艾凯旋 ,刘云婷 ,刘 洋

(1.中国工程物理研究院 计量测试中心,四川 绵阳 621999;2.电子科技大学电子科学与工程学院,四川 成都 610054)

如今,多点触摸屏是移动应用设备中的主流交互技术之一,按工作原理可分为电阻式触摸屏、光学式触摸屏、投射电容式触摸屏等[1]。其中,投射电容式触摸屏中的互电容触摸屏因其成本较低、精确度较高等特点而被广泛使用[2-3],伴随着触摸屏分辨率要求的不断提高,有源矩阵(Active-Matrix,AM)自电容触摸屏成为了提高触摸屏分辨率的新的研究方向之一。有源矩阵自电容触摸屏将薄膜晶体管(TFT)集成到自电容触摸屏的触摸元件中,每个触摸元件均由薄膜晶体管单独控制,可以很容易实现触摸屏的高分辨率,且避免了“鬼点”问题[4]。针对有源矩阵自电容触摸屏的驱动问题,目前主流的驱动电路可以输出的电压只有+5 V 和-5 V[5]。而在实际使用中,随着触摸屏中触摸元件尺寸的不断减小,触摸屏触摸元件与薄膜晶体管之间的串行通路寄生电阻显著增大,造成薄膜晶体管导通时串行通路寄生电阻的分压显著增大,因此薄膜晶体管往往需要提供一个远大于TFT 的阈值电压。目前已知应用于驱动控制的TFT 的导通电压为+15～+30 V,且该驱动用途为驱动显示器像素点控制,而为了快速关断TFT,需提供一个反向电压使TFT 快速进入截止状态,通常提供-10～-5 V 的关断电压[6]。目前主流的有源矩阵触摸屏驱动电路无法满足绝大部分有源矩阵自电容触摸屏的驱动,对有源矩阵自电容触摸屏的研究验证造成了极大限制。

为便于有源矩阵触摸屏的研究验证,设计了一种有源矩阵自电容触摸屏驱动电路。可以根据触摸屏中不同类型薄膜晶体管的导通特性动态输出范围为+5～+15 V的导通电压和-15～-5 V 的关断电压,且可选择控制单个触摸元件工作状态。

1 驱动电路的设计及仿真

有源矩阵触摸屏驱动电路的工作电压为+5 V,主要功能模块划分为多路复用模块、正向电压模块、反向电压模块、电压选择模块以及降压模块,驱动电路系统连接框图如图1 所示。相比于已有触摸屏驱动电路输出固定电压的设计,有源矩阵触摸屏驱动电路可以根据有源矩阵触摸屏的需求输出+5～+15 V 的导通电压和-15～-5 V 关断电压,有效提高有源矩阵触摸屏中TFT 的开关速度,增强触摸屏人机交互的精确度。

图1 驱动电路系统连接框图Fig.1 The connection block diagram of the drive circuit system

该驱动电路以24 个触摸点的触摸屏为原型设计,可以同时控制24 个触摸元件的工作状态。多路复用器模块采用SN74AHCT139 和CD74HC4515M 组合而成,可实现24 位数据选择控制,且可以通过合理配置SN74AHCT139 以及增加CD74HC4515M 的数量,实现拓展控制触摸屏中更多触摸点的功能。降压模块以AMS1117 为核心,用于将+5 V 转换为+3.3 V 驱动多路复用器模块。而电压选择模块以MAX333ACUP 为核心,用于控制输出正反向电压,该驱动电路共包含6 个电压选择模块。驱动电路中的正向电压模块和反向电压模块设计分别以TPS61175-Q1 和PTN04050A为核心设计,设计过程中需要考虑各元器件参数选择。

1.1 反向电压模块设计

反向电压模块可以将+5 V 正向电压转换为-15～-5 V 反向电压,根据驱动电路实际需求,共需两个反向电压模块。其中一个输出固定-15 V 电压,用来提供MAX333ACUP 的负电压源,另一个输出可调节-15～-5 V 电压,用于提供有源矩阵触摸屏中薄膜晶体管的关断电压。反向电压模块电路设计原理图如图2 所示,输出反向电压的大小由RAJ来决定。

