觸摸屏原理

電容觸摸屏驅(qū)動(dòng)原理3

05月04日

分類(lèi)：觸摸屏原理

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     4.3 CSA
           CapSense Successive Approximation(CSA)是賽普拉斯半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的觸控技術(shù)，適用於類(lèi)比/數(shù)位混合訊號(hào)處理器的PSoC。
           圖10 是CSA 方式的基本結(jié)構(gòu)，外觀非常類(lèi)似充電轉(zhuǎn)換方式，CSA 與充電轉(zhuǎn)換間最大差異是切換器的連接，尤其是CSA 的電容器高速開(kāi)關(guān)時(shí)，可以獲得類(lèi)似電阻器的切換容器動(dòng)作特性。

圖10 CSA 方式的基本結(jié)構(gòu)

CSA 與電阻器電路的動(dòng)作波形比較如圖11，右側(cè)反覆切換部分相當(dāng)於左側(cè)電阻器，觸控時(shí)的容量變化相當(dāng)於阻抗值變化，切換時(shí)的輸出電壓利用下式表示：VOUT=I/NC

圖11 CSA 方式的動(dòng)作特性

           隨著手指的靠近增C 大，VOUT 則變低。一旦停止切換動(dòng)作，透過(guò)定電流源的供應(yīng)電壓上升，到達(dá)預(yù)設(shè)臨界電壓的時(shí)間，隨著切換時(shí)的電壓，亦即感測(cè)部位的容量改變。
     4.4 串聯(lián)容量分壓比較
           串聯(lián)容量分壓比較方式與充電轉(zhuǎn)換方式相同，都是利用電荷的移動(dòng)特性，它是歐姆龍專(zhuān)利的感測(cè)方式。
           如圖12 所示，串聯(lián)容量分壓比較方式是由電阻器與基準(zhǔn)用電容器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)上的特徵是基準(zhǔn)用電容器與感測(cè)器部位的容量CP 呈串聯(lián)狀態(tài)，利用該串聯(lián)容量的切換使充電用電容器放電，接著量測(cè)電壓降至一定位置的時(shí)間，是串聯(lián)容量分壓比較方式的基本動(dòng)作原理。

圖12 串聯(lián)容量分壓比較方式的基本結(jié)構(gòu)

圖13 是串聯(lián)容量分壓比較方式的動(dòng)作特性，如圖所示，步驟1 對(duì)充電用電容器進(jìn)行充電，步驟2 使基準(zhǔn)用電容器與感測(cè)器部位的電容器放電，此時(shí)通過(guò)電阻器充電用電容器會(huì)被放電，因此切換器SW2 與SW3 的ON 時(shí)間非常短。

圖13 串聯(lián)容量分壓比較方式的動(dòng)作特性

4.5 分流
分流(Shunt)方式主要使用類(lèi)比元件電容式觸控感測(cè)IC，分流方式的動(dòng)作原理如圖14，它與無(wú)線(xiàn)通訊的動(dòng)作原理非常類(lèi)似，兩個(gè)圖案其中一個(gè)當(dāng)作送訊天線(xiàn)以高頻驅(qū)動(dòng)，另外一個(gè)當(dāng)作收訊天線(xiàn)接收訊號(hào)進(jìn)行。

圖14 分流方式的動(dòng)作原理

           如圖14，上方天線(xiàn)彼此呈電界結(jié)合狀，一旦手指靠近就變成圖14(b)，由於人體本身就是接地物體，相當(dāng)於一塊矗立的遮蔽板，因此收訊強(qiáng)度會(huì)降低。值得一提的是，觸控感測(cè)晶片會(huì)對(duì)周?chē)沫h(huán)境變化進(jìn)行補(bǔ)償，它會(huì)依照觸控手指大小造成變化量的增減，自動(dòng)調(diào)整開(kāi)關(guān)臨界強(qiáng)度與感度。
     4.6 切換容量
           圖 15 是切換容量方式的動(dòng)作原理，首先將電容器與切換器連接，利用時(shí)脈交互進(jìn)行開(kāi)關(guān)。電壓V 的電源一旦被接通，會(huì)將Q=CV 的電荷Q(C)儲(chǔ)存在容量C 的電容器。反覆使電容器充電、放電時(shí)，CV 的電荷會(huì)移動(dòng)，1 秒鐘反覆N 次，呈現(xiàn)Q=NCV 的電荷移動(dòng)狀態(tài)。

