从控制器角度看感应电容触控系统

自2007年iPhone出现后，触摸屏的年销售额已增长了100倍，并且速度没有减慢的迹象。本文描述了把型触摸屏集成到一个设备中时须面对的很多设计和应用挑战，并重点强调了信噪比的重要性。

简介
自2007年iPhone出现后，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）的触摸屏来对抗噪声。一个高信噪比还会有其它优势，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：
SNRdB = 10log10(PS/PN) = 10log10(RMSS/RMSN)2= 20log10(RMSS/RMSN)
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。