图2 反向电压模块电路设计原理图Fig.2 Schematic diagram of the circuit design of the reverse voltage module

为了保证输入输出电压的稳定,在反向电压模块电路的输入和输出端分别并联一个100 μF 的陶瓷电容。输出反向电压-15 V 所需RAJ如下:

式中,VO为反向电压模块输出电压。输出电压为-5 V所需RAJ如下:

根据反向电压模块的输出要求,可将两个反向电压模块的RAJ用最大阻值为20 kΩ 的电位器代替,实现有源矩阵触摸屏驱动电路可调节输出-15～-5 V 的TFT 关断电压。与目前主流有源矩阵触摸屏驱动电路相比[5],可以输出范围更大的关断电压,使有源矩阵触摸屏中的TFT 更快进入关断状态。

1.2 正向电压模块设计与仿真

正向电压模块以TPS61175-Q1 为核心,用于将+5 V 转换为+15 V,可同时提供MAX333ACUP 的正电压源和输出有源矩阵触摸屏中薄膜晶体管的导通电压。正向电压模块的电路设计原理图如图3 所示。

图3 正向电压模块电路设计原理图Fig.3 Schematic diagram of the circuit design of the forward voltage module

正向电压模块中电感器L1大小选择直接影响正向电压模块输出电压的稳定性以及瞬态行为和反馈环路的稳定性,选择为15 μH。为了增加正向电压模块的输出电压调节裕度,正向电压模块设计最大输出电压为+15 V,可通过电位器RJ动态调节输出电压。当正向电压模块输出电压VO为+15 V 时,滑动变阻器RI的电阻值RI可通过式(3)计算得:

式中:VFB为TPS61175-Q1 的电压反馈端FB 端的电压,为常数1.229 V。根据计算结果选择最大阻值为100 kΩ 的滑动变阻器RI满足驱动电路需求。

正向电压模块的电阻R3和电容器C4通过COMP端与TPS61175-Q1 内部形成稳定的反馈环路。而COMP 端是TPS61175-Q1 内部跨导放大器的输出,电阻R3和电容器C4组成的反馈回路放大系数如下:

式中:GEA和REA分别是TPS61175-Q1 内部放大器的跨导和输出电阻,其值分别为340 μS 和10 MΩ。而fZ和fP1的表达式如下:

为了保证正向电压模块的放大增益,需fZ＞fP1,为便于计算,将C4设置为100 pF,则根据式(5)和式(6)知,需R3＜REA,故R3取值为100 kΩ。基于正向电压模块各元器件参数的确定,其可以通过调节数字电位器RJ实现+5～+15 V 的导通电压。与目前主流有源矩阵触摸屏驱动电路相比[5],更大的导通电压输出范围可以满足更多有源矩阵自电容触摸屏的应用,正向电压模块+5 V 转+15 V 仿真图如图4 所示。

图4 正向电压模块仿真图Fig.4 Simulation diagram of forward voltage module

1.3 有源矩阵触摸屏驱动电路仿真

基于反向电压模块与正向电压模块设计完成,对有源驱动触摸屏驱动电路的整体功能进行了仿真验证,其仿真结果如图5 所示。

图5 驱动电路仿真图Fig.5 Drive circuit simulation diagram

有源矩阵触摸屏驱动电路共有6 个输入端口。在仿真过程中,设置反向电压模块输出电压为-5 V,正向电压模块输出电压为+15 V,选择输入端口IN1～IN5 均输入低电平0 V,而输入端口IN6 输入周期为0.1 s 的高低电平。当IN6 输入低电平0 V 时,输出端口OUT1 被选中,输出+15 V 导通电压;当IN6 输入高电平+5 V 时,输出端口OUT1 未被选中,输出-5 V关断电压。

2 驱动电路实验验证

为了验证电路设计的有效性,有源矩阵触摸屏驱动电路经过设计仿真后,借助Arduino UNO 开发板搭建了实验验证平台。Arduino UNO 开发板起到选择控制驱动电路不同端口输出+15 V 和-5 V 电压进而控制有源矩阵触摸屏触摸元件工作状态的作用。驱动电路的输入端地址位由高到低依次为IN2、IN1、IN3、IN4、IN5 以及IN6,实验验证中示波器采用100 MHz带宽的双通道GWINSTEK。

