如何解決電容式觸摸屏應用中的噪聲問題

來源：  作者：Jeff Erickson2013年07月16日 16:33

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[導讀] 由于噪聲源眾多，因此觸摸屏控制器需要適應于在既定時間內系統中存在的不同噪聲大小和類型。要確保具有最高穩健性的抗噪性，首要關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。

關鍵詞：電容式觸摸屏共模噪聲SNR信噪比

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

　　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據，這些方法包括片上生成高壓發射信號、專業化硬件加速、高頻發射、自適應跳頻技術以及飽和防治技術。但是，觸摸技術不斷持續發展，涉及的方面包括：觸摸控制器如何利用上述特性，如何動態地適應于系統中存在的噪聲，以及如何在變化的環境條件下準確進行觸摸跟蹤。

　　注入噪聲造成的影響包括較大抖動（針對非移動手指報告的觸摸坐標變動很大）、沒有手指接觸屏幕卻誤報有手指觸摸、手指觸屏時卻不報告手指存在，而且甚至會造成設備完全鎖死等。如果以觸摸屏手機為例，這意味著無法對手機進行解鎖（因為無法報告手指的操控），或者由于抖動或錯誤觸摸而撥錯號碼（本想深夜打給朋友的電話，結果卻錯撥給了老板，這問題可不小）。圖1顯示了使用目前市場上最暢銷的智能手機測試手指追蹤所獲得的結果（例如，用一個手指畫一個圈）。隨著噪聲的增加，手指在面板上的位置報告（如藍色所示）會出錯，而且會在面板上檢測到錯誤的觸摸（其他顏色所示）。

　　觸摸屏控制器如何應對噪聲影響，會對用戶觸摸界面的質量體驗造成重大影響。在噪聲條件下觸摸性能不佳，可能會導致客戶不滿，進而增加退貨量。由于各種噪聲之間存在差別，觸摸屏控制器需要能夠檢測、區分并應對這些噪聲，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

　　電容式觸摸屏設備的一大問題在于充電器發出高強度的高頻噪聲時觸摸性能會下降。一些移動設備在插入充電器時只提供有限的觸摸功能，或是在連接設備不適用的充電器時顯示不能使用該充電器的信息，以此來應對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。快速瀏覽一下在線論壇和留言板上的相關信息，我們就能發現觸摸屏設備受充電器噪聲影響的問題很普遍，而且已經讓一些消費者感到很頭疼了。

　　USB正作為一種標準的充電接口在移動設備中快速推廣，這也催生了大量低成本的售后選配市場充電器。許多充電器更關注成本問題，而不重視性能，這些充電器采用廉價組件，或者缺乏能協助降低共模噪聲的特定組件。

　　設備的電源和接地供電電壓相對于地壓波動，但同時二者之間又保持相同的壓差，就會形成共模噪聲。這種波動僅在接地耦合手指觸摸屏幕時才會影響觸摸屏的性能。手指的電勢與地壓相同，手機電源和接地相對其波動，就會導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峰值電壓。

　　此外，電荷的傳輸量還受另外兩個因素的顯著影響：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，電容平行板的一側由手指接觸區域形成，另一側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，電容也相應成比例增加。不過，由于接收電極由極窄的行或列構成，因此實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）來測試其設備對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。如果只測試7毫米的手指，并不能確保拇指解鎖手機或操控滾動列表這樣的常見案例。事實上，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毫米覆蓋透鏡的設備其“d”是1.0毫米覆蓋透鏡設備的一半，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。隨著設備的外觀形狀向更輕薄的趨勢發展，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重要。

　　雖然充電器需要通過若干項產品認證，但對于共模噪聲并沒有什么相關的要求。2010年，一批手機OEM廠商就制定通用規范EN62684達成共識，用以管理充電器在頻率范圍內可允許的最大峰值對峰值電壓。該規范要求充電器產生的噪聲不得超過1Vpp（從1kHz到100kHz），而在100kHz頻率以上則要求更低的電壓強度。典型的選配市場充電器并不遵循這一指導性要求。

　　雖然較低噪聲的充電器產生的噪聲在1–5Vpp之間，但噪聲較高的充電器的波動范圍則達到20–40Vpp，這就會產生巨量電荷轉移。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到引發幅度較小的電荷變化的手指。

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

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本文導航

• 第 1 頁：如何解決電容式觸摸屏應用中的噪聲問題

• 第 2 頁：越來越大的挑戰及解決方案

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