如何在電容式觸摸屏應(yīng)用中處理噪聲問題

    觸摸屏設(shè)備可能會(huì)在一天中受到許多不同噪聲源的干擾，既包含內(nèi)部噪聲也包含外部噪聲。充電器和顯示器噪聲是當(dāng)今兩種最常見的問題噪聲源。隨著市場(chǎng)上的充電設(shè)備變得越來越輕薄、噪聲越來越大，這種挑戰(zhàn)只會(huì)變得更加難以管理。此外，許多其他日常物件也會(huì)產(chǎn)生噪聲，引起干擾，如無線電信號(hào)、交流電源乃至熒光燈鎮(zhèn)流器等。在存在噪聲的情況下，低性能電容式觸摸屏系統(tǒng)報(bào)告的位置可能失真，從而影響準(zhǔn)確度和可靠性。

    今天的觸摸屏控制器采用各種不同的方法來提高信噪比，并從噪聲中過濾出不良數(shù)據(jù)，這些方法包括片上生成高壓發(fā)射信號(hào)、專業(yè)化硬件加速、高頻發(fā)射、自適應(yīng)跳頻技術(shù)以及飽和防治技術(shù)。但是，觸摸屏技術(shù)不斷持續(xù)發(fā)展，涉及的方面包括：觸摸屏控制器如何利用上述特性，如何動(dòng)態(tài)地適應(yīng)于系統(tǒng)中存在的噪聲，以及如何在變化的環(huán)境條件下準(zhǔn)確進(jìn)行觸摸屏跟蹤。

    注入噪聲造成的影響包括較大抖動(dòng)（針對(duì)非移動(dòng)手指報(bào)告的觸摸坐標(biāo)變動(dòng)很大）、沒有手指接觸摸屏幕卻誤報(bào)有手指觸摸屏、手指觸屏?xí)r卻不報(bào)告手指存在，而且甚至?xí)�造成設(shè)備完全鎖死等。如果以觸摸屏手機(jī)為例，這意味著無法對(duì)手機(jī)進(jìn)行解鎖（因?yàn)闊o法報(bào)告手指的操控），或者由于抖動(dòng)或錯(cuò)誤觸摸而撥錯(cuò)號(hào)碼（本想深夜打給朋友的電話，結(jié)果卻錯(cuò)撥給了老板，這問題可不�。�。圖1顯示了使用目前市場(chǎng)上最暢銷的智能手機(jī)測(cè)試手指追蹤所獲得的結(jié)果（例如，用一個(gè)手指畫一個(gè)圈）。隨著噪聲的增加，手指在面板上的位置報(bào)告（如藍(lán)色所示）會(huì)出錯(cuò)，而且會(huì)在面板上檢測(cè)到錯(cuò)誤的觸摸屏（其他顏色所示）。

    觸摸屏控制器如何應(yīng)對(duì)噪聲影響，會(huì)對(duì)用戶觸摸屏界面的質(zhì)量體驗(yàn)造成重大影響。在噪聲條件下觸摸性能不佳，可能會(huì)導(dǎo)致客戶不滿，進(jìn)而增加退貨量。由于各種噪聲之間存在差別，觸摸屏控制器需要能夠檢測(cè)、區(qū)分并應(yīng)對(duì)這些噪聲，特別是兩種最容易引起問題的噪聲源：充電器和顯示屏噪聲。

    充電器與共模噪聲

    電容式觸摸屏設(shè)備的一大問題在于充電器發(fā)出高強(qiáng)度的高頻噪聲時(shí)觸摸性能會(huì)下降。一些移動(dòng)設(shè)備在插入充電器時(shí)只提供有限的觸摸功能，或是在連接設(shè)備不適用的充電器時(shí)顯示不能使用該充電器的信息，以此來應(yīng)對(duì)高噪聲充電器的問題。上述解決方案往最好了說也并不完善�？焖贋g覽一下在線論壇和留言板上的相關(guān)信息，我們就能發(fā)現(xiàn)觸摸屏設(shè)備受充電器噪聲影響的問題很普遍，而且已經(jīng)讓一些消費(fèi)者感到很頭疼了。