圖15 利用電容器製作阻抗

           接著將電阻器與電源連接進(jìn)行比較，R(Ω)電阻器的兩端如果施加V(V)，流動(dòng)電流I(A)變成：I=V/R
           I(A)是指1 秒鐘I(C)的電荷移動(dòng)，1 秒鐘的Q(C)的電荷移動(dòng)變成：Q=V/R
           兩式比較可以發(fā)現(xiàn)從CV=V/R變成NC=1/R，換句話(huà)說(shuō)以N(Hz)切換，相當(dāng)於連接1/NC(Ω)電阻器進(jìn)行電荷移動(dòng)。
           輸出電壓利用切換動(dòng)作反覆上下移動(dòng)，此時(shí)若以低通濾波器(Low-Pass Filter, LPF)平滑化，就可以獲得使用電阻器相同效果。
        5 感應(yīng)電容觸摸屏
           內(nèi)部電容(Inner Capacitive)方式是電容式感測(cè)的改良版，主要特徵包括，保持電容式的優(yōu)點(diǎn)，低價(jià)、輕巧，戴手套可以觸壓控制，應(yīng)用電容式觸控面板的感測(cè)技術(shù)與利用阻抗膜式觸控面板的製造技術(shù)與製造設(shè)備等。

感應(yīng)電容觸摸屏與表面電容觸摸屏相比，可以穿透較厚的覆蓋層，而且不需要校正。媲美電容式的耐久性，大於5,000 萬(wàn)次；耐擦傷性大於3Ｈ、可負(fù)載250 公克的鐵絲球，反覆10 次，並進(jìn)而提高AR 膜片的實(shí)力。此外，操作溫度範(fàn)圍介於-30～+85℃之間，保存溫度範(fàn)圍則為-40～+95℃。圖16 是表面與內(nèi)部電容方式的比較；圖17 是內(nèi)部電容觸控面板的驅(qū)動(dòng)電路方塊圖。

圖16 表面電容感測(cè)與內(nèi)部電容感測(cè)的比較

圖17 內(nèi)部電容觸控面板的驅(qū)動(dòng)電路方塊圖

5.1 電極設(shè)計(jì)
感應(yīng)電容式在兩層ITO 塗層上蝕刻出不同的ITO 模組，需要考慮模組的總阻抗，模組之間的連接線(xiàn)的阻抗，兩層ITO 模組交叉處產(chǎn)生的寄生電容等因素。而且為了檢測(cè)到手指觸摸，ITO 模組的面積應(yīng)該比手指面積小，當(dāng)採(cǎi)用菱形圖案時(shí)，對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)通常控制在4 到6 毫米（見(jiàn)圖18）。

圖18 感應(yīng)電容觸摸屏結(jié)構(gòu)

5.2 電容式觸摸屏解決方案
目前的電容式觸摸屏解決方案中，Cypress PSoC 產(chǎn)品以可編程，設(shè)計(jì)靈活，一致性好，再加上高效的PSoC Express / PSoC designer 開(kāi)發(fā)環(huán)境而處?kù)额I(lǐng)先地位。PSoCCapSense 技術(shù)是根據(jù)電容感應(yīng)的原理使用CSA 或CSD 模組來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PCB 板或觸摸屏上相鄰的感應(yīng)模組或?qū)Ь€(xiàn)之間會(huì)存在寄生電容（見(jiàn)圖19 中的Cp），當(dāng)有手指接近或觸摸兩個(gè)相鄰感應(yīng)模組時(shí)，相當(dāng)於附加了兩個(gè)電容，它們相當(dāng)於並聯(lián)在Cp 上的電容Cf。利用PSoC 的CSA 和CSD 技術(shù)可以檢測(cè)到這個(gè)電容上的變化，從而確定有沒(méi)有手指觸摸。

