Cấu trúc màn hình cảm ứng điện dung
Cảm biến điện dung chiếu điển hình được gắn dưới vỏ thủy tinh hoặc nhựa. Hình 1 cho thấy khung nhìn bên được đơn giản hóa của cảm biến hai lớp. Các điện cực phát (Tx) và máy thu (Rx) được kết nối với oxit thiếc indi trong suốt (ITO) để tạo thành ma trận chéo. Mỗi nút Tx-Rx có điện dung đặc trưng. Tx ITO nằm bên dưới Rx ITO và được ngăn cách bởi một lớp màng polymer hoặc chất kết dính quang học (OCA). Như thể hiện trong hình, hướng của điện cực Tx là từ trái sang phải và hướng của điện cực Rx là từ ngoài vào trong.
Nguyên lý làm việc của cảm biến
Chúng ta hãy phân tích công việc của màn hình cảm ứng mà không xem xét yếu tố nhiễu trong thời điểm này: ngón tay của người vận hành được gắn nhãn là địa chất. Rx được duy trì trong điện thế đất thông qua mạch điều khiển màn hình cảm ứng, trong khi điện áp Tx có thể thay đổi. Điện áp Tx thay đổi làm cho dòng điện đi qua tụ Tx-Rx. Một mạch tích hợp Rx cân bằng cẩn thận sẽ cô lập và đo các điện tích đi vào Rx. Các điện tích đo đại diện cho "điện dung tương hỗ" kết nối Tx và Rx.
Trạng thái cảm biến: chưa được chạm
Hình 2 cho thấy một sơ đồ nguyên lý của đường sức từ ở trạng thái không bị ảnh hưởng. Trong trường hợp không có tiếp xúc ngón tay, các đường từ Tx-Rx chiếm không gian đáng kể trong vỏ bọc. Thuật ngữ "điện dung phóng chiếu" xuất phát từ thực tế là các đường sức từ cạnh được chiếu bên ngoài cấu trúc điện cực.
Trạng thái cảm biến: Chạm
Khi ngón tay chạm vào nắp, các đường sức từ hình thành giữa Tx và ngón tay, thay thế một số lượng lớn từ trường cạnh Tx-Rx, như trong Hình 3. Theo cách này, chạm ngón tay làm giảm điện dung lẫn nhau của Tx-Rx. Mạch đo điện tích nhận ra điện dung thay đổi (Delta C) và phát hiện ngón tay phía trên đường giao nhau Tx-Rx. Bằng cách đo tất cả các giao điểm của ma trận Tx-Rx với Delta C, có thể thu được phân phối cảm ứng của toàn bộ bảng điều khiển.
Hình 3 cũng cho thấy một hiệu ứng quan trọng khác: khớp nối điện dung giữa các ngón tay và điện cực Rx. Thông qua đường dẫn này, nhiễu điện có thể được ghép với Rx. Một số mức độ khớp ngón tay-Rx là không thể tránh khỏi.
Thuật ngữ đặc biệt
Sự giao thoa của màn hình cảm ứng điện dung phóng xạ được tạo ra bởi khớp nối đường dẫn ký sinh không nhạy cảm. Thuật ngữ "mặt đất" thường được sử dụng để chỉ một nút tham chiếu trong mạch DC hoặc kết nối trở kháng thấp với trái đất: chúng không giống nhau. Trong thực tế, đối với các thiết bị màn hình cảm ứng cầm tay, sự khác biệt này là nguyên nhân gốc rễ của sự can thiệp khớp nối cảm ứng. Để làm rõ và tránh nhầm lẫn, chúng tôi sử dụng các thuật ngữ sau để đánh giá nhiễu màn hình cảm ứng.
Trái đất: Kết nối với trái đất, ví dụ, thông qua dây nối đất của ổ cắm điện AC ba lỗ. Trái đất phân tán: Kết nối điện dung giữa các vật thể và trái đất.
DC Ground: Nút tham chiếu DC cho thiết bị di động.
Nguồn DC: Điện áp pin cho thiết bị cầm tay. Hoặc điện áp đầu ra của bộ sạc được kết nối với thiết bị di động, chẳng hạn như Vbus 5V trong bộ sạc giao diện USB.
DC VCC (Bộ nguồn DC VCC): Nguồn cung cấp điện áp ổn định cho các thiết bị điện tử cầm tay (bao gồm LCD và bộ điều khiển màn hình cảm ứng).
Trung tính: Mạch điện xoay chiều (địa chất danh nghĩa).
Nóng: Điện áp nguồn AC, dòng 0 tương đối áp dụng năng lượng điện.