2.1 驱动电路双向电压控制测试

有源矩阵触摸屏驱动电路输出+15 V 电压可以使触摸屏中控制触摸元件的薄膜晶体管快速进入导通状态,而输出-5 V 反向电压可以使控制触摸元件的薄膜晶体管快速进入关断状态。当触摸屏的触摸元件被接触时,被接触触摸元件的薄膜晶体管处于关断状态,触摸元件的触摸状态可以被验证平台检测。而未被接触触摸元件的薄膜晶体管进入导通状态,相应地触摸元件的工作状态无法被验证平台检测,有效避免了小尺寸触摸元件被接触时手指对周围触摸元件产生寄生电容和耦合电容干扰验证平台检测,有利于提高有源矩阵触摸屏的精确度。图6 为驱动电路周期性输出正向电压和反向电压的测试波形图。

图6 驱动电路双向电压输出测试图Fig.6 Test diagram of bidirectional voltage output of driving circuit

驱动电路双向电压控制测试中,选择OUT2 输出端口为测试端。当驱动电路的输入端IN1～IN4 输入低电平0 V,IN6 输入高电平+5 V 下,控制输入端口IN3 的输入周期性高低电平;当端口IN3 输入低电平0 V,即驱动电路的选择控制端输入“000001”时,OUT2 端口被选中,输出+15 V 导通电压。反之,当输入端口IN3 输入高电平+5 V 时,OUT3 端口被选中,OUT2 端口输出-5 V 关断电压。与已有有源矩阵触摸屏驱动电路只有固定输出+5 V 导通电压和-5 V 关断电压相比,实验中有源矩阵驱动电路可输出0～+15 V 导通电压,且该驱动电路可输出-15～-5 V 关断电压迅速关断触摸屏中的薄膜晶体管,控制触摸屏中触摸元件的工作状态,满足更多不同类型薄膜晶体管有源矩阵触摸屏的驱动。

2.2 驱动电路输出电压动态调节测试

有源矩阵触摸屏驱动电路的动态调节功能采用x9c104 数字电位器模块作为RJ来实现。将Arduino UNO 开发板与x9c104 电位器的电阻输出控制端相连,当有源矩阵触摸屏驱动电路的输出电压低于有源矩阵触摸屏中薄膜晶体管的驱动电压时,Arduino UNO 开发板会控制RJ减小电阻,直至有源矩阵触摸屏驱动电路对应通路满足有源矩阵触摸屏中薄膜晶体管的驱动电压。图7 为驱动电路输出电压动态调节测试波形图。

图7 驱动电路输出电压动态调节测试图Fig.7 Test diagram of dynamic adjustment of the output voltage of the drive circuit

驱动电路输出电压动态调节测试中,选择OUT2 输出端口为测试端。OUT2 输出端口输出合理电压依序设置为+15,+9 和+15 V 时,Arduino UNO 开发板通过编程控制电位器RJ的电阻值依次为40,33370 和40 Ω,驱动电路的OUT2 输出端口依次输出+15,+8.93 和+15 V。表明驱动电路具有输出电压动态调节功能。

3 结论

本文提出了一种有源矩阵触摸屏驱动电路设计方法,能够通过检测触摸屏中薄膜晶体管的工作状态动态输出+5～+15 V 的导通电压和-15～-5 V 的关断电压,从而适应采用不同类型薄膜晶体管的有源矩阵触摸屏功能研究与验证。与现有驱动电路相比,本文中有源矩阵触摸屏驱动电路具有更高的输出驱动电压,可更快使触摸屏中的薄膜晶体管达到导通状态和关断状态,且具有动态调节输出电压功能,有效避免了触摸元件被接触时对周围触摸元件产生的寄生电容和耦合电容,有利于提高触摸屏的分辨率和精确度,同时也为有源矩阵触摸屏驱动电路的设计提供了新的思路。