Проекционный емкостный сенсорный экран
Типичные проективные емкостные датчики устанавливаются под стеклянными или пластиковыми крышками. На рисунке 1 показан упрощенный вид сбоку двухслойного датчика. Электроды эмиттера (Tx) и приемника (Rx) соединены с прозрачным оксидом индия и олова (ITO) для формирования перекрестной матрицы. Каждый узел Tx-Rx имеет характеристическую емкость. Tx ITO расположен ниже Rx ITO и разделен слоем полимерной пленки или оптического клея (ОСА). Как показано на рисунке, направление электрода Tx - слева направо, а направление электрода Rx - снаружи внутрь.
Принцип работы датчика
Давайте проанализируем работу сенсорного экрана без учета фактора помех на данный момент: палец оператора помечен как геопотенциал. Rx поддерживается в потенциале земли через схему контроллера сенсорного экрана, в то время как напряжение Tx является переменным. Изменение напряжения Tx приводит к тому, что ток проходит через конденсатор Tx-Rx. Тщательно сбалансированная интегральная схема Rx изолирует и измеряет заряды, поступающие в Rx. Измеренные заряды представляют собой «взаимную емкость», соединяющую Tx и Rx.
Состояние датчика: нетронутый
На фиг.2 приведена принципиальная схема магнитной линии в нетронутом состоянии. При отсутствии контакта с пальцем магнитные линии Tx-Rx занимают значительное место в крышке. Термин «проективная емкость» происходит от того факта, что краевые магнитные линии проецируются вне структуры электрода.
Состояние датчика: сенсорный
Когда палец касается крышки, между Tx и пальцем образуются магнитные линии, которые заменяют большое количество краевых магнитных полей Tx-Rx, как показано на рисунке 3. Таким образом, касание пальцем уменьшает взаимную емкость Tx-Rx. Схема измерения заряда распознает переменную емкость (Delta C) и обнаруживает палец над переходом Tx-Rx. Измеряя все пересечения матрицы Tx-Rx с Delta C, можно получить распределение касания всей панели.
На рисунке 3 также показан другой важный эффект: емкостная связь между пальцами и электродами Rx. Через этот путь электрические помехи могут быть связаны с Rx. Некоторая степень сцепления finger-Rx неизбежна.
Специальная терминология
Интерференция проективного емкостного сенсорного экрана создается нечувствительной паразитной связью пути. Термин «земля» обычно используется для обозначения эталонного узла в цепи постоянного тока или подключения с низким импедансом к земле: они не являются одинаковыми терминами. Фактически, для портативных устройств с сенсорным экраном это различие является основной причиной помех сенсорной связи. Чтобы уточнить и избежать путаницы, мы используем следующие термины для оценки помех сенсорного экрана.
Заземление: подключите к земле, например, через заземляющий провод розетки переменного тока с тремя отверстиями. Распределенная Земля: емкостная связь между объектами и землей.
Заземление постоянного тока: эталонный узел постоянного тока для портативных устройств.
Питание постоянного тока: напряжение аккумулятора для портативных устройств. Или выходное напряжение зарядного устройства, подключенного к портативному устройству, например, 5 В Vbus в зарядном устройстве с интерфейсом USB.
DC VCC (источник питания постоянного тока VCC): стабильное напряжение питания для портативных электронных устройств (включая контроллеры ЖК-дисплеев и сенсорных экранов).
Нейтрально: цепь питания переменного тока (номинальный геопотенциал).
Горячее: напряжение переменного тока, относительная нулевая линия - электрическая энергия.
ЖК-дисплей Vcom, соединенный с цепью приема сенсорного экрана
Портативное устройство с сенсорным экраном может быть установлено непосредственно на ЖК-дисплей. В типичной ЖК-архитектуре на жидкокристаллические материалы оказывают влияние прозрачные верхний и нижний электроды. Нижние электроды определяют количество одиночных пикселей экрана дисплея; верхние общие электроды представляют собой непрерывную плоскость, покрывающую весь визуальный передний конец экрана дисплея, который смещен при напряжении Vcom. В типичном портативном низковольтном устройстве (таком как мобильный телефон) напряжение VCOM переменного тока представляет собой прямоугольную волну, колеблющуюся между DC и 3,3 В и обратно. Уровень AC Vcom обычно переключается один раз в каждой строке дисплея, поэтому частота генерируемого AC Vcom составляет 1/2 от произведения частоты обновления кадра дисплея и количества строк. Типичное портативное устройство может иметь частоту переменного тока Vcom 15 кГц. На рисунке 4 показано напряжение Vcom на ЖК-дисплее, подключенное к сенсорному экрану.
Двухслойный сенсорный экран состоит из отдельного слоя ITO, покрытого массивами Tx и Rx, разделенных слоем диэлектрика. Линии Tx занимают всю ширину промежутка массива Tx, и между строками разделяется только минимальное расстояние, необходимое для изготовления. Эта архитектура называется самоэкранированием, потому что массивы Tx экранируют массивы Rx от LCD Vcom. Тем не менее, связь все еще может происходить через промежуток Tx-полос.
Чтобы снизить стоимость архитектуры и добиться большей прозрачности, однослойный сенсорный экран устанавливает массивы Tx и Rx на одном уровне ITO и по очереди соединяет массивы через отдельные мосты. Следовательно, матрица Tx не может образовывать экранирующий слой между плоскостью Vcom LCD и электродом Rx датчика. Это может привести к серьезным помехам Vcom.
