电容式多点触摸传感技术,因具有优异的人机交互用户体验,已在各种智能显示终端中获得广泛应用。在移动通讯和消费电子等应用领域,要求电容式多点触摸传感技术具有低功耗和低成本的特点,以提高电池的续航能力和市场竞争力。而在汽车电子、商业办公、工业控制等领域,要求电容式多点触摸传感技术具有响应速度快和抑制噪声能力强等特点。本论文利用触摸信息的稀疏性特点,提出了基于信息选择的传感系统设计新思路。通过对触摸信息进行选择性采集和处理,显著减小了数据采集和处理规模,降低了系统的硬件和软件设计复杂度,可实现低成本和低功耗的信息感知。同时,由于数据采集和处理规模显著减少,提升了系统的响应速度和可靠性优化空间。论文的主要研究工作和创新点如下。(1)针对现有电容式多点触摸传感系统存在的数据采集量较大、系统成本和功耗较高、性能优化空间受限的问题,提出了具有多维度观测和选择性信息采集特征的触摸预测和窗口采样(Touch Prediction and Window Sensing,TPWS)策略,以及采用线扫描和点扫描的TPWS系统实现方案。TPWS系统首先采用组合观测方法获得有效信息命中概率高、空间分辨率低的预采样数据,通过简单的数据处理实现触摸信息的低成本粗略估计。接着,基于触摸信息的粗略估计结果,采用局部观测方法对估计的可能触摸区域进行选择性信息采集,获得具有较高空间分辨率和较高有效信息命中概率的局部采样数据,然后通过对局部采样数据处理实现触点位置的像素级坐标估计。与现有技术相比,TPWS系统的数据采集和处理规模大幅度降低,检测效率显著提高。理论分析结果表明,对于15英寸触摸屏,TPWS系统相比传统系统的检测效率在单点触摸时最大可提高20倍。(2)针对TPWS系统线测量和点测量时输入信号范围大且不确定的特点,提出了采用电容桥再平衡方法的触摸信号测量技术,以及采用该技术的数字化前端读出电路结构。传统的前端读出电路使用电荷积分器等模拟电路实现触摸信号的线性转换,容易出现输出失真以及难以同时兼顾高测量精度和大测量范围等问题。本文采用电容桥再平衡的测量技术,使用电压比较器作为触摸信号转换的前端,系统的测量精度仅取决于补偿电容器的最小调节步长以及电压比较器的最小分辨电压,系统的测量范围仅取决于补偿电容的大小,通过设计适当的补偿电容调节步长和范围以及比较器的精度,可以保证系统具有较高的测量精度和较大的测量范围,消除了传统模拟测量系统的输出失真问题。本文设计实现了一款适用于TPWS系统的数字化前端读出电路芯片,该芯片具有10位分辨率,27fF最小电容分辨精度,最大13.824pF测量输入范围,单个通道面积仅为0.087mm~2,在较小芯片面积上兼顾了系统测量范围和测量精度的需求。将该芯片应用于一个15寸的触摸屏系统,系统扫描帧率大于83Hz,动态电流消耗小于每测量单元6μA,与现有技术相比,采用TPWS策略的系统在功耗和成本方面都具有明显优势。(3)为了提高TPWS系统的抗干扰能力和响应速度,提出了全驱动差分线测量和差分点测量方法。为了消除显示噪声和开关电源噪声对检测精度的影响,提出了正向并行驱动和负向并行驱动相结合的差分线测量和差分点测量方法,实现了低噪声的信号采集。通过采用全驱动技术,减小了驱动信号在传感器电极上传播时的RC延迟,提高了信息采集速度。本文设计实现了一款基于TPWS策略的低噪声高速度数字化前端读出电路芯片,测试结果表明,采用上述技术后,信噪比从26dB提高至35dB,扫描帧率从83Hz提高到120Hz,系统的信噪比和响应速度均得到显著提升。本论文提出的多维度观测和选择性信息采样方法对于信息稀疏型阵列式传感器的信号采样和处理研究具有一定的理论意义,对于研发电容式多点触摸信息传感系统具有重要的工程实用价值。