去除噪声有妙招：电容式触摸屏应用中的噪声问题
品慧电子讯触摸屏设备经常受到不同噪声源的干扰，随着市场上的充电设备越来越轻薄，噪声也就越来越大。尤其是充电器和显示器噪声，是现如今最常见的噪声源，那么如何解决这些噪声问题呢？请看本文详细解读。
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。
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1)。
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2)。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。
解决噪声问题
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。
提高信噪比的主要方法之一就是采用非常高的发射电压来扫描触摸屏的 传感器。原始SNR与发射电压成正比，因而越大越好。过去，高电压发射对于许多触摸屏控制器来说都一直是个挑战，只能通过采用外部高电压模拟电源(有时这 会大幅增加功耗，而且大多数消费类手持设备都无法支持)才能支持，或者需采用较大且昂贵的外部组件，如开关稳压器等。上述两种方法都会额外增加设备的成 本。而现在，新型触摸屏控制器能通过内部电荷泵生成片上高电压发射。
另一个提高SNR的方法就是采用专门的硬件加速机制。虽然要确保噪声条件下的触摸性能非常重要，但占用很多CPU的资源来运行噪声过滤算法会降低刷新率， 进而提高功耗。通过采用可与CPU并行工作的专有硬件就能保持目标刷新率和功耗，同时提高噪声条件下的信噪比，而赛普拉斯的Tx-Boost技术就是一个 典范，能将现有的SNR提升到3倍高。
触摸传感器的扫描频率会对噪声环境下的触摸性能产生很大影响。如果噪声频率接近扫描面板的频率，就可能造成触摸数据损坏。在此情况下，我们可通过自适应跳 频技术来将扫描频率更改到噪声幅度足够低的水平，避免数据损坏。但是，跳频的效果有限，取决于可选的发射频率范围以及存在噪声的频率范围。一些充电器会在 整个频率范围内释放大量噪声，因而难以找到无干扰的区域。较大充电器噪声的基本频率为1kHz到300kHz，频率较高时谐波幅度则较低。我们可在 300kHz到500kHz范围内采用高频扫描来解决这个问题，从而彻底避免最高幅度噪声频带和最初的一些谐波。另外，这种方法也能在远离LCD噪声频率 范围的情况下改进显示屏的抗噪性。
虽然提高SNR的技术很多，但如果噪声确实非常高，高到完全饱和触摸屏控 制器的接收通道，那么上述改进并不能避免触摸数据损坏。信号处理需要依靠输出线性结果的模拟前端。如果受噪声源耦合到大量电荷的影响，输出持续锁定为最大 值，那么触摸屏可能根本就无法使用。要解决这个问题，我们可提高接收通道的范围，使其能够应对更大量的电荷。这通常会增加额外的芯片面积，也就是说电容更 大。解决这个问题的另一种方法是在接收通道前拆分原始信号，从而降低噪声，但我们也必须注意，这也会将信号与手指本身分离。
显示屏和充电器噪声并不是什么新问题，但噪声较高的充电器和较薄的显示屏确实是触摸屏控制器提高抗噪能力必须要面临的问题。为了应对更高幅度的噪声，今天的控制器采用一系列组合特性来提高信噪比，尽可能避免噪声。说到底，消费者希望设备的触摸性能保持一致，不会因连接充电器或靠近噪声较大的荧光灯而影响性能。随着噪声难题的不断变化，触摸屏控制器也将持续发展，确保提供始终一致的性能。
