可以得到NCV=V/R 。所以NC=1/R.即：如果开关以N 次/s 的速度进行切换则相当于电路中串接了一个阻值为1/（NC ）的电阻器。

通过开关电容等效电阻的原理，可以利用开关电容等效电阻在电路中分压从而通过计算电压值的大小来确定电容的变化。如下图为一种利用开关电容原理实现触控侦测的一种电路结构。

当手指靠近感应电极时C 变大，所以V out 会变小。通过侦测V out 的变化就会推测出感应电容的变化。

2)充电转换法(Charge Transfer Method)

c 充电转换法的电路结构

c 开关电容法的电路结构

主要由开关切换器、比较器与电容器构成。充电转换器的主要操作如下图所示：

c c c

①连接VDD 与感应电极 ②转换开关切换器，储存在Cp 中的电荷会移动到Cs 中，同时Cs 的电压会上升，上升的幅度则由Cp 与Cs 的容量比决定，此时只要通过计算超过一定电压所需要的时间就可以推算出Cp 的值。

③测量结束，通过开关切换器使Cp和Cs放电回到初始化状态。

说明：Cp充电阶段由于电极直接与电源相连，因此阻抗较低，但由于人体存在电阻，当人体接触电极时，是Cp电极部位阻抗增高，不过由于Cp的容量比Cs大，而且电荷的转移瞬间就结束，所以容易受噪声影响的电极在电路中连接的时间非常短，因此可以将噪声的影响抑制在很小的范围内。

3)张驰振荡法(Relaxation Oscillator Method)

张驰振荡电路(Relaxation Oscillator)的一种典型应用就是测量电容。张驰振荡电路通过电阻给电容充电。充电时间t约等于RC。通过计算充电时间就可以计算出被充电电容的大小。当手指触摸面板时，电容量会变大，所以充电时间就会变长。

Vout

Vref

V CO

说明：由于手指之间的容量很小，如果要求充电时间达到一定值时就必须增加R，然而这样会造成触控点阻抗的增加，从而使这种电路结构容易受噪声的影响。

4)串联电容分压法(Series Capacitor Voltage Division Method)

与充电转换方式的原理大体相同，都是利用电荷的转移特性。由电阻器、充电用电容器Cs(较大)、基准用电容器Cref(较小)及电压比较器构成。基准用电容器Cref 与感应电容Cp串联，由于手指的触碰改变了Cp的大小从而改变了Cs的放电时间，通过测量电压降至一定电压时所需要的时间就可以计算出感应电容Cp的大小。

c p

串联电容分压方式的电路结构

工作原理如下图：

①连接S1，对Cs、Cref、Cp充电。

②连接S2、S3，对Cs、Cref、Cp放电。由于Cref容量小所以被完成放电。

③用Cs给Cref与Cp进行充电。

所以通过计算比较器输出电压推算出刚硬电容Cp的大小。