电容式单触摸传感器设计方案

只看该作者 · 2015-7-26 19:21

单触摸敏感电容式传感器是由开放式电容结构构成，电容极板间形成的电场能被外部具有导电性的物体，如手指等干扰。图 1 为用 PCB 实现电容的实例。焊盘和周围的地之间形成电容，而极板间电场存在于电容上空的区域内。当手指靠近电容上空时，将干扰电场并引起电容的相应变化。

只看该作者 · 2015-7-26 19:22

接地层一般被设计在焊盘的下面，用以屏蔽来自其它电子产品或电路模块的干扰。此类型设计易受 PCB 上的寄生电容和周围环境的影响，比如温度、湿度等。因此，需要长时间的监视系统工作环境的变化。

只看该作者 · 2015-7-26 19:33

基本电容测量
这一节介绍基于RC 充放电原理的基本电容测量方法和所需的硬件。RC 的放电时间能够用来测量传感器中的电容。此方法最早由 1976 年的一个专利（现在已过期）提出。电容式传感器构成了RC电路中的电容。测量时采用一条I/O 线来对电容进行充放电，并当电容的电压超过所设阈值时产生中断。
电容测量过程如下：
1.  电阻的一端接传感器，另一端接地。传感器接到I/O 线。
2.  I/O 端口的输出设为高电平。这样能很快使电容式传感器的电压接近VCC。可以采用定时器记录开始时间。本例中使用Timer 中的计数值。
3.  I/O 设置为输入在下降沿产生中断。然后电阻对电容式传感器放电。
4.  当传感器的电压经过VIL就产生中断。
5.  中断服务程序再次读取计时器并计算放电至电压VIL所需要时间。
6.  微控制器退出低功耗模式继续运行。
放电时间和传感器焊盘的电容容量成正比。因此，为了提供足够的测量精度，RC 放电
必须足够慢。为了确保足够的放电时间，采用接近6 M的电阻。采用这个阻值的电阻，电
容的充电电流只有大约500 nA。因此，I/O 端口的泄漏电流必须很小。
I/O 端口的最大泄漏电流为50  nA，因此比较适合用此方法感应电容容量。端
口1和端口2分别有八个独立的中断线，因此在一个系统中一次最多可以检测16个传感器。
图2描述了为前面描述的方法。图2底部的条状显示了微控制器的活动状况，它在超低
功耗的应用中十分重要。采用构造的检测器每次按键消耗的电流仅为 10  µA 到
20 µA，这在低功耗的遥控器中很重要，因为检测器将一直处于工作状态。

只看该作者 · 2015-7-26 19:34

高阻抗系统虽然有低功耗的优点，但是对噪声很敏感。系统中的噪声主要来自经人体传播的50/60 Hz工频干扰，以及系统电源。可以用两种技术来解决存在的噪声问题。
灵敏度定义为当手指覆盖焊盘时造成的有效电容变化，也称之为Cdelta。

只看该作者 · 2015-7-26 19:54

伪差分测量
图3中采用简单的硬件技术过滤掉共模噪声，并利用充放电时间长度计算电容的大小。
测量值的平均值将用于下一步骤的计算中。
如果快速、连续的执行这两个测量，相对于较慢的共模噪声来说，测量结果的平均值能够被近似为一个差分信号，因此可以用这种方法减小工频噪声。
在测量周期中，对电容冲放电时间测量有不同的阈值电平，因此存在着静态测量误差，并反应为测量电容值的误差。设计的应用是为了检测电容相对于基值或标准值的变化，因此由充放电阈值电平不同给电容测量带来的误差不会对检测产生影响。

只看该作者 · 2015-7-26 19:54

改进的抑制噪声的测量环.

只看该作者 · 2015-7-26 19:59

前级的输出需通过附加的IIR 滤波器。这实际是一个直流追踪滤波器。此滤波器可以滤除所有残余噪声并增加焊盘的灵敏度。虽然降低了测量速度，但提高了系统的整体性能。图为滤波器的结构。