用于可靠的電容傳感器接口的模擬前端IC測量方法

隨著(zhù)傳統的機械開(kāi)關(guān)的使用，用戶(hù)使用電容傳感器接口的經(jīng)驗直接與各種工作條件下(可靠性)接觸傳感器的響應(靈敏度)方式相關(guān)。本文將介紹一些當今為開(kāi)發(fā)高質(zhì)量、可靠電容傳感器接口所采用的通用電容傳感器模擬前端測量方法。

靈敏度

電容傳感器的靈敏度由其結構設計所決定，這種方法用來(lái)測量電容并且能夠精確地比較電容相對于預置接觸門(mén)限電平的變化。采用傳統印制電路板(PCB)方法制造的電容傳感器通常具有1 pF～20 pF的測量范圍，從而使其很難準確地檢測微小變化。雖然有幾種測量這些微小值的方法，但采用16 bit電容數字轉換器(CDC)的高精密測量方法仍然具有明顯的優(yōu)勢。

基于傳統的低成本PCB設計的電容傳感器

電容傳感器可以在標準PCB或撓性PCB上采用相同的銅材料用作信號布線(xiàn)。在這兩種情況下，傳感器的最大靈敏度由傳感器的物理尺寸和電介質(zhì)常數與覆蓋材料厚度的組合所決定。例如，帶有5 mm塑料覆蓋材料的3 mm厚傳感器將不如帶有2 mm塑料覆蓋材料的6 mm厚傳感器靈敏。

我們的目標是開(kāi)發(fā)具有正確響應并且滿(mǎn)足人機工程要求的電容傳感器。在某些應用中傳感器可能一定很小，從而在用戶(hù)接觸面上會(huì )產(chǎn)生微小的電容變化。

圖1和圖2示出了在PCB上設計電容傳感器的兩種常用方法。它們示出在用戶(hù)觸摸期間施加激勵信號時(shí)傳感器的響應特性。雖然傳感器的電容根據用戶(hù)接觸變化方式隨這兩種方法而不同，但是傳感器的性能在這兩種情況下可以比較。

激勵電容傳感器

圖1中所示的例子將連續的250 kHz方波激勵信號施加在傳感器的SRC端以在電容傳感器中建立電場(chǎng)。激勵信號在傳感器中建立電場(chǎng)后，該電場(chǎng)會(huì )部分地伸出塑料覆蓋材料。其CIN端連接到CDC。

圖1：AD7142電容傳感器的設計

圖2所示的另外一種電容傳感器設計案例是將一個(gè)恒流源施加到傳感器的A端，B端接地。當用戶(hù)觸摸傳感器時(shí)會(huì )增加額外的手指電容，從而增加了充電周期內RC的上升時(shí)間。

圖2：另一種電容傳感器設計

測量電容傳感器并且檢測傳感器接觸面積

圖3示出一種測量電容的傳統方法。恒流源不斷地為電容傳感器充電以達到比較器的參考門(mén)限電平。當每次電容傳感器達到比較器的參考門(mén)限值時(shí)，比較器將輸出高電平脈沖。然后閉合開(kāi)關(guān)、電容器放電并且復位計數器。

圖3：使用比較器和555定時(shí)器或計數器測量電容的傳統方法

當用戶(hù)接觸傳感器時(shí)，計數器開(kāi)始對電容傳感器充電到比較器參考電平所花的時(shí)鐘周期數進(jìn)行計數。然后將這個(gè)值與預置門(mén)限檢測設置值比較。例如，計數為50表明傳感器有接觸，而小于50表明沒(méi)有接觸。在本例中，當用戶(hù)接觸傳感器時(shí)，其準確度和精密度與參考時(shí)鐘的頻率和驅動(dòng)各種電容傳感器的電流源的可重復性有關(guān)。

圖4：傳統的比較器和555定時(shí)器或計數器的靈敏度門(mén)限電平

圖5所示是一種測量電容的更好的方法，它使用了高分辨率16 bit ADC和250 kHz的激勵源。激勵源不斷產(chǎn)生250 kHz的方波，從而在電容傳感器中建立起電場(chǎng)以及能夠穿透覆蓋材料的磁通量。無(wú)論用戶(hù)何時(shí)接觸傳感器，精密16 bit ADC都能以1fF測量分辨率檢測。其無(wú)需外部控制元件并且自動(dòng)校準，所以可確保不會(huì )發(fā)生由于溫度或濕度變化引起的虛假觸摸。

圖5：AD7142模擬前端

一旦將電容傳感器的輸出數字化后，就可以通過(guò)設置相應的16 bit寄存器很容易設置每個(gè)傳感器的具體檢測門(mén)限電平。其門(mén)限電平可以設置大約在傳感器滿(mǎn)度(FS)輸出值的25%和95.32%之間。

圖6：設置AD7142的靈敏度門(mén)限電平

可靠的電容傳感器接觸口以模擬前端開(kāi)始，該模擬前端必須能夠測量用戶(hù)接觸電容傳感器時(shí)引起的微小輸出變化。新的高集成度CDC允許電容傳感器系統設計工程師受益于集成的具有低功耗、高分辨率Σ-Δ ADC的高性能模擬前端的最近混合信號的技術(shù)進(jìn)步。