【導(dǎo)讀】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。
1 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。
2 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”。
3 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。
4 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。
5 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。
6 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LCD Vcom電壓耦合到觸摸屏的示意圖。
圖4：LCD Vcom干擾耦合模型。
雙層觸摸屏由布滿Tx陣列和Rx陣列的分離ITO層組成，中間用電介質(zhì)層隔開。Tx線占據(jù)Tx陣列間距的整個(gè)寬度，線與線之間僅以制造所需的最小間距隔 開。這種架構(gòu)被稱為自屏蔽式，因?yàn)門x陣列將Rx陣列與LCD Vcom屏蔽開。然而，通過Tx帶間空隙，耦合仍然可能發(fā)生。
為降低架構(gòu)成本并獲得更好的透明度，單層觸摸屏將Tx和Rx陣列安裝在單個(gè)ITO層上，并通過單獨(dú)的橋依次跨接各個(gè)陣列。因此，Tx陣列不能在LCD Vcom平面和傳感器Rx電極之間形成屏蔽層。這有可能發(fā)生嚴(yán)重的Vcom干擾耦合情況。
7 充電器干擾
觸摸屏干擾的另一個(gè)潛在來源是電源供電手機(jī)充電器的開關(guān)電源。干擾通過手指耦合到觸摸屏上，如圖5所示。小型手機(jī)充電器通常有交流電源火線和零線輸入，但 沒有地線連接。充電器是安全隔離的，所以在電源輸入和充電器次級(jí)線圈之間沒有直流連接。然而，這仍然會(huì)通過開關(guān)電源隔離變壓器產(chǎn)生電容耦合。充電器干擾通 過手指觸摸屏幕而形成返回路徑。
圖5：充電器干擾耦合模型。
注意：在這種情況下，充電器干擾是指設(shè)備相對(duì)于地的外加電壓。這種干擾可能會(huì)因其在直流電源和直流地上等值，而被描述成“共模”干擾。在充電器輸出的直流 電源和直流地之間產(chǎn)生的電源開關(guān)噪聲，如果沒有被充分濾除，則可能會(huì)影響觸摸屏的正常運(yùn)行。這種電源抑制比(PSRR)問題是另外一個(gè)問題，本文不做討論。
8 充電器耦合阻抗
充電器開關(guān)干擾通過變壓器初級(jí)-次級(jí)繞組漏電容(大約20pF)耦合產(chǎn)生。這種弱電容耦合作用可以被出現(xiàn)在充電器線纜和受電設(shè)備本身相對(duì)分布式地的寄生并 聯(lián)電容補(bǔ)償。拿起設(shè)備時(shí)，并聯(lián)電容將增加，這通常足以消除充電器開關(guān)干擾，避免干擾影響觸摸操作。當(dāng)便攜式設(shè)備連接到充電器并放在桌面上，并且操作人員的 手指僅與觸摸屏接觸時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)充電器產(chǎn)生的一種最壞情況的干擾。
9 充電器開關(guān)干擾分量
典型的手機(jī)充電器采用反激式(flyback)電路拓?fù)?。這種充電器產(chǎn)生的干擾波形比較復(fù)雜，并且隨充電器不同而差異很大，它取決于電路細(xì)節(jié)和輸出電壓控制策略。干擾振幅的變化也很大，這取決于制造商在開關(guān)變壓器屏蔽上投入的設(shè)計(jì)努力和單位成本。典型參數(shù)包括：
波形：包括復(fù)雜的脈寬調(diào)制方波和LC振鈴波形。頻率：額定負(fù)載下40~150kHz，負(fù)載很輕時(shí)，脈沖頻率或跳周期操作下降到2kHz以下。電壓：可達(dá)電源峰值電壓的一半=Vrms/√2。
10 充電器電源干擾分量
在充電器前端，交流電源電壓整流生成充電器高電壓軌。這樣，充電器的開關(guān)電壓分量疊加在一個(gè)電源電壓一半的正弦波上。與開關(guān)干擾相似，此電源電壓也是通過 開關(guān)隔離變壓器形成耦合。在50Hz或60Hz時(shí)，該分量的頻率遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率，因此，其有效的耦合阻抗相應(yīng)更高。電源電壓干擾的嚴(yán)重程度取決于對(duì)地并聯(lián) 阻抗的特性，同時(shí)還取決于觸摸屏控制器對(duì)低頻的靈敏度。
圖6：充電器波形實(shí)例。
電源干擾的特殊情況：不帶接地的3孔插頭
額定功率較高的電源適配器(例如筆記本電腦交流適配器)，可能會(huì)配置3孔交流電源插頭。為了抑制輸出端EMI，充電器可能在內(nèi)部把主電源的地引腳連接到輸 出的直流地。此類充電器通常在火線和零線與地之間連接Y電容，從而抑制來自電源線上的傳導(dǎo)EMI。假設(shè)有意使地連接存在，這類適配器不會(huì)對(duì)供電PC和 USB連接的便攜式觸摸屏設(shè)備造成干擾。圖5中的虛線框說明了這種配置。
對(duì)于PC和其USB連接的便攜式觸摸屏設(shè)備來說，如果具有3孔電源輸入的PC充電器插入了沒有地連接的電源插座，充電器干擾的一種特殊情況將會(huì)產(chǎn)生。Y電 容將交流電源耦合到直流地輸出。相對(duì)較大的Y電容值能夠非常有效地耦合電源電壓，這使得較大的電源頻率電壓通過觸摸屏上的手指以相對(duì)較低的阻抗進(jìn)行耦合。
本文小結(jié)
當(dāng)今廣泛用于便攜式設(shè)備的投射式電容觸摸屏很容易受到電磁干擾，來自內(nèi)部或外部的干擾電壓會(huì)通過電容耦合到觸摸屏設(shè)備。這些干擾電壓會(huì)引起觸摸屏內(nèi)的電荷 運(yùn)動(dòng)，這可能會(huì)對(duì)手指觸摸屏幕時(shí)的電荷運(yùn)動(dòng)測(cè)量造成混淆。因此，觸摸屏系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)和優(yōu)化取決于對(duì)干擾耦合路徑的認(rèn)識(shí)，以及對(duì)其盡可能地消減或是補(bǔ)償。
干擾耦合路徑涉及到寄生效應(yīng)，例如：變壓器繞組電容和手指-設(shè)備電容。對(duì)這些影響進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕＃梢猿浞终J(rèn)識(shí)到干擾的來源和大小。
對(duì)于許多便攜式設(shè)備來說，電池充電器構(gòu)成觸摸屏主要的干擾來源。當(dāng)操作人員手指接觸觸摸屏?xí)r，所產(chǎn)生的電容使得充電器干擾耦合電路得以關(guān)閉。充電器內(nèi)部屏蔽設(shè)計(jì)的質(zhì)量和是否有適當(dāng)?shù)某潆娖鹘拥卦O(shè)計(jì)，是影響充電器干擾耦合的關(guān)鍵因素。
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