如何处理电容式触摸屏应用中的噪声

[评论]：触摸屏设备在白天可能受到许多不同噪声源的影响，包括内部和外部。充电器和显示器噪音是当今问题噪音的两个最常见的来源。随着市场上的充电设备变得越来越轻，噪音只会越来越难以管理。

    北京时间7月16日消息，中国触摸屏网络，触摸屏设备可能会受到当日许多不同噪声源的影响，既有内部噪音也有外部噪音。充电器和显示器噪音是当今问题噪音的两个最常见的来源。随着市场上的充电设备变得越来越轻，噪音只会越来越难以管理。此外，许多其他日常物品也会产生噪音并造成干扰，如无线电信号，交流电源，甚至荧光灯镇流器。在存在噪声的情况下，低性能电容式触摸系统报告的位置可能会失真，从而影响准确性和可靠性。

    今天的触摸屏控制器使用各种不同的方法来提高信噪比并滤除噪声中的噪声数据方面，这些方法包括高压发射信号的片上生成，专用硬件加速，高频发射，自适应跳频技术和饱和度控制技术。然而，触摸技术不断发展并涉及诸如触摸控制器如何使用这些功能，如何动态适应系统中存在的噪声以及如何在变化的环境条件下准确执行触摸跟踪等方面。

    注入噪声的影响包括较大的抖动（针对未移动的手指报告的触摸坐标的较大变化），当手指没有接触屏幕时的假手指接触，手指接触屏幕时的手指接触以及甚至完全的设备故障。锁定等。如果您使用触摸屏手机作为示例，这意味着您无法解锁手机（因为您不能报告手指操作），或者由于闪烁或错误触摸拨打错误的号码（想要给朋友打电话过晚但是结果却错误地分配给了老板，这个问题不小。）图1显示了使用当今市场上最畅销的智能手机进行手指追踪的结果（例如，用一根手指画圆圈）。随着噪声的增加，面板上的手指位置报告（以蓝色显示）可能会出错，并且可能会在面板上检测到错误的触摸（以其他颜色显示）。

触摸屏控制器如何响应噪声会影响用户触摸界面的质量体验。在嘈杂的条件下触摸性能差可能会导致客户不满意并增加回报。由于各种噪声之间的差异，触摸屏控制器需要能够检测，区分和响应这些噪声，特别是两个最容易引起的噪声源：充电器和显示噪声。

充电器和共模噪声

    电容式触摸屏设备的一个问题是，当充电器发出高频率的高频噪声时，触摸性能会下降。某些移动设备插入充电器时仅提供有限的触摸功能，或显示充电器在不适合连接设备的充电器时无法使用的信息，以解决高噪音充电器的问题。上述解决方案并不完美。快速查看在线论坛和留言板中的相关信息，我们可以看到触摸屏设备通常会受到充电器噪音的影响，并且已经引起了一些消费者的头痛。

    USB正在迅速成为移动设备中的标准充电接口，这也催生了大量低成本售后配套充电器。许多充电器更关心成本问题，不考虑性能，是由于使用廉价组件或缺乏有助于降低共模噪声的特定组件。

    设备的电源和接地电源电压相对于地面压力波动，但同时两者之间保持相同的压差，将形成共模噪声。只有当地面连接手指触摸屏幕时，这种波动才会影响触摸屏的性能。手指的电位与地压相同，手机的电源和地线相对波动，可能会通过手指将噪音注入触摸屏。注入电荷的数量主要取决于噪声的峰 - 峰电压。

    另外，传输的电荷量也受到另外两个因素的显着影响：手指与触摸屏之间的接触面积以及覆盖镜头的触摸屏的厚度。这两个因素的影响可以通过平行板电容器的电容方程来理解：

    电容越高，注入触摸屏的噪音就越大。在这种情况下，电容平行板的一侧由手指接触区域形成，而另一侧由触摸屏传感器的接收电极形成。首先，随着手指与触摸屏的接触面积增加，电容也按比例增加。但是，由于接收电极由非常窄的行或列组成，因此实际工作的是手指的直径（见图2）。

