如何解决电容式触摸屏应用中的噪声问题

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

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[导读] 由于噪声源众多，因此触摸屏控制器需要适应于在既定时间内系统中存在的不同噪声大小和类型。要确保具有最高稳健性的抗噪性，首要关注的因素就是信噪比（SNR）。我们可通过以下几种不同特性来提高信噪比。

关键词：电容式触摸屏共模噪声SNR信噪比

        触摸屏设备可能会在一天中受到许多不同噪声源的干扰，既包含内部噪声也包含外部噪声。充电器和显示器噪声是当今两种最常见的问题噪声源。随着市场上的充电设备变得越来越轻薄、噪声越来越大，这种挑战只会变得更加难以管理。此外，许多其他日常物件也会产生噪声，引起干扰，如无线电信号、交流电源乃至荧光灯镇流器等。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失真，从而影响准确度和可靠性。

　　今天的触摸屏控制器采用各种不同的方法来提高信噪比，并从噪声中过滤出不良数据，这些方法包括片上生成高压发射信号、专业化硬件加速、高频发射、自适应跳频技术以及饱和防治技术。但是，触摸技术不断持续发展，涉及的方面包括：触摸控制器如何利用上述特性，如何动态地适应于系统中存在的噪声，以及如何在变化的环境条件下准确进行触摸跟踪。

　　注入噪声造成的影响包括较大抖动（针对非移动手指报告的触摸坐标变动很大）、没有手指接触屏幕却误报有手指触摸、手指触屏时却不报告手指存在，而且甚至会造成设备完全锁死等。如果以触摸屏手机为例，这意味着无法对手机进行解锁（因为无法报告手指的操控），或者由于抖动或错误触摸而拨错号码（本想深夜打给朋友的电话，结果却错拨给了老板，这问题可不小）。图1显示了使用目前市场上最畅销的智能手机测试手指追踪所获得的结果（例如，用一个手指画一个圈）。随着噪声的增加，手指在面板上的位置报告（如蓝色所示）会出错，而且会在面板上检测到错误的触摸（其他颜色所示）。

　　触摸屏控制器如何应对噪声影响，会对用户触摸界面的质量体验造成重大影响。在噪声条件下触摸性能不佳，可能会导致客户不满，进而增加退货量。由于各种噪声之间存在差别，触摸屏控制器需要能够检测、区分并应对这些噪声，特别是两种最容易引起问题的噪声源：充电器和显示屏噪声。

　　充电器与共模噪声

　　电容式触摸屏设备的一大问题在于充电器发出高强度的高频噪声时触摸性能会下降。一些移动设备在插入充电器时只提供有限的触摸功能，或是在连接设备不适用的充电器时显示不能使用该充电器的信息，以此来应对高噪声充电器的问题。上述解决方案往最好了说也并不完善。快速浏览一下在线论坛和留言板上的相关信息，我们就能发现触摸屏设备受充电器噪声影响的问题很普遍，而且已经让一些消费者感到很头疼了。

　　USB正作为一种标准的充电接口在移动设备中快速推广，这也催生了大量低成本的售后选配市场充电器。许多充电器更关注成本问题，而不重视性能，这些充电器采用廉价组件，或者缺乏能协助降低共模噪声的特定组件。

　　设备的电源和接地供电电压相对于地压波动，但同时二者之间又保持相同的压差，就会形成共模噪声。这种波动仅在接地耦合手指触摸屏幕时才会影响触摸屏的性能。手指的电势与地压相同，手机电源和接地相对其波动，就会导致噪声通过手指注入触摸屏。注入的电荷量主要取决于噪声的峰值对峰值电压。

　　此外，电荷的传输量还受另外两个因素的显著影响：手指和触摸屏之间的接触面积，以及触摸屏覆盖透镜的厚度。这两个因素的影响可通过平行板电容器的电容方程式来理解：

　　电容越高，意味着注入触摸屏的噪声就越大。在这种情况下，电容平行板的一侧由手指接触区域形成，另一侧由触摸屏传感器的接收电极形成。首先，随着手指与触摸屏接触面积的增加，电容也相应成比例增加。不过，由于接收电极由极窄的行或列构成，因此实际起作用的是手指的直径（参见图2）。

　　一些OEM厂商使用较小手指（如7毫米）来测试其设备对充电器噪声的抗扰能力。不过，这不能涵盖所有使用案例。典型的手指直径为9毫米，典型的拇指直径为18到22毫米。如果只测试7毫米的手指，并不能确保拇指解锁手机或操控滚动列表这样的常见案例。事实上，如果我们来分析直径的不同，那么22毫米的拇指注入的电荷是7毫米手指的3倍多！

　　手指和接收电极之间的距离（d）主要由触摸屏覆盖透镜的厚度决定（见图3）。典型的覆盖透镜厚度范围从0.5毫米到1.0毫米不等。这就意味着具有0.5毫米覆盖透镜的设备其“d”是1.0毫米覆盖透镜设备的一半，而电容则为2倍。换言之，0.5毫米覆盖透镜注入的噪声是1.0毫米覆盖透镜的两倍。随着设备的外观形状向更轻薄的趋势发展，覆盖透镜的厚度以及触摸控制器承受更轻薄透镜造成更大噪声的能力也变得益发重要。

　　虽然充电器需要通过若干项产品认证，但对于共模噪声并没有什么相关的要求。2010年，一批手机OEM厂商就制定通用规范EN62684达成共识，用以管理充电器在频率范围内可允许的最大峰值对峰值电压。该规范要求充电器产生的噪声不得超过1Vpp（从1kHz到100kHz），而在100kHz频率以上则要求更低的电压强度。典型的选配市场充电器并不遵循这一指导性要求。

　　虽然较低噪声的充电器产生的噪声在1–5Vpp之间，但噪声较高的充电器的波动范围则达到20–40Vpp，这就会产生巨量电荷转移。注入电荷的量取决于噪声的电压幅度（Q=C*V）。虽然噪声量很大，但触摸屏控制器仍必须能检测到引发幅度较小的电荷变化的手指。

　　电容式触摸屏手机还面临一种新型共模噪声，那就是移动高清链接（MHL），这是用来从手机向HDTV传输音频视频的标准接口。手机通过MHL适配器连接到HDTV，该适配器将手机的USB接口转换成电视的HDMI接口。这种共模噪声来源于电视电源，并会通过HDMI和USB线缆传递给手机。

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