LCD Vcom được ghép nối với mạch nhận màn hình cảm ứng
Màn hình cảm ứng thiết bị di động có thể được cài đặt trực tiếp trên màn hình hiển thị LCD. Trong một kiến trúc LCD điển hình, các vật liệu tinh thể lỏng bị sai lệch bởi các điện cực trên và dưới trong suốt. Các điện cực thấp hơn xác định số lượng pixel đơn của màn hình hiển thị; các điện cực chung phía trên là mặt phẳng liên tục bao phủ toàn bộ mặt trước trực quan của màn hình hiển thị, bị lệch ở điện áp Vcom. Trong một thiết bị cầm tay điện áp thấp thông thường (như điện thoại di động), điện áp AC VCOM là một sóng vuông dao động qua lại giữa DC và 3,3V. Mức AC Vcom thường được chuyển đổi một lần trên mỗi dòng hiển thị, vì vậy tần số của AC Vcom được tạo là 1/2 sản phẩm của tốc độ làm mới khung hiển thị và số lượng hàng. Một thiết bị cầm tay thông thường có thể có tần số AC Vcom là 15 kHz. Hình 4 minh họa điện áp LCD Vcom được ghép nối với màn hình cảm ứng.
Màn hình cảm ứng hai lớp bao gồm một lớp ITO riêng biệt được bao phủ bởi các mảng Tx và Rx, được ngăn cách bởi một lớp điện môi. Các dòng Tx chiếm toàn bộ chiều rộng của khoảng cách mảng Tx và chỉ khoảng cách tối thiểu cần thiết cho chế tạo được phân tách giữa các dòng. Kiến trúc này được gọi là tự bảo vệ vì mảng Tx che chắn mảng Rx khỏi LCD Vcom. Tuy nhiên, khớp nối vẫn có thể xảy ra thông qua không gian giao nhau của các dải Tx.
Để giảm chi phí kiến trúc và đạt được độ trong suốt tốt hơn, màn hình cảm ứng một lớp cài đặt các mảng Tx và Rx trên một lớp ITO duy nhất và lần lượt kết nối các mảng thông qua các cầu nối riêng biệt. Do đó, mảng Tx không thể tạo thành lớp che chắn giữa mặt phẳng LCD Vcom và điện cực Rx cảm biến. Điều này có thể dẫn đến khớp nối nhiễu Vcom nghiêm trọng.
Bộ sạc nhiễu
Một nguồn gây nhiễu màn hình cảm ứng tiềm năng khác là nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi cho bộ sạc điện thoại di động được cấp nguồn. Giao thoa được ghép với màn hình cảm ứng thông qua các ngón tay, như trong Hình 5. Bộ sạc điện thoại di động nhỏ thường có nguồn điện xoay chiều và đầu vào bằng 0, nhưng không có kết nối mặt đất. Bộ sạc được cách ly an toàn, do đó không có kết nối dòng điện trực tiếp giữa đầu vào nguồn và cuộn thứ cấp của bộ sạc. Tuy nhiên, điều này vẫn tạo ra khớp nối điện dung thông qua chuyển đổi cách ly nguồn cung cấp điện. Bộ sạc can thiệp vào đường dẫn trở lại bằng cách chạm ngón tay vào màn hình.
Lưu ý: Trong trường hợp này, nhiễu của bộ sạc liên quan đến điện áp được áp dụng của thiết bị so với mặt đất. Loại nhiễu này có thể được mô tả là nhiễu "chế độ chung" vì sự tương đương của nó trong nguồn cung cấp điện DC và mặt đất DC. Nếu tiếng ồn chuyển đổi giữa nguồn điện DC và mặt đất DC không được lọc đầy đủ, nó có thể ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của màn hình cảm ứng. Vấn đề tỷ lệ từ chối cung cấp điện (PSRR) này là một vấn đề khác, sẽ không được thảo luận trong bài viết này.
Trở kháng khớp nối sạc
Sự can thiệp chuyển mạch của bộ sạc được tạo ra bởi sự ghép điện dung rò rỉ (khoảng 20pF) của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp. Khớp nối điện dung yếu này có thể được bù bằng các tụ shunt ký sinh trong khu vực phân bố tương đối của cáp sạc và thiết bị nhận. Khi thiết bị được chọn, điện dung song song sẽ tăng lên, thường là đủ để loại bỏ nhiễu chuyển đổi của bộ sạc và tránh nhiễu ảnh hưởng đến hoạt động cảm ứng. Khi thiết bị di động được kết nối với bộ sạc và được đặt trên máy tính để bàn và ngón tay của người vận hành chỉ chạm vào màn hình cảm ứng, sẽ có nhiễu trong trường hợp xấu nhất từ bộ sạc.