    USB正作為一種標(biāo)準(zhǔn)的充電接口在移動(dòng)設(shè)備中快速推廣，這也催生了大量低成本的售后選配市場(chǎng)充電器。許多充電器更關(guān)注成本問題，而不重視性能，這些充電器采用廉價(jià)組件，或者缺乏能協(xié)助降低共模噪聲的特定組件。

    設(shè)備的電源和接地供電電壓相對(duì)于地壓波動(dòng)，但同時(shí)二者之間又保持相同的壓差，就會(huì)形成共模噪聲。這種波動(dòng)僅在接地耦合手指觸摸屏幕時(shí)才會(huì)影響觸摸屏的性能。手指的電勢(shì)與地壓相同，手機(jī)電源和接地相對(duì)其波動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致噪聲通過手指注入觸摸屏。注入的電荷量主要取決于噪聲的峰值對(duì)峰值電壓。

    此外，電荷的傳輸量還受另外兩個(gè)因素的顯著影響：手指和觸摸屏之間的接觸面積，以及觸摸屏覆蓋透鏡的厚度。這兩個(gè)因素的影響可通過平行板電容器的電容方程式來理解：

   電容越高，意味著注入觸摸屏的噪聲就越大。在這種情況下，電容平行板的一側(cè)由手指接觸區(qū)域形成，另一側(cè)由觸摸屏傳感器的接收電極形成。首先，隨著手指與觸摸屏接觸面積的增加，電容也相應(yīng)成比例增加。不過，由于接收電極由極窄的行或列構(gòu)成，因此實(shí)際起作用的是手指的直徑（參見圖2）。

    一些OEM廠商使用較小手指（如7毫米）來測(cè)試其設(shè)備對(duì)充電器噪聲的抗擾能力。不過，這不能涵蓋所有使用案例。典型的手指直徑為9毫米，典型的拇指直徑為18到22毫米。如果只測(cè)試7毫米的手指，并不能確保拇指解鎖手機(jī)或操控滾動(dòng)列表這樣的常見案例。事實(shí)上，如果我們來分析直徑的不同，那么22毫米的拇指注入的電荷是7毫米手指的3倍多！

    手指和接收電極之間的距離（d）主要由觸摸屏覆蓋透鏡的厚度決定（見圖3）。典型的覆蓋透鏡厚度范圍從0.5毫米到1.0毫米不等。這就意味著具有0.5毫米覆蓋透鏡的設(shè)備其“d”是1.0毫米覆蓋透鏡設(shè)備的一半，而電容則為2倍。換言之，0.5毫米覆蓋透鏡注入的噪聲是1.0毫米覆蓋透鏡的兩倍。隨著設(shè)備的外觀形狀向更輕薄的趨勢(shì)發(fā)展，覆蓋透鏡的厚度以及觸摸控制器承受更輕薄透鏡造成更大噪聲的能力也變得益發(fā)重要。

    雖然充電器需要通過若干項(xiàng)產(chǎn)品認(rèn)證，但對(duì)于共模噪聲并沒有什么相關(guān)的要求。2010年，一批手機(jī)OEM廠商就制定通用規(guī)范EN62684達(dá)成共識(shí)，用以管理充電器在頻率范圍內(nèi)可允許的最大峰值對(duì)峰值電壓。該規(guī)范要求充電器產(chǎn)生的噪聲不得超過1Vpp（從1kHz到100kHz），而在100kHz頻率以上則要求更低的電壓強(qiáng)度。典型的選配市場(chǎng)充電器并不遵循這一指導(dǎo)性要求。

    雖然較低噪聲的充電器產(chǎn)生的噪聲在1–5Vpp之間，但噪聲較高的充電器的波動(dòng)范圍則達(dá)到20–40Vpp，這就會(huì)產(chǎn)生巨量電荷轉(zhuǎn)移。注入電荷的量取決于噪聲的電壓幅度（Q=C*V）。雖然噪聲量很大，但觸摸屏控制器仍必須能檢測(cè)到引發(fā)幅度較小的電荷變化的手指。

