一種有源矩陣觸摸屏的驅(qū)動電路設(shè)計

艾凱旋 ,劉云婷 ,劉 洋

(1.中國工程物理研究院 計量測試中心,四川 綿陽 621999;2.電子科技大學電子科學與工程學院,四川 成都 610054)

如今,多點觸摸屏是移動應(yīng)用設(shè)備中的主流交互技術(shù)之一,按工作原理可分為電阻式觸摸屏、光學式觸摸屏、投射電容式觸摸屏等[1]。其中,投射電容式觸摸屏中的互電容觸摸屏因其成本較低、精確度較高等特點而被廣泛使用[2-3],伴隨著觸摸屏分辨率要求的不斷提高,有源矩陣(Active-Matrix,AM)自電容觸摸屏成為了提高觸摸屏分辨率的新的研究方向之一。有源矩陣自電容觸摸屏將薄膜晶體管(TFT)集成到自電容觸摸屏的觸摸元件中,每個觸摸元件均由薄膜晶體管單獨控制,可以很容易實現(xiàn)觸摸屏的高分辨率,且避免了“鬼點”問題[4]。針對有源矩陣自電容觸摸屏的驅(qū)動問題,目前主流的驅(qū)動電路可以輸出的電壓只有+5 V 和-5 V[5]。而在實際使用中,隨著觸摸屏中觸摸元件尺寸的不斷減小,觸摸屏觸摸元件與薄膜晶體管之間的串行通路寄生電阻顯著增大,造成薄膜晶體管導(dǎo)通時串行通路寄生電阻的分壓顯著增大,因此薄膜晶體管往往需要提供一個遠大于TFT 的閾值電壓。目前已知應(yīng)用于驅(qū)動控制的TFT 的導(dǎo)通電壓為+15～+30 V,且該驅(qū)動用途為驅(qū)動顯示器像素點控制,而為了快速關(guān)斷TFT,需提供一個反向電壓使TFT 快速進入截止狀態(tài),通常提供-10～-5 V 的關(guān)斷電壓[6]。目前主流的有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路無法滿足絕大部分有源矩陣自電容觸摸屏的驅(qū)動,對有源矩陣自電容觸摸屏的研究驗證造成了極大限制。

為便于有源矩陣觸摸屏的研究驗證,設(shè)計了一種有源矩陣自電容觸摸屏驅(qū)動電路。可以根據(jù)觸摸屏中不同類型薄膜晶體管的導(dǎo)通特性動態(tài)輸出范圍為+5～+15 V的導(dǎo)通電壓和-15～-5 V 的關(guān)斷電壓,且可選擇控制單個觸摸元件工作狀態(tài)。

1 驅(qū)動電路的設(shè)計及仿真

有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路的工作電壓為+5 V,主要功能模塊劃分為多路復(fù)用模塊、正向電壓模塊、反向電壓模塊、電壓選擇模塊以及降壓模塊,驅(qū)動電路系統(tǒng)連接框圖如圖1 所示。相比于已有觸摸屏驅(qū)動電路輸出固定電壓的設(shè)計,有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路可以根據(jù)有源矩陣觸摸屏的需求輸出+5～+15 V 的導(dǎo)通電壓和-15～-5 V 關(guān)斷電壓,有效提高有源矩陣觸摸屏中TFT 的開關(guān)速度,增強觸摸屏人機交互的精確度。

圖1 驅(qū)動電路系統(tǒng)連接框圖Fig.1 The connection block diagram of the drive circuit system

該驅(qū)動電路以24 個觸摸點的觸摸屏為原型設(shè)計,可以同時控制24 個觸摸元件的工作狀態(tài)。多路復(fù)用器模塊采用SN74AHCT139 和CD74HC4515M 組合而成,可實現(xiàn)24 位數(shù)據(jù)選擇控制,且可以通過合理配置SN74AHCT139 以及增加CD74HC4515M 的數(shù)量,實現(xiàn)拓展控制觸摸屏中更多觸摸點的功能。降壓模塊以AMS1117 為核心,用于將+5 V 轉(zhuǎn)換為+3.3 V 驅(qū)動多路復(fù)用器模塊。而電壓選擇模塊以MAX333ACUP 為核心,用于控制輸出正反向電壓,該驅(qū)動電路共包含6 個電壓選擇模塊。驅(qū)動電路中的正向電壓模塊和反向電壓模塊設(shè)計分別以TPS61175-Q1 和PTN04050A為核心設(shè)計,設(shè)計過程中需要考慮各元器件參數(shù)選擇。

1.1 反向電壓模塊設(shè)計

反向電壓模塊可以將+5 V 正向電壓轉(zhuǎn)換為-15～-5 V 反向電壓,根據(jù)驅(qū)動電路實際需求,共需兩個反向電壓模塊。其中一個輸出固定-15 V 電壓,用來提供MAX333ACUP 的負電壓源,另一個輸出可調(diào)節(jié)-15～-5 V 電壓,用于提供有源矩陣觸摸屏中薄膜晶體管的關(guān)斷電壓。反向電壓模塊電路設(shè)計原理圖如圖2 所示,輸出反向電壓的大小由RAJ來決定。