圖19 PSoC CapSense 檢測(cè)電容原理

              PSoC 觸摸屏解決方案的優(yōu)點(diǎn)還體現(xiàn)在：
                       a. 是一種單晶片方案，和傳統(tǒng)方案相比減少了外部器件，降低了系統(tǒng)總體BOM 成本。
                       b. 通過(guò)使用I2C-USB Bridge 和其他相關(guān)工具，結(jié)合PSoC Express / PSoC designer 開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以極大地節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間和費(fèi)用。
                       c. PSoC 內(nèi)部的IO 和各種類比/數位模組可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重配置，不需要修改原理圖和PCB 就可以更新設(shè)計(jì)以適應(yīng)新的需求。它還支援多種通訊介面I2C / UART / SPI / USB 等，可以和各種介面的主機(jī)方便連接，這些都會(huì)降低系統(tǒng)更新的成本。
                       d. PSoC 可以針對(duì)外界環(huán)境變化 /RF 干擾 / 溫度變化 / 電源波動(dòng)等靈活設(shè)置參數，在LCD顯示器、手機(jī)、數碼相機(jī)和白色家電的觸摸控制中得到了廣泛的應(yīng)用。
                       e. 除了控制觸摸以外，PSoC 還可實(shí)現(xiàn)LED 背光控制，馬達(dá)控制，電源管理，I/O 擴(kuò)展等增值功能。PSoC 已經(jīng)應(yīng)用在了多種尺寸的觸摸屏中，如果要實(shí)現(xiàn)表面電容觸摸屏的控制，可以由CY8C21x34 或CY8C24x94 系列通過(guò)CSD 模組來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電容觸摸屏的控制，可以由CY8C20x34 系列通過(guò)CSA 模組，也可由 CY8C21x34 或CY8C24x94 系列通過(guò)CSD 模組來實(shí)現(xiàn)。
       6．電容觸摸屏與電阻觸摸屏比較在觸摸屏產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)性能和成本進(jìn)行權(quán)衡。電阻觸摸屏的成本較低，競(jìng)爭(zhēng)就很激烈，而且在性能和應(yīng)用場(chǎng)合上有一定局限。
                      a.電容觸摸屏只需要觸摸，而不需要壓力來產(chǎn)生信號(hào)。
                      b. 電容觸摸屏在生產(chǎn)後只需要一次或者完全不需要校正，而電阻技術(shù)需要常規(guī)的校正。
                      c. 電容方案的壽命會(huì)長(zhǎng)些，因?yàn)殡娙萦|摸屏中的部件不需任何移動(dòng)。電阻觸摸屏中，上層的ITO 薄膜需要足夠薄才能有彈性，以便向下彎曲接觸到下面的ITO 薄膜。
                     d. 電容技術(shù)在光損失和系統(tǒng)功耗上優(yōu)於電阻技術(shù)。
                     e. 選擇電容技術(shù)還是電阻技術(shù)主要取決於觸碰螢?zāi)坏奈矬w。如果是手指觸碰，電容觸摸屏是比較好的選擇。如果需要觸筆，不管是塑膠還是金屬的，電阻觸摸屏可以勝任。電容觸摸屏也可以使用觸筆，但是需要特製的觸筆來配合。
                     f. 表面電容式可以用於大尺寸觸摸屏，並且相成本也較低，但目前無(wú)法支持手勢(shì)識別；感應(yīng)電容式主要用於中小尺寸觸摸屏，並且可以支援手勢(shì)識別。
                g. 電容式技術(shù)耐磨損、壽命長(zhǎng)、用戶(hù)使用時(shí)維護(hù)成本低，因此生產(chǎn)廠(chǎng)家的整體運(yùn)營(yíng)費(fèi)用可被進(jìn)一步降低。
        7. 電容式觸摸屏的發(fā)展趨勢(shì)
              目前電容觸摸屏已經(jīng)應(yīng)用在了iPhone 及其它手持設(shè)備上，定位單點(diǎn)軌跡 / 類(lèi)比滑鼠雙擊是它的基本功能，電容觸控比電阻式觸控有更高透光度、分辨率，使用壽命亦比電阻式觸控長(zhǎng)，在可擕式應(yīng)用中，用戶(hù)一手拿著設(shè)備，只能用另一隻手操作，因此識(shí)別多手指的抓取 / 平移, 伸展 / 壓縮、旋轉(zhuǎn)、翻頁(yè)等手勢(shì)操作就顯得尤為重要。PSoC 感應(yīng)電容觸摸屏已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測(cè)，從而支持兩手指的手勢(shì)識(shí)別。多手指手勢(shì)操作的識(shí)別和應(yīng)用成為當(dāng)前市場(chǎng)的熱點(diǎn)，預(yù)計(jì)未來(lái)電容式觸控，將逐漸取代電阻式觸控技術(shù)，來(lái)電容式觸控不只手機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，未來(lái)觸控技術(shù)商機(jī)，也有機(jī)會(huì)拓及各類(lèi)可攜式產(chǎn)品、家電應(yīng)用。可以預(yù)見(jiàn)支持手勢(shì)識(shí)別的電容式觸摸屏將在市場(chǎng)上大放光彩