    電容式觸摸屏手機(jī)還面臨一種新型共模噪聲，那就是移動(dòng)高清鏈接（MHL），這是用來從手機(jī)向HDTV傳輸音頻視頻的標(biāo)準(zhǔn)接口。手機(jī)通過MHL適配器連接到HDTV，該適配器將手機(jī)的USB接口轉(zhuǎn)換成電視的HDMI接口。這種共模噪聲來源于電視電源，并會(huì)通過HDMI和USB線纜傳遞給手機(jī)。

    更輕薄設(shè)備帶來的挑戰(zhàn)

    現(xiàn)如今，輕薄即時(shí)尚。積極推出越來越薄的觸摸屏設(shè)備，特別是觸摸屏手機(jī)，面臨雙重問題：一是從顯示屏耦合到傳感器的噪聲增加；二是傳感器的寄生電容提高。

    顯示屏生成的噪聲相對(duì)于充電器噪聲而言強(qiáng)度要低很多，但對(duì)觸摸性能產(chǎn)生的影響很大，因?yàn)槠渚嚯x觸摸傳感器很近。雖然AMOLED顯示屏很安靜（但比LCD更昂貴），但如今市場(chǎng)上大多數(shù)還都是噪聲更高的ACVCOM和DCVCOM型LCD顯示屏。這種顯示屏的常用電極VCOM層就是噪聲的來源。讓我們回過頭來再討論一下方程式（1），這次是要確定平行板電容器在觸摸傳感器中指定接收電極和顯示屏VCOM層之間所產(chǎn)生的電容的大小。這里，面積“A”就是接收電極的全部面積，由于顯示屏覆蓋整個(gè)屏幕，因此距離“d”就是接收電極和VCOM層之間的距離。

    此前，觸摸屏設(shè)備采用氣隙或屏蔽層來保護(hù)觸摸傳感器不受顯示屏噪聲耦合至接收電極的影響。不過，這些解決方案會(huì)增加厚度和成本（4英寸顯示屏的屏蔽層增加了多達(dá)1.00美元的成本）。現(xiàn)在，隨著設(shè)備變得越來越薄，氣隙和屏蔽層都被取消，而且觸摸傳感器采用光學(xué)透明膠（OCA）直接連接至顯示屏。這就導(dǎo)致傳感器的接收電極更靠近噪聲較高的VCOM層，從而就會(huì)縮短“d”、增加電容，并耦合更多噪聲。由于OCA（電介質(zhì)常量 為3）取代氣隙（電介質(zhì)常量 為1），因此電容會(huì)進(jìn)一步提升。輕薄式產(chǎn)品的下一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)就是觸摸屏傳感器的部分或全部都需要集成在顯示屏中，也就是所謂的in-cell（內(nèi)嵌式觸控）、On-cell（外掛式觸控）。這樣的顯示屏集成協(xié)議棧會(huì)讓傳感器的接收電極更接近顯示屏的VCOM層，從而耦合更多噪聲。

    外形更輕薄產(chǎn)品發(fā)展的第二個(gè)問題就是觸摸屏傳感器的寄生電容（CP）增加。為了想辦法讓整體協(xié)議棧變得更薄，ITO基板層（由玻璃或PET制成）需要越來越薄。這就縮短了傳感器發(fā)射和接收電極之間的距離，從而增加了電容。CP升高在掃描觸摸面板時(shí)就需要更長(zhǎng)時(shí)間的充電和放電，這就減小了掃描面板的最大頻率。這樣做的問題在于，我們希望掃描頻率更高，因?yàn)檩^高頻段的噪聲通常較小。此外，掃描時(shí)間延長(zhǎng)也意味著功耗增加和刷新率下降。

    解決噪聲問題

    由于噪聲源眾多，因此觸摸屏控制器需要適應(yīng)于在既定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中存在的不同噪聲大小和類型。要確保具有最高穩(wěn)健性的抗噪性，首要關(guān)注的因素就是信噪比（SNR）。我們可通過以下幾種不同特性來提高信噪比。