圖2 反向電壓模塊電路設(shè)計原理圖Fig.2 Schematic diagram of the circuit design of the reverse voltage module

為了保證輸入輸出電壓的穩(wěn)定,在反向電壓模塊電路的輸入和輸出端分別并聯(lián)一個100 μF 的陶瓷電容。輸出反向電壓-15 V 所需RAJ如下:

式中,VO為反向電壓模塊輸出電壓。輸出電壓為-5 V所需RAJ如下:

根據(jù)反向電壓模塊的輸出要求,可將兩個反向電壓模塊的RAJ用最大阻值為20 kΩ 的電位器代替,實現(xiàn)有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路可調(diào)節(jié)輸出-15～-5 V 的TFT 關(guān)斷電壓。與目前主流有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路相比[5],可以輸出范圍更大的關(guān)斷電壓,使有源矩陣觸摸屏中的TFT 更快進入關(guān)斷狀態(tài)。

1.2 正向電壓模塊設(shè)計與仿真

正向電壓模塊以TPS61175-Q1 為核心,用于將+5 V 轉(zhuǎn)換為+15 V,可同時提供MAX333ACUP 的正電壓源和輸出有源矩陣觸摸屏中薄膜晶體管的導(dǎo)通電壓。正向電壓模塊的電路設(shè)計原理圖如圖3 所示。

圖3 正向電壓模塊電路設(shè)計原理圖Fig.3 Schematic diagram of the circuit design of the forward voltage module

正向電壓模塊中電感器L1大小選擇直接影響正向電壓模塊輸出電壓的穩(wěn)定性以及瞬態(tài)行為和反饋環(huán)路的穩(wěn)定性,選擇為15 μH。為了增加正向電壓模塊的輸出電壓調(diào)節(jié)裕度,正向電壓模塊設(shè)計最大輸出電壓為+15 V,可通過電位器RJ動態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓。當正向電壓模塊輸出電壓VO為+15 V 時,滑動變阻器RI的電阻值RI可通過式(3)計算得:

式中:VFB為TPS61175-Q1 的電壓反饋端FB 端的電壓,為常數(shù)1.229 V。根據(jù)計算結(jié)果選擇最大阻值為100 kΩ 的滑動變阻器RI滿足驅(qū)動電路需求。

正向電壓模塊的電阻R3和電容器C4通過COMP端與TPS61175-Q1 內(nèi)部形成穩(wěn)定的反饋環(huán)路。而COMP 端是TPS61175-Q1 內(nèi)部跨導(dǎo)放大器的輸出,電阻R3和電容器C4組成的反饋回路放大系數(shù)如下:

式中:GEA和REA分別是TPS61175-Q1 內(nèi)部放大器的跨導(dǎo)和輸出電阻,其值分別為340 μS 和10 MΩ。而fZ和fP1的表達式如下:

為了保證正向電壓模塊的放大增益,需fZ＞fP1,為便于計算,將C4設(shè)置為100 pF,則根據(jù)式(5)和式(6)知,需R3＜REA,故R3取值為100 kΩ。基于正向電壓模塊各元器件參數(shù)的確定,其可以通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位器RJ實現(xiàn)+5～+15 V 的導(dǎo)通電壓。與目前主流有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路相比[5],更大的導(dǎo)通電壓輸出范圍可以滿足更多有源矩陣自電容觸摸屏的應(yīng)用,正向電壓模塊+5 V 轉(zhuǎn)+15 V 仿真圖如圖4 所示。

圖4 正向電壓模塊仿真圖Fig.4 Simulation diagram of forward voltage module

1.3 有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路仿真

基于反向電壓模塊與正向電壓模塊設(shè)計完成,對有源驅(qū)動觸摸屏驅(qū)動電路的整體功能進行了仿真驗證,其仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 驅(qū)動電路仿真圖Fig.5 Drive circuit simulation diagram

有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路共有6 個輸入端口。在仿真過程中,設(shè)置反向電壓模塊輸出電壓為-5 V,正向電壓模塊輸出電壓為+15 V,選擇輸入端口IN1～IN5 均輸入低電平0 V,而輸入端口IN6 輸入周期為0.1 s 的高低電平。當IN6 輸入低電平0 V 時,輸出端口OUT1 被選中,輸出+15 V 導(dǎo)通電壓;當IN6 輸入高電平+5 V 時,輸出端口OUT1 未被選中,輸出-5 V關(guān)斷電壓。

2 驅(qū)動電路實驗驗證

為了驗證電路設(shè)計的有效性,有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路經(jīng)過設(shè)計仿真后,借助Arduino UNO 開發(fā)板搭建了實驗驗證平臺。Arduino UNO 開發(fā)板起到選擇控制驅(qū)動電路不同端口輸出+15 V 和-5 V 電壓進而控制有源矩陣觸摸屏觸摸元件工作狀態(tài)的作用。驅(qū)動電路的輸入端地址位由高到低依次為IN2、IN1、IN3、IN4、IN5 以及IN6,實驗驗證中示波器采用100 MHz帶寬的雙通道GWINSTEK。

