如何解決觸摸屏的電磁干擾問題

1、如何解決觸摸屏的電磁干擾問題開發(fā)具有人機(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)量電容的極小變幻來判別手指位置。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)這些干擾源舉行探討和分析。投射式電容觸摸屏結(jié)構(gòu)典型的投射式電容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。放射(tx)和接收(rx)電極銜接到透亮的氧化銦錫(ito)，形成交錯(cuò)矩陣，每個(gè)tx-rx結(jié)

2、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。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)。傳感器工作原理讓我們暫不考慮干擾因素，來對(duì)觸摸屏的工作舉行分析：操作人員的手指標(biāo)稱處在地電勢(shì)。rx通過觸摸屏控制器被保持在地電勢(shì)，而tx則可變。變幻的tx電壓使通過tx-rx電容。一個(gè)認(rèn)真平衡過的rx，隔離并測(cè)量進(jìn)入rx的電荷，測(cè)量到的電荷代表銜接tx和rx的“互電容”。傳感器狀態(tài)：未觸摸圖2顯示了未觸摸狀態(tài)下的磁力線暗示圖。在沒有手指觸碰的狀況下，tx-rx磁力線占領(lǐng)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

3、”由之而來。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)，3所示。通過這種方式，手指觸摸削減了tx-rx互電容。電荷測(cè)量電路識(shí)別出變幻的電容(c)，從而檢測(cè)到tx-rx結(jié)點(diǎn)上方的手指。通過對(duì)tx-rx矩陣的全部交錯(cuò)點(diǎn)舉行c測(cè)量，便可得到囫圇面板的觸摸分布圖。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耦合是不行避開的。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)，又可用于指低阻抗銜接到大地：二者并非相同術(shù)語

4、。事實(shí)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緣由。為了澄清和避開混淆，我們用法以下術(shù)語來評(píng)估觸摸屏干擾。earth(地)：與大地相連，例如，通過3孔溝通電源插座的地線銜接到大地。distributed earth(分布式地)：物體到大地的電容銜接。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。或者與便攜式設(shè)備銜接的充電器輸出電壓，例如接口充電器中的5v vbus。dc vcc(直流vcc電源)：為便攜式設(shè)備器件(包括和觸摸屏控制器)供電的穩(wěn)定電壓。neutral(零線)：溝通電源回路(標(biāo)稱處在地電勢(shì))。ho

5、t(火線)：溝通電源電壓，相對(duì)零線施加電能。lcd vcom耦合到觸摸屏接收線路便攜式設(shè)備觸摸屏可以挺直安裝到lcd顯示屏上。在典型的lcd架構(gòu)中，液晶材料由透亮的上下電極提供偏置。下方的多個(gè)電極打算了顯示屏的多個(gè)單像素；上方的公共電極則是籠罩顯示屏囫圇可視前端的延續(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，溝通vcom電壓為在直流地和3.3v之間往返震蕩的方波。溝通vcom電平通常每個(gè)顯示行切換一次，因此，所產(chǎn)生的溝通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)備的溝通vcom頻率可能為15khz。圖4為lcd vcom電壓耦合到觸摸屏的暗示圖。雙

6、層觸摸屏由布滿tx陣列和rx陣列的分別ito層組成，中間用電介質(zhì)層隔開。tx線占領(lǐng)tx陣列間距的囫圇寬度，線與線之間僅以創(chuàng)造所需的最小間距隔開。這種架構(gòu)被稱為自屏蔽式，由于tx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亮度，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)峻的vcom干擾耦合狀況。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。干擾通過手指耦合到觸摸屏上，5所示。小型手機(jī)充電器通常有

7、溝通電源火線和零線輸入，但沒有地線銜接。充電器是平安隔離的，所以在電源輸入和充電器次級(jí)線圈之間沒有直流銜接。然而，這仍然會(huì)通過開關(guān)電源隔離產(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。注重：在這種狀況下，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?！备蓴_。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，假如沒有被充分濾除，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，本文不做研究。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浮現(xiàn)在充

8、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)電容將增強(qiáng)，這通常足以消退充電器開關(guān)干擾，避開干擾影響觸摸操作。當(dāng)便攜式設(shè)備銜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)浮現(xiàn)充電器產(chǎn)生的一種最壞狀況的干擾。充電器開關(guān)干擾重量典型的手機(jī)充電器采納反激式(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，它取決于電路詳情和輸出電壓控制策略。干擾振幅的變幻也很大，這取決于創(chuàng)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40150khz，負(fù)載很輕時(shí)

9、，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。充電器電源干擾重量在充電器前端，溝通電源電壓整流生成充電器高電壓軌。這樣，充電器的開關(guān)電壓重量疊加在一個(gè)電源電壓一半的正弦波上。與開關(guān)干擾相像，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)，該重量的頻率遠(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)峻程度取決于對(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)低頻的敏捷度。電源干擾的特別狀況：不帶接地的3孔插頭額定功率較高的電源適配器(例如筆記本電腦溝通適配器)，可能會(huì)配置3孔溝通電源插頭。為了抑制輸出端emi，充電器可能在內(nèi)

10、部把主電源的地引腳銜接到輸出的直流地。此類充電器通常在火線和零線與地之間銜接y電容，從而抑制來自電源線上的傳導(dǎo)emi。假設(shè)故意使地銜接存在，這類適配器不會(huì)對(duì)供電pc和usb銜接的便攜式觸摸屏設(shè)備造成干擾。圖5中的虛線框解釋了這種配置。對(duì)于pc和其usb銜接的便攜式觸摸屏設(shè)備來說，假如具有3孔電源輸入的pc充電器插入了沒有地銜接的電源插座，充電器干擾的一種特別狀況將會(huì)產(chǎn)生。y電容將溝通電源耦合到直流地輸出。相對(duì)較大的y電容值能夠十分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)較低的阻抗舉行耦合。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簡(jiǎn)單受到電磁干擾，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)干擾耦合路徑的熟悉，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