    提高信噪比的主要方法之一就是采用非常高的發(fā)射電壓來掃描觸摸屏的傳感器。原始SNR與發(fā)射電壓成正比，因而越大越好。過去，高電壓發(fā)射對(duì)于許多觸摸屏控制器來說都一直是個(gè)挑戰(zhàn)，只能通過采用外部高電壓模擬電源（有時(shí)這會(huì)大幅增加功耗，而且大多數(shù)消費(fèi)類手持設(shè)備都無法支持）才能支持，或者需采用較大且昂貴的外部組件，如開關(guān)穩(wěn)壓器等。上述兩種方法都會(huì)額外增加設(shè)備的成本。而現(xiàn)在，新型觸摸屏控制器能通過內(nèi)部電荷泵生成片上高電壓發(fā)射。

    另一個(gè)提高SNR的方法就是采用專門的硬件加速機(jī)制。雖然要確保噪聲條件下的觸摸性能非常重要，但占用很多CPU的資源來運(yùn)行噪聲過濾算法會(huì)降低刷新率，進(jìn)而提高功耗。通過采用可與CPU并行工作的專有硬件就能保持目標(biāo)刷新率和功耗，同時(shí)提高噪聲條件下的信噪比，而賽普拉斯的Tx-Boost技術(shù)就是一個(gè)典范，能將現(xiàn)有的SNR提升到3倍高。

    觸摸傳感器的掃描頻率會(huì)對(duì)噪聲環(huán)境下的觸摸性能產(chǎn)生很大影響。如果噪聲頻率接近掃描面板的頻率，就可能造成觸摸屏數(shù)據(jù)損壞。在此情況下，我們可通過自適應(yīng)跳頻技術(shù)來將掃描頻率更改到噪聲幅度足夠低的水平，避免數(shù)據(jù)損壞。但是，跳頻的效果有限，取決于可選的發(fā)射頻率范圍以及存在噪聲的頻率范圍。一些充電器會(huì)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)釋放大量噪聲，因而難以找到無干擾的區(qū)域。較大充電器噪聲的基本頻率為1kHz到300kHz，頻率較高時(shí)諧波幅度則較低。我們可在300kHz到500kHz范圍內(nèi)采用高頻掃描來解決這個(gè)問題，從而徹底避免最高幅度噪聲頻帶和最初的一些諧波。另外，這種方法也能在遠(yuǎn)離LCD噪聲頻率范圍的情況下改進(jìn)顯示屏的抗噪性。

    雖然提高SNR的技術(shù)很多，但如果噪聲確實(shí)非常高，高到完全飽和觸摸屏控制器的接收通道，那么上述改進(jìn)并不能避免觸摸屏數(shù)據(jù)損壞。信號(hào)處理需要依靠輸出線性結(jié)果的模擬前端。如果受噪聲源耦合到大量電荷的影響，輸出持續(xù)鎖定為最大值，那么觸摸屏可能根本就無法使用。要解決這個(gè)問題，我們可提高接收通道的范圍，使其能夠應(yīng)對(duì)更大量的電荷。這通常會(huì)增加額外的芯片面積，也就是說電容更大。解決這個(gè)問題的另一種方法是在接收通道前拆分原始信號(hào)，從而降低噪聲，但我們也必須注意，這也會(huì)將信號(hào)與手指本身分離。

    顯示屏和充電器噪聲并不是什么新問題，但噪聲較高的充電器和較薄的顯示屏確實(shí)是觸摸屏控制器提高抗噪能力必須要面臨的問題。為了應(yīng)對(duì)更高幅度的噪聲，今天的控制器采用一系列組合特性來提高信噪比，盡可能避免噪聲。說到底，消費(fèi)者希望設(shè)備的觸摸屏性能保持一致，不會(huì)因連接充電器或靠近噪聲較大的熒光燈而影響性能。隨著噪聲難題的不斷變化，觸摸屏控制器也將持續(xù)發(fā)展，確保提供始終一致的性能。