Chuyển đổi thành phần nhiễu của bộ sạc
Bộ sạc điện thoại di động điển hình sử dụng cấu trúc liên kết mạch flyback. Các dạng sóng nhiễu do bộ sạc tạo ra rất phức tạp và thay đổi rất nhiều với bộ sạc. Nó phụ thuộc vào các chi tiết mạch và chiến lược điều khiển điện áp đầu ra. Biên độ nhiễu cũng thay đổi rất nhiều, tùy thuộc vào nỗ lực thiết kế và chi phí đơn vị của nhà sản xuất trên tấm chắn biến áp chuyển mạch. Các tham số điển hình bao gồm: dạng sóng: bao gồm dạng sóng vuông phức tạp và dạng sóng LC. Tần số: 40 ~ 150 kHz dưới tải định mức, khi tải rất nhẹ, tần số xung hoặc hoạt động chu kỳ nhảy giảm xuống dưới 2 kHz. Điện áp: lên đến một nửa điện áp cực đại của nguồn điện = Vrms / 2.
Thành phần gây nhiễu của bộ sạc điện
Ở đầu trước của bộ sạc, bộ chỉnh lưu điện áp nguồn AC tạo ra đường ray điện áp cao của bộ sạc. Theo cách này, thành phần điện áp chuyển mạch của bộ sạc được đặt chồng lên một nửa sóng hình sin của điện áp nguồn. Tương tự như nhiễu chuyển mạch, điện áp nguồn được ghép với một biến áp cách ly chuyển mạch. Ở tần số 50Hz hoặc 60Hz, tần số của thành phần này thấp hơn nhiều so với tần số chuyển mạch, do đó trở kháng ghép hiệu quả của nó tương ứng cao hơn. Mức độ nghiêm trọng của nhiễu điện áp nguồn cung cấp phụ thuộc vào đặc tính của trở kháng song song mặt đất và độ nhạy của bộ điều khiển màn hình cảm ứng với tần số thấp.
Trường hợp đặc biệt gây nhiễu điện: phích cắm 3 lỗ không nối đất Bộ điều hợp nguồn có công suất định mức cao hơn (như bộ điều hợp AC của máy tính xách tay) có thể được trang bị phích cắm nguồn AC 3 lỗ. Để triệt tiêu EMI đầu ra, bộ sạc có thể kết nối bên trong chân tiếp đất của nguồn điện chính với mặt đất DC của đầu ra. Loại bộ sạc này thường kết nối tụ Y giữa đường lửa và đường zero và mặt đất, do đó triệt tiêu EMI dẫn từ đường dây điện. Giả sử rằng kết nối tồn tại có chủ ý, các bộ điều hợp như vậy sẽ không can thiệp vào các thiết bị màn hình cảm ứng cầm tay được cung cấp bởi PC và kết nối USB. Khung dây nét đứt trong Hình 5 minh họa cấu hình này. Đối với PC và các thiết bị màn hình cảm ứng cầm tay được kết nối USB của nó, nếu bộ sạc PC có đầu vào nguồn ba lỗ được cắm vào ổ cắm điện không được kết nối, sẽ xảy ra trường hợp nhiễu nhiễu bộ sạc đặc biệt. Cặp tụ điện Y cung cấp nguồn AC cho đầu ra DC. Một điện dung Y tương đối lớn có thể ghép điện áp nguồn một cách hiệu quả, điều này làm cho cặp điện áp tần số cung cấp điện lớn hơn thông qua ngón tay trên màn hình cảm ứng có trở kháng tương đối thấp. Tóm tắt bài viết này Ngày nay, màn hình cảm ứng điện dung chiếu được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị cầm tay dễ bị nhiễu điện từ. Điện áp nhiễu từ bên trong hoặc bên ngoài sẽ được ghép với thiết bị màn hình cảm ứng thông qua điện dung. Các điện áp nhiễu này có thể gây ra chuyển động điện tích trong màn hình cảm ứng, điều này có thể gây nhầm lẫn cho phép đo chuyển động điện tích khi ngón tay chạm vào màn hình. Do đó, việc thiết kế và tối ưu hóa hiệu quả hệ thống màn hình cảm ứng phụ thuộc vào việc nhận biết đường dẫn ghép nhiễu và giảm hoặc bù càng nhiều càng tốt. Con đường ghép giao thoa liên quan đến các hiệu ứng ký sinh, chẳng hạn như điện dung cuộn dây máy biến áp và điện dung thiết bị ngón tay. Mô hình hóa các tác động này một cách thích hợp có thể nhận ra đầy đủ nguồn và kích thước của nhiễu. Đối với nhiều thiết bị di động, bộ sạc pin tạo thành nguồn nhiễu chính cho màn hình cảm ứng. Khi ngón tay của người vận hành chạm vào màn hình cảm ứng, điện dung kết quả sẽ khiến bộ sạc can thiệp vào mạch ghép bị tắt. Chất lượng của thiết kế che chắn bên trong bộ sạc và thiết kế nối đất thích hợp của bộ sạc là những yếu tố chính ảnh hưởng đến khớp nối nhiễu của bộ sạc.