    一些OEM使用较小的手指（如7毫米）来测试设备对充电器噪音的免疫力。但是，这并不包含所有用例。典型的手指直径为9毫米，典型的拇指直径为18至22毫米。如果您只测试7毫米手指，则不能确保拇指解锁手机或操纵滚动列表。事实上，如果我们分析直径的差异，那么22mm的拇指会注射超过7mm手指的3倍！

    手指与接收电极之间的距离（d）主要取决于触摸屏覆盖的镜头的厚度（见图3）。典型的覆盖镜片厚度范围从0.5毫米到1.0毫米。这意味着具有0.5毫米重叠透镜的设备具有的“d”是1.0毫米重叠透镜设备的一半，电容为2x。换句话说，0.5毫米覆盖镜片的噪音是1.0毫米覆盖镜片的两倍。随着设备外观形状向更薄更轻的趋势演变，覆盖镜头厚度和触摸控制器承受更轻透镜以产生更多噪音的能力也变得越来越重要。

尽管充电器需要通过多项产品认证，但对共模噪声没有相关要求。 2010年，一批手机OEM厂商就建立通用规格EN62684达成共识，以管理充电器在频率范围内可承受的最大峰峰值电压。该规范要求充电器产生的噪声不应超过1Vpp（从1kHz到100kHz），超过100kHz需要较低的电压强度。典型的配套市场充电器不遵循此准则。

    尽管噪声较低的充电器会产生1-5Vpp之间的噪声，但较高噪声的充电器会达到20-40Vpp的波动，这会导致大量电荷转移。注入的电荷量取决于噪声的电压幅度（Q = C * V）。尽管噪声量很大，但触摸屏控制器仍然必须能够检测到造成充电量变化较小的手指。

    电容式触摸屏手机还面临着一种新型的共模噪声，即移动高清链路（MHL），它是从手机到HDTV传输音频和视频的标准接口。手机通过MHL适配器连接到HDTV。适配器将手机的USB接口转换为电视的HDMI接口。这种共模噪声来自电视电源，并通过HDMI和USB电缆传送到手机。

更薄设备的挑战

    如今，它是轻薄的。积极引入更薄更薄的触摸屏设备，特别是触摸屏手机，面临双重问题：首先，从显示屏耦合到传感器的噪声增加;其次，传感器的寄生电容增加。

    显示屏产生的噪音远远低于充电器噪音，但由于它非常接近触摸传感器，因此对触摸性能有很大的影响。尽管AMOLED显示屏很安静（但比LCD更昂贵），但目前市场上大部分仍然是嘈杂的ACVCOM和DCVCOM型LCD显示器。该显示器的公共电极VCOM层是噪声源。我们回到等式（1），这次确定由指定的接收电极和触摸传感器中的显示器VCOM层之间的平行板电容器产生的电容的大小。这里，区域“A”是接收电极的总面积。由于显示屏幕覆盖整个屏幕，距离“d“是接收电极和VCOM层之间的距离。

    以前，触摸屏设备使用气隙或屏蔽来保护触摸传感器免受耦合到接收电极的屏幕噪声的影响。但是，这些解决方案可能会增加厚度和成本（4英寸显示器的屏蔽会增加成本1.00美元）。现在，随着器件变得越来越薄，气隙和屏蔽被消除，并且触摸传感器使用光学透明粘合剂（OCA）直接连接到显示器。这会导致传感器的接收电极更接近噪声的VCOM层，这会缩短“d”，增加电容并耦合更多噪声。由于OCA（介电常数3）代替气隙（介电常数为1），电容将进一步增加。薄型和轻型产品的下一个发展趋势是部分或全部触摸传感器需要集成在显示屏中，即所谓的内嵌式（on-cell touch）和on-cell（on-cell touch） ）。这样的显示集成协议栈将允许传感器的接收电极更靠近显示器的VCOM层，从而耦合更多的噪声。