2.1 驅(qū)動電路雙向電壓控制測試

有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路輸出+15 V 電壓可以使觸摸屏中控制觸摸元件的薄膜晶體管快速進入導(dǎo)通狀態(tài),而輸出-5 V 反向電壓可以使控制觸摸元件的薄膜晶體管快速進入關(guān)斷狀態(tài)。當觸摸屏的觸摸元件被接觸時,被接觸觸摸元件的薄膜晶體管處于關(guān)斷狀態(tài),觸摸元件的觸摸狀態(tài)可以被驗證平臺檢測。而未被接觸觸摸元件的薄膜晶體管進入導(dǎo)通狀態(tài),相應(yīng)地觸摸元件的工作狀態(tài)無法被驗證平臺檢測,有效避免了小尺寸觸摸元件被接觸時手指對周圍觸摸元件產(chǎn)生寄生電容和耦合電容干擾驗證平臺檢測,有利于提高有源矩陣觸摸屏的精確度。圖6 為驅(qū)動電路周期性輸出正向電壓和反向電壓的測試波形圖。

圖6 驅(qū)動電路雙向電壓輸出測試圖Fig.6 Test diagram of bidirectional voltage output of driving circuit

驅(qū)動電路雙向電壓控制測試中,選擇OUT2 輸出端口為測試端。當驅(qū)動電路的輸入端IN1～IN4 輸入低電平0 V,IN6 輸入高電平+5 V 下,控制輸入端口IN3 的輸入周期性高低電平;當端口IN3 輸入低電平0 V,即驅(qū)動電路的選擇控制端輸入“000001”時,OUT2 端口被選中,輸出+15 V 導(dǎo)通電壓。反之,當輸入端口IN3 輸入高電平+5 V 時,OUT3 端口被選中,OUT2 端口輸出-5 V 關(guān)斷電壓。與已有有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路只有固定輸出+5 V 導(dǎo)通電壓和-5 V 關(guān)斷電壓相比,實驗中有源矩陣驅(qū)動電路可輸出0～+15 V 導(dǎo)通電壓,且該驅(qū)動電路可輸出-15～-5 V 關(guān)斷電壓迅速關(guān)斷觸摸屏中的薄膜晶體管,控制觸摸屏中觸摸元件的工作狀態(tài),滿足更多不同類型薄膜晶體管有源矩陣觸摸屏的驅(qū)動。

2.2 驅(qū)動電路輸出電壓動態(tài)調(diào)節(jié)測試

有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路的動態(tài)調(diào)節(jié)功能采用x9c104 數(shù)字電位器模塊作為RJ來實現(xiàn)。將Arduino UNO 開發(fā)板與x9c104 電位器的電阻輸出控制端相連,當有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路的輸出電壓低于有源矩陣觸摸屏中薄膜晶體管的驅(qū)動電壓時,Arduino UNO 開發(fā)板會控制RJ減小電阻,直至有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路對應(yīng)通路滿足有源矩陣觸摸屏中薄膜晶體管的驅(qū)動電壓。圖7 為驅(qū)動電路輸出電壓動態(tài)調(diào)節(jié)測試波形圖。

圖7 驅(qū)動電路輸出電壓動態(tài)調(diào)節(jié)測試圖Fig.7 Test diagram of dynamic adjustment of the output voltage of the drive circuit

驅(qū)動電路輸出電壓動態(tài)調(diào)節(jié)測試中,選擇OUT2 輸出端口為測試端。OUT2 輸出端口輸出合理電壓依序設(shè)置為+15,+9 和+15 V 時,Arduino UNO 開發(fā)板通過編程控制電位器RJ的電阻值依次為40,33370 和40 Ω,驅(qū)動電路的OUT2 輸出端口依次輸出+15,+8.93 和+15 V。表明驅(qū)動電路具有輸出電壓動態(tài)調(diào)節(jié)功能。

3 結(jié)論

本文提出了一種有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路設(shè)計方法,能夠通過檢測觸摸屏中薄膜晶體管的工作狀態(tài)動態(tài)輸出+5～+15 V 的導(dǎo)通電壓和-15～-5 V 的關(guān)斷電壓,從而適應(yīng)采用不同類型薄膜晶體管的有源矩陣觸摸屏功能研究與驗證。與現(xiàn)有驅(qū)動電路相比,本文中有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路具有更高的輸出驅(qū)動電壓,可更快使觸摸屏中的薄膜晶體管達到導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài),且具有動態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓功能,有效避免了觸摸元件被接觸時對周圍觸摸元件產(chǎn)生的寄生電容和耦合電容,有利于提高觸摸屏的分辨率和精確度,同時也為有源矩陣觸摸屏驅(qū)動電路的設(shè)計提供了新的思路。