Помехи в зарядном устройстве
Другим потенциальным источником помех сенсорного экрана является импульсный источник питания для заряжаемых мобильных телефонов. Помехи подключаются к сенсорному экрану через пальцы, как показано на рисунке 5. Небольшое зарядное устройство для сотового телефона обычно имеет источник питания переменного тока и нулевой вход, но не имеет заземления. Зарядное устройство надежно изолировано, поэтому между входом питания и вторичной обмоткой зарядного устройства отсутствует постоянный ток. Тем не менее, это все еще генерирует емкостную связь через переключающий трансформатор изоляции источника питания. Зарядное устройство мешает обратному пути, касаясь экрана пальцем.
Примечание. В этом случае помеха зарядного устройства относится к приложенному напряжению устройства относительно земли. Этот вид помех может быть описан как помехи "синфазного режима" из-за его эквивалентности в источнике постоянного тока и заземлении постоянного тока. Если шум переключения между источником питания постоянного тока и землей постоянного тока не отфильтрован должным образом, это может повлиять на нормальную работу сенсорного экрана. Эта проблема коэффициента отклонения блока питания (PSRR) является еще одной проблемой, которая не будет обсуждаться в этой статье.
Сопротивление сцепления зарядного устройства
Коммутационная помеха зарядного устройства генерируется соединением емкости утечки (около 20 пФ) первичной и вторичной обмоток трансформатора. Эта слабая емкостная связь может быть компенсирована паразитными шунтирующими конденсаторами в относительно распределенной области зарядных кабелей и самих приемных устройств. Когда устройство поднято, параллельная емкость увеличится, чего обычно достаточно, чтобы устранить помехи переключателя зарядного устройства и избежать помех, влияющих на операцию касания. Когда портативное устройство подключено к зарядному устройству и размещено на рабочем столе, а палец оператора касается только сенсорного экрана, в зарядном устройстве могут возникнуть помехи в худшем случае.
Переключающий компонент помех зарядного устройства
Типичное зарядное устройство мобильного телефона использует топологию обратной связи. Формы волны помехи, генерируемые зарядным устройством, являются сложными и сильно различаются в зависимости от зарядного устройства. Это зависит от деталей схемы и стратегии управления выходным напряжением. Амплитуда помех также сильно варьируется в зависимости от проектных усилий и удельных затрат производителя на экран переключающего трансформатора. Типичные параметры включают в себя: форму волны: включая сложную прямоугольную волну ШИМ и сигнал звонка LC. Частота: 40–150 кГц при номинальной нагрузке, когда нагрузка очень мала, частота импульсов или циклический скачок падает ниже 2 кГц. Напряжение: до половины пикового напряжения источника питания = Vrms / 2.
Компонент помех зарядного блока питания
На переднем конце зарядного устройства выпрямитель напряжения переменного тока создает высоковольтную шину зарядного устройства. Таким образом, составляющая напряжения переключения зарядного устройства накладывается на синусоидальную волну, равную половине напряжения источника питания. Как и при переключении, напряжение источника питания подключается через переключающий изолирующий трансформатор. На частоте 50 Гц или 60 Гц частота этого компонента намного ниже частоты переключения, поэтому его эффективный импеданс связи соответственно выше. Серьезность помехи напряжения источника питания зависит от характеристик параллельного сопротивления заземления и чувствительности контроллера сенсорного экрана к низкой частоте.
Особый случай нарушения питания: вилка с 3 отверстиями без заземления Адаптеры питания с более высокой номинальной мощностью (например, адаптеры переменного тока ноутбука) могут быть оснащены вилками переменного тока с 3 отверстиями. Для подавления электромагнитных помех на выходе зарядное устройство может внутренне подключить контакт заземления основного источника питания к заземлению постоянного тока на выходе. Зарядное устройство такого типа обычно соединяет Y-конденсатор между пожарной линией и нулевой линией и землей, тем самым подавляя электромагнитные помехи от линии электропередачи. Предполагая, что соединение существует намеренно, такие адаптеры не будут мешать работе портативных устройств с сенсорным экраном, работающих от ПК и подключений USB. Пунктирный каркас на рисунке 5 иллюстрирует эту конфигурацию. Для ПК и подключенных к нему портативных устройств с сенсорным экраном, подключенных через USB, если зарядное устройство для ПК с трехканальным входом питания вставлено в неподключенную розетку, возникает особый случай помех в зарядном устройстве. Y конденсатор соединяет источник переменного тока с выходом постоянного тока. Относительно большая Y-емкость может эффективно соединять напряжение источника питания, что позволяет соединять большее напряжение с частотой источника питания через палец на сенсорном экране с относительно низким сопротивлением. Краткое содержание этой статьи В настоящее время проективный емкостный сенсорный экран, широко используемый в портативных устройствах, уязвим для электромагнитных помех. Напряжение помех изнутри или снаружи будет подключено к устройству с сенсорным экраном через емкость. Эти интерференционные напряжения могут вызвать движение заряда на сенсорном экране, что может сбить с толку измерение движения заряда, когда палец касается экрана. Таким образом, эффективный дизайн и оптимизация системы с сенсорным экраном зависят от распознавания тракта помехоподавления и максимально возможного уменьшения или компенсации. Помеха для интерференционной связи включает в себя паразитные эффекты, такие как емкость обмотки трансформатора и емкость пальцевого устройства. Соответствующее моделирование этих воздействий может полностью определить источник и размер помех. Для многих портативных устройств зарядные устройства являются основным источником помех для сенсорных экранов. Когда палец оператора касается сенсорного экрана, результирующая емкость приводит к тому, что зарядное устройство мешает отключению соединительной цепи. Качество конструкции экранирования внутри зарядного устройства и правильная конструкция заземления зарядного устройства являются ключевыми факторами, влияющими на интерференционную связь зарядного устройства.