开发更薄和更轻的产品的第二个问题是触摸传感器的寄生电容（CP）增加。为了找到使整个协议栈更薄的方法，ITO基板层（由玻璃或PET制成）需要更薄更薄。这缩短了传感器的发射电极和接收电极之间的距离，由此增加了电容。扫描触摸面板时CP上升需要更长的充电和放电时间，这会降低扫描面板的最高频率。这个问题是我们想要以更高的频率进行扫描，因为较高频段的噪声通常较小。另外，较长的扫描时间也意味着功耗增加和刷新率降低。

解决噪音问题

    由于噪声源数量众多，触摸屏控制器需要在给定时间内适应系统中存在的不同噪声大小和类型。为确保最高的抗干扰性，主要关注的是信噪比（SNR）。我们可以通过使用以下不同的功能来提高信噪比。

    提高信噪比的主要方法之一是使用非常高的发射电压来扫描触摸屏的传感器。原始信噪比与发射电压成正比，所以越大越好。在过去，许多触摸屏控制器的高电压发射这一直是一个挑战。它只能通过使用外部高压模拟电源来支持（有时这会显着增加功耗，而大多数消费型手持设备不能支持它），否则将需要大量昂贵的外部组件。如开关稳压器。上述两种方法都会增加设备的成本。现在，新的触摸屏控制器可以通过内部电荷泵产生片上高压发射。

    提高SNR的另一种方法是使用专用的硬件加速机制。尽管确保在嘈杂环境下的触摸性能很重要，占用大量CPU资源来运行噪声过滤算法将降低刷新率并增加功耗。通过使用可与CPU并行工作的专用硬件，可在保持噪声条件下提高信噪比的同时，保持目标刷新率和功耗。赛普拉斯的Tx-Boost技术可以将SNR提高到3倍。

    触摸传感器的扫描频率对嘈杂环境中的触摸性能有很大影响。如果噪声频率接近扫描面板的频率，则可能损坏触摸数据。在这种情况下，我们可以使用自适应跳频将扫描频率改变为足够的噪声水平低级别以避免数据损坏。但是，跳频的影响是有限的，取决于可用的发射频率范围和噪声存在的频率范围。有些充电器会在整个频率范围内释放大量噪音，因此很难找到未受干扰的区域。较大充电器噪声的基本频率为1kHz至300kHz，并且频率较高时谐波幅度较低。我们可以使用300kHz至500kHz范围内的高频扫描来解决这个问题，从而完全避免最高幅度的噪声频带和一些初始谐波。此外，该方法还可以在保持远离LCD噪声频率范围的同时提高显示屏的抗噪声能力。

    虽然有很多增加信噪比的技术，但如果噪声确实非常高并且足够高以使触摸屏控制器的接收通道完全饱和，则上述改进不能避免触摸数据的损坏。信号处理依赖于输出线性结果的模拟前端。如果噪声耦合到大量的电荷并且输出继续锁定到其最大值，则触摸屏可能根本无法使用。为了解决这个问题，我们可以增加接收频道的范围，以便处理更多的费用。这通常会增加额外的芯片面积，这意味着电容更大。解解决这个问题的另一种方法是在接收信道之前分割原始信号以降低噪声，但是我们还必须注意到，这也将分离来自手指本身的信号。

      显示器和充电器噪音不是一个新问题，但高噪音充电器和薄型显示器确实是触摸屏控制器必须面对的问题，以提高抗噪声能力。 为了处理更高幅度的噪声，今天的控制器使用多种特性组合来尽可能地提高信噪比并避免噪声。 毕竟，消费者希望设备的触摸性能保持一致，并且不会因连接充电器或靠近嘈杂的荧光灯而影响性能。 随着噪音问题的不断变化，触摸屏控制器将继续发展以确保性能一致。